Технології рядного 6-циліндрового двигуна BMW

Незважаючи на те, що BMW докладає багато зусиль для створення нових електричних приводів, мюнхенська компанія все ще підтримує свої класичні моделі: вона модернізує 3,0-літровий рядний 6-циліндровий турбодвигун (B58) і забезпечує його високоефективним циклом згоряння за технологією Міллера.

Шестициліндрові рядні двигуни характеризують стиль BMW, починаючи з моделі 328 1937 року. Тоді 2,0-літровий агрегат видавав сенсаційні 80 к.с. у спортивному родстері. Для порівняння, найспортивніший шестициліндровий двигун BMW, S58, що встановлюється на BMW M3/M4 Competition, розвиває 510 к.с., що на 430 к.с. більше – але він також має на 50% більший робочий об’єм і два турбонагнітачі, тоді як оригінальний двигун був атмосферним.

S58 – це високопродуктивний варіант B58, який використовується у всіх модельних серіях BMW із заднім приводом. Картер і головка циліндрів 3,0-літрового двигуна виготовлені з алюмінію. В ході розробки двигуна максимальний тиск палива в системі безпосереднього впорскування було збільшено з 200 до 350 бар.

Система Valvetronic, вперше показана в 2001 році, працює в головці блоку циліндрів для управління клапанами. Її особливість: проміжний важіль і ексцентрик між розподільчим валом і клапаном можуть змінювати його хід від 0,25 мм до 9,8 мм протягом трьох десятих секунди. Це дозволяє настільки точно регулювати кількість бензинової суміші, що впорскується в камеру згоряння, що дросельна заслінка майже завжди є зайвою (вона працює переважно тільки в аварійному режимі). Це сприяє підвищенню ефективності, оскільки на дросельній заслінці відбуваються втрати потоку – тим більші, чим далі вона закрита, тобто при частковому навантаженні, в діапазоні, який є активним переважну більшість часу.

Крім Valvetronic, BMW також використовує в своїх двигунах вже знайому нам систему регулювання розподільного валу VANOS, яка дозволяє адаптувати час зміни фаз газорозподілу до поточних вимог навантаження. Вперше система Valvetronic отримала електричне керування. Блок Vanos також переходить з гідравлічного на електричний привід. Це економить місце і зусилля при монтажі і забезпечує ще більшу гнучкість завдяки свободі програмування.

Двоканальний турбонагнітач

У поєднанні з різними турбонагнітачами вихлопних газів у BMW мова йде про двигуни з подвійним турбонаддувом. Однак, на відміну від S58 з двома меншими турбонагнітачами, B58 має лише один двоканальний турбонагнітач.

Не плутати з бі-турбо – це нагнітач, у якого сторона вихлопних газів подається двома окремими каналами. Таким чином BMW мінімізує втрати потоку в циліндрах, що працюють на різних швидкостях. Інтегрувавши сталевий випускний колектор і турбокомпресор в B58, баварці забезпечили особливо компактну конструкцію і, як наслідок, швидке нарощування тиску наддуву.

Подальший розвиток приніс B58, наприклад, в M340i, збільшення максимальної потужності на 35 кВт/48 к.с. до 275 кВт/374 к.с. і збільшення максимального крутного моменту до 500 ньютон-метрів. Два бензинові сажеві фільтри в спортивній вихлопній системі також стали важливою частиною модернізації. У M340i (з восьмиступінчастою автоматичною коробкою передач) BMW заявляє, що витрата палива становить 7,5 літрів на 100 кілометрів, а викиди CO2 – 172 грами на кілометр.

Потужність і витрата палива

Оновлений шестициліндровий двигун (B58 TÜ2) використовується в багатьох модельних серіях: наприклад, у новій 7-й серії та в 5-й серії, яка, як і флагман (i7), представлений в електричному варіанті i5. Новий шестициліндровий двигун вперше використовується в X7 40i XDrive, де B58 востаннє видавав 333 к.с. З точки зору потужності, B58 робить стрибок до 380 к.с. з TÜ2 (перекладається як “технічна ревізія 2”), але крутний момент тепер становить максимум 520 Нм і навіть 540 Нм протягом короткого часу завдяки 48-вольтовому м’якому гібридному підсилювачу. У порівнянні з попередньою найпотужнішою версією з 374 к.с. і 500 Нм, прогрес залишається послідовним на перший погляд, хоча, за словами BMW, двигун приносить численні інновації в області утворення робочої суміші, управління клапанами, впорскування, системи запалювання і навіть процесів згоряння.

Цикл згоряння Міллера

Як і інші виробники, такі як Toyota та VW, BMW тепер покладається на особливо ефективний процес згоряння палива за технологією Міллера. Хоча це дає лише невелике збільшення потужності, це призводить до більшої ефективності та менших викидів шкідливих речовин. Ще в 1957 році Ральф Міллер запатентував клапанний механізм, в якому впускний клапан закривається дуже рано, під час такту впуску. Це зменшує тиск наповнення і кінцевий тиск стиснення, але ступінь стиснення і, відповідно, розширення залишаються незмінними. Це, в свою чергу, покращує термодинамічну ефективність, оскільки двигун може краще використовувати енергію розширення під час робочого ходу. Однак попередні застосування спорідненого принципу Аткінсона призвели до того, що двигуни стали менш харизматичними, а їхня питома потужність була нижчою. Прикладом може слугувати чотирициліндровий двигун Toyota Prius, потужність якого в гібридній системі з безступінчастою трансмісією через планетарну коробку передач є надзвичайно економічною, але беземоційною.

Однак вимоги, які цикл Міллера висуває до конструктивних особливостей двигуна для особливо ефективної роботи, майже не відрізняються від тих, які BMW висував до B58 протягом багатьох років: змінні фази газорозподілу без дросельної заслінки, а значить без втрат, турбонагнітач з проміжним охолодженням для компенсації заряду в нижніх циліндрах – те, що Toyota також не використовувала в V6 Аткінсона гібридної моделі Lexus RX 450h, наприклад.

BMW тепер поєднує турбонаддув, змінне керування клапанами і розподільчим валом та процес згоряння за Міллером у двигуні B58.

Вона скорочує час відкриття впускних клапанів і поєднує це з підвищеною продуктивністю системи турбонаддуву та інтеркулера. Таким чином, розробники прагнуть значно знизити витрату палива і викиди в усьому діапазоні навантажень, а отже, і в повсякденному русі. BMW модифікував впускний канал і камеру згоряння для оптимізації сумішоутворення та ефективності згоряння, а активна котушка з інтегрованою електронікою підлаштовує запалювання під новий процес згоряння. Повністю регульована система управління клапанами Valvetronic тепер також має коромисло для випускних клапанів, яке можна підключати або відключати, що може бути використано для зупинки зміни заряду, якщо це необхідно. Таким чином, BMW стверджує, що вдалося зменшити момент тертя двигуна приблизно на дві третини під час руху накатом. В результаті генератор м’якої гібридної системи може подавати більше гальмівної енергії в 48-вольтову батарею, як тільки водій відпускає педаль акселератора.

Змінне регулювання розподільчого валу (Vanos) тепер працює електрично, що, за словами BMW, дозволяє розширити діапазон налаштувань, особливо оптимізованих для зменшення викидів. Крім того, як впускні, так і випускні клапани можна контролювати до нульового підйому клапанів для певних робочих діапазонів. Це означає, що не відбувається зміна заряду, двигун рухається в пасивному режиі. Це дещо зменшує викиди CO2.

Підготовка суміші також нова: на додаток до попереднього впорскування під високим тиском безпосередньо в камери згоряння, частина палива тепер потрапляє у впускний тракт через систему низького тиску.

Змінений рух потоку у впускних каналах і циліндрах забезпечує краще сумішоутворення, особливо при частковому навантаженні, а також зменшення утворення частинок, зниження викидів CO2 і більш тиху акустику на холостому ходу. Новий випускний колектор, інтегрований у головку блоку циліндрів, також має покращити потужність та рівень викидів.

Новий двигун прискорює 2,5-тонний позашляховик X7 з нуля до 100 км/год за 5,8 секунди. Витрата пального згідно WLTP тепер становить від 10,5 до 9,2 літрів на 100 кілометрів, а рівень викидів C02 – від 240 до 210 грамів на кілометр. Раніше ці показники становили 10,8-10,1 літра і 247-231 грам CO2 на літр. Це відповідає скороченню на 9 відсотків для мінімальних значень. З одного боку, це вражає, але з іншого – показує, скільки зусиль потрібно докласти, щоб зробити двигуни внутрішнього згоряння більш економічними. Крім того, все ще відсутнє порівняння з останнім ступенем розширення B58 потужністю 374 к.с., який не використовувався в X7.

Понад 500 к.с. з PHEV

Однак електродвигун може надати шестициліндровому двигуну ще більшої потужності, адже замість простої гібридизації мюнхенська компанія хоче поєднати шестициліндровий двигун з електроприводом, що підключається. Дует двигуна внутрішнього згоряння та електродвигуна, ймовірно, замінить V8 на таких ринках, як Європа, і може навіть подолати бар’єр у 500 к.с., оскільки M550i з V8 наразі видає 530 к.с. Вперше обидва двигуни в поєднанні з гібридною установкою будуть використані в новій 7-й серії.

А саме: в BMW 750e xDrive трилітрова рядна шістка B58 поєднується з новим електроприводом. Номінальна потужність двигуна становить 230 кВт/313 к.с. з номінальним обертовим моментом 450 Нм. Разом ці два приводи забезпечують системну потужність 360 кВт/490 к.с. (з тимчасовим форсуванням) і системний крутний момент 700 Нм.

Поєднання двигуна S58 та плагін-модуля в новому BMW M760e xDrive є ще більш потужним. Це перший спортивний автомобіль BMW M GmbH з гібридним приводом, що підключається до мережі. Рядний шестициліндровий двигун об’ємом 3,0 л з технологією M TwinPower Turbo видає 280 кВт/380 к.с. з максимальним обертовим моментом 520 Нм. Разом з новим електродвигуном потужність системи складає 420 кВт/571 к.с. (з тимчасовим підсиленням), а крутний момент системи – 800 Нм.

Такими технологіями BMW вкотре демонструє досконалість, до якої можна довести систему приводу. Поєднання потужної рядної «шістки» з модулем plug-in забезпечує відмінні ходові якості при прийнятній витраті палива за умови, що клієнт якомога частіше використовує ємність літій-іонного акумулятора (18,7 кВт-год) і заряджає його екологічно чистою електроенергією.

На додаток до двох бензинових двигунів, BMW пропонує подальший розвиток дизельної «шістки»  для 7-ї серії. Трилітровий дизель BMW 740d xDrive має нові сталеві поршні, які забезпечують ще вищий тиск згоряння, тим самим підвищуючи ефективність, а також допомагаючи оптимізувати акустику приводу. У порівнянні з попереднім двигуном, ефективність масляної сепарації також була підвищена. Нова система безпосереднього впорскування Common-Rail тепер працює з форсунками, які забезпечують до дванадцяти впорскувань за один робочий цикл з максимальним тиском 2500 бар. М’який гібридний привід забезпечує потужність 220 кВт/300 к.с. (спільно з двигуном внутрішнього згоряння потужністю до 210 кВт/286 к.с. та вбудованим електродвигуном потужністю до 13 кВт/18 к.с.) і максимальний крутний момент системи 670 Нм (650 Нм від двигуна внутрішнього згоряння і до 200 Нм від вбудованого електродвигуна).