BMW公司特超低排放車用2.0 L渦輪增壓4缸汽油機

【德】 Klauer N Zülch C Schwarz C Schünemann E

1 特超低排放車用渦輪增壓汽油機面臨的挑戰

隨著低排放車Ⅱ（LEVⅡ）標準的實施，美國加利福尼亞州大氣資源局（CARB）已推出全球最嚴格的排放標準，即特超低排放車（SULEV）標準（圖1），CARB排放法規不僅適用于加利福尼亞州，而且適用于美國其他各州。對于近零排放車許可證來說，SULEV限值必須保持15年或150 000 mile①為了符合原著本思，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。以上。此外，汽車不允許出現任何燃油蒸發排放，且必須滿足兩級車載診斷法規的規定。計劃從2015年開始引人LEVⅢ排放標準，排放限值將進一步收緊。已執行和計劃中的車隊有害物排放限值要求達到SULEV限值的汽車比例越來越大。因此，SULEV將成為美國的標準車型。

達到SULEV排放限值的關鍵在于冷起動和接著的催化轉化器加熱運行階段，即在排放測試的初始30 s內將排出絕大部分的有害污染物。其原因是冷態發動機原始排放水平較高，而催化轉化器在達到起燃溫度前轉化率為零或很低。排放測試開始時，催化轉化器加熱運行的目的是，在原始排放盡可能少且運行平衡的條件下，利用排氣盡可能快地把它加熱到起燃溫度。在此背景下，渦輪增壓發動機將面臨嚴峻的挑戰，因為廢氣渦輪增壓器對于流向催化轉化器的排氣來說將產生附加熱損失，會相應推遲達到起燃溫度的時間。本文介紹BMW公司采用創新的方法來解決廢氣排放問題，同時滿足了用戶其他要求，諸如駕車樂趣多與燃油耗少之間的目標沖突。

2 實現低排放理念的燃燒系統

為了獲得高動力性、低燃油耗，并具有更多的駕車樂趣，目前和將來的BMW轎車汽油機和柴油機都將應用雙渦輪技術。汽油機燃燒系統利用所謂的“渦輪增壓可變氣門直接噴射”（TVDI）實現低排放（圖2）。這種燃燒系統自2009年起就被用于BMWTVDI 6缸汽油機中，現將推廣到BMW公司的所有汽油機上。這種新型SULEV渦輪增壓汽油機的基本型是2011年推出的BMW 2.0 L 4缸汽油機。采用TVDI燃燒系統，可降低全球BMW公司發動機的燃油耗，同時獲得BMW標識的駕車動力性，而不依賴于當地的燃油品質。此外，用TVDI獲得的自由度進一步為低排放理念提供了有利的前提條件。

與進氣道噴射汽油機相比，采用中央布置噴油器的直接噴射由于每個工作循環的噴油脈沖數和持續時間十分靈活，可以明顯推遲點火時刻，從而使催化轉化器更快加熱。這里采用了2次噴油的稀燃加熱催化轉化器。第1次噴油在進氣階段進行，是主噴油，產生基本的均質稀混合氣。噴油量較少的第2次噴油緊跟著點火時刻，以提高已燃的較稀基本混合氣紊流強度，加速或穩定燃燒，從而可以應用很晚的點火時刻。稀燃運行有可能與廢氣中過量的氧發生過后反應，從而提高排氣溫度，降低原始的一氧化碳和碳氫化合物（HC）排放。

除了為實施ULEV標準法規對催化轉化器加熱之外，通過把噴油壓力從12 MPa提高到20 MPa，并利用優化換氣過程進一步改善性能。圖3表示穩態冷卻催化轉化器加熱運行時實測的催化轉化器前原始排放量和排氣溫度。提高噴油壓力及改善燃油霧化，明顯減少了顆粒（PM）排放。當然，較高的噴油壓力使燃油射束沖量加大，造成噴注貴穿度增加，從而加劇濕壁效應，導致HC排放增加。通過利用TVDI燃燒系統的氣門可變性，提高燃燒室中殘余廢氣含量，可補償由于噴油壓力提高造成的HC增加。燃燒室中殘余廢氣含量非常高，以至充量溫度提高，這有利于燃油的汽化和混合氣形成，使HC和PM排放較低。NOx排放的優勢主要在于燃燒較慢和最高燃燒溫度較低。較后的燃燒放熱率圖形心位置使排氣溫度提高，這在不影響運行平順性的前提下，使所有的原始排放得到改善，同時加速了催化轉化器起燃。

圖4表示TVDI燃燒系統與競爭對手兩者的催化轉化器加熱運行比較，并以相對氣缸工作容積歸一化的形式表示HC排放質量流與排氣焓流的關系。催化轉化器加熱運行的優化目標是在盡可能少的HC原始排放下實現最大的排氣焓流。顯然，采用中央布置多孔噴油器的TVDI燃燒系統獲得了壓電直噴燃燒系統的最好結果。在新型2.0 L TVDI 4缸汽油機中，催化轉化器被功率22 k W的排氣加熱。

3 點火噴油的最小油量功能和優化潛力

為能在整個汽車壽命期內可靠地得出點火噴油所需的小油量，要引人一種功能，即通過調節算法和自適應算法控制多孔噴油器特性曲線沖擊區中的針閥開啟持續期，以及決定噴油量的參數（圖5）。從噴油器的電控特性決定針閥的開啟和關閉時刻，從而求出其開啟持續期。如果這個持續期與預定值有偏差，則用電控修正。由此能夠在汽車整個壽命期內十分精確地提供TVDI催化轉化器加熱運行所需的最小油量。

要降低催化轉化器加熱運行時的PM排放，特別是在歐6排放法規的背景下，優化點火噴油量起著決定性的作用。這里提及的最小油量功能具有很大優勢，因為它能夠重復給出極小的噴油量。圖6（a）和圖6（b）表示未經優化的點火噴油量，以及緊接著的擴散燃燒很多的燃燒情況。可以看出，燃油噴注貴穿度比較大，導致活塞濕壁，并造成碳煙較多的燃燒。經優化后大大縮短的點火噴油避免了活塞濕壁。在燃燒室中央富油區產生的擴散火焰明顯減弱。這一比較表明，經對點火噴油量優化后，PM排放大大減少。通過優化布置噴油器噴孔，能夠進一步改善促使原始排放顯著減少的混合氣均質化。

4 催化轉化器加熱運行期間排氣熱損失的最小化

除了優化燃燒系統外，催化轉化器前排氣熱損失的最小化對于實現SULEV排放限值來說是重要的前提。如上所述，渦輪增壓器作為催化轉化器前的附加熱流出口面臨著嚴峻的挑戰，因為它將顯著延遲催化轉化器的起燃。從圖7可見，排氣經過渦輪增壓器之后溫度會降低300 K。大量的熱損失主要是由從排氣向渦輪增壓器渦殼和葉輪大表面傳熱造成的。

在催化轉化器加熱運行期間，如果能有盡可能多的排氣直接流經放氣閥（繞過渦輪），那么，就可減少熱損失。此外，從放氣閥流道流出的排氣流要盡可能不與壁面直接接觸地流到催化轉化器。通過利用計算流體動力學（CFD）進行仔細優化，首先盡量使放氣閥流道的人流和通流最大化。放氣閥的最大開啟角從25°增大到45°。為此，應用了電控器，它還具有其他功能優勢。上述措施使通過放氣閥的排氣質量流量比例從40%大幅提高到70%。將放氣閥在渦輪殼體上合理定向，把催化轉化器布置在渦輪附近，以大大減小從放氣閥通道到催化轉化器前面的排氣流動熱損失。

這一措施的實施，使催化轉化器前的排氣溫度（按CFD仿真）提高200 K以上。所進行的優化被汽車試驗所證實。經優化的方案在冷起動后的排氣溫度要比基本型高220 K。

5 廢氣渦輪增壓器模塊的結構設計

新型SULEV汽油機采用整體結構的廢氣渦輪增壓器模塊（圖8），除了已提及的電控放氣閥調節器外，結構上與符合歐洲經濟委員會排放法規和ULEV方案的模塊相同。4支排氣歧管匯流到2支排氣歧管，它們由金屬板制成，而且，用內高壓成形法制成的內管材料為奧氏體不銹鋼。針對換氣過程優化的分流方案，將第1缸與第4缸、第2與第3缸合并。利用2個圓形斷面，排氣流人雙渦殼渦輪的進口經流動優化。結構緊湊的渦輪殼體是奧氏體鋼鑄件，2個渦殼沿圓周相互錯開30°。近發動機安裝的催化轉化器分成兩級（第1級整體載體孔密度為900 cell/in2，第2級為600 cell/in2）。合理選擇調節探針，使發動機用過量空氣系數調節幾秒鐘后即可運行。監控探針布置在兩級整體式載體之間。電控旁通閥被集成在壓氣機中。廢氣渦輪增壓器模塊的安裝代表了量產中最高的自動化程度。上述廢氣渦輪增壓器模塊適用于所有BMW公司新型汽油機及其汽車結構系列。

6 實車達到SULEV目標

圖9以HC排放為例，示出各項措施的有效性及其對達到SULEV目標的貢獻。考察是建立在現已投放市場的ULEV汽油機變型基礎上的。目標是以足夠的裕量達到SULEV限值，以確保耐久性。數值是在1臺新型催化轉化器上測定的。

優化廢氣渦輪增壓器和相應縮短催化轉化器起燃時間，使排放減少40%。在近發動機的催化轉化器上，提高其載體孔密度和貴金屬涂敷量。此外，布置地板下催化轉化器。這些措施使排放減少60%。利用最小油量功能，并與車輛匹配（例如起動和催化轉化器加熱運行），使排放進一步減少50%。綜上所述，這些措施可在催化轉化器新鮮狀態下達到SULEV限值的50%，而無需采用二次空氣系統。

今后，將使用一種冷卻空氣側表面涂覆特殊涂層的抗臭氧空氣冷卻液冷卻器。環境空氣中含有對健康有害的臭氧會在這個表面上發生反應，并變成分子態氧。在法規中，對于采用這種減少臭氧的抗臭氧空氣冷卻器提高生成臭氧排氣成分限值的技術予以充分肯定。

7 行駛功率和燃油耗

新型BMW 2.0 L 4缸汽油機的SULEV方案也能確保BMW轎車的行駛動力性能及低燃油耗，同時達到最大扭矩350 N·m，額定功率180 k W。與以往的發動機相比，動力性提高了30%，燃油耗降低4%，而且可用的扭矩范圍明顯拓寬。這種新款328i近零排放車與以往的車型相比，行駛功率大為提高，燃油耗明顯降低（圖10），能夠滿足世界上最嚴格的排放法規，而不需在動力性與效率之間進行折中。

8 結語

利用TVDI燃燒系統的自由度，能夠在整個汽車壽命期內具有很高的排氣焓，足以對催化轉化器加熱。新型汽油機的原始排放十分低且運行平順性好。努力降低排氣熱損失確保催化轉化器盡快起燃，使廢氣渦輪增壓器的熱損失減至最小。新型BMW 2.0 L 4缸汽油機是全球首款不用二次空氣系統的SULEV用渦輪增壓汽油機，而且被配裝在新款BMW 328i近零排放車上投放美國市場。