關(guān)于直列6缸直噴式汽油機(jī)性能分析

新型6缸汽油機(jī)和柴油機(jī)同時進(jìn)行量產(chǎn)，使BMW集團(tuán)第一代通用標(biāo)準(zhǔn)模塊化部件發(fā)動機(jī)系列達(dá)到了其技術(shù)巔峰，并利用標(biāo)準(zhǔn)模塊化部件不斷衍生出新機(jī)型。新型直列6缸汽油機(jī)不僅減輕了質(zhì)量，而且在效率、運(yùn)轉(zhuǎn)平順性、轉(zhuǎn)動平衡性，以及功率和扭矩的建立等方面再次得到優(yōu)化。 2015年7月，新型6缸汽油機(jī)搭載于新型BMW 7系列轎車、改進(jìn)型3系列高級轎車和3系列旅游轎車上，并將進(jìn)一步衍生出其他車型。這款機(jī)型以240 kW功率，使得從1933年開始生產(chǎn)的BMW直列6缸汽油機(jī)發(fā)展成為最新一代的機(jī)型。

新型直列6缸汽油機(jī)開發(fā)的主要目標(biāo)是在提高功率和扭矩的同時，通過降低燃油耗進(jìn)一步提高效率、減輕質(zhì)量和提高運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性，并在保持最低轉(zhuǎn)速下建立優(yōu)異的扭矩（低速扭矩），進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)動平衡性。除此之外，還必須滿足全球最嚴(yán)厲的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，并縱置搭載于所有BMW汽車系列，同時，可以集成到現(xiàn)有產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)中。

2 設(shè)計方案

除了從3缸和4缸模塊化橫置式發(fā)動機(jī)不斷地衍生出新機(jī)型，發(fā)展模塊化發(fā)動機(jī)的下一個目標(biāo)則是從2015年春季開始開發(fā)縱置式模塊化發(fā)動機(jī)?？v置式模塊化發(fā)動機(jī)保持了單個氣缸結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計，并采用通用的氣門機(jī)構(gòu)部件，其開發(fā)目標(biāo)主要是通過優(yōu)化換氣系統(tǒng)來消除集成在進(jìn)氣裝置中的增壓空氣冷卻器的流動節(jié)流，進(jìn)一步開發(fā)熱管理模塊（WMM）中的熱管理系統(tǒng)，并降低各種摩擦。

3 基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)

與原機(jī)型相比，新型6缸汽油機(jī)（圖1和圖2）是以量產(chǎn)的3缸或4缸模塊化發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ)，重新進(jìn)行設(shè)計的。氣缸體曲軸箱采用深裙型金屬模鋁鑄件結(jié)構(gòu)型式，鑄造工藝與6缸柴油機(jī)相同,并采用其泥芯設(shè)計及其相關(guān)的工藝。氣缸工作表面采用電弧金屬絲噴鍍（LDS）鐵基合金涂層。并對發(fā)動機(jī)原有曲軸進(jìn)行優(yōu)化，減輕了質(zhì)量，再次改善了平衡效果。曲軸主軸承采用可靠的多層材料軸承，連桿軸承桿身側(cè)采用聚合物涂層軸瓦，而連桿蓋側(cè)仍為傳統(tǒng)的雙層軸瓦。

圖1 BMW公司新型直列6缸直噴式汽油機(jī)

圖2 新型6缸直噴式汽油機(jī)

曲柄連桿機(jī)構(gòu)繼承了標(biāo)準(zhǔn)模塊化部件的行程/缸徑比,連桿也采用通用件。與原機(jī)型相比，壓縮比從10.2提高到11.0，而活塞為標(biāo)準(zhǔn)模塊化部件。為了降低氣缸工作表面摩擦，采用了LDS涂層，并再次優(yōu)化了活塞環(huán)切向力。圖3示出了氣缸體曲軸箱和曲柄連桿機(jī)構(gòu)，表1匯總了該發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格數(shù)據(jù)。

圖3 氣缸體曲軸箱和曲柄連桿機(jī)構(gòu)

表1 新型6缸汽油機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格

氣缸蓋的基本尺寸來自于橫置式發(fā)動機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)模塊化部件，可變凸輪軸正時控制系統(tǒng)（Vanos）位于變速器一端，并通過兩級鏈傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動，該鏈傳動機(jī)構(gòu)在柴油機(jī)上用于驅(qū)動高壓燃油泵，而在汽油機(jī)上，為了降低鏈條噪聲，中間鏈輪涂有橡膠涂層。與其他的模塊化發(fā)動機(jī)相似，新型直列6缸汽油機(jī)也裝備了具有緊湊外形尺寸的最新一代“Valvetronic”全可變氣門機(jī)構(gòu)。

采用1個鏈傳動的體積流量可調(diào)的擺動滑閥式機(jī)油泵供應(yīng)機(jī)油，并與真空泵同軸串聯(lián)，這是1種結(jié)構(gòu)緊湊和質(zhì)量優(yōu)化的組合方案，并被安裝在油底殼油池中。安裝在曲軸箱中并按特性曲線場調(diào)節(jié)的控制閥用于調(diào)節(jié)機(jī)油泵的體積流量，而機(jī)油壓力作為調(diào)節(jié)的主導(dǎo)參數(shù)，由主油道中的傳感器來測量。通過機(jī)油壓力調(diào)節(jié)，當(dāng)暖機(jī)運(yùn)行期間機(jī)油壓力低于0.35 MPa時，按特性曲線場調(diào)節(jié)的活塞機(jī)油冷卻噴嘴就被切斷，降低了顆粒物排放，并減少了機(jī)油泵的驅(qū)動功率，從而就能在許多特性曲線場范圍內(nèi)獲得節(jié)油效果。由于汽車結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，從3~7系列采用標(biāo)準(zhǔn)傳動系統(tǒng)的派生車型可使用統(tǒng)一的油底殼，運(yùn)行時機(jī)油液面通過1個封裝式超聲波傳感器（Puls）自動無接觸地進(jìn)行測量。與柴油機(jī)通用的機(jī)油濾清器模塊由濾清器和機(jī)油水熱交換器組成，直接安裝在曲軸箱上。

由于使用了曲軸箱主動通風(fēng)系統(tǒng)，可減少發(fā)動機(jī)機(jī)油中冷凝物，以及燃油和燃燒殘留物的數(shù)量。機(jī)油分離器中配置了貯存器，加大了通風(fēng)體積流量，可明顯提高部分負(fù)荷時的分離效率。經(jīng)過凈化的曲軸箱通風(fēng)氣體，在部分負(fù)荷時無需外部管道在氣缸蓋罩內(nèi)部被直接導(dǎo)入進(jìn)氣道，而在增壓運(yùn)行時則要通過1根位于壓氣機(jī)前的外部管加熱。

為了優(yōu)化暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間的燃油耗，并能快速調(diào)節(jié)冷卻液溫度，改進(jìn)了冷卻液循環(huán)回路，并使用WMM來替代節(jié)溫器進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖4示出了包括WMM在內(nèi)的氣缸體曲軸箱和氣缸蓋中的冷卻液循環(huán)回路。

圖4 包括WMM在內(nèi)的氣缸體曲軸箱和氣缸蓋冷卻液循環(huán)回路

缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)采用了第二代高精度中央電磁閥式噴油器，并由排氣凸輪軸上的3面凸輪驅(qū)動的高壓燃油泵產(chǎn)生20 MPa的最大系統(tǒng)壓力。新型6缸汽油機(jī)采用了直接共軌，由于噴油器通過支撐接管直接與共軌連接，無需附加管道和連接元件，并采取模塊化方式使用2根3缸汽油機(jī)使用的共軌。這種噴油系統(tǒng)與中央布置的火花塞相結(jié)合方式為新型6缸汽油機(jī)達(dá)到功能目標(biāo)打下重要基礎(chǔ)。

4 輔助設(shè)備和發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)

在所有的衍生機(jī)型上,包括進(jìn)氣消音器和空氣濾清器在內(nèi)的新鮮空氣進(jìn)氣裝置都布置在排氣側(cè),因而廢氣渦輪增壓器的進(jìn)氣管路較短。所有衍生機(jī)型空氣濾清器的清潔空氣管和曲軸箱通風(fēng)氣體引入管都統(tǒng)一布置在發(fā)動機(jī)前端直接接入節(jié)氣門，所有的縱置式發(fā)動機(jī)節(jié)氣門是通用件，并且由于清潔空氣要在進(jìn)氣裝置中進(jìn)行冷卻，所以進(jìn)氣空氣被設(shè)定在較高的溫度。為了讓所有的結(jié)構(gòu)系列都具有合適的緊湊外形尺寸，并降低進(jìn)氣系統(tǒng)中額外的壓力損失，采用了間接式增壓空氣冷卻器，并集成在進(jìn)氣裝置中。新開發(fā)的間接式增壓空氣冷卻器從后端插入塑料進(jìn)氣裝置。進(jìn)氣裝置和增壓空氣冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計長度較長，但無需附加內(nèi)部密封。圖5示出了增壓空氣冷卻器在進(jìn)氣裝置中的布置狀況以及空氣的流動路徑，其中增壓空氣的冷卻是由1個電動水泵供應(yīng)冷卻液的低溫冷卻循環(huán)回路實(shí)現(xiàn)的。

圖5 帶有整體式增壓空氣冷卻器的進(jìn)氣裝置

發(fā)電機(jī)、水泵和空調(diào)壓縮機(jī)由1條6筋皮帶驅(qū)動。由于張緊器布置在發(fā)電機(jī)上，皮帶系統(tǒng)以降低的預(yù)緊力就能夠確保其正常工作，因此提高了節(jié)油潛力，并且所有的縱置式發(fā)動機(jī)采用1根統(tǒng)一的皮帶就能實(shí)現(xiàn)開發(fā)目標(biāo)。

發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)應(yīng)用了新的開發(fā)平臺，并首次使用了多芯處理器，這種電控系統(tǒng)與合適的裝備一起使用能控制包括柴油機(jī)在內(nèi)的3～12缸發(fā)動機(jī)。為了能更好的適應(yīng)汽車結(jié)構(gòu)的更高要求，新的電控單元以1個具有多芯結(jié)構(gòu)的處理器（2×300 MHz、1×200 MHz、8MB Flasch）為基礎(chǔ)，為FlexRay、CAN、LIN和SENT提供所有的標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行通訊。按照模塊化部件邏輯，使用了統(tǒng)一的接插件系統(tǒng)（254針）、可選用空氣和水冷卻的電控單元外殼，以及區(qū)域性軟件模塊直至單元程序狀態(tài)。

為了滿足發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)內(nèi)部越來越高的復(fù)雜性和多樣性的應(yīng)用需求，平臺的開發(fā)減少了以往復(fù)雜的發(fā)動機(jī)專用的個別功能，從而無論是應(yīng)用在汽油機(jī)、柴油機(jī)或者混合動力車上，在復(fù)雜性、可應(yīng)用性，以及整個發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的可測試性等方面都更勝一籌。

5 增壓

圖6所示的新開發(fā)的雙流道渦輪增壓器設(shè)計成包括增壓器殼體，以及第3缸和第4缸排氣歧管在內(nèi)的整體式結(jié)構(gòu)形式，而第1缸和第2缸，以及第5缸和第6缸排氣歧管則設(shè)計成單獨(dú)鑄件，并與中央整體式結(jié)構(gòu)件固定連接。這種結(jié)構(gòu)型式不僅簡化了接口，而且還能選擇配備排氣歧管的冷卻。為了確保具有良好的加速響應(yīng)特性，第一組（第1缸和第3缸）和第二組（第4缸和第6缸）的廢氣流被分別相繼引導(dǎo)至渦輪。排氣歧管的固定采用了在模塊化部件中所創(chuàng)造的夾緊/滑動壓板方案。為了優(yōu)化催化轉(zhuǎn)化器的加熱功能，電動廢氣放氣閥的最大開啟角度可達(dá)54°。因采取了應(yīng)用方面的措施，無需安裝倒拖循環(huán)空氣閥。直接連接在廢氣渦輪增壓器后面的近發(fā)動機(jī)催化轉(zhuǎn)化器被設(shè)計成可用于所有派生機(jī)型的通用件，這種布置型式可使催化轉(zhuǎn)化器非常快速的達(dá)到正常運(yùn)行溫度，這樣就能夠取消布置在汽車地板下的1個催化轉(zhuǎn)化器。

圖6 發(fā)動機(jī)排氣歧管及廢氣渦輪增壓器和廢氣后處理裝置

6 熱管理

智能化熱管理的應(yīng)用可以在測試循環(huán)和用戶實(shí)際行駛運(yùn)行中，使發(fā)動機(jī)達(dá)到最低的燃油耗。新型直列6缸發(fā)動機(jī)是采用以下措施來達(dá)到降低油耗的目的。

冷卻液通過用法蘭直接安裝在氣缸體曲軸箱上的冷卻水泵進(jìn)入發(fā)動機(jī)冷卻水套，首先在排氣側(cè)縱向流經(jīng)氣缸體曲軸箱，緊接著進(jìn)入氣缸蓋，并借助橫向流動，按規(guī)定的方向被分配到氣缸蓋中熱負(fù)荷最大的區(qū)域，之后冷卻液返回到氣缸體曲軸箱的進(jìn)氣側(cè)，再被導(dǎo)入WMM，其中有1個電動球閥具有不同的接通位置（例如關(guān)閉發(fā)動機(jī)暖機(jī)期間的加熱循環(huán)回路）。這種冷卻方案能夠獲得總體上均勻的溫度分布，并降低氣缸蓋中零件的最高溫度。

皮帶驅(qū)動的冷卻水泵具有1個閉鎖裝置和流量精確調(diào)整的旁通道，并與1個高效的發(fā)動機(jī)油水熱交換器相結(jié)合，在發(fā)動機(jī)暖機(jī)階段使熱量在結(jié)構(gòu)和流體中達(dá)到最佳的分配，從而將摩擦損失降到最低。同時，在暖機(jī)階段發(fā)動機(jī)油水熱交換器機(jī)油側(cè)的全流量能夠獲得最大的熱回收，而且在高負(fù)荷行駛運(yùn)行時能達(dá)到較低的機(jī)油溫度。通過使用粘度等級為0W20的最新的發(fā)動機(jī)機(jī)油能夠大幅度地降低摩擦，特別是在發(fā)動機(jī)機(jī)油溫度較低的情況下效果顯著。排氣道周圍尺寸較大的冷卻水套在發(fā)動機(jī)暖機(jī)期間能吸收更多的散熱，這有助于在整個特性曲線場范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)化學(xué)計量比燃燒。

使用1個布置于氣缸蓋排氣道附近的零件溫度傳感器，并與1個布置在發(fā)動機(jī)出口的冷卻液溫度傳感器相結(jié)合，就能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行方式的溫度調(diào)節(jié)，從而對摩擦和燃油耗產(chǎn)生有利的影響。

另外，由于用法蘭安裝在發(fā)動機(jī)冷卻液出口處的WMM能快速地調(diào)節(jié)冷卻液溫度，并縮短反應(yīng)時間，因而能提高正常行駛運(yùn)行時的冷卻液溫度，降低摩擦力，將冷卻的提前量減小到所必需的最低值。

7 燃燒過程

新型直列6缸汽油機(jī)的燃燒過程以原機(jī)型的雙渦輪增壓燃燒過程為基礎(chǔ)，氣缸直徑減小了2 mm變?yōu)?2 mm，壓縮比提高到11.0，從而提高了效率。缸徑減小后,行程/缸徑比提高到1.15，使熱力學(xué)和摩擦達(dá)到了最佳效果?；鸹ㄈ幕鸹ㄎ恢每蓮娜紵覂?nèi)縮進(jìn)約2 mm，這就明顯降低了火花塞的熱負(fù)荷。

與原機(jī)型的燃燒過程相比，盡管氣缸直徑減小了，但是活塞頂燃燒室凹坑形狀明顯加寬，并通過減小多孔噴油器流量而加寬噴束的設(shè)計，大大改善了混合氣的均質(zhì)化程度，同時通過有針對性地優(yōu)化進(jìn)氣道加強(qiáng)了充量運(yùn)動，使燃燒明顯加快。

為了能滿足廢氣排放法規(guī)加嚴(yán)的要求，對多孔噴油器的主要特性進(jìn)行了優(yōu)化，其流量的減小大大縮短了噴束的貫穿深度，同樣通過各個噴孔噴油量和噴束方向的分配優(yōu)化了噴束形狀，使催化轉(zhuǎn)化器加熱（分層能力）和運(yùn)行熱狀態(tài)兩方面要求達(dá)到了非常良好的折中，尤其是將燃油潤濕活塞和氣缸套壁面，以及進(jìn)氣門的現(xiàn)象減少到了最低程度。第二代可控閥動作（CVO）噴油器的功能利用了噴油器特性曲線額外的最小噴油量范圍?？傮w而言，這些措施對減少整個特性曲線場范圍顆粒數(shù)獲得了極為有利的效果。

圖7示出了在2 000r/min轉(zhuǎn)速時各種指示負(fù)荷下的指示比燃油耗特性曲線。從圖中可以清楚地看到，通過改善燃燒過程，能夠在更寬廣的范圍內(nèi)降低燃油耗。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境邊界條件下，這種新型模塊化汽油機(jī)在額定功率范圍內(nèi)以化學(xué)計量比混合氣運(yùn)行。

圖7 新型雙渦輪增壓汽油機(jī)與原機(jī)型指示燃油耗的比較

8 整車

通過搭載新型6缸汽油機(jī)，并與汽車和動力傳動方面的措施相結(jié)合，達(dá)到了舒適性、動力性和效率等方面的高要求，而發(fā)動機(jī)與汽車之間的統(tǒng)一接口，確保這種模塊化發(fā)動機(jī)能夠集成到BMW集團(tuán)生產(chǎn)的所有重要車型系列上。

9 燃油耗

通過暖機(jī)運(yùn)行、摩擦和熱力學(xué)等方面的措施，這種汽油機(jī)的燃油耗能比原機(jī)型降低6%，并與汽車方面的措施相結(jié)合，可使740i轎車的NEDC工況燃油耗降低16%，達(dá)到百公里6.6 L，從而使CO2排放量降低到154 g/km。圖8示出了新型740i轎車燃油耗和行駛性能與原車型和競爭車型的比較。

圖8 BMW740i轎車燃油耗和行駛性能與競爭車型的比較

10 功率和扭矩

與原機(jī)型相比，新型6缸汽油機(jī)的功率適度提高到240kW。豐滿的功率曲線和扭矩特性曲線使發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)動平衡性得到了進(jìn)一步的提高。在5 500～6 500 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)達(dá)到最大功率，而最大轉(zhuǎn)速可達(dá)到7 000 r/min。從1 380 r/min轉(zhuǎn)速起就可提供450 N·m最大扭矩，而采用改進(jìn)型8檔自動變速器則能在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)為高效動力性能提供基礎(chǔ)。圖9示出了原機(jī)型與新型直列6缸汽油機(jī)的功率和扭矩特性曲線。

圖9 新機(jī)型全負(fù)荷特性曲線與原機(jī)型的比較

11 廢氣排放

新型直列6缸汽油機(jī)滿足歐6廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)和ULEV70的美國廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，必要時可采用所介紹的方案達(dá)到SULEV70廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

12 聲學(xué)性能

再次改善直列6缸汽油機(jī)聲學(xué)性能的基礎(chǔ)是帶有良好質(zhì)量平衡機(jī)構(gòu)的鋼曲軸和主軸承蓋框架底座，后者與曲軸箱緊固連接使基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)具有高的總體剛度。盡管提高了功率和扭矩，但是這種內(nèi)部型號為B58的新機(jī)型，從4 000 r/min的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲比原機(jī)型低，因此這種直列6缸汽油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性再次得到了改善，更突出了BMW典型的重要特點(diǎn)。圖10示出了新型直列6缸機(jī)全負(fù)荷空氣傳聲輻射與原機(jī)型的比較。

圖10 新機(jī)型與原機(jī)型左側(cè)全負(fù)荷時的空氣傳聲對比情況

為了改善整車噪聲和熱平衡，還采用了靠近發(fā)動機(jī)的罩蓋。通過這種靠近噪聲源的噪聲屏蔽，優(yōu)化了汽車的聲學(xué)性能從而進(jìn)一步降低了汽車的總質(zhì)量。

13 輕量化

新型直列6缸汽油機(jī)盡管提高了功率、改善了聲學(xué)性能，以及滿足了集成或模塊化的要求，但是其質(zhì)量仍比原機(jī)型減輕了約2 kg，主要原因在于氣缸體曲軸箱、氣缸蓋和曲柄連桿機(jī)構(gòu)等的輕量化設(shè)計，以及緊固件和支承件的靈巧設(shè)計。

14 結(jié)語

BMW公司新型6缸雙渦輪增壓汽油機(jī)是從標(biāo)準(zhǔn)模塊化部件派生而來的，完全滿足了設(shè)計任務(wù)書中對BMW第二代直列6缸發(fā)動機(jī)所提出的更高要求。采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化部件方式達(dá)到了新機(jī)型所設(shè)置的重要的開發(fā)目標(biāo)，例如在提高功率和扭矩的同時顯著降低燃油耗，滿足全球廢氣排放法規(guī)，以及在優(yōu)化質(zhì)量的同時改善聲學(xué)性能等。

采用“Valvetronic”全可變氣門機(jī)構(gòu)的新型6缸雙渦輪增壓汽油機(jī)與汽車方面的措施相結(jié)合，使740i轎車的NEDC工況燃油耗降低16%，達(dá)到百公里6.6 L，從而使CO2排放量降低到154 g/km。新型直列6缸汽油機(jī)滿足歐6和ULEVⅡ廢氣排放法規(guī)，并于2015年7月搭載于改進(jìn)型3系列高級轎車和3系列旅游轎車，并且成功地投入量產(chǎn)。因此，這種最新一代6缸汽油機(jī)既提高駕駛樂趣，又滿足了高效動力學(xué)的要求。