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一刀说 | 宝马B38 1.5T三缸发动机
Myautotime 265浏览 2019-05-06

宝马是豪华品牌中第一个使用三缸增压直喷发动机的品牌,而且在巨大的争议中并未退缩,其不遗余力的将代号为B38的1.5T三缸增压直喷发动机推广到宝马所有的横置和纵置平台车型。

包括1系、2系运动旅行车、2系跑车、3系、MINI等车型,甚至作为宝马电动跑车i8的动力。我们今天来看看宝马的1.5T三缸发动机究竟如何。

B38在宝马横置UKL车型平台上的应用-MINI

B38在宝马传统纵置平台上的应用-进口1系两厢

宝马B38发动机

一、 宝马为何要推出1.5T三缸发动机

宝马从2014年开始逐步推出1.5T三缸发动机B38来代替原来的N16 1.6L四缸增压直喷发动机。

作为豪华品牌这一决定让大家倍感差异,其实宝马是经过深思熟虑的,我们来看看宝马推出三缸发动机究竟有哪些考虑:

1. 模块化发动机开发策略

宝马的B38 1.5T三缸发动机不是一个独立的产品,而是宝马全新模块化发动机平台的一员。

这一全新的模块化发动机平台包括B58/B48/B38三大机型,也就是3.0T直列6缸B58,2.0T直列4缸并8,1.5T三缸B38。

大家可以简单的理解发动机的核心的结构尺寸、燃烧系统和高压喷射系统共用一个方案,只是通过调整汽缸数量来实现排量的调整,就像搭积木一样。

对每一个汽缸来讲都是0.5L排量,缸径行程,燃烧室以及核心结构尺寸都一样。这种策略可以大大的减少发动机核心燃烧系统的开发,对后面的动力性,经济性,排放等开发也会带来好处,这样可以大大的缩短开发周期,降低开发费用。

同时由于主要单缸的结构尺寸一样,也很方便发动机生产线的共线生产,对于降低制造投资也有好处。宝马将这一模块化开发策略的优势总结为:更高效,更灵活,低成本。

宝马模块化发动机开发策略

宝马B系列发动机代号

另外说一下,其实宝马的模块化不仅是在汽油机平台上,甚至汽油机和柴油机之间也考虑了模块化。

两者之间主要结构尺寸保持一致,甚至可以共享60%的零部件,这样可以非常方便的实现汽油机和柴油机的共线生产,从而减少制造投资,灵活的满足市场不断变化的需求。

宝马汽油机和柴油机的模块化设计

2.满足发动机未来电气化的需求

宝马选择三缸机的另外一个原因是对未来发动机电气化的考虑,因为相比同样排量的四缸发动,三缸机尺寸非常较短。

这对于横置平台发动机的混合动力非常重要,因为这样发动机所占用的横向空间就变小了,可以为混合动力电机的布置留下更多的空间。

宝马认为未来的发动机必须是充分考虑电气化需求的,因此三缸机作为混合动力发动机来使用就非常合适了。

宝马其实在i8车型上已经验证了B38 1.5T三缸发动机在混动布置上的优势,在后续宝马推出的横置PHEV车型上将广泛的使用B38三缸发动机。

宝马i8(参数|询价)在后轴上横置布置的B38发动机和混合动力电机

宝马横置前驱平台采用的B38发动机PHEV混合动力方案

二、 B38发动机上采用的新技术:

宝马的B38 1.5T三缸发动机分为高功率和低功率版本,低功率版本就是我们在国产的1系三厢轿车和2系运动旅行车以及X1上看到的100kW的版本。

而高功率版本性能可以达到170Kw,可以说是非常强劲,目前只在宝马i8跑车上使用,两者从技术上看还是存在一些差别的,我们来分别介绍一下。

B38发动机高功率和低功率版本的性能曲线

(一) 低功率版本B38的技术特征

B38低功率版本发动机

1、 全铝发动机设计

宝马一向非常重视发动机的轻量化,很早就开始采用了全铝发动机的设计,B38也不例外,采用了全铝设计。

说是全铝设计,其实主要是指缸体、缸盖、发动机油底壳采用了铝合金材质。B38的气缸罩盖采用了更轻的塑料材质,这也是目前发动机设计的发展趋势。

2、带水套的铝合金增压器蜗壳

在低功率版本的B38发动机上,宝马采用了一种非常特殊的增压器设计,也就是采用了带水套的铝合金的增压器蜗壳。

我们知道一般蜗壳材料要用到高镍合金,因为涡前排温很高,能够达到950℃甚至更高。

一般的材料无法耐受如此高的温度,必须要用到高镍合金,而高镍合金的成本很高。

宝马另辟蹊径,采用了便宜的铝合金来只做涡轮机壳体,并在铝合金蜗壳上设计了水套来对付排气高温,这样可以在降低成本的同时实现轻量化。

但是这个设计有一个很大的限制,就是排气温度不能太高,目前宝马铝合金增压器蜗壳的温度限制是850℃,这比一般增压器能够达到的950℃的耐受温度要低不少。

因此也限制了发动机的最大功率,这是低功率版本B38功率只有100kW的一个重要原因。

红色为涡轮机排气流动方向,蓝色为压气机进气流动方向

B38通过发动机缸盖水套来冷却铝合金蜗壳

3、中置喷油器的燃烧系统

为了满足欧6排放标准,宝马重新优化了燃烧系统和港内直喷系统设计。在B系列模块化发动机上选择了82mm缸径比上一代84mm的缸径减小了2mm,主要目的是为了获得更大的冲程从而提高低速性能和油耗。

另外,结合82mm缸径重新设计了气道和活塞顶。强化了缸内气体流动并重新设计了直喷喷油器的喷射油束和火花塞位置,避免喷油造成活塞顶和缸孔的湿壁效应从而引起机油稀释,同时优化了燃烧的稳定性,减小了爆震倾向。这使得发动机的压缩比可以达到11,从而获得更高的发动机热效率。

新的燃烧系统可以满足全球最严格的排放法规。同时,和上一代N系列发动机相比在发动机的大部分运行工况带来超过5%的油耗改善。

小缸径长冲程的设计

活塞顶设计和火花塞位置和上一代N系列发动机的区别

喷油器的喷射油束设计和上一代N系列的区别

4、 平衡轴

为了平衡三缸发动机的振动,宝马为B38发动机专门专门开发了一套平衡轴系统,这套平衡轴由曲轴前端的齿轮驱动。

在驱动结构上和4缸的双平衡轴相同,只不过三缸发动机的平衡轴转速是和曲轴转速相等的(4缸机平衡轴转速是曲轴转速的2倍),所以驱动齿轮的速比不同。

5、缸孔LDS涂层

宝马在B38发动机的缸孔上采用了其最先进的电弧丝喷涂工艺LDS(德语Lichtbogendrahtspritzen)。

基本原理是使用双金属电弧喷涂在铝缸体缸孔内表面喷涂一种极薄的(0.3mm)铁碳合金涂层,用来代替原来比较笨重的铁缸套。这样有三个好处:减小摩擦,减轻重量,改善散热。

后端驱动的链传动系统

宝马B38把正时链条系统布置在了发动机后端,而不像一般发动机的链传动都是在发动机前端的。

这种放在曲轴后端的设计对降低链传动系统的振动和噪声非常有利。而且,可以进一步减少发动机前端的空间占用,有利于发动机在机舱的布置。宝马B系列发动机全系都是采用的链条后端布置的设计。

6、 ValvetronicDouble-VANOS技术

Valvetronic连续可变气门升程一直是宝马引以为傲的标志性技术,加入了进排气连续可变气门正时Double-VANO以后可以实现连续的气门正时和升程的无极调节。

这样可以大大的降低了发动机部分负荷的泵气损失,从而改善油耗。同时还可以兼顾高速性能,实现高的功率的扭矩。

Valvetronic连续气门可变升程

Double-VANOS进排气可变气门正时

连续可变气门升程机构在上一代N系列发动机上已经采用,宝马B系列发动机对该机构进行了改进,主要是降低了结构高度,从而使发动机整体高度降低,有利于发动机在机舱中的布置

B系列发动机和N系列发动机Valvetronic系统的区别

(二)高功率B38的技术特征

宝马在i8车型上使用的高功率B38发动机采用了更多的技术来适应高功率,高动态响应和低噪声的开发要求。我们一起看看有哪些新技术:

在宝马i8上使用的高功率B38发动机

1、 进气管集成水冷中冷器

高功率版本的B38采用了进气管集成的水冷中冷器设计,而普通低功率版本还是采用的传统的空气冷却的中冷器。

这种设计可以缩短中冷器管路,同时由于采用水冷中冷器,所以比普通的空气冷却中冷器效率更高,有利于提升发动机的最高性能和动态响应。下图中可以看到进气管中集成的中冷器。

进气管集成的水冷中冷器,实箭头是水的方向,虚箭头是进气的方向

低功率版本的B38上可以看到巨大空气冷却中冷器

2、 高镍合金材料排气管

上面讲到低功率版本的铝合金增压器蜗壳只能耐受850℃的排气温度,限制了发动机的功率。

因此,宝马在高功率的B38上回归了传统的高镍合金排气管设计,使用了德国DIN牌号为1.4849的高镍合金,理论上可以耐受1050℃的排气温度,这也是高功率B38能够达到170kW的必要条件。

B38高功率发动机的高镍合金排气管

3、 BSG电机混动系统

为了进一步提升发动机的动态响应,改善发动机的振动特性。在高功率版本的B38发动机上增加了一套轻混动BSG电机,这套BSG电机系统可以起到以下几个作用,可以说是三缸机的绝配:

(1) 可以实现发动机启停功能,取消了发动机怠速,可以完全避免怠速时三缸机的振动。

(2) 在发动机启动的时候通过前端皮带给发动机提供助力

(3) 在制动和减速过程中通过BSG电机可以回收能量给电池充电。

(4) 可以通过BSG电机来平滑发动机的转速,解决三缸机的运转不平顺性。

(5) 通过前端的双向涨紧器可以解决在电机助力和回收能量时候皮带复杂的涨紧问题。

需要说明的一点是宝马的这个BSG电机是高压电机,而不是一般我们看到的48V BSG电机,虽然两者看起来外观和功能基本都是一样的。

前端BSG电机和皮带系统

双向张紧器的工作模式

4、 声学包装

为了达到i8对于发动机噪声的要求,宝马在B38发动机上使用了非常夸张的声学包装,使用大量的隔音材料将发动机完全包裹住,尽量避免噪声传递到乘员舱。

宝马在B38高功率版本上使用的声学包装可以说是目前量产发动机里面最复杂,包裹最充分的。

B38高功率版本的声学包装

三、 总结

宝马B38发动机是宝马关于未来动力总成模块化的探索,承担着宝马未来发动机电气化和混合动力的重任。

一系列先进技术的加入让B38拥有了良好的排放和油耗潜力,同时模块化的策略可以和4缸B48甚至6缸B58共享零部件和生产线,从而实现更低的成本。

 
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