第1章 宝马汽车发动机

1.1 动力系统概述

1.1.1 发动机命名规则与代码说明

1.1.1.1 发动机名称

在技术文件中使用发动机名称来准确表示发动机,通常只使用一个字母的缩写。该缩写用于表示某一发动机与所属发动机系列的关系,具体含义见表1-1。例如常说的N53发动机系列由N53B25U0、N53B30U0和N53B30O0等多款发动机构成。

表1-1 宝马发动机命名规则

1.1.1.2 发动机代码

发动机曲轴箱上标有用于明确识别和分配发动机的代码。随着N55发动机的引入,这个代码得到进一步发展,代码从以前的八位减少到六位。发动机上发动机代码下面是发动机编号。利用这个序列号和发动机代码可以准确识别每个发动机。以N20/S63/B58发动机为例,其发动机标识位置如图1-1~图1-3所示。

图1-1 N20发动机代码和发动机编号

00034772—具体发动机编号;N—发动机开发商(BMW集团);2—发动机类型(R4);0—标准型发动机方案更改(涡轮增压、Valvetronic和直接喷射);B—工作方式或燃油和安装位置(纵向安装汽油发动机);20—排量2L;A—型式认证事宜(标准)

图1-2 S63发动机代码和发动机编号

20054919—具体发动机编号;S—BMW M GmbH 研发;6—V8发动机;3—带有废气涡轮增压器、Valvetronic和直接喷射装置TVDI的发动机;B—纵向安装汽油发动机;44—4.4L排量;B—型式认证事宜(标准)

图1-3 B58发动机代码和发动机编号

1—发动机编号;2—发动机代码

1.1.1.3 发动机铭牌位置

1.1.2 动力系统关键技术

1.1.2.1 全变量气门升程控制装置(电子气门控制系统)Valvetronic

(1)系统功能与原理

通过一根电动可调式偏心轴,凸轮轴对凸轮推杆的影响可通过一根中间杠杆改变。由此产生一个可变气门升程。

一个特点是,偏心轴传感器不再安装在偏心轴上,而是已集成到伺服电动机中。

电子气门控制系统Ⅲ投入应用。电子气门控制系统Ⅲ与电子气门控制系统Ⅱ的区别在于电子气门控制伺服电动机和传感器的布置。混合气的形成通过提前和掩蔽得到了优化。在压缩结束时,涡流的强度等级增大。通过这个充气运动可改善部分负荷运转中和废气催化转换器加热运行中的燃烧。

提前在下部部分负荷区中的两个进气门之间产生一个最大1.8mm的升程偏差。因此吸入的新鲜气体被搅动并旋转。

掩蔽是气门座的一种造型。这个造型现在使流入的新鲜空气被校正,从而产生希望的充气运动。这些措施的优点是,燃烧延迟可减小约10°。燃烧速度更快,并且可以产生更大的气门重叠,因此能够明显降低氮氧化物排放。

能够通过组合使用电子气门控制系统Ⅲ、直接喷射和涡轮增压改善反应特性,直到自吸式发动机全负荷的反应特性像在带电子气门控制系统的自吸式发动机上一样缩短,因为取消了进气集气箱的加注过程。在废气涡轮增压器启动时接着建立转矩,能够在发动机低转速时通过设置部分冲程而加速。这样有助于冲洗剩余气体,从而更快建立转矩。

使用一个新型无刷直流电动机。此电子气门控制系统伺服电动机具有下列特点:开放式概念(机油穿过);偏心轴角度可根据发动机转速计算;输入功率降低约50%;调节的动态性更高(例如由气缸选择性地调节或怠速控制);减小质量(约600g)。

为降低燃油消耗而开发了电子气门控制系统。电子气门控制系统的控制目前已集成到数字式发动机电子伺控系统(DME)中。在电子气门控制系统激活时,供给发动机的空气不是通过电动节气门调节器,而是通过进气门的可调式气门升程来调整。

装备电子气门控制系统时,为执行下列功能而控制电动节气门调节器:车辆启动(暖机过程);怠速控制;满负荷运转;紧急运行。

在所有其他运行状态下,节气门打开直至只产生一个轻微的真空为止。数字式发动机电子伺控系统(DME)根据加速踏板位置和其他参数计算出电子气门控制系统的相应位置。数字式发动机电子伺控系统(DME)控制气缸盖上的电子气门控制系统伺服电动机。电子气门控制系统伺服电动机通过一个蜗杆传动装置驱动气缸盖油室中的偏心轴。数字式发动机电子伺控系统(DME)持续监控偏心轴传感器的两个信号。检查这些信号是否单独可信和相互可信。这两个信号相互间不允许有偏差。在短路或损坏时,这些信号在测量范围之外。数字式发动机电子伺控系统(DME)持续检查偏心轴的实际位置与标准位置是否相符,由此可看出机械机构是否动作灵活。发生故障时,阀门会被尽量打开,然后通过节气门调节空气输送。如果不能识别偏心轴的当前位置,则阀门会被不加调节地最大打开(受控的紧急运行)。为达到正确的阀门孔开启程度,必须通过调校补偿气门机构内的所有公差。在这个调校过程中,调节到偏心轴的机械限位。

存储以此学习的位置。这些位置在各种情况下都用作计算当前气门升程的基础。调校过程自动进行。

每次重新启动时将偏心轴位置与学习的数值相比较。如果在某次维修后识别到偏心轴的另一个位置,则执行调校过程。此外可以通过诊断系统调用调校。

(2)电子气门控制伺服电动机

第三代电子气门控制伺服电动机的一个特点是包含用于识别偏心轴位置的传感器。另一个特点是,发动机机油环绕着电子气门控制伺服电动机流动。喷油嘴确保偏心轴的蜗轮蜗杆传动机构得到润滑。

带集成位置传感器的无刷直流电动机将作为电子气门控制伺服电动机投入使用。这种直流电动机因其非接触转换方式而无需保养并且功能强劲(效率更好)。通过使用集成式电子模块,电子气门控制伺服电动机可非常精确地控制,其部件见图1-4。

图1-4 电子气门控制电动机

1—电子气门控制伺服电动机;2—11芯插头连接

通过DME实现脉冲宽度调制。相线内可能短暂(小于200ms)流过最高60A的电流。伺服电动机中集成有5个霍尔传感器,其由DME提供一个5V的电压。此传感器提供了一个分辨率为6°转角的执行器,其传动比应符合气门升程为0.25mm时的精度。

具有独立可调式凸轮轴控制装置VANOS电磁阀的传统VANOS已从结构上进行了修改。采用VANOS电磁执行器和机械式VANOS中央阀门减少气缸盖中的油道。

可调式凸轮轴控制装置正时控制系统用于在低转速和中等转速范围内提高转矩。同时为怠速和最大功率设置最合理的气门配气相位。

进气和排气凸轮轴可在它们的最大调整范围内可变调节。达到正确的凸轮轴位置时,VANOS电磁阀保持调节缸两个空腔内的油量恒定。因此可将凸轮轴保持在该位置上。为了进行调节,可调式凸轮轴控制装置需要一个有关凸轮轴当前位置的反馈信号。在进气和排气侧各有一个凸轮轴传感器检测凸轮轴的位置。在发动机启动时,进气凸轮轴在极限位置上(在“滞后”位置上)。在发动机启动时通过一个弹簧片预紧排气凸轮轴,并将其保持在“提前”位置。

N20发动机伺服电动机安装位置见图1-5。

图1-5 电子气门控制电动机位置(第3代Valvetronic)

1—喷油嘴;2—偏心轴;3—扭转弹簧;4—拉杆;5—进气凸轮轴;6—中间杠杆;7—凸轮推杆;8—液压气门间隙调整;9—气门弹簧;10—进气门;11—电子气门控制伺服电动机;12—排气门;13—气门弹簧;14—液压气门间隙调整;15—凸轮推杆;16—排气凸轮轴;17—密封防尘套;18—12芯插头连接

电动气门控制伺服电动机最大限制为40A。最大20A可支配超过200ms的时间段。按脉冲宽度调制控制电子气门控制伺服电动机。脉冲负载参数在5%~98%之间。

Valvetronic经过后续开发后应用于新款B58发动机。VVT4的特点是可从外部看到Valvetronic伺服电机,见图1-6。

图1-6 B58发动机的第4代Valvetronic

1—排气凸轮轴;2—滚子式气门压杆;3—液压气门间隙补偿元件;4—气门弹簧;5—排气门;6—进气凸轮轴;7—蜗杆传动机构;8—偏心轴;9—Valvetronic伺服电机电气接口;10—进气门

相比第3代,第4代在结构上做了部分改进,下面以N55和B58发动机的对比为例(图1-7)进行介绍。以下组件针对Valvetronic改进后应用于B58发动机。

图1-7 N55和B58发动机Valvetronic比较

A—N55发动机Valvetronic;B—B58发动机Valvetronic;

1—偏心轴;2—槽板;3—回位弹簧;4—凸轮轴;5—中间推杆;6—结构高度

复合式偏心轴;

调节范围由190°(N55)提高至253°(B58);

蜗杆传动机构传动比较小(37∶1);

滑块更细更轻,仅用一个螺栓连接;

回位弹簧不用螺栓连接,而是采用插接方式;

取消了用于润滑蜗杆传动机构的机油喷嘴;

Valvetronic伺服电机更小更强劲。

改进Valvetronic后显著减小了所需安装空间。由于更换了进气凸轮轴和偏心轴,因此获得了显著的高度空间。中间推杆和槽板采用新位置后简化了气缸盖内的动力传递。槽板仅通过一个螺栓固定在支撑座上并通过两个精确接触面固定在气缸盖内。用于中间推杆的回位弹簧支撑在气缸盖与轴颈间,无需单独拧入点。偏心轴像凸轮轴一样采用“复合式”设计。

B38发动机伺服电动机安装位置与端子分布如图1-8所示,系统电路以B48、B58发动机为例,见图1-9。

图1-8 电子气门控制电动机端子位置(B38发动机)

图1-9 气门机构控制电路(B48/B58发动机)

(3)可调式凸轮轴控制装置(双凸轮可变正时控制系统)VANOS

宝马发动机气门机构配备了用于进气门和排气门的可调式凸轮轴控制装置(双凸轮可变正时控制系统)。利用VANOS能够推迟进气门和排气门的打开时间。以N20发动机为例,其VANOS机构部件如图1-10所示。

图1-10 N20发动机带机油供给系统的VANOS

1—连接进气侧VANOS调节单元的机油通道;2—进气侧VANOS调节单元;3—进气凸轮轴传感器轮;4—进气侧VANOS电磁执行机构;5—主机油通道;6—用于进气凸轮轴和HVA元件的机油通道;7—排气凸轮轴传感器轮;8—排气侧VANOS电磁执行机构;9—排气侧VANOS调节单元;10—连接进气侧VANOS调节单元的机油通道;11—用于排气凸轮轴和HVA元件的机油通道;12—链条张紧器

进气凸轮轴传感器和排气凸轮轴传感器检测凸轮轴的位置。为此在凸轮轴上固定了一个增量轮(凸轮轴传感器齿盘)。凸轮轴传感器利用霍尔效应工作。供电通过数字式发动机电子伺控系统(DME)用5V电压进行。此传感器通过信号线向数字式发动机电子伺控系统(DME)提供一个数字信号。

进气凸轮轴传感器固定在气缸盖罩上。在曲轴传感器失灵时,数字式发动机电子伺控系统(DME)据此计算出发动机转速。进气凸轮轴传感器连同曲轴传感器,是全顺序喷射装置所必需的(每个气缸的燃油喷射都在最佳点火时刻)。

数字式发动机电子伺控系统(DME)可以通过进气凸轮轴传感器识别出第1缸是处在压缩阶段还是换气阶段。另外向传感器提供凸轮轴位置的反馈信号,用于调节变量凸轮轴(VANOS)。

进气凸轮轴传感器是作为无接触霍尔传感器安装的。凸轮轴传感器齿盘有6个不同的齿面距离。霍尔传感器探测这些齿面距离。

为启动发动机,数字式发动机电子伺控系统(DME)应检查下列条件是否满足:曲轴传感器发出的信号没有错误;信号都必须按规定的时间顺序识别到。

这一步骤称为同步过程,并仅在车辆启动时执行。同步时数字式发动机电子伺控系统(DME)能够正确控制燃油喷射;不同步时不能启动车辆。

在加上电压时,便可识别出该传感器是处于一个齿的位置,还是处于一个缺口的位置。

数字式发动机电子伺控系统(DME)读取传感器信号,并将信号与保存的样本进行比较,于是可识别凸轮轴的准确位置。

可调式凸轮轴控制装置改善低速和中等转速范围内的转矩。同时为怠速和最大功率设置最合理的气门配气相位。通过较小的气门重叠可在怠速下产生数量较少的剩余气体。通过部分负荷区的内部废气再循环降低氮氧化物。

此外还可达到下列效果:废气催化转换器的加热更快;冷机启动后的有害物质的排放更少;减小燃油消耗。

VANOS磁性激励器用于控制VANOS调整装置,部件见图1-11。从发动机转速和负荷信号计算出所需的进气凸轮轴及排气凸轮轴位置(根据进气温度和冷却液温度)。数字式发动机电子伺控系统(DME)通过VANOS磁性激励器控制VANOS调整装置。

图1-11 VANOS电磁执行器

1—VANOS电磁执行器;2—插旋式连接;3—2芯插头连接

VANOS中央阀门固定具有凸轮轴的VANOS调整装置。同时,通过该VANOS中央阀门还能控制VANOS调整装置内的机油流量。

VANOS电磁执行器移动VANOS中央阀门。此时,VANOS电磁执行器的活塞压在VANOS中央阀门的活塞上。

VANOS中央阀门结构如图1-12所示。

图1-12 VANOS中央阀门结构

1—过滤器;2—小球;3—弹簧片;4—柱塞;5—轴套;6—壳体;7—柱塞内的开口;8—主机油道的机油流入口;9—通向VANOS内油道的孔(提前调节);10—通向VANOS内油道的孔(推后调节)

在怠速下调整凸轮轴要保证产生一个对油耗和运行平稳性来说最佳的较小气门重叠。达到最小的气门重叠时,伴随着的是很大的进气角度和排气角度,甚至到了最大。VANOS电磁阀这时不通电。即使在关闭发动机的情况下,仍占据该凸轮轴位置。在这种状态下调整装置自动锁定。因此在下次发动机启动时存在一个稳定的凸轮轴调整。当油泵还没有为凸轮轴调整建立足够的油压时,也可达到这个稳定的凸轮轴调整。在第一次要求调整时,流入的机油将调整装置重新解锁。

为了在发动机低转速时获得高转矩,排气门被滞后打开。这样,燃烧延长到柱塞上。在发动机高转速时,通过较大的气门重叠(排气门提前打开和排气门滞后打开)获得较高的功率。

为了实现较高的转矩,必须达到一个较高的气缸进气度。根据进气管压力(增压压力)和废气压力,进气门或排气门必须提前或滞后打开或关闭。带VANOS的发动机可以在宽的转速范围内用优化的气缸进气来描述。为获得同样的充气(对应于转矩),带VANOS的发动机需要的增压压力应比具有刚性凸轮轴位置的发动机需要的增压压力低。

原因:新鲜气体退回进气管以及剩余气体倒流回气缸都可避免。

涡轮增压时转矩升高。对于涡轮增压发动机,发动机低转速时,在增压范围内通过大的气门重叠可实现“过扫气”,从而可获得明显更大的转矩。

第一个效果:流经发动机的空气比用于燃烧所需要的更多。因此双涡流废气涡轮增压器不属于泵送范围。

第二个效果:在气缸中几乎没有剩余气体。

部分负荷时的内部废气再循环。与进气和排气凸轮轴的转矩或功率最佳位置相比,在调节进气和排气凸轮轴时也可以强制获得高的废气再循环率。对于内部废气再循环量起决定作用的是气门重叠大小以及排气歧管和进气管之间的压力差。

内部废气再循环有下列特性。

反应时间比外部废气再循环更快(使用内部废气再循环时在进气集气箱中没有剩余气体);废气余热在气缸中快速再循环(这些附加热量在发动机冷机时可改善混合气制备并降低碳氢化合物排放);降低燃烧温度并减少氮氧化物排放量。

1.1.2.2 TwinScroll废气涡轮增压器

(1)增压器结构

TwinScroll表示带有一个双涡管涡轮壳体的废气涡轮增压器。这样可以分别将两个气缸的废气引导至涡轮处。N20发动机与其他4缸发动机一样,采用将气缸1和4、气缸2和3集成在一起的设计。这样可以更高效地利用脉冲增压效果。

N20发动机装有采用TwinScroll技术的废气涡轮增压器。该废气涡轮增压器在涡轮入口处有两个独立通道,可分别将两个气缸的废气引至涡轮叶片处。结构如图1-13所示。

图1-13 N20发动机废气涡轮增压器

A—气缸2和3的废气通道;B—气缸1和4的废气通道;C—排气至催化转换器;D—进气消音器输入端;E—环形通道;F—排气至增压空气冷却器;

1—废气旁通阀真空罐;2—机油供给管路;3—废气旁通阀;4—涡轮;5—冷却通道;6—机油通道;7—冷却液回流管路;8—循环空气减压阀

废气涡轮增压器采用带有电动循环空气减压阀和真空控制废气旁通阀的传统结构。

(2)增压器工作原理

通过废气涡轮增压器实现发动机增压有两种工作原理,即定压增压和脉冲增压。定压增压是指涡轮前的压力几乎恒定,用于驱动废气涡轮增压器的能量通过涡轮前后的压力差获得。采用脉冲增压方式时,涡轮前的压力变化迅速而显著,通过从燃烧室排出废气形成脉冲,压力增大时就会产生作用在涡轮上的压力波,此时利用废气动能,使压力波以脉冲方式驱动废气涡轮增压器。脉冲增压可实现涡轮增压器的快速响应特性,特别是在转速较低情况下,因为此时脉动最强,而在定压增压模式下涡轮前后的压力差尚小。

实际上PKW发动机的废气涡轮增压器始终利用两种增压方式。根据尺寸参数、废气通道导向和气缸数量决定脉冲增压模式使用比例。

在单缸发动机上,曲轴每旋转两圈完成一个排气循环。因此从理论上来说,每720°曲轴转角中有180°用于排气。图1-14以非常简化的方式展示了单缸发动机废气涡轮增压器前的压力情况。

图1-14 单缸发动机废气涡轮增压器前废气通道压力曲线

A—下止点,排气门打开;B—上止点,排气门关闭,进气门打开;C—下止点,进气门关闭;D—上止点

点火如图1-14所示,曲轴每旋转720°,曲轴转角就会产生一个作用在涡轮上的压力波。该脉冲可使涡轮加速。

图1-15展示了4缸发动机涡轮前的压力情况。

图1-15 4缸发动机废气涡轮增压器前废气通道压力曲线

1—气缸1排气门打开;2—气缸2排气门打开;3—气缸3排气门打开;4—气缸4排气门打开

由于曲轴旋转两圈后所有气缸均完成了各自的排气循环,因此在720°曲轴转角内产生了四个压力波。点火每隔180°曲轴转角均匀分配。在此过程中压力波相互叠加。某一气缸压力下降时,下一气缸的压力已经增大。

因此,在涡轮前形成了叠加压力,如图1-16所示。

图1-16 4缸发动机废气涡轮增压器前废气通道压力曲线(叠加)

叠加作用会使最小压力与最大压力差值明显减小。因此压力波作用在涡轮上的脉冲也随之减小,进而导致废气涡轮增压器内的脉冲增压减少。

在4缸发动机上可通过TwinScroll废气涡轮增压器来防止出现这种情况。其方式是将四个气缸分为两个通道,在每个通道内都实现一个2缸发动机的压力情况,如图1-17所示。

图1-17 4缸发动机废气涡轮增压器前废气通道压力曲线(各自和叠加)

1—气缸1排气门打开;4—气缸4排气门打开

在此两个气缸的压力也会叠加。但是气缸1和4、气缸2和3集成在了两个通道内。根据4缸发动机的点火顺序,一个通道的排气循环间隔360°曲轴转角。因此,即使在叠加情况下也可产生较大压力差并能更好地利用废气动能。

集成气缸1和4、气缸2和3采用了特殊造型排气歧管。

在废气涡轮增压器内,两个通道分别引导至涡轮处。与传统废气涡轮增压器不同,TwinScroll废气涡轮增压器在围绕涡轮的环形通道内带有一个中部凸台。