【德】N.Ardey W.Mattes【奧】F. Steinparzer D.Hiemesch

摘要:通過正在開發(fā)的高效動力學(xué)發(fā)動機系列，BMW首次跨越汽油機和柴油機動力總成，致力于打造其獨特的動力總成標準組合部件方案。通過采用縱置式和橫置式安裝方式，以及用氣缸數(shù)改變排量，覆蓋現(xiàn)有發(fā)動機型譜，并且通過對性能具有重要意義的結(jié)構(gòu)方面的差異獲得了最佳的發(fā)動機系列。

1標準組合部件的拓展

BMW公司動力總成的標準組合部件歷經(jīng)了以往幾代發(fā)動機的持續(xù)開發(fā)，就直列式發(fā)動機而言，其通用化率已遠超過60 %，并且，水平標準組合部件在燃燒過程（汽油機或柴油機）中處于重要地位，因此根據(jù)進一步開發(fā)的邊界條件，向在汽油機和柴油機中占有明顯較大范圍的垂直標準組合部件方向拓展是新一代發(fā)動機的主要開發(fā)目標。

制造、開發(fā)和采購是推動這方面工作進展的因素，當(dāng)然，首先要確保的是品質(zhì)（圖1），其中包括：⑴通過汽油機和柴油機通用的基礎(chǔ)發(fā)動機平臺來協(xié)同開發(fā)與制造；⑵由多個生產(chǎn)基地實現(xiàn)生產(chǎn)靈活性（3缸、4缸和6缸汽油機或柴油機）；⑶掌控越來越多的變型機；⑷汽車接口的統(tǒng)一；⑸縮短推出新變型機的時間間隔；⑹通過減少方案和零件多樣化提高品質(zhì)，并提供更多的保障；⑺提高采購集約化和工業(yè)化程度；⑻為滿足目前和未來的燃油耗和廢氣排放要求奠定基礎(chǔ)。即使汽油機與柴油機達到最大的通用化程度，BMW公司確定新型標準組合驅(qū)動部件的前提和挑戰(zhàn)是按照汽油機和柴油機各自燃燒原理達到最佳性能設(shè)計，以確保在同類機型競爭中處于頂尖地位。

2標準組合部件的構(gòu)建

新型柴油機和汽油機標準組合部件定位于單缸排量為0.5 L的3缸、4缸和6缸機型，從而可獲得1.5 L、2.0L和3.0 L 排量。2014年春季，將新一代發(fā)動機3缸和4缸發(fā)動機（圖2）配裝于新型Mini轎車。柴油機和汽油機均采用布置在燃燒室中央的噴油器和廢氣渦輪增壓作為發(fā)動機統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。按照“更多共性，按需差異”的原則，BMW公司首次持續(xù)貫徹柴油機和汽油機普遍適用的標準組合部件。除了缸心距、氣缸體曲軸箱結(jié)構(gòu)高度、氣缸蓋和主軸承螺栓間距、平衡軸，以及與汽車的接口等基本尺寸之外，全鋁結(jié)構(gòu)型式也屬于發(fā)動機共性，而且這些發(fā)動機都在相同的生產(chǎn)線上進行加工和裝配。

標準組合部件的核心是用于柴油機和汽油機單缸排量為0.5 L的最佳氣缸單元（圖1），它們具有統(tǒng)一的91 mm缸心距，缸徑和行程可毫無折中地用于各自的燃燒過程（汽油機：缸徑82 .0 mm，行程94.6 mm；柴油機：缸徑84 mm，行程90 mm）（圖2）。新型發(fā)動機系列的3缸和4缸機型能在不同的汽車結(jié)構(gòu)中橫向和縱向布置，而6缸機型只能縱向布置。對于BMW公司的車型而言，0.5 L從各方面而言都是最佳的單缸排量。通常，較小的單缸排量使得振動較小，并具有較為良好的聲學(xué)性能，特別是摩擦較小和熱力學(xué)效率較高。因此，在考慮到必要的轉(zhuǎn)速范圍、循環(huán)燃油耗和實際使用燃油耗，以及廢氣排放的情況下，選擇0.5 L作為柴油機和汽油機的最佳單缸排量。

在無需燃燒過程特有結(jié)構(gòu)型式的部件和系統(tǒng)中，必須使柴油機與汽油機之間盡可能通用。例如，將發(fā)動機傳動端的正時傳動機構(gòu)設(shè)計成2部分的鏈傳動，用于機油和真空回路的串聯(lián)泵用單根鏈條傳動并布置在油底殼中。

柴油機與汽油機之間零件的通用化率為30%～40 %，結(jié)構(gòu)設(shè)計相同的零件數(shù)量也明顯較多，而柴油機或汽油機本身的零件通用化率則達到60%（圖3）。在柴油機或汽油機內(nèi)部，氣門傳動機構(gòu)的零件總是相同的，鏈傳動機構(gòu)則可作為結(jié)構(gòu)設(shè)計相同的系統(tǒng)實例，而它在發(fā)動機接口方面是統(tǒng)一的，但在汽油機和柴油機上已對其承載能力進行了仔細匹配。

特別注意到柴油機和汽油機與汽車接口的統(tǒng)一設(shè)計（圖4），而且在2種發(fā)動機上的安裝位置和角度是相同的。包括用于原始空氣、冷卻、汽車電纜束、發(fā)動機支架、變速器或空調(diào)管路等連接點在內(nèi)，安裝在汽車上的發(fā)動機共有10個接口，均由標準組合部件連接，這樣可減少汽車裝配車間中變型的數(shù)目，從而使裝配具有很大的靈活性。

要實現(xiàn)內(nèi)容豐富的標準組合部件，在開發(fā)初期，產(chǎn)品開發(fā)、采購和生產(chǎn)之間就必須緊密配合，而且必須詳細列出對部件和系統(tǒng)的要求，并在整個工藝鏈中嚴格地予以實施轉(zhuǎn)化，以實現(xiàn)構(gòu)建標準組合部件的有利效果。除了相應(yīng)的產(chǎn)品標準組合部件之外，同時還確定了生產(chǎn)中所使用的汽油機-柴油機工藝標準組合部件，并首次在生產(chǎn)中普遍實施。

3發(fā)動機標準組合部件簡介

除了通用件之外，BMW公司新型高效動力學(xué)發(fā)動機系列的標準組合部件還包括許多結(jié)構(gòu)設(shè)計相同的構(gòu)件。下面將分別介紹這兩種類型發(fā)動機的系統(tǒng)和部件實例，例如氣缸體曲軸箱、機油濾清器模塊、油底殼和齒輪傳動室罩蓋等通用件（圖5），而結(jié)構(gòu)設(shè)計相同的構(gòu)件有機油-真空泵、皮帶傳動、冷卻液泵和平衡軸等（圖6）。

4氣缸體曲軸箱

作為BMW公司新型柴油機和汽油機系列的重要基礎(chǔ)，氣缸體曲軸箱按照開發(fā)目標確定了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)特點，使目前應(yīng)用的結(jié)構(gòu)達到了整體優(yōu)化。它利用目前汽油機所保留的技術(shù)（涂層氣缸工作表面），以及目前僅柴油機應(yīng)用的技術(shù)（高強度軸承和熱處理、深裙和頂面封閉式氣缸體曲軸箱結(jié)構(gòu)，以及整體式平衡軸）。

開發(fā)氣缸體曲軸箱的挑戰(zhàn)在于，一方面能夠利用所有發(fā)動機變型（縱置式和橫置式汽油機或柴油機）相同的接口發(fā)揮更多的協(xié)同作用，另一方面在能形成性能優(yōu)勢的部位又要有所差別。在3缸汽油機和柴油機上， 采用復(fù)式金屬模制造的整體式鑄鋁毛坯形狀來應(yīng)對這種挑戰(zhàn)的。首先在制造加工方面要有所區(qū)別，此外,則要設(shè)計相同的基礎(chǔ)發(fā)動機介質(zhì)流動通路，與機油濾清器模塊、機油泵、冷卻液泵、變速器、發(fā)動機支架和起動馬達的接口，以及用于加工和裝配的緊固方案，這樣就能在相同的生產(chǎn)線上實現(xiàn)汽油機和柴油機變型的柔性生產(chǎn)，而在缸徑、主軸承座孔直徑和軸承蓋方面則又有所區(qū)別。

5機油濾清器模塊

整體式氣缸體曲軸箱的特點是能夠應(yīng)用統(tǒng)一的機油濾清器模塊，是縱置式和橫置式3缸、4缸汽油機和柴油機的通用件。這種塑料結(jié)構(gòu)型式的機油模塊將機油濾清器與機油冷卻器組合成1個緊湊的整體型式，由發(fā)動機機油-冷卻液熱交換器的模塊化結(jié)構(gòu)尺寸來滿足不同的冷卻要求。

6油底殼

對于標準組合部件發(fā)動機而言, 發(fā)動機在汽車上的安裝位置是統(tǒng)一的。無論考慮到汽油機還是柴油機的要求，因與氣缸體曲軸箱、發(fā)動機支架和變速器的接口是相同的，因此,用于這兩種類型發(fā)動機的油底殼毛坯在各自車型和驅(qū)動方式（前驅(qū)動、后驅(qū)動和全驅(qū)動）下都是統(tǒng)一的，通過制造加工就能滿足不同要求（例如傳感器的安裝）。標準組合部件發(fā)動機的油底殼均采用鋁壓鑄而成，因變速器連接在油底殼上，這種工藝方法起到了對發(fā)動機-變速器聯(lián)結(jié)的加固作用，對在發(fā)動機橫向布置時（3缸、4缸發(fā)動機）擺動支承的連接，以及全驅(qū)動時前橋變速器的連接，則提出了進一步的強度要求。

7齒輪傳動室罩蓋

用于3缸、4缸汽油機和柴油機的齒輪傳動室罩蓋也是通用件。這種塑料結(jié)構(gòu)型式的罩蓋被安裝在發(fā)動機前端，蓋住平衡軸-齒輪傳動機構(gòu)，它既包括曲軸徑向密封圈，也包含有與氣缸體曲軸箱和油底殼的靜態(tài)密封。這種方案的優(yōu)點是質(zhì)量輕、整體式密封和預(yù)裝配連接構(gòu)件，簡化了裝配工作。

8機油/真空泵

BMW公司的新型標準組合部件發(fā)動機的機油泵與真空泵組合成1個整體式單元結(jié)構(gòu)，它與發(fā)動機的連接接口對于汽油機和柴油機動力總成是相同的，這樣就能采用統(tǒng)一的機油/真空泵方案，而汽油機和柴油機對機油壓力及其體積流量的不同需求則通過調(diào)整機油泵內(nèi)齒輪組尺寸予以滿足。因機油泵的設(shè)計方案相同，諸如機油進油管、特性曲線場調(diào)節(jié)閥和緊固螺栓都可使用統(tǒng)一的零件。若將機油泵設(shè)計成全可變滑片泵，那么，其體積流量則能借助于特性曲線場調(diào)節(jié)閥按需進行調(diào)節(jié)。安裝在同一根驅(qū)動軸上位于機油泵后的真空泵也是結(jié)構(gòu)設(shè)計相同的部件。

9皮帶傳動

結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一的氣缸體曲軸箱還能使3缸、4缸和6缸汽油機與柴油機上的皮帶傳動也成為標準組合部件。根據(jù)特定的組裝要求，僅有專門用于橫置式和縱置式發(fā)動機的2種不同的皮帶傳動布置形式，可根據(jù)各自配套車型的要求采用。發(fā)動機輔助設(shè)備統(tǒng)一布置在進氣側(cè)，以便使燃燒過程專用的增壓和排氣后處理在排氣側(cè)能獲得盡可能大的自由空間。皮帶傳動與發(fā)電機、冷卻液泵、空調(diào)壓縮機和曲軸皮帶盤具有統(tǒng)一的連接部位，這就為各輔助設(shè)備準備了足夠大的寬度，因而降低了連接的復(fù)雜程度，使開發(fā)、采購和制造的整個過程鏈非常協(xié)同。通過預(yù)緊力和皮帶曲線使所有發(fā)動機都獲得了摩擦優(yōu)化的單皮帶傳動。皮帶傳動中所有的皮帶盤尺寸在汽油機和柴油機上都是統(tǒng)一的，而皮帶張緊輪、轉(zhuǎn)向輪、發(fā)電機和空調(diào)壓縮機也都是通用件。此外，在皮帶傳動設(shè)計中也已考慮到了由發(fā)電機（起動機-發(fā)電機系統(tǒng)）來承擔(dān)發(fā)動機的起動功能。

10冷卻液泵

標準組合部件發(fā)動機的機械式冷卻液泵是由發(fā)動機傳動的部件。與用于縱置式和橫置式發(fā)動機變型的2種不同皮帶傳動類似，冷卻液泵也有2種不同的集成方案。在基本結(jié)構(gòu)設(shè)計中，即使汽油機和柴油機對冷卻液的需求量不同，但仍達到了很高的通用化程度。在相同的殼體零件、皮帶盤和軸承，以及統(tǒng)一的輔助設(shè)備支架情況下，通過葉輪變化和動態(tài)壓縮設(shè)計來滿足柴油機和汽油機的特殊要求，并且在冷卻液泵的基本設(shè)計方案中已考慮了冷卻液需求量可變和可開關(guān)的可能性。在橫置式發(fā)動機上，冷卻液循環(huán)回路中的節(jié)溫器調(diào)節(jié)被設(shè)置在冷卻液泵單元中，根據(jù)使用情況應(yīng)用傳統(tǒng)的或特性曲線場調(diào)節(jié)的節(jié)溫器。

11平衡軸

汽油機和柴油機平衡軸單元的布置和傳動在結(jié)構(gòu)設(shè)計上是相同的。在3缸和4缸發(fā)動機上，平衡軸被集成在氣缸體曲軸箱中，并通過齒輪機構(gòu)由曲軸驅(qū)動。在發(fā)動機設(shè)計方面，2種機型的差別在于，平衡自由慣性力和慣性力矩所需的質(zhì)量比，以及傳動齒輪仔細設(shè)計時有關(guān)隔離或夾緊的方式，因此要考慮燃燒基本條件不同的轉(zhuǎn)換瞬間以及確保齒輪傳動最佳的聲學(xué)性能。

12降低CO2排放的措施

按照BMW公司高效動力學(xué)的理念，新一代柴油機和汽油機具有盡可能小的摩擦損失和最好的熱力學(xué)效率。BMW公司的汽油機采用高效的雙渦輪增壓技術(shù)運行，并與缸內(nèi)汽油直噴、全可變進氣門控制和雙渦道廢氣渦輪增壓相結(jié)合，而柴油機將雙渦輪增壓技術(shù)與共軌高壓直噴和新型可變渦輪幾何截面渦輪增壓器相結(jié)合（圖7）。

首次推出的3缸1.5 L柴油機和汽油機具有明顯降低CO2排放的潛力，其原因是具有較為有利的暖機運轉(zhuǎn)性能、較小的摩擦功率、較小的排量，以及由此使運行工況點向高效率特性曲線場范圍移動。發(fā)動機的油耗在其功率范圍內(nèi)處于頂尖的位置，因此，與傳統(tǒng)1.6 L 4缸汽油機相比，3缸汽油機的CO2排放降低了6.2 %。而在動力性能方面，高升功率的3缸發(fā)動機也具有相應(yīng)潛力，該發(fā)動機系列覆蓋了55～100 kW的功率型譜，而在新型BMWi8轎車上則配裝了170 kW的汽油機機型。

通過應(yīng)用不斷優(yōu)化的基礎(chǔ)發(fā)動機、昂貴的熱管理系統(tǒng)、按需調(diào)節(jié)的輔助設(shè)備、按特性曲線場調(diào)節(jié)體積流量的機油泵、低黏度機油，以及起動-停機自動控制系統(tǒng)等一系列的節(jié)油技術(shù)，新型柴油機和汽油機達到了最低的CO2排放值，并能滿足已生效的歐6廢氣排放法規(guī)要求，采用相應(yīng)的排氣后處理系統(tǒng)還能達到特超低排放車法規(guī)的限值要求。

13結(jié)語

BMW公司在直列式發(fā)動機上采用了用于產(chǎn)品和工藝的新型緊湊的標準組合部件，重新調(diào)整了發(fā)動機開發(fā)策略。3缸、4缸和6缸汽油機與柴油機之間具有高的通用化程度，在產(chǎn)品開發(fā)、汽車集成和生產(chǎn)中達到了高度協(xié)同。沿用了現(xiàn)有發(fā)動機久經(jīng)考驗的BMW公司獨特的核心技術(shù)，又進行了進一步優(yōu)化，使之更為卓越。所有發(fā)動機均采用噴油器中置的直接噴射和廢氣渦輪增壓。這些發(fā)動機是BMW公司高效動力學(xué)策略的重要成果，即使顯著提高了動力性能，但對進一步降低BMW公司平均燃油耗作出了重要貢獻。

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