寶馬公司在相隔20年之后,第一次重新引入了帶渦輪增壓的汽油機。通過將第二代汽油直噴(高精度噴油)與兩種緊湊型渦輪增壓器相結(jié)合,成功地克服了迄今為止渦輪增壓器存在的兩項缺點:高油耗和遲緩的響應(yīng)特性。
渦輪增壓汽油機在寶馬公司已經(jīng)有很長的歷史。1973年推出的寶馬2002渦輪增壓發(fā)動機是世界上第一臺帶渦輪增壓發(fā)動機的量產(chǎn)轎車。十年后,波拉巴姆寶馬公司的乃爾孫·皮奎特以一臺渦輪增壓的汽車贏得了一級方程式賽車冠軍稱號。
渦輪增壓明顯的缺點是高油耗和遲緩的響應(yīng)特性,成為寶馬公司自從上世紀(jì)80年代末以后放棄了開發(fā)其他渦輪增壓汽油機的原因。
通過新技術(shù)的采用,成功地排除了經(jīng)典渦輪增壓技術(shù)的缺點。油束主導(dǎo)(Sprayguided)的第二代汽油直噴燃燒方法通過燃油在氣缸內(nèi)的蒸發(fā)使燃燒室得到冷卻,從而得以明顯地提高了壓縮比,并提高了效率,使得全負(fù)荷特性在自然吸氣發(fā)動機的水平提高了一步。由于在增壓器上采用了耐高溫的材料,明顯地降低了通過混合氣加濃來降低廢氣溫度的必要性。同時,采用了轉(zhuǎn)動慣量較小的小型增壓器。使得相應(yīng)特性也有所改善。
開發(fā)目標(biāo)
寶馬直列六缸增壓汽油機的目標(biāo)定得很高。在適當(dāng)?shù)靥岣甙l(fā)動機功率的同時,特別要求明顯地提高扭矩。當(dāng)時要求努力將其最大扭矩提高到4.0L排量的八缸發(fā)動機所能達到的水平,而且要求在一個明顯較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都達到這樣的扭矩
直列六缸發(fā)動機的重要優(yōu)點是它的運行平穩(wěn)性和旋轉(zhuǎn)平衡性。這些特點使得它沒有不平衡的慣性力和慣性力矩。為了充分地發(fā)揮這些優(yōu)點,將這臺渦輪增壓發(fā)動機的轉(zhuǎn)速定在了7000r/min這么一個自然吸氣發(fā)動機的高水平上。特別重要的是,克服了經(jīng)典渦輪增壓發(fā)動機的缺點。
為了廣泛地應(yīng)用于寶馬公司的車型型譜中,對發(fā)動機的體積大小和重量提出了附加的挑戰(zhàn)。
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發(fā)動機概念
增壓的六缸汽油機新方案的基礎(chǔ)是2004年推出的新一代直列發(fā)動機。
這臺發(fā)動機是一個新型發(fā)動機系列的第一個代表,它除了其他特點以外,特別是因為全可變的氣
門控制結(jié)構(gòu)(Valvetronic)和鎂-鋁混合結(jié)構(gòu)的輕金屬曲軸箱而嶄露頭角。該發(fā)動機自推出以來可以搭載在任何一款寶馬的車型系列上,迄今為止已經(jīng)生產(chǎn)了超過50萬臺,并可用于甚至能滿足最為嚴(yán)格的SULEV(美國特超低排放)廢氣限值的車型。
無論是這里介紹的增壓發(fā)動機,還是分層燃燒的自然吸氣式發(fā)動機,都是以高精度噴油(一種第二代的汽油直噴方法)為基礎(chǔ)的。這種高精度噴油最重要的結(jié)構(gòu)特點是噴油器置于燃燒室中央,并由一臺高壓泵和一個共軌系統(tǒng)供油的壓電式噴油器。
由于要明顯地提高功率和扭矩,必須對原型發(fā)動機進行改動。例如要將它改成使用全鋁的曲軸箱,并要使用粘性扭振減振器來取代橡膠扭振減振器。
增壓系統(tǒng)
1.目標(biāo)的確立
通過大量的仿真計算,對進氣和增壓空氣管道進行了優(yōu)化。這些管道短小而粗大,彎頭很少,所以使流動阻力達到了最小化。
因為對于渦輪增壓發(fā)動機來說,不要求可變進氣管長度,所以塑料進氣管比在自然吸氣發(fā)動機中簡單一些。而壓力管在高溫區(qū)域是用鋁合金制成的,其余部分則用塑料制成。集成了空氣濾清器的進氣系統(tǒng)消聲器裝在進氣系統(tǒng)的上面,與發(fā)動機固定在一起。
在設(shè)計增壓空氣冷卻器時,借助于廣泛的計算,在冷卻速率和壓力損失之間進行了折中。
2.計算機輔助的設(shè)計過程
高達1050℃的廢氣溫度導(dǎo)致了很高的熱交變載荷,因而導(dǎo)致了極高的渦輪應(yīng)力。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中進行了大量的計算機輔助工程(CAE)工作,其目的是在準(zhǔn)備階段暴露薄弱環(huán)節(jié)并排除之。
為了確保零部件強度不出問題,通過試驗和仿真,共同確定了一系列開發(fā)重點。這些開發(fā)重點包括保證排氣歧管和渦輪殼體的熱學(xué)-機械穩(wěn)定性、確定轉(zhuǎn)子在全負(fù)荷下的轉(zhuǎn)速可靠性、估計渦輪葉輪的生命周期以及確定整個系統(tǒng)(進排氣歧管、增壓器、催化轉(zhuǎn)化器、管道和消聲器)的振動載荷。
在對渦輪殼體進行熱學(xué)-機械評估時,首先對渦輪殼體材料的不穩(wěn)定加熱和冷卻進行了計算(熱沖擊)。由此得出的溫度場可以計算出這個溫度場所引起的零部件應(yīng)力分布和可能出現(xiàn)的損傷。
在實際情況下,渦輪殼體被認(rèn)為是危險的具有高塑性變形的區(qū)域,在試驗中就顯示出了裂紋。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算工作的緊密配合,成功地設(shè)計出了牢固的零部件。對于葉輪也進行了類似的過程。葉輪轉(zhuǎn)速可高達200000r/min,這會引起驚人的離心力,這種離心力在高溫下對葉輪材料構(gòu)成了強大的載荷,以致從一個確定的轉(zhuǎn)速開始,可能出現(xiàn)塑性變形。
葉輪在200000r/min的轉(zhuǎn)速和1050℃的渦輪進口溫度下發(fā)生塑性變形的區(qū)域,變形從葉片根部開始。在用于確定超速運行的安全性的破壞試驗中也顯示出了損傷。在這項試驗中獲得了出現(xiàn)損傷的轉(zhuǎn)速。與此平行的,還通過有限元計算對這一數(shù)值進行了估計。在實際試驗中,在1050℃的溫度下,當(dāng)轉(zhuǎn)速達到285000r/min時發(fā)生了破壞。在一次試驗中,渦輪葉輪在300000r/min的轉(zhuǎn)速下發(fā)生破壞,這說明了CAE分析具有良好的預(yù)見性。
根據(jù)華勝專修奔馳,寶馬維修連鎖維修專家指出:發(fā)生破壞的這個轉(zhuǎn)速,基本上與用于檢驗渦輪葉輪的鑄造質(zhì)量吻合得很好。如果采用的是貴重的均勻組織的材料,那么試驗獲得的破壞轉(zhuǎn)速在各次試驗中的可重現(xiàn)性相當(dāng)好。
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