BMW与PSA联合开发的四缸汽油发动机技术介绍(四)

◆文/浙江 范明强

范明强 (本刊编委会委员)教授级高级工程师，参加过陕西汽车制造总厂的筹建工作，主管柴油机的产品开发；1984年调往机械工业部无锡油泵油嘴研究所，曾任一汽无锡柴油机厂、第一汽车集团公司无锡研究所高级技术顾问、湖南奔腾动力科技有限公司总工程师。

(接2017年第12期)

六、第2代机型的升级改进

BMW公司和PSA标致雪铁龙公司合作开发的这种新型4缸汽油机系列从2006年起就搭载于BMW-Mini、标致和雪铁龙的所有车型上。2010年又对这种汽油机系列进行了升级改进设计，在改善动力性能的同时其燃油耗和排放大幅度降低，达到欧5和美国ULEVⅡ废气排放标准要求，令世人所瞩目。升级改进版总共有8种发动机变型，其功率跨度从55kW直至147kW，其中5种机型的技术数据如下(表4)。

废气涡轮增压的顶级机型(图21)是世界上首次在4缸汽油机上应用了TVDI技术。TVDI代表双涡道废气涡轮增压器与全可变气门机构和缸内直接喷射相组合。与第一代机型相比，它在TGDI机型基础上，通过添加全气门机构实现TVDI燃烧过程能再次显著降低燃油耗，在欧盟试验循环中的节油率可达到9%。因具备全可变气门机构的自然吸气汽油机已为低燃油耗提供了卓越的原始基础，因此在这种汽油机上仅仅是继续降低所有部件上的摩擦功率，并通过诸如按特性曲线场调节的机油泵和优化机械接合式冷却水泵的接合/脱开策略等技术特点来进一步降低燃油耗。

图21 搭载于MiniCooperS级轿车的升级级板1.6L-TVDI增压直喷式汽油机

在第1代TGDI机型基础上，第2代TVDI机型进行了如下的升级改进。

1.汽缸体曲轴箱和曲柄连杆机构

主轴承框架底座取消了至今在增压发动机上一直应用的粉末冶金主轴承盖镶套。主轴瓦通过应用“微沟槽”技术降低了摩擦。为了实现TVDI，活塞的金相组织和涂层都针对降低摩擦和噪声进行了优化。第一道环槽进行阳极化硬化处理。为了降低增压机型的热负荷，活塞采用喷射机油冷却。

2.汽缸盖

由于要将涡轮增压顶级机型改成TVDI燃烧过程，因此有必要增加一种汽缸盖变形。将TGDI的汽缸盖作为新的TVDI汽缸盖的设计基础，并补充装备全可变气门机构的可能性。由于受到汽缸盖上极限组装条件的限制，决定采用第3代可变气门定时(VVT3)调节装置，因此不再需要VVT偏心轴位置传感器。

根据迄今为止直接喷射机型的经验，已开发了一个新的曲轴箱通风装置。最精细的机油分离效果得到了明显的改善，并且曲轴箱漏气直接通过进气道上的出气口进入汽缸，而在全负荷时曲轴箱漏气则引导到废气涡轮增压器涡轮前，因此与TVDI燃烧过程一起共同防止了在进气门上形成积炭。

3.机油泵

由于采用了按特性曲线场调节的机油泵，省掉了不必要的泵油能量，因此比传统的机油泵节省传动功率，在欧盟试验循环中TVDI机型的燃油耗可降低2.5%，其中1.5%的节油效果是直接由机油压力降低所获得的，而另外的1%的节油效果是因关闭冷却活塞的机油喷嘴而得到的。

4.冷却水泵

在第1代机型上，冷却水泵接合/脱开机构和运行策略仅在自然吸气发动机的ECE(欧洲经济委员会)机型上应用，从而能在欧盟(EU)试验循环中节油0.9%(图22)。

表4 第2代升级改进版机型的技术数据

图22 冷却水泵接合和脱开的策略

在第2代机型进行升级改进设计时，这种冷却水泵接合/脱开机构和运行策略(图6)已运用到整个发动机系列中，而且冷却水泵要延缓好几个循环工况后才接合，从而使得在欧盟(EU)试验循环中的节油效果进一步提高了约0.3%。这种按运行工况来调节所必需的冷却液数量是众多节油措施之一，但在执行美国排放法规(FTP75)的国家中，因出于车载诊断的原因，则采用不变的冷却水泵传动方式。

5.辅助设备

真空泵用法兰安装在排气凸轮轴后端，它产生的真空用于制动真空助力器，而在废气涡轮增压发动机上还要产生用于控制废气放气阀所必需的真空度。这种真空泵的工作容积已比第一代机型减小了大约35%，这样就减少了真空泵消耗的传动功率，因而进一步降低了燃油消耗。空调压缩机和各种不同的发电机变型都安装在铸造的托架上。

6.TVDI发动机功能

第2代TVDI机型由于添加了全可变气门机构和降低摩擦的措施，其燃油耗能再次比老机型有显著地降低。在欧盟试验循环中的节油效果可达到9%。缸内直接喷射机型可应用所有品质的燃料和机油运行，而无须指定使用无硫燃料。

缸内直接喷射式汽油机应用了双涡道涡轮增压器，此时在排气歧管和涡轮增压器中，通过相应的通道设计，每两个汽缸一个通道是彼此相互分开的。在降低燃油消耗的同时，增压器涡轮能获得附加的推力，因此就能较早地加速。这种效果可明显地被觉察出来，因为在1 600r/min时就能达到最大的充气效率，同时几乎完全避免了通常在涡轮增压发动机上经常受到指责的涡轮穴蚀现象，并且扭矩的提升就像机械式增压器发动机那样快。

废气最高温度由发动机电控单元进行监测，并将其限制在950℃。为了防止在发动机停机后机油和水冷式涡轮增压器因过热而损坏，在发动机停机后一个电动辅助水泵会自动启动，这样就能将多余的热能带走，并防止机油管路中结焦。

全可变气门机构按无节流负荷调节原理进行工作，并通过进气门升程和开启时刻的无级调节来调节发动机功率。这种近似无损失的负荷调节是依靠BMW公司的“Valvetronic”全可变气门机构来实现的，它可将配气相位调节与进气门座圈上的导气屏相结合，在缸内形成良好的充量运动(图23、24、25)，使得发动机能够在低燃油耗下获得顶级的加速响应特性。

图23 进气门座圈上的导气屏和配气相位调整

图24 涡流产生的充量运动

图25 滚流产生的充量运动

在部分负荷时，发动机以较高的缸内废气份额运行，因此在进气门升程较小的情况下需要采用排气门晚关和进气门早关的极端配气相位。部分负荷时的负荷调节是采用进气门升程和开启相位(FES=进气门早关)的无级调节来实现的。

在全负荷时，发动机负荷则是通过增压压力来调节的。在这两种负荷调节方法之间的过渡区间的转换是瞬间悄无声息实现的。这种汽油机虽然仍配备了一个节气门，但是它仅仅承担备用和诊断功能，在发动机正常运转时它总是开大而使得进气管中的压力为50mbar(1bar=105Pa)，以便用来进行燃油箱通风。

增压机型的压缩比为10.5，这对增压发动机来讲是较高的，因此这种机型还采用了分缸爆震调整来控制燃烧过程，并在必要时修正点火角和增压压力。

7.效率

第2代135kW机型的燃油耗与第1代机型的燃油耗值相比又有了大幅度的降低(图26)。由于采用了TVDI燃烧过程和降低摩擦功率措施，燃油耗降低9%是有可能的。其欧盟(EU)试验循环(KV01)的燃油耗为5.8L/100km，这相当于CO2排放量为136g/km，因而TVDI机型在转速2 000r/min和平均有效压力2.0bar运转工况点的燃油经济性已达到了分层燃烧自然吸气汽油机的水平。

8.动力性能

增压直接喷射式机型综合了柴油机的扭矩特性和先进汽油机的优点，当转速1 600r/min时就已达到了最大扭矩，并一直保持到5 000r/min转速，同时在以超增压功能加速时扭矩在短时间内被额外提升。该发动机在5 500r/min时达到135kW额定功率，并从1 600r/min转速起达到最大扭矩240Nm(图27)，而超增压功能可将扭矩短时间内提升到260Nm。

图26 第2代TVDI与第1代TGDI机型燃油耗的比较

图27 第2代TVDI与第1代TGDI机型扭矩和车速提升的对比(变速器第6挡位)

9.排 放

搭载于MiniCooperS轿车的135kW机型能满足苛刻的欧V和ULEVⅡ(超低排放汽车)废气排放标准，因此能在世界各国使用。

为了使得催化转化器迅速地加热达到其工作温度，选择了专门为这种运行方式优化的标定，只要借助于TVDI燃烧过程的灵活性就能实现这种最佳的标定。为了满足当今的废气排放法规要求，必须尽可能快地使催化转化器达到最低的起作用温度，为此在发动机启动后运用对此具有最佳效果的运行策略，例如极端的凸轮轴相位调整(晚的排气门和进气门开启时刻)、时间上错开的两次喷射、较晚的点火定时角和提高怠速转速等。通过应用新开发的快速启动λ传感器，使得能够在启动后6s混合汽就能达到λ=1.05，致使原始排放进一步降低。即使采用了所有这些措施，但由于应用了TVDI燃烧过程，所以发动机仍具有高的运转稳定性。

此外，对于其所有的增压机型，全球可统一应用一种催化转化器系统，而无须采用二次空气系统。而对于ULEVⅡ机型(美国)，则需要在汽车地板下附加一个催化转化器，这主要用于满足美国较高的车载诊断要求(OBDⅡ)。