BMW集團首次成功開發了由3～6缸汽油機和柴油機組成的重要的模塊化標準部件。在此之后，新的橫置式3缸和4缸汽油機又開啟了新一代模塊化標準部件的發展之路，有效降低了燃油耗，并適度提高了行駛功率，同時還重點改善了發動機的聲學性能，而且第二代模塊化標準部件已成為了能可靠地達到未來廢氣排放和法規要求的基礎。

13缸和4缸汽油機開發的目標要求

為了滿足更高的開發目標及其對改善性能的要求，燃油耗最多可降低5%。當發動機滿足實際行駛排放（RDE）和世界統一的輕型車試驗規范（WLTP）的排放要求，為滿足未來廢氣排放法規奠定基礎。輕型結構是開發工作另一個重點，是要比原機型質量減少7 kg。在降低發動機噪聲3 dB的同時需要根據發動機安裝位置和汽車用途提高約10 kW功率和20 N·m扭矩，可謂是一個不小的挑戰。

圖1 新型模塊化標準部件的目標要求及其與原機型的比較

235 MPa噴射壓力的燃油系統

作為新一代發動機的重要組成部分，新開發的噴射壓力達35 MPa的燃油系統（圖2a）已開發了模塊化標準部件。除了高壓燃油泵和噴油器之外，鍛鋼燃油共軌及其附屬高壓油管也都已進行了調整，并針對成本和質量進行了優化。對于液壓系統而言，必須控制高壓燃油泵、高壓油管和共軌中的壓力波動，為此已對系統進行了優化，并借助于模擬和測量重新設計了共軌入口和噴油器中的節流口。

(a)

(b)

圖2 新開發的35 MPa燃油系統（a）和

噴油器（b）

另一個需考慮的問題是供油量與相匹配的高壓燃油泵的驅動。在早期開發階段就已對高壓燃油泵的供油角及其在氣門傳動機構中所產生的力和力矩進行了模擬，以此確保其在氣門機構和鏈傳動機構中僅會出現較小的超載現象。同時，保留了功能上可靠的布置型式以及由排氣凸輪軸驅動的方式。

為了在新一代模塊化標準部件中采用35 MPa噴射壓力進行燃油噴射，開發了新的噴油閥（圖2 b），同時優化了最小噴油量調節功能，并在新的噴油閥上進行了了專門的調整，從而在整個流量特性曲線場中，噴油器都能進行調節控制，同時噴油閥針對多次噴射進行了匹配，明顯縮短了兩次噴射之間的時間間隔。此外，針對針閥座面密封性和燃燒產生顆粒數（PN）的排放問題也進行了改進。采用了涂覆有特殊涂層的針閥密封錐面，顯著減少了密封座的泄漏，從而也能可靠地達到了特超低排放車輛（SULEV）的碳氫化合物（HC）排放要求。此外通過專門設計的噴油器頂部（針閥座）優化了預分級鉆孔，并且新開發的噴孔通過幾何形狀的改善減少了噴油器頂部附近的燃燒擴散，從而減少了PN排放。

隨著噴射壓力提高到35 MPa，可以降低高壓噴油器的穩態流量而不會對絕對噴油量和噴油時間產生不利的影響。因此該方法與上述改善措施在噴孔幾何形狀范圍內改善了噴束的擴散，并減小了紹特平均油滴直徑，從而優化了混合氣準備，減小了噴束貫穿距離，從而進一步減少了氣缸套壁面和活塞的潤濕現象，因此減少了機油的稀釋，避免了自行著火燃燒。此外，噴孔幾何形狀的優化與噴孔的預分級結合使得噴油過程期間噴油器頂部能更少地被燃油潤濕。

3單級鏈條傳動機構

對于由排氣凸輪軸驅動的35 MPa高壓燃油泵的工作能力而言，一個重要步驟是從兩級鏈條傳動換成單級鏈條傳動（圖3），以此改善共振特性，同時鏈傳動機構開發的一個重點是減少機械損失。通過取消中間鏈輪和優化滑動導軌的設計能夠降低約30%的鏈傳動摩擦，同時還能明顯減少鏈傳動對曲軸箱的振動激勵現象，進一步改善聲學性能。

圖3 新型模塊化標準部件鏈傳動結構與原機型的比較

4采用分開式冷卻液循環回路的熱管理

在發動機系列技術方案中首次與新一代模塊化標準部件一起采用了分開式冷卻液循環回路，是整個熱管理系統中的組成部分（圖4a）。其中，除了換成帶有整體式排氣歧管的氣缸蓋（ZIK）之外，在開發冷卻水套時還對分開式冷卻液循環回路也給予了一定的重視。通過采用冷卻液泵后的冷卻液分別流入這兩個部件、封閉的氣缸蓋墊片以及兩個分別進入位于發動機排氣側的熱管理模塊的入口確保了兩個冷卻液循環回路的分別運行。集成在熱管理模塊中的電動分開式冷卻閥（圖4b）可調節流經氣缸體曲軸箱的體積流量，但無法調節流經氣缸蓋的流量，因此可按需求調節氣缸壁面的溫度，其中可從零流量狀態經過3個中間流量級直至轉換到全流量狀態。

(a)

圖4 發動機內部冷卻液循環回路和帶有分開式冷卻閥的熱管理模塊

在低負荷和部分負荷的工況范圍內，可通過冷卻液停止流動的方案來提高氣缸壁面溫度，從而能有利于活塞組摩擦和缸內燃燒。除此之外，在負荷突變的情況下，較高的氣缸壁面溫度能顯著降低顆粒的形成。甚至在寬廣的工況范圍內，氣缸體曲軸箱的溫度也相應提高，而與此相反，由于燃燒室頂部得以良好冷卻，爆震傾向并不會增大。

5旋轉對稱成形珩磨加工的氣缸體曲軸箱

在將曲軸箱冷卻方案轉變成分開式冷卻時，同時也減小了氣缸體曲軸箱活塞壓力側和背壓側的冷卻水套高度（圖5a），以此能優化氣缸套上部熱區范圍的冷卻方式，同時還能提高氣缸套下部影響摩擦的區域溫度，正如圖5b所示的那樣，它們使氣缸套的溫度分布更為均勻，這對氣缸變形產生了有利的效果。

(a)

(b)

(c)

(d)

圖5 氣缸體曲軸箱的修改、

氣缸壁面溫度分布，

珩磨形狀圖示和成形珩磨的優點

然而，由于氣缸中燃燒熱量以不均勻的方式傳入，在氣缸套工作表面整個高度上的溫度場是不斷變化的，在溫度場和局部氣缸體曲軸箱剛度的共同作用下，氣缸套的變形是隨著運行工況點不斷變化的，這會明顯影響到活塞間隙。由于氣缸套朝下止點方向的熱膨脹較小，減小了活塞間隙，因此在鋁氣缸體曲軸箱與鋁活塞相配合的情況下，在發動機中可能會出現活塞直徑大于氣缸套直徑的狀況，該現象被稱之為“脹缸”，通常會隨著活塞組摩擦急劇增大而發生。防止該現象出現的一個有效的措施是使氣缸套直徑朝下止點方向對稱擴大（圖5c），從而就能有效地避免此類“脹缸”現象，并可降低噪聲。圖5d示出了采用和不采用旋轉對稱成形珩磨的氣缸套與活塞組之間的摩擦曲線。這些用浮動缸套測量系統查明的結果表明，在下止點范圍內，其摩擦明顯減小。

根據運行工況點的不同，對稱成形珩磨獲得了不同數量級的摩擦優勢。隨著功率的增大及活塞溫度的升高，其優勢逐漸凸顯，降低了燃油耗，同樣在對行駛試驗循環具有重要意義的特性曲線場范圍內也顯示出明顯的優勢，例如在WLTP試驗循環中相同的工況點上，整機摩擦也降低了好幾個百分點。

6帶有整體式歧管的氣缸蓋

除了上述介紹的采用新技術的模塊化標準部件之外，同時也為發動機進一步開發了能提升其性能的部件，不僅在3缸機上配備了鋁渦輪殼，而且在4缸機上也將排氣歧管集成在氣缸蓋中。

作為整個熱管理的組成部分，大面積的冷卻水套包圍著集成的排氣歧管（圖6a）。將排氣熱能傳入冷卻系統，一方面降低了排氣溫度，擴大了以化學計量比混合氣運行的范圍，另一方面也加速了發動機暖機過程，由于降低了壁面熱損失以及提高了發動機機油和零件的溫度，從而有效降低了摩擦，使燃油耗得以改善。此外，氣缸蓋集成排氣歧管與發動機機油-水熱交換器相組合，使得在絕大多數摩擦部位聚集的熱量可迅速有效地散發。

(a)

(b)

圖6 集成在氣缸蓋中的分缸歧管和渦輪殼與之匹配的廢氣渦輪增壓器

7增壓器機組的進一步開發

在集成了歧管的氣缸蓋優化過程中，3缸及4缸機的增壓器機組已與系統分界面部位和法蘭位置相匹配（圖6b），而且進一步的開發過程還必須考慮到由RDE廢氣排放法規和更高的發動機動力性要求。為了使4缸機和雙流道渦輪增壓器技術能承受當前的排氣溫度，采用1.4849耐高溫鑄鋼作為渦輪殼材料，而MAR高溫合金材料則用于渦輪葉輪,同時渦輪增壓器的質量減輕了1.6 kg。為了獲得更高的發動機功率和達到RDE廢氣排放法規的要求，必須降低渦輪進口壓力。通過重新設計和調整，在加速響應性不受影響的情況下達到了該要求。此外，為了優化功率和舒適性方面的行駛性能，采用了電動廢氣放氣閥執行器，再加上催化轉化器靠近發動機布置，并且廢氣放氣閥具有較大的開啟橫截面積，從而有效地降低了廢氣排放，而廢氣放氣閥機構中的阻尼彈簧元件則又大大改善了聲學性能。另外，在4缸機的渦輪增壓器中采用了一個整體式廢氣放氣閥。

8質量優化的曲軸

在開發曲柄連桿機構時，除了使用強度和質量之外，對其聲學性能的設計過程也提出了更高的要求。常規的計算方法在方案設計階段后就能評估對聲學性能具有重要意義的參數，但是因評定目標性能的費用較為昂貴，因此對目標要求進行聲學性能的優化在一定程度上受到了限制。

目前，已為曲軸設計制定了一個全新的方案，該方案根據指示在早期設計階段就能對質量和聲學性能進行有針對性的優化，其中借助于多體模擬就能對曲軸的動態性能進行時間疲勞分析和評價，其優點在于可將復雜的整體和局部的振動特性壓縮到相應的最佳數值。通過將振動激勵降低到最小程度，就能在減輕質量的同時改善聲學性能。圖7示出了在同一的時間點時，氣缸體曲軸箱表面振動速度的優化方案及最終結果。盡管曲軸的質量得以顯著減輕，但是對氣缸體曲軸箱結構的激勵卻有所減小。該方法已應用于所有的曲軸標準部件，并且其應用效果已在試驗中得到證實，從而可與3缸機平衡軸傳動機構采取的措施相適應，使3缸機及4缸機的質量減輕達1kg。

圖7 新機型和原機型發動機氣缸體曲軸箱表面的相對振動速度及其曲軸

9發動機特性參數

目前所有改進方案和各項技術的共同效果，可使采用新一代模塊化標準部件的發動機達到了表1所示的性能和重要特性參數。

表1 當前采用新一代模塊化標準部件的橫置式發動機方案及其特性參數

10質量

與原機型相比，采用新一代模塊化標準部件的發動機的質量最多減輕了7 kg。熱管理模塊和分開式冷卻對質量存在一定的影響，通過對新開發部件采取的各項措施得到了充分的補償，因此總體效果反而使整機質量得以顯著減輕。

11顆粒排放

通過更高的噴油壓力與分開式冷卻，獲得了更高的氣缸壁面溫度，并可降低整個特性曲線場中的顆粒排放。圖8上圖通過4缸高功率機型與原機型相比，表明了新一代結構系列在顆粒數排放方面具有明顯的優勢，在最大功率范圍內顆粒數排放降低了2～3倍。

穩態運行的優勢能轉換到動態運行中。圖8示出了在整個WLTP循環中的累積顆粒數排放。即使在動態運行中，降低的貫穿距離及其所導致的燃油潤濕現象，對于顆粒數排放的減少也起到了主導作用。與噴油壓力為20 MPa的原機型相比，噴油壓力為35 MPa的新機型的累積顆粒數排放也降低了50%以上。

圖8 新老機型顆粒數的比較以及20 MPa和

35MPa噴油壓力發動機在WLTP試驗循環中的顆粒數

12燃油耗

與原機型相比，新機型通過暖機、摩擦和熱力學等方面的優化降低了燃油耗。圖9示出了各單項措施在總結果中的節油效果，例如在配備有中等功率4缸機型的情況下，采用新一代模塊化標準部件的車輛在新歐洲行駛循環（NEDC）中的CO2排放降低了5%。

圖9 按照中等功率4缸機CO2排放計算的NEDC行駛循環燃油耗優勢

13結論

通過在新一代模塊化標準部件的進一步改進，新一代發動機的性能得到了全面改善，不僅降低了CO2排放，而且降低了顆粒數和顆粒質量等有害物排放，使得發動機能達到未來RED和WLTP法規的要求，提高了功率和扭矩，改善了聲學性能和減輕了質量，再加上該機型應用廢氣后處理和電氣化方面其他技術的能力，新一代模塊化標準部件為BMW集團未來的發動機動力裝置奠定了基礎。其中，新一代橫置式3和4缸機型僅僅是一個開端，緊接著以模塊化標準部件為基礎，并繼續推出具備更高升功率的新型縱置式機型。