BMW公司特超低排放车用2.0 L涡轮增压4缸汽油机

【德】 Klauer N Zülch C Schwarz C Schünemann E

1 特超低排放车用涡轮增压汽油机面临的挑战

随着低排放车Ⅱ（LEVⅡ）标准的实施，美国加利福尼亚州大气资源局（CARB）已推出全球最严格的排放标准，即特超低排放车（SULEV）标准（图1），CARB排放法规不仅适用于加利福尼亚州，而且适用于美国其他各州。对于近零排放车许可证来说，SULEV限值必须保持15年或150 000 mile①为了符合原著本思，本文仍沿用原著中的非法定单位——编注。以上。此外，汽车不允许出现任何燃油蒸发排放，且必须满足两级车载诊断法规的规定。计划从2015年开始引人LEVⅢ排放标准，排放限值将进一步收紧。已执行和计划中的车队有害物排放限值要求达到SULEV限值的汽车比例越来越大。因此，SULEV将成为美国的标准车型。

达到SULEV排放限值的关键在于冷起动和接着的催化转化器加热运行阶段，即在排放测试的初始30 s内将排出绝大部分的有害污染物。其原因是冷态发动机原始排放水平较高，而催化转化器在达到起燃温度前转化率为零或很低。排放测试开始时，催化转化器加热运行的目的是，在原始排放尽可能少且运行平衡的条件下，利用排气尽可能快地把它加热到起燃温度。在此背景下，涡轮增压发动机将面临严峻的挑战，因为废气涡轮增压器对于流向催化转化器的排气来说将产生附加热损失，会相应推迟达到起燃温度的时间。本文介绍BMW公司采用创新的方法来解决废气排放问题，同时满足了用户其他要求，诸如驾车乐趣多与燃油耗少之间的目标冲突。

2 实现低排放理念的燃烧系统

为了获得高动力性、低燃油耗，并具有更多的驾车乐趣，目前和将来的BMW轿车汽油机和柴油机都将应用双涡轮技术。汽油机燃烧系统利用所谓的“涡轮增压可变气门直接喷射”（TVDI）实现低排放（图2）。这种燃烧系统自2009年起就被用于BMWTVDI 6缸汽油机中，现将推广到BMW公司的所有汽油机上。这种新型SULEV涡轮增压汽油机的基本型是2011年推出的BMW 2.0 L 4缸汽油机。采用TVDI燃烧系统，可降低全球BMW公司发动机的燃油耗，同时获得BMW标识的驾车动力性，而不依赖于当地的燃油品质。此外，用TVDI获得的自由度进一步为低排放理念提供了有利的前提条件。

与进气道喷射汽油机相比，采用中央布置喷油器的直接喷射由于每个工作循环的喷油脉冲数和持续时间十分灵活，可以明显推迟点火时刻，从而使催化转化器更快加热。这里采用了2次喷油的稀燃加热催化转化器。第1次喷油在进气阶段进行，是主喷油，产生基本的均质稀混合气。喷油量较少的第2次喷油紧跟着点火时刻，以提高已燃的较稀基本混合气紊流强度，加速或稳定燃烧，从而可以应用很晚的点火时刻。稀燃运行有可能与废气中过量的氧发生过后反应，从而提高排气温度，降低原始的一氧化碳和碳氢化合物（HC）排放。

除了为实施ULEV标准法规对催化转化器加热之外，通过把喷油压力从12 MPa提高到20 MPa，并利用优化换气过程进一步改善性能。图3表示稳态冷却催化转化器加热运行时实测的催化转化器前原始排放量和排气温度。提高喷油压力及改善燃油雾化，明显减少了颗粒（PM）排放。当然，较高的喷油压力使燃油射束冲量加大，造成喷注贵穿度增加，从而加剧湿壁效应，导致HC排放增加。通过利用TVDI燃烧系统的气门可变性，提高燃烧室中残余废气含量，可补偿由于喷油压力提高造成的HC增加。燃烧室中残余废气含量非常高，以至充量温度提高，这有利于燃油的汽化和混合气形成，使HC和PM排放较低。NOx排放的优势主要在于燃烧较慢和最高燃烧温度较低。较后的燃烧放热率图形心位置使排气温度提高，这在不影响运行平顺性的前提下，使所有的原始排放得到改善，同时加速了催化转化器起燃。

图4表示TVDI燃烧系统与竞争对手两者的催化转化器加热运行比较，并以相对气缸工作容积归一化的形式表示HC排放质量流与排气焓流的关系。催化转化器加热运行的优化目标是在尽可能少的HC原始排放下实现最大的排气焓流。显然，采用中央布置多孔喷油器的TVDI燃烧系统获得了压电直喷燃烧系统的最好结果。在新型2.0 L TVDI 4缸汽油机中，催化转化器被功率22 k W的排气加热。

3 点火喷油的最小油量功能和优化潜力

为能在整个汽车寿命期内可靠地得出点火喷油所需的小油量，要引人一种功能，即通过调节算法和自适应算法控制多孔喷油器特性曲线冲击区中的针阀开启持续期，以及决定喷油量的参数（图5）。从喷油器的电控特性决定针阀的开启和关闭时刻，从而求出其开启持续期。如果这个持续期与预定值有偏差，则用电控修正。由此能够在汽车整个寿命期内十分精确地提供TVDI催化转化器加热运行所需的最小油量。

要降低催化转化器加热运行时的PM排放，特别是在欧6排放法规的背景下，优化点火喷油量起着决定性的作用。这里提及的最小油量功能具有很大优势，因为它能够重复给出极小的喷油量。图6（a）和图6（b）表示未经优化的点火喷油量，以及紧接着的扩散燃烧很多的燃烧情况。可以看出，燃油喷注贵穿度比较大，导致活塞湿壁，并造成碳烟较多的燃烧。经优化后大大缩短的点火喷油避免了活塞湿壁。在燃烧室中央富油区产生的扩散火焰明显减弱。这一比较表明，经对点火喷油量优化后，PM排放大大减少。通过优化布置喷油器喷孔，能够进一步改善促使原始排放显著减少的混合气均质化。

4 催化转化器加热运行期间排气热损失的最小化

除了优化燃烧系统外，催化转化器前排气热损失的最小化对于实现SULEV排放限值来说是重要的前提。如上所述，涡轮增压器作为催化转化器前的附加热流出口面临着严峻的挑战，因为它将显著延迟催化转化器的起燃。从图7可见，排气经过涡轮增压器之后温度会降低300 K。大量的热损失主要是由从排气向涡轮增压器涡壳和叶轮大表面传热造成的。

在催化转化器加热运行期间，如果能有尽可能多的排气直接流经放气阀（绕过涡轮），那么，就可减少热损失。此外，从放气阀流道流出的排气流要尽可能不与壁面直接接触地流到催化转化器。通过利用计算流体动力学（CFD）进行仔细优化，首先尽量使放气阀流道的人流和通流最大化。放气阀的最大开启角从25°增大到45°。为此，应用了电控器，它还具有其他功能优势。上述措施使通过放气阀的排气质量流量比例从40%大幅提高到70%。将放气阀在涡轮壳体上合理定向，把催化转化器布置在涡轮附近，以大大减小从放气阀通道到催化转化器前面的排气流动热损失。

这一措施的实施，使催化转化器前的排气温度（按CFD仿真）提高200 K以上。所进行的优化被汽车试验所证实。经优化的方案在冷起动后的排气温度要比基本型高220 K。

5 废气涡轮增压器模块的结构设计

新型SULEV汽油机采用整体结构的废气涡轮增压器模块（图8），除了已提及的电控放气阀调节器外，结构上与符合欧洲经济委员会排放法规和ULEV方案的模块相同。4支排气歧管汇流到2支排气歧管，它们由金属板制成，而且，用内高压成形法制成的内管材料为奥氏体不锈钢。针对换气过程优化的分流方案，将第1缸与第4缸、第2与第3缸合并。利用2个圆形断面，排气流人双涡壳涡轮的进口经流动优化。结构紧凑的涡轮壳体是奥氏体钢铸件，2个涡壳沿圆周相互错开30°。近发动机安装的催化转化器分成两级（第1级整体载体孔密度为900 cell/in2，第2级为600 cell/in2）。合理选择调节探针，使发动机用过量空气系数调节几秒钟后即可运行。监控探针布置在两级整体式载体之间。电控旁通阀被集成在压气机中。废气涡轮增压器模块的安装代表了量产中最高的自动化程度。上述废气涡轮增压器模块适用于所有BMW公司新型汽油机及其汽车结构系列。

6 实车达到SULEV目标

图9以HC排放为例，示出各项措施的有效性及其对达到SULEV目标的贡献。考察是建立在现已投放市场的ULEV汽油机变型基础上的。目标是以足够的裕量达到SULEV限值，以确保耐久性。数值是在1台新型催化转化器上测定的。

优化废气涡轮增压器和相应缩短催化转化器起燃时间，使排放减少40%。在近发动机的催化转化器上，提高其载体孔密度和贵金属涂敷量。此外，布置地板下催化转化器。这些措施使排放减少60%。利用最小油量功能，并与车辆匹配（例如起动和催化转化器加热运行），使排放进一步减少50%。综上所述，这些措施可在催化转化器新鲜状态下达到SULEV限值的50%，而无需采用二次空气系统。

今后，将使用一种冷却空气侧表面涂覆特殊涂层的抗臭氧空气冷却液冷却器。环境空气中含有对健康有害的臭氧会在这个表面上发生反应，并变成分子态氧。在法规中，对于采用这种减少臭氧的抗臭氧空气冷却器提高生成臭氧排气成分限值的技术予以充分肯定。

7 行驶功率和燃油耗

新型BMW 2.0 L 4缸汽油机的SULEV方案也能确保BMW轿车的行驶动力性能及低燃油耗，同时达到最大扭矩350 N·m，额定功率180 k W。与以往的发动机相比，动力性提高了30%，燃油耗降低4%，而且可用的扭矩范围明显拓宽。这种新款328i近零排放车与以往的车型相比，行驶功率大为提高，燃油耗明显降低（图10），能够满足世界上最严格的排放法规，而不需在动力性与效率之间进行折中。

8 结语

利用TVDI燃烧系统的自由度，能够在整个汽车寿命期内具有很高的排气焓，足以对催化转化器加热。新型汽油机的原始排放十分低且运行平顺性好。努力降低排气热损失确保催化转化器尽快起燃，使废气涡轮增压器的热损失减至最小。新型BMW 2.0 L 4缸汽油机是全球首款不用二次空气系统的SULEV用涡轮增压汽油机，而且被配装在新款BMW 328i近零排放车上投放美国市场。