◆文/浙江 范明強(qiáng)

一、4缸機(jī)替代6缸機(jī)

寶馬公司轎車所搭載發(fā)動機(jī)的功率范圍為130～200kW，迄今為止，在汽油發(fā)動機(jī)方面，該功率范圍已被6缸自然吸氣發(fā)動機(jī)所覆蓋。此款6缸自然吸氣汽油機(jī)型在寶馬公司內(nèi)已具有多年歷史，因此，也是寶馬公司發(fā)動機(jī)品種中銷售量最多的機(jī)型。

寶馬公司在6缸機(jī)及小型4缸直噴式汽油機(jī)上都應(yīng)用了全可變氣門機(jī)構(gòu)和雙蝸道渦輪增壓器，這是渦輪增壓汽油機(jī)提高效率和提升功率的必由之路。目前，這種新型2.0L增壓直噴式汽油發(fā)動機(jī)也將這些技術(shù)擴(kuò)展到該公司產(chǎn)量最大的功率區(qū)間，并繼承了6缸增壓汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，例如雙渦道增壓燃燒過程(可變氣門機(jī)構(gòu)渦輪增壓直接噴射)、雙渦道增壓技術(shù)和全鋁結(jié)構(gòu)型式等，這些技術(shù)組合成一套全新的技術(shù)，并成為世界上首家在大量生產(chǎn)發(fā)動機(jī)上應(yīng)用金屬線材電弧噴鍍(LDS)汽缸套涂層的制造商。

二、新型2.0L增壓直噴式汽油機(jī)主要特點

此款新型2.0L增壓直噴式汽油機(jī)具有以下重要的特點：頂級機(jī)型的升功率高達(dá)90kW/L；在稍高于怠速的低轉(zhuǎn)速就達(dá)到較高的扭矩(低速扭矩)；瞬態(tài)加速性能與功率相同的自然吸氣發(fā)動機(jī)相當(dāng)；不僅在法定試驗循環(huán)中而且在用戶實際使用中都具有較低的油耗；具有滿足包括超低排放汽車(SULEV)在內(nèi)的全球最苛刻的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)限值的潛力；采用鋁汽缸體曲軸箱和創(chuàng)新的金屬線材電弧噴鍍(LDS)汽缸套涂層技術(shù)，實現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)型式；通過優(yōu)化基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)和應(yīng)用最佳的摩擦副設(shè)計達(dá)到最小的曲柄連桿機(jī)構(gòu)摩擦；繼承寶馬公司高效動力學(xué)策略的節(jié)油措施；采用兩根平衡軸高度有偏差的質(zhì)量平衡機(jī)構(gòu)和提高運轉(zhuǎn)均勻性的附加措施達(dá)到最佳運行平穩(wěn)性；具有在寶馬公司整個汽車型譜中裝配的互換性；適合在所有車型上實現(xiàn)全輪驅(qū)動；可在寶馬公司生產(chǎn)組織中進(jìn)行互換和集成。

三、發(fā)動機(jī)方案

排量為2.0L的新型4缸汽油機(jī)功率等級在135～180kW之間，所有的功率變型機(jī)具有相同的基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)方案，其特點是尺寸緊湊、質(zhì)量輕、靜態(tài)和動態(tài)剛度較高。寶馬公司4缸新型2.0L增壓直噴式汽油機(jī)系列縱橫剖視圖如圖1所示。燃燒室采用四氣門技術(shù)和中央布置的噴油器與火花塞，并采用橫向換氣方式，新鮮空氣從左側(cè)輸入，廢氣從右側(cè)排出。除電動水泵之外，所有輔助設(shè)備都位于發(fā)動機(jī)左側(cè)，因此發(fā)動機(jī)右側(cè)為廢氣渦輪增壓器和近發(fā)動機(jī)催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的最佳布置提供了盡可能大的空間。

發(fā)動機(jī)的基本外形尺寸基于寶馬公司多年來單缸排量為0.5L的直列式汽油機(jī)通用的91mm缸心距，其燃燒室最高爆發(fā)壓力為13MPa，因此進(jìn)一步提高功率提供了足夠儲備。新型2.0L增壓直噴式汽油機(jī)的主要特性數(shù)據(jù)列于表1, 新型2.0L增壓直噴式汽油機(jī)的幾何尺寸列于表2。

圖1 寶馬公司4缸新型2.0L增壓直噴式汽油機(jī)系列縱橫剖視圖

表1 新型2.0L增壓直噴式汽油機(jī)的主要特性數(shù)據(jù)

表2 新型2.0L增壓直噴式汽油機(jī)的幾何尺寸

四、汽缸體曲軸箱

壓鑄鋁汽缸體曲軸箱被設(shè)計成帶有從曲軸中心剖分的床板式主軸承蓋框架底座結(jié)構(gòu)型式(圖2)，兩部分均采用AlSi9Cu3鋁合金壓鑄而成，并且在主軸承蓋框架底座中鑲鑄入起加強(qiáng)作用的鑄鋼軸承蓋鑲套，而曲軸軸承中心相對于汽缸軸線偏移14mm，曲柄連桿機(jī)構(gòu)的錯位能夠減小活塞在膨脹作功行程期間的側(cè)向力。為了加強(qiáng)汽缸之間鼻梁區(qū)域的冷卻，在其中分別有雙V形冷卻液鉆孔。

圖2 壓鑄鋁汽缸體曲軸箱及其床板式主軸承蓋框架底座

汽缸工作表面采用的金屬線材電弧噴鍍(LDS)涂層在發(fā)動機(jī)上首次應(yīng)用的新技術(shù)，在事先經(jīng)過預(yù)處理的汽缸工作表面上采用金屬線材電弧噴鍍一層(約0.3mm厚)比傳統(tǒng)灰鑄鐵汽缸套薄得多的鐵基合金。在對工作表面進(jìn)行預(yù)處理時，采用高壓噴射乳化液的方法使其表面粗糙，而且要進(jìn)行多次，以使噴涂層與其相互機(jī)械貼合得更好。與灰鑄鐵汽缸套相比，這種技術(shù)的主要優(yōu)點是重量較輕，散熱較好，而且能夠為非常緊湊的汽缸間鼻梁區(qū)域(7mm寬)針對性的冷卻提供更大的空間。

五、汽缸蓋、配氣機(jī)構(gòu)及噴油系統(tǒng)

汽缸蓋(圖3)由AlSi7MgCu0.5鋁合金用重力金屬模澆鑄而成，并進(jìn)行了提高強(qiáng)度的熱處理。由于汽缸蓋中的冷卻水套的設(shè)計較接近火力面，還對臨界范圍內(nèi)的冷卻液流動進(jìn)行了優(yōu)化計算，因而能夠減輕燃燒室頂?shù)臒嶝?fù)荷。

鏈傳動機(jī)構(gòu)的布置、氣門傳動機(jī)構(gòu)部件、噴油器和火花塞等基本上都繼承了市場上久經(jīng)考驗的6缸渦輪增壓汽油機(jī)。凸輪軸和偏心軸的軸承座有被鑄成一體，凸輪軸為組合式，附帶了傳動高壓燃油泵和真空泵。凸輪軸相位調(diào)節(jié)器采用液壓葉片式結(jié)構(gòu)型式，進(jìn)氣凸輪軸的相位調(diào)節(jié)角度為70°，排氣凸輪軸的相位調(diào)節(jié)角度為55°，其控制用的4/3路電磁閥集成在凸輪軸中心緊固螺栓中。

圖3 汽缸蓋及其可變氣門機(jī)構(gòu)和噴油系統(tǒng)

高壓燃油系統(tǒng)由高壓燃油泵、燃油共軌、高壓油管和噴油器等部件組成。系統(tǒng)燃油壓力按特性曲線場進(jìn)行調(diào)節(jié)，最高系統(tǒng)壓力為20MPa。高壓燃油泵是單柱塞泵，并直接由排氣凸輪軸上的一個3凸起凸輪驅(qū)動。噴油器采用電磁閥控制，并配用孔徑為0.2mm的6孔噴油嘴，其特點是具有非常小的噴油量且恒定不變。

六、曲柄連桿機(jī)構(gòu)

5道軸承支承的曲軸由C38modBY合金鋼鍛造而成，并帶有4塊平衡重。主軸頸和連桿軸頸直徑均為50mm，所有的軸頸均經(jīng)感應(yīng)淬火。做成上下兩片式的軸向止推軸承位于第2和第3缸中間。為將摩擦和軸承磨損降低到最低程度，所有軸頸均經(jīng)拋光。主軸承為二元合金軸承，而為了與發(fā)動機(jī)啟動-停車系統(tǒng)組合確保在發(fā)動機(jī)使用壽命期內(nèi)可靠運行，連桿軸承必須采用5層結(jié)構(gòu)型式。連桿經(jīng)鍛造而成，其小頭孔中鑲有卷制的青銅襯套，該襯套孔經(jīng)精加工成型，并被冷壓入連桿小頭孔。

鑄鋁活塞第1道活塞環(huán)槽進(jìn)行硬化陽極化處理?；钊h(huán)組由第1道矩形環(huán)、第2道鼻形環(huán)和第3道由3部分組成的刮油環(huán)組成。為了將曲柄連桿機(jī)構(gòu)的摩擦減小到最低程度，選擇了盡可能小的活塞環(huán)張力，并且活塞裙部涂有減小摩擦的涂層。根據(jù)功率等級的不同，選用了兩種壓縮比方案，高功率機(jī)型為10.0，而低功率機(jī)型為11.0。