寶馬公司3L 雙渦輪增壓均質燃燒直噴式汽油機介紹(一)

◆文/江蘇 范明強

寶馬公司的渦輪增壓汽油機已具有悠久的歷史。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的量產汽車(圖1)。1980年搭載3.2L-6缸渦輪增壓汽油機的745i轎車成為當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排量的汽油機的功率高達735kW以上，搭載于一級方程式世界冠軍賽車上。但是，當時的渦輪增壓汽油機卻存在燃油耗高和加速響應性能不良的致命弱點，這是寶馬公司自從上世紀80年代末開始放棄繼續開發渦輪增壓汽油機的主要原因。

經過20多年的技術進步，寶馬公司采用現代汽油缸內直接噴射和雙渦輪增壓(或單渦輪增壓機型則采用雙蝸道渦輪增壓器)技術成功地克服了以往渦輪增壓汽油機的不足。由于汽油直接噴入汽缸，燃油蒸發對燃燒室內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，而雙渦輪增壓可應用慣性矩明顯較小的小型增壓器，又明顯改善了加速響應性能，從而使渦輪增壓直噴式汽油機成為具有高效動力性能的機型，開啟了渦輪增壓汽油機的嶄新時代。

一、發動機的主要特點

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

圖1 寶馬公司轎車汽油機渦輪增壓和汽油直接噴射的發展歷程

該機型的主要特點是：

第二代高精度汽油缸內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，實現可靠的均質燃燒；

雙渦輪增壓，兩只小型廢氣渦輪增壓器分別由3個汽缸的排氣來驅動；

優化的氣體流動導向和高效的增壓空氣冷卻；

采用進排氣側雙凸輪軸相位調節器；

帶有電控真空膜盒的渦輪廢氣放氣閥按運行工況點對增壓壓力進行電子控制調節；

具備寶馬公司獨特的控制、調節、自診斷和自適應功能，并輔以專門為該汽油機優化的變速器控制。

圖2 寶馬6缸3.0L雙渦輪增壓均質燃燒直噴式汽油機

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

二、發動機結構設計

這種新型6缸雙渦輪增壓直噴式汽油機是以2004年推出的直列6缸汽油機型為基礎進行改進設計而成的。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合得更好起見)的灰鑄鐵汽缸套。

曲柄連桿機構的外形尺寸已經加大，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。

由于采用汽油缸內直接噴射，汽缸蓋必須重新設計。不僅要將壓電噴油器布置在汽缸中央位于火花塞附近，有利于實現可靠的均質燃燒，而且還必須將原來2004年6缸機型進氣側的無級氣門升程調節機構改為帶有雙凸輪軸相位調節器的傳統氣門傳動機構。

由于曲軸運轉負荷加重，發動機艙的溫度提高，迄今所應用的橡膠扭振減振器(輪轂與輪緣之間用橡膠混合物來結合)已經無法正常工作，而應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。

冷卻系統的最大特點是采用了可按需要調節的電動水泵，其最大驅動功率為400W，最突出的優點是在發動機高轉速工況時可大大降低水泵消耗的功率，并且在發動機暖機時可迅速加熱冷卻液。除此之外，對渦輪增壓發動機而言還具有這樣的優點：即在發動機怠速運轉時廢氣能量不足的情況下停止增壓器的冷卻水循環。

潤滑系統則采用了體積流量可調的機油泵，有助于進一步降低燃油耗，同時還配備了一個位于車輪罩上的外部風冷式機油冷卻器。

廢氣裝置必須首先優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，除了兩個近發動機催化器之外，還采用了兩個400目(孔/英寸2)陶瓷載體的地板下催化轉化器。表1中列出了這種新發動機的主要結構特點。

表1 主要技術數據和結構特點

三、燃燒過程和換氣

1.汽油直接噴射

該機將汽油缸內直接噴射與廢氣渦輪增壓結合起來，開創出了一系列的重要優點。首先，將燃油直接噴入燃燒室，燃油蒸發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70和80年代時寶馬公司的增壓汽油機還只能采用6.9～7.0的壓縮比，而這種新型雙渦輪增壓汽油機的壓縮比提高到了10.2，已進入當今自然吸氣汽油機壓縮比的范圍。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氣道噴射增壓汽油機降低了多達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行。

2.應用雙凸輪軸相位調節器的效果

在大約2 500r/min時，廢氣渦輪增壓器處于產生正掃氣壓差狀態，也就是說進氣管壓力高于廢氣背壓。在這種狀況下，在氣門重疊期間進氣道噴射汽油機的油氣混合汽就會進入排氣道而被損失掉，而缸內直噴式汽油機卻可利用雙凸輪軸相位調節器實現氣門重疊來掃除缸內的殘余廢氣，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較好的能量轉換。為了避免掃氣損失，當排氣門關閉后才將燃油噴入汽缸。

在低速高負荷情況下，進氣結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，從而使壓氣機從非常低的發動機轉速起就有可利用的驅動功率，再加上渦輪具有較高的效率，因而該汽油機獲得了非常突出的低速扭矩：從1 000r/min起就已顯現出增壓的效果，而從1 300r/min起就達到了最大扭矩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的關鍵因素。該機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的噴油定時在油束外圍有針對性地形成局部濃混合汽，并增強點火部位的紊流運動能量，有助于實現快速點火燃燒。

由于噴油器具有非常迅速的開關特性(最短的開始噴油時間可達0.1ms)和高的靜態流量值(在20MPa噴油壓力下最多可達約30g/s)，因此在噴油策略方面可獲得很大的自由度。根據負荷、轉速和溫度，可將噴油量在整個進氣和壓縮行程期間任意分成多達3次噴射。在小負荷工況時只需進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，而在熱機運轉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。

在低速高負荷運轉工況時，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所示為在發動機特性曲線場范圍內多次噴射的應用情況。

在高轉速運轉工況時，廢氣渦輪增壓會使汽缸內的殘余廢氣含量增加而對爆震傾向和燃燒持續時間產生不良的影響。出于這方面的原因，同時為了改善其余運轉工況范圍內的運轉穩定性和燃油耗，將進氣道設計成能夠在燃燒室中產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計，就能夠獲得所必需的功率，并改善熱效率，因此該汽油機能提供225kW的最大功率，并達到了300g/kWh的突出的比油耗。

4.應用高精度噴射改善排放

除了前面已經談到的高精度噴射用于發動機熱機均質運轉的潛力之外，直接噴射的自由度特別對于發動機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展，一方面為油束在燃燒室內的自由擴展創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

催化轉化器迅速達到起燃溫度對于達到排放限值具有決定性的意義，而這對廢氣渦輪增壓發動機就存在著挑戰，因為在催化轉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。為了對此進行補償，與自然吸氣發動機相比，廢氣渦輪增壓發動機在需要加熱催化轉化器的特定的運轉工況時要加大噴油量，同時在發動機啟動以后要增加供應燃燒的空氣質量，并將點火時刻向后延遲，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量流量，而且由于點火時刻延遲使其具有極高的廢氣溫度，催化轉化器就能被迅速地加熱。

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

四、噴油系統

為了減少方案的多樣性，降低開發費用，并充分利用通用性的效果，這種均質燃燒增壓發動機和未來的分層燃燒自然吸氣發動機配備相同的噴油系統，因此必須新開發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

這種噴油系統由西門子威迪歐(Siemens VDO)公司開發并批量生產，其特點是壓電噴油器(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行器、由壓電執行器直接操縱的向外開啟的針閥和機油阻尼熱補償器等。這種結構型式的最大特點在于具有高的抗結焦能力和非常短的開關時間(200μs)，并能夠實現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的渦輪增壓直噴式汽油機在使用這種噴油系統時具有更大的自由選擇空間，例如在暖機時能夠采用稀薄燃燒大大加快催化器的加熱，而在高負荷時采用多次噴射減少燃油濕壁和機油稀釋現象。壓電噴油器與火花塞橫向交叉布置在汽缸蓋上，壓電噴油器位于進氣側，而火花塞則位于排氣側。事實已經證明，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計的要求。

由于壓電執行器直接操縱向外開啟的針閥的開關時間非常短，因此應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，可在全世界范圍內應用。該泵帶有一個油量控制閥，由發動機電控單元通過脈寬調制信號來控制其開閉，以實現燃油壓力和泵油量的綜合調節。以這種工作方式調節燃油壓力，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。這種有效的調節技術使得在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全可變配氣機構發動機上)或曲軸-機油泵-真空泵三角形鏈傳動機構來傳動，并由油箱內的調速電動泵提供最高達0.5 MPa的初級輸油壓力。從高壓燃油泵出來的高壓燃油進入帶有壓力傳感器的燃油共軌，再經過各缸的高壓油管分別輸入相應的噴油器(圖9)。

圖9 噴油系統