【奧】 J.Dworschak R.Feltes T.Fortner W.Mallinger

BMW公司裝用3個渦輪增壓器的新型6缸兩級增壓柴油機（第2部分）
——進氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和廢氣系統(tǒng)

【奧】 J.Dworschak R.Feltes T.Fortner W.Mallinger

BMW公司為運動型汽車開發(fā)的裝用3個渦輪增壓器的新型TwinPower Turbo-3.0 L-6缸兩級增壓柴油機是柴油機發(fā)展史上的又一個里程碑。新機型進一步拓寬了BMW公司的標(biāo)準(zhǔn)部件，并以93 k W的升功率和247 N·m的升扭矩成為轎車柴油機中的頂級機型。僅依靠創(chuàng)新的增壓系統(tǒng)與能承受高負荷的基礎(chǔ)發(fā)動機的結(jié)合并不足以達到這樣的動力性能指標(biāo)，因此，必須專門為優(yōu)化高增壓度而設(shè)計進氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和廢氣裝置，以獲得高效的增壓空氣冷卻。第2部分介紹零部件的開發(fā)及其在汽車上達到的效果。

渦輪增壓器 兩級增壓柴油機 進氣系統(tǒng) 冷卻系統(tǒng) 廢氣系統(tǒng)

1 目標(biāo)設(shè)定

BMW公司裝用3個渦輪增壓器的新型Twin-Power Turbo-3.0 L-6缸兩級增壓柴油機（圖1）的進氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和廢氣系統(tǒng)的設(shè)計及其在整車上的集成面臨與2004年6缸柴油機首次采用兩級增壓方案時類似的挑戰(zhàn)。2004年，在有效利用當(dāng)時的冷卻系統(tǒng)和廢氣系統(tǒng)零部件的情況下，兩級增壓方案充分顯示出其功率潛力。在具備BMW公司新型柴油機動力性能的情況下，對空氣流量和冷卻能力的需求都增加了1倍，因此，必須完成這一具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

圖1 BMW公司裝用3個渦輪增壓器的新型3.0 L 6缸兩級增壓柴油機

新型柴油機的設(shè)計目標(biāo)是將其應(yīng)用于5系、7系、X5及X6轎車。由于規(guī)劃用于更多的車型系列，因此剔除了根據(jù)發(fā)動機專門設(shè)計車身這一昂貴的開發(fā)方案，而采取以下2種方式：（1）繼續(xù)從現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)部件中選用零部件；（2）將發(fā)動機零部件設(shè)計成可用于所有車型系列的通用件。這意味著發(fā)動機功率可最大程度地得到有效發(fā)揮，而無需折中。

2 進氣系統(tǒng)

圖2 進氣系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)

在整個空氣管路方面，十分注重與BMW公司柴油機標(biāo)準(zhǔn)部件保持通用性。從進氣消聲器直至增壓低壓級的進氣管路，均被作為各種不同車型的通用件固定在發(fā)動機上（圖2）。布置在發(fā)動機側(cè)面的進氣消聲器與6缸基礎(chǔ)發(fā)動機上的型式相似，甚至空氣濾清器在目前所有的6缸柴油機上都是通用的。在X5和X6車型上，空氣濾清器前的進氣是從冷卻模塊上方分雙路進入的；而在5系和7系車型上，則是從冷卻模塊側(cè)面單路吸入。

在整個開發(fā)過程中，十分重視減少進氣損失。采取了一系列措施，確保在1 400 kg/h的空氣流量下產(chǎn)生盡可能小的進氣真空度，而在5系、7系、X5及X6車型上，進氣真空度的減小可使進氣消聲器和空氣濾清器前空氣管路的設(shè)計獲得較大的自由度，從而能額外擴大橫截面積。此外，借助于數(shù)值優(yōu)化，清潔空氣管路得到進一步的優(yōu)化。與BMW公司柴油轎車中的同類車型相比，總壓力損失降低了20％以上。此外，還特別重視改善近增壓低壓級管路中的氣體流動狀況（圖3）。

圖3 清潔空氣管路的數(shù)值優(yōu)化

空氣管路被設(shè)計得十分有利于氣體流動，在進出口處均未出現(xiàn)聲學(xué)方面的異常情況，而間歇性吸入空氣所引起的壓力脈動基本上被多級增壓系統(tǒng)大大減小，其中，多處阻抗突變和壓氣機葉輪作為節(jié)流部位也起到一定作用。

3 增壓空氣冷卻

新開發(fā)的增壓空氣冷卻系統(tǒng)必須遵循以下邊界條件：（1）帶走50 k W以上的熱量；（2）在壓力損失最小時，能保持高達1 400 kg/h的空氣質(zhì)量流量；（3）增壓壓力高達0.4 MPa（絕對壓力）。

新型高功率柴油機的增壓空氣冷卻系統(tǒng)必須滿足上述要求。BMW公司在柴油機上首次采用兩級間接增壓空氣冷卻方案。其中，第1級集成在低壓級的壓氣機殼體中，用于低壓級與2個高壓級之間增壓空氣的中間冷卻；第2級是常規(guī)的增壓空氣冷卻器，緊貼節(jié)氣門，并橫臥在發(fā)動機上方（圖4）。

間接增壓空氣冷卻的優(yōu)點之一是渦輪增壓器與增壓空氣冷卻器能夠近似剛性地連接。這一前提條件確保在較小的壓力損失下能以最高0.4 MPa的絕對壓力向氣缸充氣。若要連接到諸如水冷卻器和輔助水泵等固定在汽車上的部件，只需采用橫截面積較小的冷卻水軟管。

圖4 兩級增壓空氣冷卻系統(tǒng)及空氣管路

冷卻液循環(huán)回路的增壓空氣支路是平行流過主冷卻器和中間冷卻器的。在汽車方面，仍沿用兩級渦輪增壓V8汽油機的低溫冷卻器和輔助水泵。流動經(jīng)優(yōu)化的用于增壓空氣冷卻的水循環(huán)回路通過每根進出水管與主冷卻液循環(huán)回路連接，因此，無需為低溫循環(huán)回路再使用附加的平衡水箱。各子循環(huán)回路的相互關(guān)系示于圖5。

圖5 冷卻液循環(huán)回路布置示意圖

為在所有發(fā)動機運行狀態(tài)下都達到最佳的增壓空氣溫度，必須持續(xù)不斷地測量增壓空氣和冷卻液溫度，將測得的溫度值用于調(diào)節(jié)水泵和電子風(fēng)扇。

在增壓壓力0.4 MPa及動態(tài)負荷并不小的情況下，所要求的增壓空氣冷卻系統(tǒng)強度對增壓空氣冷卻器的外形尺寸提出了較高的要求。出于這個原因，增壓空氣冷卻器盒和所有壓力側(cè)的增壓空氣管路不采用塑料作為材料，而是用鑄鋁制成，因而該結(jié)構(gòu)型式獲得了出色的聲學(xué)性能。鋁管阻止了高頻流動噪聲的輻射，另一方面，由于緊湊的結(jié)構(gòu)型式，增壓空氣冷卻部件幾乎完全處于內(nèi)襯吸音材料的發(fā)動機艙蓋之下。此外，間接增壓空氣冷卻還有1個附加優(yōu)點：冷卻模塊旁及汽車上在工作時非常剛性的增壓空氣軟管不會傳遞發(fā)動機的振動。

這種增壓空氣冷卻系統(tǒng)滿足了所有配裝新型高功率柴油機的車型對其外形尺寸的安裝要求，因此，無需在發(fā)動機方面進行改變就能應(yīng)用于5系、7系、X5及X6車型。

4 整車冷卻系統(tǒng)

除了增壓空氣冷卻系統(tǒng)的設(shè)計之外，還需為高溫冷卻循環(huán)回路提供相應(yīng)的冷卻能力，這對發(fā)動機開發(fā)提出了很大的挑戰(zhàn)。在發(fā)動機最大功率范圍內(nèi)，包括增壓空氣冷卻在內(nèi)，汽車冷卻系統(tǒng)的部件必須帶走170 k W以上的熱量。如圖6所示，冷卻模塊由1個高溫冷卻液散熱器構(gòu)成，它包括集成式的變速器油冷卻器、空調(diào)冷凝器、用于間接增壓空氣冷卻的低溫冷卻液散熱器、轉(zhuǎn)向助力液壓油冷卻器，以及功率為0.85 k W的吸氣式電子風(fēng)扇。

圖6 M550d型轎車上的冷卻系統(tǒng)部件

除了布置在冷卻模塊主體部分的部件外，還應(yīng)用了至少2個輔助冷卻液冷卻器，將其布置在車輪罩前，確保在所有的運行狀態(tài)下都具有出色的熱穩(wěn)定性。圖6作為實例示出了5系車型冷卻部件的布置狀況。

機械式水泵用于主冷卻循環(huán)回路中冷卻液的輸送，它已被用于BMW公司其他6缸柴油機，并且無需做任何改變，作為對現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)部件的補償，可適用于所有配裝新型高功率柴油機的車型。

5 廢氣裝置

為了達到功率目標(biāo)，相對于現(xiàn)今的兩級渦輪增壓機型，新機型的廢氣質(zhì)量流量必須提高到1 400 kg/h以上，因此，不斷優(yōu)化廢氣裝置和降低排氣背壓是采用具有3個渦輪增壓器的新型兩級增壓機型達到功率目標(biāo)的前提條件，將催化轉(zhuǎn)化器和柴油顆粒捕集器（DPF）集成在共同的殼體中，并靠近發(fā)動機布置，這是BMW公司高性能柴油轎車的典型方案（圖7）。

圖7 帶有隔音-絕熱層的廢氣裝置（熱端）

由于對廢氣裝置的各部件進行了壓力損失模擬計算，因此，采取適當(dāng)?shù)拇胧┚湍苓_到0.05 MPa的壓力損失目標(biāo)值。將DPF的橫截面積擴大約14％，從而降低排氣背壓，在所有配裝新型柴油機的車型上都采用這種統(tǒng)一的幾何尺寸。

DPF采用在流動方向上分區(qū)涂敷催化劑的碳化硅結(jié)構(gòu)型式。為了隔音和絕熱，在DPF和催化轉(zhuǎn)化器的共同外殼上覆上1層纖維襯板和帶孔金屬箔。這種結(jié)構(gòu)型式除了能減小構(gòu)件的噪聲輻射之外，還能吸收發(fā)動機艙內(nèi)的空氣噪聲。排氣后處理系統(tǒng)中的傳感器由DPF前后壓差傳感器、催化轉(zhuǎn)化器氧傳感器（集成在低壓渦輪增壓器上）、催化轉(zhuǎn)化器前后的溫度傳感器，以及DPF后的氧傳感器（僅歐6機型用）組成。固定在發(fā)動機上的前后廢氣裝置之間設(shè)置具有寬廣頻率范圍的金屬波紋管隔振。為了優(yōu)化排氣背壓，在X系列轎車廢氣裝置冷端的后部應(yīng)用8缸汽油機的兩路廢氣裝置（圖8）。而在5系和7系轎車上，采用量產(chǎn)的“藍天性能技術(shù)”，能夠提前實現(xiàn)未來的歐6排放標(biāo)準(zhǔn)，其中采用了存儲式氮氧化物催化轉(zhuǎn)化器。

將5系轎車廢氣裝置的后部分成兩路，包括1個中間消聲器，以及左右各1個后消聲器，其尾管隔板的造型和顏色都是為新型BMW轎車柴油機頂級動力性能專門設(shè)計的。尾管或消聲器的壁厚被減小到1.5 mm，這是聲學(xué)性能與質(zhì)量的最佳折中。與535d轎車相比，因廢氣質(zhì)量流量增大而將尾管直徑從65 mm加大到70 mm，由此產(chǎn)生的較大噪聲輻射則主要由作為吸音器的中間消聲器來補償。除了聲學(xué)效果之外，還特別重視有利于氣體流動的吸音器設(shè)計。按照薄殼技術(shù)設(shè)計的帶整體式吸音器的尾管諧振消聲器是按1 300～1 800 r/min轉(zhuǎn)速范圍發(fā)動機3階噪聲設(shè)計的，它將DPF再生運行時發(fā)生的噪聲降低到主觀上無法察覺的程度，因為噪聲的高頻成分被吸音筒減少了。圖9示出了5系轎車的整個廢氣裝置。

圖8 X5 40d和X5 M50d轎車廢氣裝置的比較

圖9 5系轎車廢氣裝置的結(jié)構(gòu)

6 整車試驗結(jié)果

隨著2012年9月750d x Drive型轎車進入市場，完善了配裝新型BMW-3.0 L-6缸柴油機的車型系列。表1歸納了配裝新型柴油機后車輛的行駛性能和廢氣排放數(shù)據(jù)。將運動型車的行駛性能與3.0 L柴油機低燃油耗的特性相結(jié)合是所有車型的突出特點。由于每種車型都批量應(yīng)用了BMW全輪驅(qū)動系統(tǒng)x Drive，其加速性能達到了配裝8缸渦輪增壓汽油機的水平，而5系和7系轎車因批量使用了“藍天性能技術(shù)”排氣后處理系統(tǒng)，目前已提前達到了歐6排放標(biāo)準(zhǔn)。

表1 配裝新型柴油機后車輛的行駛性能和排放數(shù)據(jù)

7 結(jié)語

裝用3個渦輪增壓器的新型TwinPower Turbo-3.0 L-6缸兩級增壓柴油機成為BMW公司轎車柴油機系列中的頂級機型。在開發(fā)時要滿足不同汽車產(chǎn)品系列的要求是特別具有挑戰(zhàn)性的工作，為尋找解決方案，從兩方面著手，將汽車標(biāo)準(zhǔn)模塊中的現(xiàn)有部件與對結(jié)構(gòu)有重要意義的新開發(fā)部件巧妙結(jié)合，在開發(fā)過程中，該方法很好地貫徹了BMW高效動力學(xué)策略。

尤為突出的是兩級間接增壓空氣冷卻，以及5系和7系轎車所采用的廢氣裝置，最終在達到歐6排放標(biāo)準(zhǔn)的同時，獲得了最低的排氣背壓。

由于新型柴油機的進氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及廢氣系統(tǒng)具有卓越的性能，即使在5系轎車上也能達到208 k W的最大功率，同時首次被配裝在X5和X6車型上，以柴油機的動力性能達到了250 km/h的最高車速。

范明強 譯自 MTZ，2012，73（11）

張 慰 編輯

2013-04-29）