◆文/浙江 范明強(qiáng)

范明強(qiáng) (本刊編委會(huì)委員)

教授級(jí)高級(jí)工程師，參加過(guò)陜西汽車制造總廠的籌建工作，主管柴油機(jī)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)；1984年調(diào)往機(jī)械工業(yè)部無(wú)錫油泵油嘴研究所，曾任一汽無(wú)錫柴油機(jī)廠、第一汽車集團(tuán)公司無(wú)錫研究所高級(jí)技術(shù)顧問(wèn)、湖南奔騰動(dòng)力科技有限公司總工程師。

(接2017年第10期)

2.128kW標(biāo)定功率機(jī)型

(1)動(dòng)態(tài)性能

搭載標(biāo)定功率為128kW，5000 r/m in機(jī)型的M in iCoope rS級(jí)轎車是目前頂級(jí)功率的車型。即使其具有80kW/L較高的升功率，但是在1 600r/m in轉(zhuǎn)速時(shí)就已達(dá)到了240Nm最大扭矩，因此該車以其低速范圍內(nèi)的強(qiáng)勁動(dòng)力和駕駛靈活性令人折服。由于其具有足夠的動(dòng)力儲(chǔ)備，在日常行駛時(shí)即使在環(huán)境溫度高和燃油品質(zhì)較差時(shí)仍能確保必要的動(dòng)力性能，這使得M in iCoope rS級(jí)轎車更顯示出其優(yōu)勢(shì)。

應(yīng)用雙渦道廢氣渦輪增壓器、短的進(jìn)排氣門配氣相位、單個(gè)進(jìn)氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)器與低速時(shí)有利的掃氣策略相結(jié)合以及不易爆震的穩(wěn)定的燃燒過(guò)程是達(dá)到開(kāi)發(fā)目標(biāo)的重要因素。短的排氣門配氣相位與排氣質(zhì)量流量通過(guò)雙通道導(dǎo)入渦輪相結(jié)合提高了渦輪效率，明顯有助于提高其響應(yīng)特性。進(jìn)氣相位的設(shè)計(jì)與四缸排氣分成兩組進(jìn)入渦輪相結(jié)合使得自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)獲得了較高的基礎(chǔ)扭矩，并加快了增壓器轉(zhuǎn)速的提升。借助于缸內(nèi)直接噴射，低速時(shí)汽缸前后的正掃氣壓差能夠轉(zhuǎn)化成化學(xué)計(jì)量成分的廢氣，廢氣質(zhì)量流量也相應(yīng)增大，使得增壓器在低速時(shí)就能夠建立起增壓壓力，從而在1600 r/m in時(shí)就達(dá)到了240Nm最大扭矩，同時(shí)駕駛員在1700～5000 r/m in范圍內(nèi)能夠利用增壓器的超增壓功能來(lái)提高動(dòng)態(tài)性能，使得扭矩在短時(shí)間內(nèi)能提高20Nm(圖19)，圖19中彩色粗線條示出了與其他發(fā)動(dòng)機(jī)相比所顯示出的優(yōu)勢(shì)，特別是低速時(shí)的穩(wěn)態(tài)扭矩。

(2)效率

與功率相同的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，增壓機(jī)型在平常運(yùn)行時(shí)總是將運(yùn)行工況推移到低速較高的負(fù)荷，因此設(shè)計(jì)任務(wù)書要求在獲得高的動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)，不僅要具有非常出色的部分負(fù)荷燃油耗，而且也要具備適當(dāng)?shù)呢?fù)荷燃油耗。

圖19 128 kW機(jī)型全負(fù)荷性能與同類競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型的比較

在部分負(fù)荷時(shí)，以下一系列措施起到了決定性的作用：基于所應(yīng)用的燃燒過(guò)程具有高的抗爆震性，選擇了10.5:1的壓縮比，同時(shí)直接在進(jìn)氣門前面進(jìn)氣道下部配備了導(dǎo)流板，并減小進(jìn)氣道上部的容積，由此所產(chǎn)生的宏觀充量運(yùn)動(dòng)在點(diǎn)火時(shí)刻前不久轉(zhuǎn)化成渦流，使得混合汽均質(zhì)化并快速燃燒，相應(yīng)就能應(yīng)用進(jìn)氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)較多的內(nèi)部廢氣再循環(huán)并減少換氣功。燃燒室設(shè)計(jì)的目標(biāo)在于盡可能減少燃燒室頂部的容積，從而能避免重新設(shè)計(jì)活塞。

同時(shí)，對(duì)于噴油器頂端區(qū)域給予了特別的關(guān)注，因?yàn)閲娚溆褪鴧^(qū)域內(nèi)的濕壁現(xiàn)象將給燃油耗和廢氣排放帶來(lái)不利的影響?；鸹ㄈx擇了一種具有細(xì)中心電極的空氣火花塞，這種火花塞在殘余廢氣相容性、全負(fù)荷時(shí)的爆震敏感性和催化器加熱時(shí)的燃燒穩(wěn)定性等方面顯示出了最佳的效果。

在全負(fù)荷時(shí)，燃燒過(guò)程的高抗爆震性、低轉(zhuǎn)速時(shí)正的掃氣壓差使得殘余廢氣最少、相對(duì)較短的進(jìn)排氣配氣相位、選用排氣背壓較小的廢氣渦輪以及降低外圍設(shè)備部件的摩擦損失等方面的措施對(duì)獲得低的燃油消耗水平起到了決定性的作用。

此外，增壓機(jī)型還從基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)和冷卻系統(tǒng)諸如盡可能降低所有零部件中的摩擦、可調(diào)式機(jī)油泵以及按特性曲線場(chǎng)控制的節(jié)溫器等方面的措施得到了好處。

最佳運(yùn)行工況點(diǎn)燃油消耗與競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型的比較時(shí)，128kW增壓機(jī)型的最低燃油耗明顯處于分布帶的低端，而且突出的特點(diǎn)是其特性曲線場(chǎng)中接近最佳點(diǎn)燃油耗的范圍寬廣(圖20)。n=2 000r/m in和W e=0.2kJ/L運(yùn)行工況點(diǎn)的燃油耗處于非常好的水平，與競(jìng)爭(zhēng)的增壓機(jī)型相比其燃油耗值是最低的。

M iniCooperS級(jí)轎車的歐洲試驗(yàn)循環(huán)燃油耗為6.2L/100km，這就意味著比老機(jī)型改善了28%，而且整個(gè)特性曲線場(chǎng)都得到了明顯的改善。

圖20 128 kW機(jī)型有效比燃油耗與同類競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型的比較

(3)排放

M iniCooperS級(jí)轎車還在全球銷售，當(dāng)然滿足必要的廢氣排放限值(歐4，JLEV2005，LEVⅡ)。達(dá)到廢氣排放目標(biāo)的關(guān)鍵是在催化器加熱期間實(shí)現(xiàn)部分分層運(yùn)行(均質(zhì)分段噴射，HSP)與合適的進(jìn)氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)(早進(jìn)氣)相結(jié)合。此時(shí)，在正常的進(jìn)氣階段，以上止點(diǎn)前約300°曲軸轉(zhuǎn)角的噴油始點(diǎn)僅噴入60%的噴油量，而其余的40%噴油量則到上止點(diǎn)前約70°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)才噴入汽缸，同時(shí)采用化學(xué)計(jì)量比或者略稀薄的空燃比，上止點(diǎn)后15～20°曲軸轉(zhuǎn)角的點(diǎn)火角以及約1 100r/m in的怠速轉(zhuǎn)速，這樣就能達(dá)到高效的催化器加熱效果，從而獲得非常低的原始排放。

獲得可靠的部分分層運(yùn)行(均質(zhì)分段噴射，HSP)能力的前提條件是優(yōu)化燃油噴霧以及相應(yīng)的活塞頂燃燒室?guī)缀涡螤畹脑O(shè)計(jì)，使得噴射油束能被活塞頂燃燒室導(dǎo)向火花塞，同時(shí)多孔噴油器已經(jīng)優(yōu)化，一方面使得在低負(fù)荷時(shí)可提供足夠的動(dòng)量，油霧能夠可靠地抵達(dá)火花塞，另一方面使得有足夠的空氣輸送到油束中，以供油滴的快速蒸發(fā)和均質(zhì)化，防止特別是在低速高負(fù)荷運(yùn)行工況下產(chǎn)生高的碳煙顆粒排放。降低形成碳煙顆粒的其他重要因素是基于強(qiáng)烈充量運(yùn)動(dòng)的良好均質(zhì)化、初始噴射油束中油滴尺寸的最佳分布、燃油濕潤(rùn)零件表面的減少以及噴油策略的仔細(xì)確定等。同樣，減少燃油濕潤(rùn)汽缸壁面還防止了危及發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的機(jī)油稀釋。

128kW增壓機(jī)型配備了一個(gè)分級(jí)的催化轉(zhuǎn)化器，其總體積為1.67L，并顯現(xiàn)出起燃性能與低背壓之間的最佳折中。與自然吸氣機(jī)型一樣使用了一個(gè)線性λ傳感器，并為在美國(guó)使用的車型的地板下附加配備了一個(gè)催化器。

四、電控系統(tǒng)

這種汽油機(jī)系列應(yīng)用了新一代的電控單元，它配備了工作能力強(qiáng)大的3芯微處理器，這種基本的電控單元構(gòu)成使得兩種機(jī)型能夠應(yīng)用于合作雙方制造商眾多的車型平臺(tái)及其適合各地的車型上。

五、第1代機(jī)型的成果

綜上所述，BMW公司與PSA公司合作雙方自始至終貫徹了BMW公司制定的“高效動(dòng)力學(xué)”開(kāi)發(fā)目標(biāo)和PSA公司制定的“按成本進(jìn)行設(shè)計(jì)”原則，充分運(yùn)用了合作雙方的技術(shù)秘訣，使得所開(kāi)發(fā)的新的小型4缸汽油機(jī)系列為小型和緊湊型汽車車型樹立了新標(biāo)桿。無(wú)論在技術(shù)方面還是在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性方面，這兩種不同的機(jī)型(全可變氣門機(jī)構(gòu)進(jìn)氣道噴射自然吸氣汽油機(jī)和缸內(nèi)直接噴射增壓汽油機(jī))都是其同等級(jí)機(jī)型的典范(表3)。

表3 BMW公司新老M in i轎車重要特性指標(biāo)的對(duì)比