1所有直列式發動機的基本方案

BMW公司將全新開發的發動機系列配裝于新型Mini轎車投放市場，并最終擴展成包括所有3缸、4缸和6缸汽油機與柴油機在內的發動機系列，并且所有直列式發動機都采用相同的基礎發動機方案和統一的外圍輔助設備。

BMW公司的新型汽油機具有3種3缸機型和一種4缸變型機型，而3缸機具有1.2 L和1.5 L 2種排量。1.2L機型的額定功率從75 kW起，覆蓋了Mini One轎車的功率定位。1.5 L汽油機以100 kW額定功率配裝于Mini Cooper轎車，而其特殊的高功率變型則以170 kW額定功率用于新型BMW i8混合動力運動型轎車上。新型4缸汽油機首次以140 kW額定功率作為Mini Cooper S型轎車的動力裝置，并且，會以明顯更高的功率配裝于BMW和Mini轎車[1]。

2目標設定

新型發動機系列的主要目標是開發高效、緊湊、功率強勁的發動機，并滿足未來全球日益嚴格的排放法規要求。與此同時，在設計任務書上規定了下列性能目標：⑴在頂級應用場合，升功率最高可達115 kW/L；⑵略微超過怠速轉速就能發揮高扭矩（低速扭矩）；⑶動態響應性能可與功率相同的自然吸氣發動機相媲美；⑷標準測試循環和用戶實際使用燃油耗較低；⑸具有滿足全球最嚴格廢氣排放法規限值的潛力；⑹輕型結構的鋁氣缸體曲軸箱；⑺通過優化基礎發動機的結構設計使摩擦損失最小；⑻通過質量平衡系統使3缸機和4缸機都能獲得高的運轉平穩性。此外，以汽油機與柴油機系列的通用性達到以下效果：⑴在多個生產基地靈活地組織生產（3缸、4缸和6缸機汽油機與柴油機）；⑵在相同的基礎發動機平臺上方便且迅速地推出不同的技術方案；⑶方便且迅速地推出變型機；⑷所有變型機與汽車具有統一的接口。其他方面的前提條件和挑戰是，即使具有最大的通用化程度，各種變型機都能達到最佳的性能設計，以確保在競爭機型中的頂尖地位。

表1 3缸和4缸汽油機的主要技術規格

3設計方案

新型3缸和4缸汽油機（圖1）仍沿用BMW公司直列式發動機的設計尺寸，缸心距為91 mm，單缸排量為0.5 L，而用于MiniOne轎車的3缸機方案則是個特例，其單缸排量0.4 L，總排量為1.2 L（表1）。在結構設計和外圍輔助設備方面，這些發動機基本上都采用增壓。為了為最佳性能和汽車集成創造最佳的前提條件，充量更換被設計成橫流式，而且從發動機左側進氣，右側排氣。鏈傳動機構被布置在發動機后端，使所有輔助設備能全部集中在進氣側，右側可用于布置廢氣渦輪增壓器和近發動機的排氣后處理裝置。圖2示出了4缸直噴式汽油機的縱橫剖視圖。

4基礎發動機的結構設計

為所有機型設計了全鋁結構型式的氣缸體曲軸箱（圖3）。凸輪軸鏈傳動機構被布置在飛輪側。氣缸套工作表面采用創新的電弧金屬絲噴鍍涂層，厚度僅0.3 mm，極其耐磨，而且與傳統的灰鑄鐵氣缸套相比，具有良好的散熱性能。所有機型都采用鍛鋼曲軸，并且在軸承部位感應淬火。平衡軸集成在氣缸體曲軸箱中，在3缸機上由曲軸前端驅動，而在4缸機上兩根平衡軸的驅動齒輪則集成在曲軸后端曲柄臂上。主軸承采用雙金屬鋁軸承，而連桿軸承則采用涂覆聚合物涂層的三金屬軸承。鍛鋼連桿被設計成階梯式結構型式，連桿小頭中鑲鑄卷制而成的堅實的青銅套。

為了平衡一階自由慣性力矩，所有3缸機都采用支承在氣缸體曲軸箱中的鍛鋼平衡軸，它具有2個反向布置的平衡塊，其中一塊平衡塊直接鍛造在平衡軸上。集成在曲軸上的齒輪與平衡軸前端的傳動齒輪相嚙合，直接驅動平衡軸。這種傳動齒輪由燒結而成，輪轂中具有能隔離噪聲的彈性阻尼，并集成了二階平衡質量。為了減少傳動功率，平衡軸采用滾動軸承支承。

所有3缸汽油機和柴油機都采用相同的結構布置型式，減小曲軸的振動。但考慮到燃燒過程和曲柄連桿機構的運動質量各不相同，汽油機和柴油機上的不平衡質量及其傳動機構都經過專門匹配。

為了100 %地平衡引起振動的二階慣性力，4缸汽油機采用2根支承在氣缸體曲軸箱中的鍛鋼平衡軸，它們以2倍的曲軸轉速旋轉。為了減少傳動功率，4缸機的2根平衡軸也采用滾動軸承支承。

通過2根結構相同的平衡軸的高度差，附加平衡二階慣性力矩。因其高度差比4缸老機型略小，所產生的交變力矩向低轉速方向移動，這對于靠近低速扭矩范圍內的運轉舒適性具有優勢。

3缸和4缸汽油機采用相同的按特性曲線場調節體積流量的擺動滑閥式機油泵供應機油，它與集成在同一個殼體中的真空泵組合成串聯泵布置在油底殼油池中，并由1根鏈條驅動，而發動機機油壓力則由1個比例電磁閥根據電控單元中儲存的特性曲線場按需進行調節。在主油道上裝有1個組合式機油壓力和溫度傳感器，其信號可用于機油泵按特性曲線場進行調節，以及熱管理系統。油底殼中的油位傳感器不斷監測機油液面狀況。由塑料制成的機油濾清器模塊帶有整體式機油冷卻器。

在老機型的基礎上對Valvetronic可變氣門機構進行進一步的開發。為了移動偏心輪的位置，在氣缸蓋進氣側的前側尋找位置，并集成在進氣裝置罩殼中。通過進一步開發進氣門傳動機構，使結構空間明顯減小，而將進氣凸輪軸與偏心輪互調位置，又明顯降低了結構高度（圖4）。

新的中間桿和滑道位置減小了傳遞到氣缸蓋上的力，而滑道僅由1個螺釘固定在軸承座上，并通過氣缸蓋上的2個精密的定位面定位。中間桿回位彈簧支撐在氣缸蓋與軸承座之間，因而自身無需固定點。偏心軸的尺寸與進氣凸輪軸一樣，而排氣凸輪軸則要通過1個三面凸輪驅動噴油系統的燃油高壓泵。

鏈傳動的驅動力通過2個凸輪軸相位調節器傳遞。凸輪軸相位調節器中的三翼式轉子執行器使進氣凸輪軸具有70oCA的相位角調節范圍，而排氣凸輪軸則具有60oCA的相位角調節范圍。將BMW公司為汽油機新開發的鏈傳動機構布置在動力輸出端，曲軸向下通過后面的短鏈條驅動串聯泵（由機油泵與真空泵組合而成），向上驅動中間鏈輪。該中間鏈輪具有2道鏈軌（齒數為24/32），確保從曲軸（24齒）到凸輪軸相位調節器（36齒）的傳動比為2:1，從而減小相位調節器的直徑和降低發動機的結構高度。中間鏈輪上方的正時傳動機構驅動凸輪軸，而在2個相位調節器之間用螺釘固定在氣缸蓋上的鏈條導軌可防止鏈條跳動。中間傳動鏈和正時傳動鏈各有1條鏈軌。機油泵的鏈傳動機構中未設導向或張緊裝置。

5增壓

BMW公司的新型發動機在增壓技術方面也具有首創之處，4缸機具有與排氣歧管連成整體的雙渦道渦輪模塊，這種結構型式能確保2股廢氣流到渦輪為止可靠分開，這樣經過怠速轉速后就能獲得更高的扭矩，同時又能進一步挖掘瞬態響應性能的潛力。為了使排氣歧管具有足夠的膨脹余地，并能安裝在緊湊的空間中，排氣歧管用可滑移的壓板法蘭緊固在氣缸蓋上。這種整體式雙渦道廢氣渦輪增壓器結構型式不再采用水冷卻。

新型3缸汽油機的結構設計則完全不同，其中在量產轎車上首次采用了熔模（泡沫材料）鑄造技術制成的水冷式全鋁廢氣渦輪增壓器。用可滑移的壓板法蘭將排氣歧管緊固在氣缸蓋上的這種結構型式在設計上具有較大的自由度。通過昂貴的計算流體力學模擬，并與零件強度計算相結合，減少了壁面熱流。這種結構型式雖然為冷卻花費了額外的費用，但既減輕了質量，又獲得了顯著降低CO2排放的潛力。與不冷卻的鋼制廢氣渦輪增壓器相比，催化轉化器前的廢氣溫度明顯低于850℃，使催化轉化器的老化就像未使用過的一樣。

將渦輪模塊與氣缸蓋之間的分界面靠近氣缸蓋法蘭面，以便在BMW i8頂級車型上也能使用常規的鋼制廢氣渦輪增壓器用法蘭安裝在相同的氣缸蓋上。為了統一廢氣裝置在汽車上的裝配狀況，3缸和4缸機型的催化轉化器的法蘭位置相同（圖5）。

6熱力學、燃燒和噴油

在老機型的基礎上，新型標準部件汽油機進一步開發了雙渦輪增壓燃燒過程，以滿足更為嚴格的廢氣排放法規要求，同時又能進一步提高效率。因而缸徑比老機型縮小2 mm，即82 mm，并獲得了明顯較大的行程缸徑比，即1.15，這對于熱力學和摩擦而言都是最佳值。

圖6示出的燃燒室垂直剖面狀況表明，與老機型的燃燒過程相比，雖然縮小了缸徑，但活塞頂凹坑明顯較寬，與流量減小的多孔噴油器形成的寬廣的噴霧設計相匹配，在提高充量運動的共同作用下，獲得了明顯改善的混合氣均質化，從而實現了更為快速的燃燒，其中因多孔噴油器的額定流量減小，噴霧的貫穿深度已大大縮短。

此外，通過噴孔噴油量和噴射方向的分配優化噴霧形成，能夠在催化轉化器加熱（涂層能力）方面的要求與熱機運行狀態時的要求之間尋找到良好折中，同時也能將活塞與氣缸套壁面及進氣門的潤濕減少到最低程度。而第2代可變氣門機構在噴油方面能夠獲得更大的自由度，能在噴油器特性曲線更寬廣的范圍應用到最小噴油量。這兩種措施對顆粒數排放產生極其有利的影響，再次明顯降低了整個特性曲線場范圍內的顆粒數排放。

從圖7可以看出，在氣缸蓋密封平面的截面上，點火時刻的過量空氣系數λ的分布狀況與老機型相比已獲得了明顯改善，同樣火花塞的火花位置也從燃燒室移出了約2 mm，明顯降低了火花塞的熱負荷。

圖8示出了在發動機轉速2 000r/min時指示負荷下的指示比燃油耗曲線。從圖8中看到，經過進一步開發，寬廣范圍內的燃油耗最多可降低5 %。在標準環境邊界條件下，標準部件汽油機在額定功率范圍內在化學計量比λ下運行。

7熱管理

為了在對用戶具有重要意義的行駛范圍內獲得低燃油耗，最佳的熱管理是現代發動機重要的組成部分。BMW公司在3缸機上尋找到了新途徑。新型熱管理的核心因素是水冷式“熱端”，即無論是排氣歧管還是渦輪都進行冷卻，并與尺寸合適的機油冷卻器相組合，為暖機運行階段加速機油升溫獲得了附加的加熱功率，從而使新歐洲行駛循環的溫度最多可提高19℃。機油冷卻器被集成在冷卻液循環回路中，并用從氣缸蓋出來的冷卻液進行冷卻。

冷卻液泵采用皮帶傳動的機械式水泵。因采取了永久傳動方式，在與柴油機通用的同時，充分利用了冷卻“熱端”的優點。在冷卻液泵殼體中還集成了1個可電加熱的按特性曲線場調節的節溫器，調節發動機進水溫度。冷卻液首先沿氣缸體曲軸箱排氣側流動，流入氣缸蓋后，冷卻液分別被分配到氣缸蓋中熱負荷高的部位和“熱端”進行冷卻，其中流入氣缸蓋的一部分冷卻液直接拐彎流向排氣區域和排氣門之間的鼻梁部位，而冷卻液的主要體積流量則經過氣缸蓋流入“熱端”區域，即冷卻排氣歧管和廢氣渦輪增壓器的渦輪，然后返回到氣缸蓋。冷卻液橫向流經氣缸蓋和“熱端”，并在進氣側返回到氣缸體曲軸箱，再流入通往散熱器的管道。圖9示出了具有水冷式“熱端”的3缸汽油機機內冷卻液的走向。

8汽車集成

設計新發動機標準部件時，將其統一集成到同樣新開發的橫置式前驅動汽車平臺上的接口。若進行模塊化設計，則其組成部分是新的發動機標準部件，具有統一的連接到冷卻標準部件、進氣空氣管路和廢氣裝置的接口，因而減輕了汽車裝配車間的工作復雜性，而且這種模塊化設計方案也成為外圍設備廣泛確定尺寸的基礎。此外，在發動機系列設計中，還要考慮到新車型在行人保護方面的要求，以及優化發動機艙內的熱管理。

9燃油耗

通過不斷開發燃燒過程和增壓技術，改善暖機性能，并應用水冷式排氣歧管，減少摩擦，以及優化進氣空氣管路、增壓空氣冷卻和廢氣裝置等，同時配裝手動變速器的3缸汽油機的CO2排放能降低16 %，若配裝自動變速器，則最多能降低28 %，同時最高車速能提高7 km/h或13 km/h。即使是用戶實際使用燃油耗，新型3缸汽油機也顯示出明顯優勢，因為應用了水冷式廢氣渦輪增壓器，能夠在整個特性曲線場范圍內以化學計量比運行。而新型4缸汽油機因具有較高的進氣動量而明顯改善了瞬態響應性能，在配裝手動變速器的情況下，其CO2排放能達到與老機型相同的水平，若配裝新的自動變速器系列，則最多能降低18 %。

10功率和扭矩

圖10示出了新型3缸和4缸汽油機的全負荷特性曲線。1.5 L 3缸汽油機的功率型譜覆蓋了從用于Mini轎車的100 kW到BMW i8運動型轎車的170 kW，升功率為67～113kW/L。

3缸發動機動力總成的扭矩也具有相應的跨度，從用于Mini轎車的220 N·m到BMW i8運動型轎車的320 N·m。新型Mini轎車的低速扭矩點位于1 250 r/min，與新設計的變速器相組合，進一步降低了對用戶具有重要意義的燃油耗，并提高了行駛舒適性。

4缸汽油機首次功率被設置在141kW，作為Mini轎車的橫置式發動機，扭矩為280 N·m，與3缸機相似，從發動機轉速1 250r/min起就能達到大扭矩。

與Mini轎車上的老機型相比，配裝采用新自動變速器系列、功率和扭矩提高的新機型，使Cooper S型轎車達到了明顯更佳的行駛性能，配裝手動變速器后， 0～100 km/h的加速時間減少了0.2 s，配裝自動變速器后則減少了0.5 s，而配裝手動變速器的車型80～120km/h的加速時間縮短了0.6 s，最高車速提高了8 km/h或10 km/h。通過改進燃燒過程，并且，不斷優化進氣管路、增壓空氣冷卻和廢氣裝置范圍內的充量更換，使發動機的加濃需求限制在最小值，即λ=0.94。此外，新型4缸汽油機也盡可能采用化學計量比λ運行。

在Mini Cooper 型轎車上，所有項目均實現明顯改善，通過換裝新型3缸汽油機，配裝手動變速器的車型0100 km/h的加速時間減少了1.2 s，而配裝自動變速器的車型則減少2.6 s，其中配裝手動變速器的車型80～120 km/h的加速時間減少2.8s。

11降低廢氣排放

與老機型相比，通過進一步開發燃燒過程，新機型的原始排放顯著降低，并且，優化了近發動機催化轉化器中的流動及其位置，增壓器廢氣放氣閥采用電動調節器，以及改進暖機策略，無須改變發動機零件就能可靠滿足全球最嚴格的廢氣排放法規要求（歐6、超級排放車和特超低排放車）。此外，新型3缸汽油機使用水冷式排氣歧管明顯降低了近發動機布置的催化轉化器的熱負荷，從而明顯減輕了催化轉化器的老化。

12結語

BMW公司將應用全新發動機標準部件的新型3缸和4缸汽油機投放市場。除了BMW公司可靠的雙動力渦輪增壓技術、缸內汽油直噴、全可變氣門機構和廢氣渦輪增壓器之外，還應用了諸如3缸機上的水冷式全鋁“熱端”等全新技術。將新型汽油機首次配裝于Mini轎車，以及額定功率為170 kW的3缸汽油機頂級機型配裝于BMWi8運動型轎車一起投放市場。今后將開發結構設計相同的6缸汽油機以完善新發動機系列，并將配裝于BMW公司所有車型上。