【德】 F.Steinparzer P.Nefischer D.Hiemesch E.Rechberger

產(chǎn)品介紹

BMW公司采用創(chuàng)新增壓方案的6缸轎車柴油機(jī)

【德】 F.Steinparzer P.Nefischer D.Hiemesch E.Rechberger

BMW公司在2015年推出的采用新型發(fā)動(dòng)機(jī)組合部件的6缸柴油機(jī)基礎(chǔ)上，又開(kāi)發(fā)了1款高端機(jī)型。在這款發(fā)動(dòng)機(jī)上采取的一系列措施，使其可以承受更高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，而創(chuàng)新的增壓系統(tǒng)的應(yīng)用則使這款新型發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了動(dòng)力性能的巔峰。同時(shí)，燃燒過(guò)程、噴油技術(shù)和廢氣后處理也進(jìn)行了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

柴油機(jī)高效動(dòng)力學(xué)低燃油耗共軌噴油系統(tǒng)

1 BMW公司柴油機(jī)的頂級(jí)動(dòng)力性

BMW公司高效動(dòng)力學(xué)策略的核心是更高的動(dòng)力性、更低的燃油耗和更少的廢氣排放,因而持續(xù)不斷改進(jìn)的動(dòng)力總成為用戶帶來(lái)了極大的駕駛樂(lè)趣。這些特性對(duì)于擁有頂級(jí)動(dòng)力性能的車輛具有特別重要的意義。

2 歷史回顧

長(zhǎng)期以來(lái)，BMW公司在高功率柴油機(jī)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，2004年就已推出了全球首款兩級(jí)增壓6缸轎車柴油機(jī)。這種機(jī)型已經(jīng)過(guò)多次開(kāi)發(fā)[1-2]，2012年開(kāi)發(fā)出的具有1個(gè)低壓級(jí)和2個(gè)高壓級(jí)的恒定多級(jí)增壓6缸機(jī)[3-4]，以280 kW額定功率成為該等級(jí)機(jī)型迄今為止最高的巔峰。而本文所介紹的最新款發(fā)動(dòng)機(jī)又使額定功率比該值提高了14 kW，成為動(dòng)力性能的新標(biāo)桿(圖1)。

圖1 BMW公司6缸柴油機(jī)

3 開(kāi)發(fā)目標(biāo)

自從2009年以來(lái)，6缸機(jī)就占據(jù)了BMW公司柴油機(jī)的頂級(jí)位置。BMW公司將6缸機(jī)的燃油耗優(yōu)勢(shì)與大排量的8缸機(jī)的動(dòng)態(tài)性能和舒適性結(jié)合起來(lái)。為了確保BMW柴油機(jī)將來(lái)也能在高端柴油機(jī)機(jī)型中占據(jù)頂級(jí)位置，因而為3.0 L柴油機(jī)確定了非常高的開(kāi)發(fā)目標(biāo)，其重點(diǎn)不僅在于提高額定功率，而且特別注重改善其動(dòng)態(tài)性能。圖2詳盡地示出了開(kāi)發(fā)目標(biāo)，功率從280 kW提高到294 kW，能更好地改善其動(dòng)態(tài)性能；與其他機(jī)型相比，進(jìn)一步降低了燃油耗；并具有滿足未來(lái)全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)程序(WLTP)和實(shí)際行駛排放(RDE)法規(guī)要求的潛力。同時(shí)，超強(qiáng)的扭矩性能，可以在BMW新型汽油機(jī)-柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)組合部件框架范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)目標(biāo)，并具備V8機(jī)型的動(dòng)態(tài)特性。

圖2 新款6缸柴油機(jī)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)

4 開(kāi)發(fā)方案

為了實(shí)現(xiàn)這種高要求的開(kāi)發(fā)目標(biāo)，與原機(jī)型相比，新機(jī)型的設(shè)計(jì)方案必須具備廣泛的適應(yīng)性。除此之外，采用發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)組合部件來(lái)實(shí)現(xiàn)諸多技術(shù)要素。新的特定設(shè)計(jì)方案包括：輕型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)足以承受210 MPa的峰值壓力、采用兩級(jí)低壓和兩級(jí)高壓廢氣渦輪增壓器的恒定多級(jí)增壓、最高系統(tǒng)壓力大于2 500 MPa的壓電共軌噴油系統(tǒng)、良好的增壓空氣冷卻和消除空氣管路的節(jié)流。同時(shí)又繼承了標(biāo)準(zhǔn)組合部件的要素，如：電弧金屬線材噴涂(LDS)氣缸工作表面、可調(diào)節(jié)式機(jī)油泵、冷卻的高低壓廢氣再循環(huán)，以及摩擦優(yōu)化的皮帶傳動(dòng)。

為了達(dá)到高的動(dòng)態(tài)性能，將低壓級(jí)大的廢氣渦輪增壓器分成2個(gè)較小的增壓器，從而使葉輪慣性矩降低50%，增大效率優(yōu)勢(shì)。

5 氣缸體曲軸箱

BMW公司新型6缸頂級(jí)柴油機(jī)的氣缸體曲軸箱是根據(jù)BMW標(biāo)準(zhǔn)組合部件原理從6缸基本型柴油機(jī)派生而來(lái)的，其中從標(biāo)準(zhǔn)組合部件中繼承的主要特點(diǎn)是：采用頂面封閉的深裙型結(jié)構(gòu)型式全鋁氣缸體曲軸箱；材料為AlSi7MgCu0.5；氣缸直徑84 mm，缸心距91 mm；氣缸工作表面采用LDS；主軸承蓋采用軸承剖分面上的壓齒定位；預(yù)鑄機(jī)油回油道；采用主軸承蓋框架底座；靠近燃燒室的大尺寸氣缸“鼻梁”冷卻水通道。

與基本型柴油機(jī)190 MPa爆發(fā)壓力相比，新款發(fā)動(dòng)機(jī)的爆發(fā)壓力高達(dá)210 MPa，為了可靠地滿足更高的爆發(fā)壓力要求，采用了提高強(qiáng)度的措施，包括：用于氣缸蓋與主軸承緊固的拉桿緊固方案和熱等壓(HIP)方法附加T6熱處理。

通過(guò)采用LDS氣缸工作表面(替代熱壓配合灰鑄鐵氣缸套)和預(yù)鑄機(jī)油回油道，即使具有更高的承載能力，但是其質(zhì)量?jī)H為38.3 kg，比原機(jī)型減輕了3.7 kg。

6 氣缸蓋

為了提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,氣缸蓋同樣采用HIP方法，這樣就能獲得非常均勻的金相組織，并且在鑄造過(guò)程中不會(huì)形成微孔。

除此之外，因進(jìn)氣質(zhì)量流量較大，進(jìn)氣門流通橫截面比基本型發(fā)動(dòng)機(jī)加大了2 mm。

7 氣缸蓋密封墊

氣缸蓋密封墊采用具有4層功能層的多層密封墊，除了具有非常高的回彈和密封潛力，總密封間隙容許較大的幅度，同時(shí)因?yàn)榫哂泻脦讉€(gè)滑移面從而減小摩擦損失。剛性焊接的燃燒室密封圈使其支承面壓力分布非常均勻。

8 增壓機(jī)組

新型BMW 6缸柴油機(jī)頂級(jí)機(jī)動(dòng)性的核心要素是1種新設(shè)計(jì)的由4個(gè)廢氣渦輪增壓器組成的兩級(jí)增壓系統(tǒng)，其部件分布如圖3所示。

圖3 增壓機(jī)組示意圖

為了能以盡可能高效率的利用廢氣熱焓，可以借助于數(shù)值流動(dòng)模擬(CFD)優(yōu)化臨界區(qū)域的流動(dòng)狀況。

排氣歧管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是1項(xiàng)特別富有挑戰(zhàn)性的工作，必須綜合考慮用于4個(gè)廢氣渦輪增壓器的廢氣流動(dòng)導(dǎo)向，以及最大熱機(jī)械負(fù)荷所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)。借助于熱機(jī)械疲勞(TMF)失效計(jì)算開(kāi)發(fā)出了1種瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)，據(jù)此通過(guò)將排氣歧管幾何形狀和尺寸優(yōu)化到最大容許值，進(jìn)一步降低其局部應(yīng)力。為了獲得較高的增壓壓力，已在低壓級(jí)中集成了壓氣機(jī)殼體冷卻器和增壓空氣中冷器。

廢氣調(diào)節(jié)閥的密封性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能具有非常重要的意義，為此已相應(yīng)優(yōu)化了其幾何形狀、尺寸及其材料配對(duì)。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是第二高壓級(jí)廢氣渦輪增壓器在某些運(yùn)行范圍處于“備用”狀態(tài)。為了防止機(jī)油從停止運(yùn)轉(zhuǎn)的廢氣渦輪增壓器軸承殼體中滲入空氣系統(tǒng)，避免原機(jī)型出現(xiàn)的問(wèn)題，因而采用了端面密封裝置。

9 噴油系統(tǒng)

噴油系統(tǒng)采用Bosch公司最新一代的共軌噴油系統(tǒng)。與原機(jī)型所使用的噴油系統(tǒng)相比，其性能已顯著改善，并且最高噴油壓力已提高到250 MPa以上。

噴油器應(yīng)用了第三代液壓伺服壓電系統(tǒng)。為了能勝任在工作能力和零件負(fù)荷方面的高要求，已對(duì)噴油器體、噴油嘴和轉(zhuǎn)換閥進(jìn)行了優(yōu)化，從而將整個(gè)運(yùn)行期間的磨損程度調(diào)整到最低，并有效地防止了可能出現(xiàn)的噴油量偏差。

噴油嘴被設(shè)計(jì)成具有7個(gè)圓錐形噴孔的小壓力室噴嘴，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是在抗噴孔積炭耐久性的同時(shí)，獲得貫穿深度和錐形噴束液力優(yōu)化的噴嘴。與原機(jī)型噴油系統(tǒng)相比，針閥導(dǎo)向更靠近針閥座面，因而特別是在冷機(jī)運(yùn)行時(shí)噴束的對(duì)稱性明顯提高。由于針閥開(kāi)啟和關(guān)閉非常迅速，在大噴油量和高噴油壓力情況下噴油嘴的節(jié)流也得到了進(jìn)一步優(yōu)化。

10 廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)

為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放，組合應(yīng)用了高低壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(圖4)。其中，高壓EGR系統(tǒng)冷卻器附加了1個(gè)可開(kāi)關(guān)的旁通通道。

圖4 高壓和低壓EGR系統(tǒng)

11 增壓空氣冷卻

為了達(dá)到盡可能高的冷卻效率，并使空氣管路中的每個(gè)零部件不超過(guò)容許的最高溫度，增壓空氣進(jìn)行多級(jí)冷卻后，從低壓級(jí)中的壓氣機(jī)殼體冷卻開(kāi)始，經(jīng)過(guò)低壓級(jí)與高壓級(jí)之間的中冷器，直至空氣總管之前的大尺寸主增壓空氣冷卻器，在整個(gè)壓縮空氣管路中經(jīng)歷了多次冷卻。

12 隔熱降噪罩蓋

BMW公司除了通常在汽車方面采取的屏蔽措施之外，還采用了許多貼近發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲屏蔽和隔熱罩蓋(圖5)。這些措施一方面保護(hù)了相鄰的部件免受發(fā)動(dòng)機(jī)放熱部件的熱輻射，同時(shí)也降低了發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲。另一個(gè)有利影響是在汽車停車后長(zhǎng)時(shí)間的吸熱，可以減少冷起動(dòng)次數(shù)或總的暖機(jī)時(shí)間，從而在用戶實(shí)際行駛中獲得節(jié)油效果。

圖5 貼近發(fā)動(dòng)機(jī)的熱和噪聲屏蔽

13 廢氣后處理

為了在整個(gè)行駛期間達(dá)到盡可能低的廢氣排放水平，采用了組合式的廢氣后處理方案。一個(gè)由吸附式氮氧化物(NOx)催化轉(zhuǎn)化器和具有涂層的顆粒物捕集器組成的組合單元靠近發(fā)動(dòng)機(jī)布置，并添加了1個(gè)安裝在汽車地板下的選擇性催化還原(SCR)轉(zhuǎn)化器，它借助于計(jì)量閥通過(guò)1個(gè)專門開(kāi)發(fā)的混合器注入尿素水溶液，從而達(dá)到在SCR催化轉(zhuǎn)化器中盡可能均勻分布效果，從而與機(jī)內(nèi)措施相結(jié)合，在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)達(dá)到了極低的廢氣排放水平。

14 功能優(yōu)化

為了達(dá)到具有實(shí)際意義的高性能目標(biāo)，進(jìn)行了廣泛的部件功能優(yōu)化。除了傳統(tǒng)的熱力學(xué)優(yōu)化之外，有效減少所有空氣和廢氣引導(dǎo)部件的流動(dòng)損失。

除了由此降低換氣損失之外，還優(yōu)化了每個(gè)廢氣渦輪增壓器的設(shè)計(jì)。通過(guò)降低壓氣機(jī)和渦輪側(cè)的壓比，大大減小兩個(gè)低壓級(jí)的慣性力矩，這樣就能在瞬態(tài)加速過(guò)程中獲得可感的動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化。

15 增壓運(yùn)行模式

圖6示出了由4個(gè)廢氣渦輪增壓器組成的兩級(jí)增壓系統(tǒng)的工作原理和各種運(yùn)行模式。

圖6 動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能(ND：低壓級(jí)，HD：高壓級(jí))

在第一種運(yùn)行范圍內(nèi)，空氣側(cè)的旁通閥使進(jìn)氣空氣從低壓級(jí)壓氣機(jī)旁邊流過(guò)，因?yàn)樵诘娃D(zhuǎn)速低負(fù)荷范圍內(nèi)增壓空氣無(wú)需進(jìn)行預(yù)壓縮，以防止節(jié)流。在剩余的所有其他特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)，都經(jīng)過(guò)低壓級(jí)壓氣機(jī)預(yù)壓縮進(jìn)氣。為了降低增壓空氣溫度和減小體積流量，進(jìn)氣直接經(jīng)過(guò)用法蘭連接在低壓級(jí)壓氣機(jī)殼體上的中冷器，并根據(jù)運(yùn)行范圍的不同，在1～2個(gè)高壓級(jí)壓氣機(jī)中進(jìn)一步壓縮，在主增壓空氣冷卻器中冷卻后，增壓空氣經(jīng)過(guò)緊湊的進(jìn)氣管道進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。

在廢氣側(cè)低轉(zhuǎn)速和低負(fù)荷時(shí)，為了自發(fā)地建立起增壓壓力和動(dòng)態(tài)加速性能，廢氣僅流過(guò)1個(gè)高壓渦輪，而在廢氣流量較大的情況下，由廢氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)通1條通過(guò)第二個(gè)高壓渦輪的平行通路，從而加速一直未運(yùn)轉(zhuǎn)的第二級(jí)高壓渦輪。緊接著，廢氣在進(jìn)入靠近發(fā)動(dòng)機(jī)布置的廢氣后處理裝置之前，在低壓級(jí)中進(jìn)一步降壓。為了優(yōu)化增壓壓力調(diào)節(jié)，在從3個(gè)廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)換到4個(gè)廢氣渦輪增壓器范圍內(nèi)，以及在低壓渦輪額定功率范圍內(nèi)，通過(guò)利用廢氣放氣閥進(jìn)行優(yōu)化。

采用包括兩次增壓空氣冷卻在內(nèi)的兩級(jí)增壓系統(tǒng)，增壓壓力高達(dá)0.4 MPa(絕對(duì)壓力)，空氣質(zhì)量流量高達(dá)1 500 kg/h。

16 功率和扭矩

該柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速4 400 r/min時(shí)額定功率達(dá)到294 kW，而在轉(zhuǎn)速2 000～3 000 r/min之間可輸出最大扭矩760 N·m，以升功率98.3 kW和升扭矩254 N·m占據(jù)了量產(chǎn)柴油機(jī)的頂級(jí)位置。除了達(dá)到動(dòng)力性能最大值之外，還能在盡可能寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)被利用，因而一方面在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 600～4 100 r/min的范圍內(nèi)至少具有90%的最大扭矩，另一方面在發(fā)動(dòng)機(jī)3 000～5 000 r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)至少可發(fā)揮出80%的發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率。圖7示出了其全負(fù)荷特性曲線與原機(jī)型的比較。

圖7 新機(jī)型與原機(jī)型的功率和扭矩示意圖

17 燃油耗

通過(guò)持續(xù)不斷的開(kāi)發(fā)，所有的重要部件和功能模塊能使燃油耗降低多達(dá)6%，在對(duì)用戶實(shí)際使用具有重要意義的特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)(轉(zhuǎn)速2 500 r/min和平均有效壓力1 MPa)平均節(jié)油效果約為4%。

18 廢氣排放和聲學(xué)性能

增壓機(jī)組各個(gè)部件的優(yōu)化，與高壓和低壓EGR組成的組合廢氣再循環(huán)系統(tǒng)相結(jié)合，明顯降低了原始廢氣排放，除了能滿足當(dāng)前廢氣排放法規(guī)的要求之外，也為滿足未來(lái)全球所有的廢氣排放法規(guī)要求奠定了基礎(chǔ)。此外，這些優(yōu)化也對(duì)降低臨界低負(fù)荷范圍的燃燒噪聲產(chǎn)生有利的效果。圖8示出這些措施在2種部分負(fù)荷運(yùn)行工況的改善效果。

圖8 功能性能優(yōu)化

19 汽車試驗(yàn)結(jié)果—行駛功率和燃油耗

BMW公司以新型6缸柴油機(jī)的頂級(jí)機(jī)動(dòng)性確保了在高端轎車領(lǐng)域的頂級(jí)位置，持續(xù)不斷的開(kāi)發(fā)也證實(shí)了其高效的動(dòng)力學(xué)策略。非常低的CO2排放或燃油耗值與出眾的行駛動(dòng)力性相結(jié)合顯示出了750xd型轎車獨(dú)有的特點(diǎn)(圖9)。

圖9 行駛動(dòng)力性和燃油耗與競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型的比較

這種新型柴油機(jī)達(dá)到了與大排量汽油機(jī)相似的加速度值，而且燃油耗降低了25%，同樣，成功地實(shí)現(xiàn)了改善動(dòng)態(tài)性能的目標(biāo)。圖10以接近用戶實(shí)際使用情況的從汽車停車開(kāi)始進(jìn)行全負(fù)荷加速工況為例，示出了瞬態(tài)加速過(guò)程的性能。這種新型柴油轎車在加速大約3 s多后就比原車型領(lǐng)先了1個(gè)車位的長(zhǎng)度，而不到6 s后領(lǐng)先的行駛距離就增大到3個(gè)車位的長(zhǎng)度。

20 結(jié)語(yǔ)

BMW公司推出的新型高檔6缸機(jī)重新證實(shí)了柴油機(jī)的潛力。除了出眾的動(dòng)力特性之外，新型柴油機(jī)眾多創(chuàng)新的技術(shù)解決方案都非常具有吸引力。BMW公司的“高效動(dòng)力學(xué)”概念特別強(qiáng)調(diào)高功率、大扭矩與低燃油耗及低廢氣排放相結(jié)合。

圖10 瞬態(tài)加速性能的比較

這種新型柴油機(jī)首先用于新款7系列轎車上，隨后將應(yīng)用于BMW公司其他縱置發(fā)動(dòng)機(jī)車型上。

[1] Ardey N， Wichtl R， Steinmayr T， u.a.Die neuen BMW drei- und vierzylinder dieselmotoren mit twinpower turbo technologie[C]. 35. Internationales Wiener Motorensymposium, 2014.

[2] Steinparzer F, Nefischer P, Hiemesch D, u.a. Die neuen sechszylinder-dieselmotoren aus dem BMW reihenmotorenbaukasten[C]. 24. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2015.

[3] Kaufmann M, Ardey N, Stütz W, u.a. Die neuen eckpfeiler des BMW dieselmotoren portfolios[C]. 21. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2012.

[4] Ardey N, Wichtl R, Steinmayr T, u.a. Die neuen diesel spitzenmotorisierungen von BMW[C]. 33. Internationales Wiener Motorensymposium, 2012.

范明強(qiáng) 譯自 MTZ，2016,77(10)

何丹妮 編輯

(收稿時(shí)期：2016-10-21)