【宝马正时链轮怎么对位置】「一代机皇」宝马X1/3系/5系/7系用B系列发动机开发深度解密

宝马b系列引擎

ABB中谁是运动之王，毫无疑问是巴伐利亚机械制造工厂股份公司(BMW)。

相比奥迪和奔驰，宝马的产品线略显单薄，没有诸如奥迪R8和奔驰SLS这类的超跑，也没有越野车，但是宝马产品优异的机械素质在操纵性和运动感的营造上独树一帜，深受车友的喜爱。

在2010年宝马推出直列4缸2.0T的N20系列发动机，匹配采埃孚8AT变速箱，性能强、加速猛、响应快、油耗低、NVH佳，在动力性能上占据了优势地位，捕获了众多用户的心，让年轻男孩有了一个蓝天白云梦，让年轻女孩宁愿宝马车中泣。

由于排放法规更加严苛和成本压力等因素，宝马集团在2015年推出全新一代发动机——B系列。该发动机在N系列基础上，进一步进行模块化设计，同时降低油耗和重量，适度提高性能。并对发动机的声学性能进行优化。当然最重要的，B系列发动机能够满足未来更加严苛的排放和法规要求。

1 开发目标

如图1所示，相比于N系列发动机，B系列发动机要进行全方位提升，燃油消耗率要减少5%（NEDC工况），发动机的排放必须满足RDE测试（实际行驶排放）和WLTP（全球统一轻型车辆试验程序）测试。在模块化基础上必须彻底实施轻量化，例如，低功率版本B48要比低功率的N20减少7kg。同时，性能提高也是必须的，功率提高10kW，扭矩提高20Nm（由于不同市场因素，比如中国市场宝马3系N20和B48都保持在135kW）。同时，将发动机噪音降低了3dB。

图1 N20和B48设计目标对比图

2 发动机参数

详细的发动机参数与应用技术如图2所示。B38为宝马X1上使用，B48低功率版本搭载在宝马3系，5系上，高功率版本搭载在宝马5系甚至7系上面。

相比于N系列，宝马B系列在下面方向有所提高：

1、发动机冷却循环系统、缸盖设计等方面进行升级。

2、高低功率版本采用两种不同的缸盖。（低功率版本采用歧管集成式缸盖，高功率版本则是独立排气歧管）

3、冷却循环采用 "三循环"策略，温控更精确，优化油耗排放，提高暖机效果。

4、喷油压力提高到350bar，点火电压提高到42kV。

5、正时链条从分体式改为一体式，链条张紧器少一个，凸轮轴正时链轮重新设计。

6、曲轴与发动机部分提高轻量化程度。

PS：低功率与高功率硬件区别较大，刷ECU风险极高。

图2 发动机参数

3 350 Bar 燃油系统

相比于N系列，B系列最关键的改善就是采用了全新开发的350Bar燃油喷射系统。如图3所示。除了对喷油器进行重新设计之外，锻造高压油轨在成本和重量方面也进行了调整和提高。在高压燃油系统中，主要的难点在于对高压燃油泵进行管理、尤其是如何克服回路和油轨中的压力脉动，为此，宝马采用模拟和测量的方法对系统中的各个影响压力的零件进行了改进，并重新设计了高压油轨和喷油器喷口。

图3 全新350 bar燃油系统（由博世提供）

由于燃油回路压力的提高，对回路中核心零部件的强度提出了要求，比如燃油泵的驱动力矩，比如链传动的强度等等。宝马在设计早期阶段就验证了该系统的强度特性，确保齿轮泵的机械强度，确保链传动不会出现过载，以及对结构布局进行优化。

应用了350Bar燃油系统后，可以提高喷油器的喷油精度与一致性，从而不会对控制系统的要求喷射量和喷射时间产生不利影响。当然，也必然要开发一个全新的喷油器，如图4所示。对喷油器进行了全面优化，比如为了改善动态流量特性，对顶针使用了特殊涂层，改善了不同流量下的泄露；使用全新一代控制模块，实现多次喷射，优化延迟时刻（两次喷射之间最小延迟的时间），提高了最小喷射流量的限制。另外，激光钻孔的直径也发生了变化，从而控制喷油器6个喷油孔的流量特性，保证了流量的均匀性，并且通过喷口几何形状的变化，喷雾颗粒更均匀且液滴平均直径更小，而且限制了喷雾穿透性，气缸壁面的湿壁效应得到控制，缓解了机油稀释。通过这些策略，可靠的满足了SULEV、欧6和国6B排放法规的要求。

图4 全新喷油器设计

4 单正时链条传动设计

如图5所示，取消中间轮设计，让正时链条从两根变成一根，是B系列发动机的一个较大的结构改进。当然，也因为中间轮的取消，凸轮轴正时链轮齿比和齿距也要进行相应调整（如图6），保证凸轮轴与正时调节可以正常工作。另外，正时链条由两根减少成一根，其链条张紧器相应地也会减少一个，这样一来在可靠性方面会获得一定提升，且成本得到了降低。

同时，由于消除交接链轮和改进链条导轨的设计，使链条传动的摩擦减少了30%。此外，取消中间轮显著降低了输入曲轴箱时的链传动激励，改善了共振，提高了NVH。

当然，单链传动要驱动350bar的燃油喷射系统，因此整个链传递路径上的零件结构强度要更高。

图5 正时链条传动设计对比

图6 凸轮轴的优化调整

5 采用分流式冷却系统

宝马在B系列上首次使用了分流式冷却系统，是综合热管理系统的一个组成部分，如图7（左）所示。创新点在于用一个热管理模块替代了传统的电子节温器。在热管理模块中，有两个冷却阀，从而实现3种不同的冷却回路，电动式分流冷却阀还可以进行流量控制，让冷却系统的温度具备可控性。

图7 带分流式冷却阀的发动机内部冷却回路（左）和热管理模块（右）的设计

如图8所示，为宝马B系列的三循环水冷工作逻辑图，分为小循环、缸盖循环和大循环。在低温冷启动的时候，为了让发动机快速升温，采用小循环，有利于活塞组降低摩擦并能够提高汽油雾化性能，改善燃烧降低排放；在大部分低负荷和部分负荷工况下，采用缸盖循环，让气缸壁保持较高温度，显著减少颗粒物排放，对汽缸盖和曲轴系统进行冷却，保证较低的进气温度和排气温度，从而抑制爆震倾向；在大负荷下，采用大循环，进行充分冷却，保证使用的可靠性。

图8 三种循环方式

6 气缸套与水套

宝马B系列发动机和N系列发动机一样，采用了全铝曲轴箱，材料标号为AlSiMgCu0.5，和N20一样，气缸内没有使用钢制的缸套，而是使用了LDS涂层，这种工艺就是将具有良好导电性的金属丝进行加热然后通过高压将溶液喷涂到气缸套上（如图9），该铁质材料非常耐磨，只有0.3mm，可以将燃烧室热量传递给曲轴箱。

图 9 LDS喷涂工艺

另外，以往的N系列使用传统的水道，而B系列采用了封闭式水道，对冷却性能的精度上有所提高。

图10 水套对比

7 珩磨成型曲轴箱

在前面的冷却系统提到，B系列发动机采用了分流式冷却，比如强化汽缸盖的冷却，降低气缸壁面的冷却，通过这种方法，可以改善气缸套上部和下部的温度差，抑制爆震的同时降低了机械摩擦。如图11所示，实现了整体均匀较温度分布。

图11 曲轴箱设计变化（左）和气缸壁温度分布的优化（右）

然而，由于燃烧室燃烧热量的不均匀，气缸壁温度随高度变化。由于热应力应变的影响，气缸壁的直径存在变形，这对活塞间隙有重大影响。由于热膨胀，活塞肯定直径变大，而气缸上部直径也会变大，但下部直径会相对变小。因此，即使采用了全铝制曲轴箱和铝制活塞的组合，在发动机中也可能出现活塞直径大于气缸壁直径的情况。由于这种影响，活塞运行中的摩擦阻力增加了。宝马通过热力学仿真和试验验证，通过旋转对称珩磨成型工艺，将气缸壁下部进行适当的拓宽，如图12左边所示。该措施有效地抑制了气缸下部直径小于活塞直径的风险，且无需承担增加活塞间隙的NVH和机械风险。图12右边显示了气缸壁与活塞摩擦阻力的曲线对比，效果显著。

根据发动机工况的不同，该工艺的效果也是不同的。随着发动机功率增加和活塞温度的升高，摩擦改善也随之增加，从而降低了燃油消耗。在WLTP排放循环下也能够取得明显效益，能够降低几个百分点的摩擦阻力。

图12 珩磨（formed honing）成型工艺和效果对比

8 气缸盖集成排气歧管（低功率）

在这一代宝马B系列发动机中，B38和B48的低功率版本，排气歧管已经被集成到气缸盖上。如图13所示，集成排气歧管环绕着一个大面积的冷却液套，它是发动机热管理系统的一个组成部分。大量的冷却液降低了废气温度，从而减少了大负荷高转速加浓喷射的范围，同时在低温冷启动阶段也加速了发动机的暖机，有利于降低由于发动机机油和部件温度升高过程而导致的壁面热损失和机械阻力，从而降低燃油消耗。集成在气缸盖中的排气歧管和发动机机油-水热交换器的组合能够确保快速、有效地将热量分配到发动机需要的区域。

图13 集成在气缸盖中的排气歧管，例如B48低功率版

然而，高性能版本依然采用传统的排气歧管，主要目的式达到更好的排气散热效果，其散热结果也有较大区别（图14）。PS：低功率版本通过刷ECU提高性能风险很大。

图14 高低功率B48发动机的排气歧管区别

由于使用了集成排气歧管，宝马将剩余排气歧管和涡轮增压器壳体一体成型铸造，如图15所示。在B38的三缸发动机上，由于结构限制，使用的是单涡管增压器，而且首次使用了铝合金排气歧管和涡轮壳体，大大降低了重量。由于高负荷下废弃温度约900℃，铝合金无法承受此高温，因此增加了一套冷却系统。通过排气通道与冷却液通道间的薄壁铝合金壳体可确保废气向冷却液良好传热，缩短了发动机暖机时间。

然而，B48低功率的设计理念与B38有出入，B48使用的是经典的双涡管布局，可以实现快速直径的响应，将1-4和2-3的废气通过两个独立通道引到压缩机轮，实现快速稳定的响应性。但是，四缸发动机的废气热量更大，单纯依靠冷却系统无法有效散热，如果再采用加浓喷射会恶化RDE排放要求，为了最终的排气温度性能，B48没有采用铝合金材料，采用耐热铸钢1.4849作为涡轮机壳的材料，当然也考虑集成轻量化，与N20相比重量减少了1.6kg。通过优化设计和热力学匹配，在不损失瞬态响应的情况下，实现了降低涡轮进口压力以达到所需功率并满足了RAD法规排放的要求。与B38不同，B48采用了电动废气旁通阀执行器，用于改善驾驶性能和舒适性。再加上紧密耦合的催化器和大开度废气门，实现最佳的排放理念。在废气旁通阀机构中使用了阻尼弹簧元件，开闭过程中没有明显噪音，也改善了NVH。

图15 集成一体式涡轮增压器

9 曲轴重量和NVH协调优化

前文提到，宝马B系列发动机再NVH特性上有较大改善。这里主要从曲轴出发，讲讲改善的方法。对于曲轴，除了在结构耐久性和轻量化要求外，宝马也追求曲轴的声学特性。传统的模拟方法一般在设计阶段中后期，因此，由于受到硬件规格的限制，对NVH的优化往往受到较大的局限性，比如说前期设计轻量化做好了但是振动加剧NVH性能NG，再调整NHV性能只能放弃轻量化。宝马提出了一种新的曲轴设计与分析方法，可以在设计早期将轻量化与NVH性能结合，综合性的提出优化方案。宝马使用了多体数值模拟技术（N-body simulations）对曲轴进行动态分析。其主要优点之一是将复杂的整体激励和局部振动进行定量化，从而为工程师提供改善方案。通过多目标优化，可以在减轻重量的同时实现NVH改善。图7显示了N20和B48在曲轴箱上与声学相关的振动图谱。尽管曲轴的重量显著减轻，但曲轴对曲轴箱整理的激励却降低了。该设计方法已应用于B系列发动机的所有曲轴，并在试验中证实了其价值（图16）。加上发动机平衡轴等措施，相比N系列减轻了1千克。

图16 利用多体数值模拟技术实现曲轴箱振动的可视化

另外，B系列发动机也配有平衡轴，由于气缸数的不同，曲轴箱的作用力类型也不同，B48使用了双平衡轴，B38使用了单平衡轴。

PS：B38的单平衡轴搭载在宝马X1上，实际效果一般。

图17 平衡轴的应用

10 重量

与N系列相比，B系列的重量减少了7公斤。虽然热管理模块和分流式冷却增加了重量，但是通过集成排气歧管、曲轴优化、曲轴箱优化等措施进行了轻量化，从而实现了总体重量的降低。

11 PN排放

通过分流式冷却，直喷喷射压力升高和气缸壁温度升高等手段，降低了整个发动机工况图中的PN排放。图18以N20和B48发动机为例，展示了他们的区别。在最大发动机输出功率区域，B48的PN排放减少了2至3倍。

图18 N20和B48 在全工况下PN排放对比图（完全暖机）

图19显示了WLTP循环中的累积PN排放。此外，在瞬态运行中，减少喷雾穿透性和由此产生的较少的壁面燃油附着对于减少PN排放至关重要。与N20发动机的200bar燃油喷射系统相比，采用350bar系统的B48发动机累积PN数减少了50%以上。更进一步， B48发动机能够满足未来RAD测试法规要求。

PS：PN形成的机理就是局部雾化性不足，PFI由于雾化时间长没有PN排放风险，DI由于缸内直喷，雾化时间短，小的燃油颗粒在高温下直接形成PN。

图19 WLTP工况N20和B48累积PN排放对比

12 燃油消耗率

解决发动机暖机、机械阻力和热管理问题之后，发动机的油耗有所降低。图20显示了各个措施对总体油耗降低的贡献。以B48低功率发动机为例，宝马3系在NEDC工况下CO2排放降低了5%。

图20 燃油改善效果对比

13总结

宝马B系列发动机的在N系列基础上进行了升级，重点对油耗与排放进行了优化，在性能上提高并不明显。宝马N系列作为一代机皇，2011年称王至今已显老态，面对着如今奥迪奔驰凯迪拉克咄咄逼人的态势，宝马B系列发动机能否扛得起机皇的大旗呢？

发动机性能对比