寶馬公司3L 雙渦輪增壓均質(zhì)燃燒直噴式汽油機(jī)介紹(一)

◆文/江蘇 范明強(qiáng)

寶馬公司的渦輪增壓汽油機(jī)已具有悠久的歷史。1974年推出的BMW 2002 Turbo型轎車是世界上第一輛裝用渦輪增壓汽油機(jī)的量產(chǎn)汽車(圖1)。1980年搭載3.2L-6缸渦輪增壓汽油機(jī)的745i轎車成為當(dāng)時車型型譜中的頂級車型。1983年公司又通過廢氣渦輪增壓使1.5L排量的汽油機(jī)的功率高達(dá)735kW以上，搭載于一級方程式世界冠軍賽車上。但是，當(dāng)時的渦輪增壓汽油機(jī)卻存在燃油耗高和加速響應(yīng)性能不良的致命弱點(diǎn)，這是寶馬公司自從上世紀(jì)80年代末開始放棄繼續(xù)開發(fā)渦輪增壓汽油機(jī)的主要原因。

經(jīng)過20多年的技術(shù)進(jìn)步，寶馬公司采用現(xiàn)代汽油缸內(nèi)直接噴射和雙渦輪增壓(或單渦輪增壓機(jī)型則采用雙蝸道渦輪增壓器)技術(shù)成功地克服了以往渦輪增壓汽油機(jī)的不足。由于汽油直接噴入汽缸，燃油蒸發(fā)對燃燒室內(nèi)充量起到了冷卻作用，可明顯提高壓縮比，從而提高了熱效率和最大功率，同時由于增壓器采用了耐高溫材料，因而為全負(fù)荷時降低燃燒溫度而需要的混合汽加濃量也明顯減少，顯著降低了燃油耗，而雙渦輪增壓可應(yīng)用慣性矩明顯較小的小型增壓器，又明顯改善了加速響應(yīng)性能，從而使渦輪增壓直噴式汽油機(jī)成為具有高效動力性能的機(jī)型，開啟了渦輪增壓汽油機(jī)的嶄新時代。

一、發(fā)動機(jī)的主要特點(diǎn)

這種3.0L雙渦輪增壓均質(zhì)燃燒直噴式汽油機(jī)(圖2)是寶馬公司6缸汽油機(jī)系列中的頂級機(jī)型，它在適當(dāng)提高發(fā)動機(jī)功率的同時，特別使扭矩有了明顯的提高，其最大扭矩達(dá)到了原4.0L-8缸機(jī)的水平，并且其轉(zhuǎn)速范圍明顯寬廣得多，因這種直列6缸汽油機(jī)無不平衡的慣性力和慣性力矩而具有良好的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，其最大轉(zhuǎn)速可達(dá)到7 000r/min，而且獲得了類似于自然吸氣汽油機(jī)那樣良好的加速響應(yīng)性和有利的燃油耗。同時，為了廣泛應(yīng)用于寶馬公司汽車型譜中，對發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)空間尺寸和重量也提出了很高的要求。該機(jī)型可搭載于寶馬公司的各種車型系列，至今已生產(chǎn)了50多萬臺，并可提供滿足更嚴(yán)厲的特超低排放汽車(SULEV)排放限值的機(jī)型。這種新機(jī)型首先搭載于BMW 335i運(yùn)動型雙座轎車，使其獲得了靈活的駕駛機(jī)動性(圖3)。

圖1 寶馬公司轎車汽油機(jī)渦輪增壓和汽油直接噴射的發(fā)展歷程

該機(jī)型的主要特點(diǎn)是：

第二代高精度汽油缸內(nèi)直接噴射和壓電噴油器；

噴油器和火花塞布置在燃燒室中央，實(shí)現(xiàn)可靠的均質(zhì)燃燒；

雙渦輪增壓，兩只小型廢氣渦輪增壓器分別由3個汽缸的排氣來驅(qū)動；

優(yōu)化的氣體流動導(dǎo)向和高效的增壓空氣冷卻；

采用進(jìn)排氣側(cè)雙凸輪軸相位調(diào)節(jié)器；

帶有電控真空膜盒的渦輪廢氣放氣閥按運(yùn)行工況點(diǎn)對增壓壓力進(jìn)行電子控制調(diào)節(jié)；

具備寶馬公司獨(dú)特的控制、調(diào)節(jié)、自診斷和自適應(yīng)功能，并輔以專門為該汽油機(jī)優(yōu)化的變速器控制。

圖2 寶馬6缸3.0L雙渦輪增壓均質(zhì)燃燒直噴式汽油機(jī)

圖3 BMW 335i轎車3.OL雙渦輪增壓直噴式汽油機(jī)汽油機(jī)的功率和扭矩特性曲線

二、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

這種新型6缸雙渦輪增壓直噴式汽油機(jī)是以2004年推出的直列6缸汽油機(jī)型為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計而成的。汽缸體曲軸箱及其主軸承座框架底板仍采用鋁(AL226)壓鑄工藝制成，但是因活塞速度和燃燒室溫度已提高，在汽缸體中鑲鑄入了一個外圓表面噴涂鋁(為使鑄鐵汽缸套與鋁汽缸體結(jié)合得更好起見)的灰鑄鐵汽缸套。

曲柄連桿機(jī)構(gòu)的外形尺寸已經(jīng)加大，同時汽缸直徑已縮小到84mm，而活塞行程則加大到89.6mm，此外采用鍛鋼曲軸替代鑄造曲軸，而壓縮比也從10.7:1降低到10.2:1。

由于采用汽油缸內(nèi)直接噴射，汽缸蓋必須重新設(shè)計。不僅要將壓電噴油器布置在汽缸中央位于火花塞附近，有利于實(shí)現(xiàn)可靠的均質(zhì)燃燒，而且還必須將原來2004年6缸機(jī)型進(jìn)氣側(cè)的無級氣門升程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改為帶有雙凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的傳統(tǒng)氣門傳動機(jī)構(gòu)。

由于曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷加重，發(fā)動機(jī)艙的溫度提高，迄今所應(yīng)用的橡膠扭振減振器(輪轂與輪緣之間用橡膠混合物來結(jié)合)已經(jīng)無法正常工作，而應(yīng)用了一種粘性曲軸扭振減振器來替代。這種粘性曲軸扭振減振器的輪轂與輪緣之間起液力傳遞作用的面積已采用附加的梳齒形輪廓予以加大。

冷卻系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是采用了可按需要調(diào)節(jié)的電動水泵，其最大驅(qū)動功率為400W，最突出的優(yōu)點(diǎn)是在發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速工況時可大大降低水泵消耗的功率，并且在發(fā)動機(jī)暖機(jī)時可迅速加熱冷卻液。除此之外，對渦輪增壓發(fā)動機(jī)而言還具有這樣的優(yōu)點(diǎn)：即在發(fā)動機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時廢氣能量不足的情況下停止增壓器的冷卻水循環(huán)。

潤滑系統(tǒng)則采用了體積流量可調(diào)的機(jī)油泵，有助于進(jìn)一步降低燃油耗，同時還配備了一個位于車輪罩上的外部風(fēng)冷式機(jī)油冷卻器。

廢氣裝置必須首先優(yōu)先考慮降低排氣背壓，因此廢氣管路采用了較粗的管子(d=60mm)連接到兩個大容量的消音器。為了凈化廢氣，除了兩個近發(fā)動機(jī)催化器之外，還采用了兩個400目(孔/英寸2)陶瓷載體的地板下催化轉(zhuǎn)化器。表1中列出了這種新發(fā)動機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

表1 主要技術(shù)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

三、燃燒過程和換氣

1.汽油直接噴射

該機(jī)將汽油缸內(nèi)直接噴射與廢氣渦輪增壓結(jié)合起來，開創(chuàng)出了一系列的重要優(yōu)點(diǎn)。首先，將燃油直接噴入燃燒室，燃油蒸發(fā)的汽化潛熱降低了爆震傾向，可以明顯地提高壓縮比。上世紀(jì)70和80年代時寶馬公司的增壓汽油機(jī)還只能采用6.9～7.0的壓縮比，而這種新型雙渦輪增壓汽油機(jī)的壓縮比提高到了10.2，已進(jìn)入當(dāng)今自然吸氣汽油機(jī)壓縮比的范圍。這樣高的壓縮比除了能獲得較高的扭矩得益之外，還明顯改善了燃燒過程效率，從而能使其燃油耗比進(jìn)氣道噴射增壓汽油機(jī)降低了多達(dá)10%。

同時，采用了能承受1 050℃高溫的廢氣渦輪，因此在高功率工況時無需額外加濃混合汽以降低燃燒溫度，而能以有利于降低燃油耗的混合汽運(yùn)行。

2.應(yīng)用雙凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的效果

在大約2 500r/min時，廢氣渦輪增壓器處于產(chǎn)生正掃氣壓差狀態(tài)，也就是說進(jìn)氣管壓力高于廢氣背壓。在這種狀況下，在氣門重疊期間進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)的油氣混合汽就會進(jìn)入排氣道而被損失掉，而缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)卻可利用雙凸輪軸相位調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)氣門重疊來掃除缸內(nèi)的殘余廢氣，這在增壓度較高的情況下將有利于提高抗爆性以及獲得相應(yīng)較好的能量轉(zhuǎn)換。為了避免掃氣損失，當(dāng)排氣門關(guān)閉后才將燃油噴入汽缸。

在低速高負(fù)荷情況下，進(jìn)氣結(jié)束得較早的凸輪軸相位可提高充氣效率，因而就能提高扭矩，并增大廢氣流量，這樣就有利于為廢氣渦輪提供較多的能量，從而使壓氣機(jī)從非常低的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速起就有可利用的驅(qū)動功率，再加上渦輪具有較高的效率，因而該汽油機(jī)獲得了非常突出的低速扭矩：從1 000r/min起就已顯現(xiàn)出增壓的效果，而從1 300r/min起就達(dá)到了最大扭矩400N·m。

3.噴油策略

噴油器的類型及其在燃燒室中的布置是直噴式汽油機(jī)的關(guān)鍵因素。該機(jī)采用高精度噴射的壓電噴油器，并布置在燃燒室中央緊靠著火花塞(圖4)，它噴射出的90°錐形油束擴(kuò)展到燃燒室的較大空間而并沒有碰到燃燒室壁面。噴油器油束緊貼著火花塞就能通過適當(dāng)?shù)膰娪投〞r在油束外圍有針對性地形成局部濃混合汽，并增強(qiáng)點(diǎn)火部位的紊流運(yùn)動能量，有助于實(shí)現(xiàn)快速點(diǎn)火燃燒。

由于噴油器具有非常迅速的開關(guān)特性(最短的開始噴油時間可達(dá)0.1ms)和高的靜態(tài)流量值(在20MPa噴油壓力下最多可達(dá)約30g/s)，因此在噴油策略方面可獲得很大的自由度。根據(jù)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速和溫度，可將噴油量在整個進(jìn)氣和壓縮行程期間任意分成多達(dá)3次噴射。在小負(fù)荷工況時只需進(jìn)氣行程期間的單次噴油脈沖就足以獲得均勻的油氣混合汽，而在熱機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時與油束幾何形狀匹配的熱的活塞頂面有助于燃油的汽化。

在低速高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)工況時，將噴油量分成2次或3次噴射，這樣就能夠在盡可能少濕壁的情況下獲得非常均勻的油氣混合汽。圖5所示為在發(fā)動機(jī)特性曲線場范圍內(nèi)多次噴射的應(yīng)用情況。

在高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)工況時，廢氣渦輪增壓會使汽缸內(nèi)的殘余廢氣含量增加而對爆震傾向和燃燒持續(xù)時間產(chǎn)生不良的影響。出于這方面的原因，同時為了改善其余運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和燃油耗，將進(jìn)氣道設(shè)計成能夠在燃燒室中產(chǎn)生有針對性的滾流流動的形狀，這樣就能加速燃燒，再加上所選擇的廢氣渦輪增壓器設(shè)計，就能夠獲得所必需的功率，并改善熱效率，因此該汽油機(jī)能提供225kW的最大功率，并達(dá)到了300g/kWh的突出的比油耗。

4.應(yīng)用高精度噴射改善排放

除了前面已經(jīng)談到的高精度噴射用于發(fā)動機(jī)熱機(jī)均質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)的潛力之外，直接噴射的自由度特別對于發(fā)動機(jī)的排放性能具有重要的意義。針閥向外開啟的噴油器形成對稱的油束擴(kuò)展，一方面為油束在燃燒室內(nèi)的自由擴(kuò)展創(chuàng)造了最佳的邊界條件，另一方面這樣的配置存在著特別適合于油束引導(dǎo)型分層燃燒過程的潛力。

圖4 燃燒室布置(噴油器、火花塞、活塞和油束)

圖5 噴射模式：單次、雙次和三次噴射的特性曲線場范圍

圖6 高精度噴射降低廢氣排放的潛力

圖7 壓電噴油器剖視圖

圖8 壓電噴油器與火花塞的布置

催化轉(zhuǎn)化器迅速達(dá)到起燃溫度對于達(dá)到排放限值具有決定性的意義，而這對廢氣渦輪增壓發(fā)動機(jī)就存在著挑戰(zhàn)，因?yàn)樵诖呋D(zhuǎn)化器前的廢氣管路中渦輪已將大部分的廢氣熱焓取走，而不能用來加熱催化器。為了對此進(jìn)行補(bǔ)償，與自然吸氣發(fā)動機(jī)相比，廢氣渦輪增壓發(fā)動機(jī)在需要加熱催化轉(zhuǎn)化器的特定的運(yùn)轉(zhuǎn)工況時要加大噴油量，同時在發(fā)動機(jī)啟動以后要增加供應(yīng)燃燒的空氣質(zhì)量，并將點(diǎn)火時刻向后延遲，以便使輸出扭矩值仍降低到原來所要求的大小，這樣就獲得了非常大的廢氣質(zhì)量流量，而且由于點(diǎn)火時刻延遲使其具有極高的廢氣溫度，催化轉(zhuǎn)化器就能被迅速地加熱。

即使是稀薄混合汽調(diào)節(jié)，甚至是點(diǎn)火上止點(diǎn)后40°曲軸轉(zhuǎn)角這樣非常晚的點(diǎn)火時刻，高精度噴射也能夠獲得穩(wěn)定的燃燒過程，而且在這種運(yùn)轉(zhuǎn)工況下非常關(guān)鍵的HC排放也極低。通過在靠近點(diǎn)火時刻時在主噴射油量外附加噴射非常小的油量來達(dá)到必要的燃燒穩(wěn)定性，由于在火花塞附近的這種附加加濃，使得略稀的基礎(chǔ)混合汽能夠可靠地燃燒，而其中第2次噴射的持續(xù)時間只有0.15ms。圖6所示為高精度缸內(nèi)直接噴射和進(jìn)氣道噴射排放潛力和催化轉(zhuǎn)化器加熱運(yùn)轉(zhuǎn)工況噴射模式的定性比較。

四、噴油系統(tǒng)

為了減少方案的多樣性，降低開發(fā)費(fèi)用，并充分利用通用性的效果，這種均質(zhì)燃燒增壓發(fā)動機(jī)和未來的分層燃燒自然吸氣發(fā)動機(jī)配備相同的噴油系統(tǒng)，因此必須新開發(fā)一種高精度噴油器來滿足這兩種用途的所有要求。

1.壓電噴油器

這種噴油系統(tǒng)由西門子威迪歐(Siemens VDO)公司開發(fā)并批量生產(chǎn)，其特點(diǎn)是壓電噴油器(圖7)位于燃燒室中央(圖8)。這種壓電噴油器的最重要的元件是壓電執(zhí)行器、由壓電執(zhí)行器直接操縱的向外開啟的針閥和機(jī)油阻尼熱補(bǔ)償器等。這種結(jié)構(gòu)型式的最大特點(diǎn)在于具有高的抗結(jié)焦能力和非常短的開關(guān)時間(200μs)，并能夠?qū)崿F(xiàn)多次噴射以及噴嘴針閥的全升程和部分升程。這些可變性使得新開發(fā)的渦輪增壓直噴式汽油機(jī)在使用這種噴油系統(tǒng)時具有更大的自由選擇空間，例如在暖機(jī)時能夠采用稀薄燃燒大大加快催化器的加熱，而在高負(fù)荷時采用多次噴射減少燃油濕壁和機(jī)油稀釋現(xiàn)象。壓電噴油器與火花塞橫向交叉布置在汽缸蓋上，壓電噴油器位于進(jìn)氣側(cè)，而火花塞則位于排氣側(cè)。事實(shí)已經(jīng)證明，這種布置型式是滿足燃燒過程、汽缸蓋幾何狀況和使用壽命等方面要求的最佳折中。但是，由于在汽缸蓋上熱負(fù)荷很高的部位附加了這些部件，大大提高了對汽缸蓋冷卻設(shè)計的要求。

由于壓電執(zhí)行器直接操縱向外開啟的針閥的開關(guān)時間非常短，因此應(yīng)特別重視減少其噪聲的輻射。為了盡可能減少噴油器固體聲激勵傳入汽缸蓋，噴油器不是直接而是經(jīng)過一個起隔離作用的金屬絲編織墊圈壓緊在汽缸蓋上的。

2.燃油泵

采用一個3缸軸向柱塞泵來供應(yīng)燃油，其中有燃油流過的高級合金鋼泵體對乙醇具有高度的兼容性，可在全世界范圍內(nèi)應(yīng)用。該泵帶有一個油量控制閥，由發(fā)動機(jī)電控單元通過脈寬調(diào)制信號來控制其開閉，以實(shí)現(xiàn)燃油壓力和泵油量的綜合調(diào)節(jié)。以這種工作方式調(diào)節(jié)燃油壓力，就無須控制全部泵油量，而只需控制通過油量控制閥縫隙的泄油量即可。這種有效的調(diào)節(jié)技術(shù)使得在20MPa噴油壓力下也無須燃油冷卻器。

高壓燃油泵由真空泵(在Valvetronic全可變配氣機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)上)或曲軸-機(jī)油泵-真空泵三角形鏈傳動機(jī)構(gòu)來傳動，并由油箱內(nèi)的調(diào)速電動泵提供最高達(dá)0.5 MPa的初級輸油壓力。從高壓燃油泵出來的高壓燃油進(jìn)入帶有壓力傳感器的燃油共軌，再經(jīng)過各缸的高壓油管分別輸入相應(yīng)的噴油器(圖9)。

圖9 噴油系統(tǒng)