第1章　寶馬汽車發(fā)動機

1.1　動力系統(tǒng)概述

1.1.1　發(fā)動機命名規(guī)則與代碼說明

1.1.1.1　發(fā)動機名稱

在技術文件中使用發(fā)動機名稱來準確表示發(fā)動機，通常只使用一個字母的縮寫。該縮寫用于表示某一發(fā)動機與所屬發(fā)動機系列的關系，具體含義見表1-1。例如常說的N53發(fā)動機系列由N53B25U0、N53B30U0和N53B30O0等多款發(fā)動機構成。

1.1.1.2　發(fā)動機代碼

發(fā)動機曲軸箱上標有用于明確識別和分配發(fā)動機的代碼。隨著N55發(fā)動機的引入，這個代碼得到進一步發(fā)展，代碼從以前的八位減少到六位。發(fā)動機上發(fā)動機代碼下面是發(fā)動機編號。利用這個序列號和發(fā)動機代碼可以準確識別每個發(fā)動機。以N20/S63/B58發(fā)動機為例，其發(fā)動機標識位置如圖1-1～圖1-3所示。

1.1.1.3　發(fā)動機銘牌位置

1.1.2　動力系統(tǒng)關鍵技術

1.1.2.1　全變量氣門升程控制裝置（電子氣門控制系統(tǒng)）Valvetronic

（1）系統(tǒng)功能與原理

通過一根電動可調式偏心軸，凸輪軸對凸輪推桿的影響可通過一根中間杠桿改變。由此產生一個可變氣門升程。

一個特點是，偏心軸傳感器不再安裝在偏心軸上，而是已集成到伺服電動機中。

電子氣門控制系統(tǒng)Ⅲ投入應用。電子氣門控制系統(tǒng)Ⅲ與電子氣門控制系統(tǒng)Ⅱ的區(qū)別在于電子氣門控制伺服電動機和傳感器的布置。混合氣的形成通過提前和掩蔽得到了優(yōu)化。在壓縮結束時，渦流的強度等級增大。通過這個充氣運動可改善部分負荷運轉中和廢氣催化轉換器加熱運行中的燃燒。

提前在下部部分負荷區(qū)中的兩個進氣門之間產生一個最大1.8mm的升程偏差。因此吸入的新鮮氣體被攪動并旋轉。

掩蔽是氣門座的一種造型。這個造型現(xiàn)在使流入的新鮮空氣被校正，從而產生希望的充氣運動。這些措施的優(yōu)點是，燃燒延遲可減小約10°。燃燒速度更快，并且可以產生更大的氣門重疊，因此能夠明顯降低氮氧化物排放。

能夠通過組合使用電子氣門控制系統(tǒng)Ⅲ、直接噴射和渦輪增壓改善反應特性，直到自吸式發(fā)動機全負荷的反應特性像在帶電子氣門控制系統(tǒng)的自吸式發(fā)動機上一樣縮短，因為取消了進氣集氣箱的加注過程。在廢氣渦輪增壓器啟動時接著建立轉矩，能夠在發(fā)動機低轉速時通過設置部分沖程而加速。這樣有助于沖洗剩余氣體，從而更快建立轉矩。

使用一個新型無刷直流電動機。此電子氣門控制系統(tǒng)伺服電動機具有下列特點：開放式概念（機油穿過）；偏心軸角度可根據(jù)發(fā)動機轉速計算；輸入功率降低約50%；調節(jié)的動態(tài)性更高（例如由氣缸選擇性地調節(jié)或怠速控制）；減小質量（約600g）。

為降低燃油消耗而開發(fā)了電子氣門控制系統(tǒng)。電子氣門控制系統(tǒng)的控制目前已集成到數(shù)字式發(fā)動機電子伺控系統(tǒng)（DME）中。在電子氣門控制系統(tǒng)激活時，供給發(fā)動機的空氣不是通過電動節(jié)氣門調節(jié)器，而是通過進氣門的可調式氣門升程來調整。

裝備電子氣門控制系統(tǒng)時，為執(zhí)行下列功能而控制電動節(jié)氣門調節(jié)器：車輛啟動（暖機過程）；怠速控制；滿負荷運轉；緊急運行。

在所有其他運行狀態(tài)下，節(jié)氣門打開直至只產生一個輕微的真空為止。數(shù)字式發(fā)動機電子伺控系統(tǒng)（DME）根據(jù)加速踏板位置和其他參數(shù)計算出電子氣門控制系統(tǒng)的相應位置。數(shù)字式發(fā)動機電子伺控系統(tǒng)（DME）控制氣缸蓋上的電子氣門控制系統(tǒng)伺服電動機。電子氣門控制系統(tǒng)伺服電動機通過一個蝸桿傳動裝置驅動氣缸蓋油室中的偏心軸。數(shù)字式發(fā)動機電子伺控系統(tǒng)（DME）持續(xù)監(jiān)控偏心軸傳感器的兩個信號。檢查這些信號是否單獨可信和相互可信。這兩個信號相互間不允許有偏差。在短路或損壞時，這些信號在測量范圍之外。數(shù)字式發(fā)動機電子伺控系統(tǒng)（DME）持續(xù)檢查偏心軸的實際位置與標準位置是否相符，由此可看出機械機構是否動作靈活。發(fā)生故障時，閥門會被盡量打開，然后通過節(jié)氣門調節(jié)空氣輸送。如果不能識別偏心軸的當前位置，則閥門會被不加調節(jié)地最大打開（受控的緊急運行）。為達到正確的閥門孔開啟程度，必須通過調校補償氣門機構內的所有公差。在這個調校過程中，調節(jié)到偏心軸的機械限位。

存儲以此學習的位置。這些位置在各種情況下都用作計算當前氣門升程的基礎。調校過程自動進行。

每次重新啟動時將偏心軸位置與學習的數(shù)值相比較。如果在某次維修后識別到偏心軸的另一個位置，則執(zhí)行調校過程。此外可以通過診斷系統(tǒng)調用調校。

（2）電子氣門控制伺服電動機

第三代電子氣門控制伺服電動機的一個特點是包含用于識別偏心軸位置的傳感器。另一個特點是，發(fā)動機機油環(huán)繞著電子氣門控制伺服電動機流動。噴油嘴確保偏心軸的蝸輪蝸桿傳動機構得到潤滑。

帶集成位置傳感器的無刷直流電動機將作為電子氣門控制伺服電動機投入使用。這種直流電動機因其非接觸轉換方式而無需保養(yǎng)并且功能強勁（效率更好）。通過使用集成式電子模塊，電子氣門控制伺服電動機可非常精確地控制，其部件見圖1-4。

通過DME實現(xiàn)脈沖寬度調制。相線內可能短暫（小于200ms）流過最高60A的電流。伺服電動機中集成有5個霍爾傳感器，其由DME提供一個5V的電壓。此傳感器提供了一個分辨率為6°轉角的執(zhí)行器，其傳動比應符合氣門升程為0.25mm時的精度。

具有獨立可調式凸輪軸控制裝置VANOS電磁閥的傳統(tǒng)VANOS已從結構上進行了修改。采用VANOS電磁執(zhí)行器和機械式VANOS中央閥門減少氣缸蓋中的油道。

可調式凸輪軸控制裝置正時控制系統(tǒng)用于在低轉速和中等轉速范圍內提高轉矩。同時為怠速和最大功率設置最合理的氣門配氣相位。

進氣和排氣凸輪軸可在它們的最大調整范圍內可變調節(jié)。達到正確的凸輪軸位置時，VANOS電磁閥保持調節(jié)缸兩個空腔內的油量恒定。因此可將凸輪軸保持在該位置上。為了進行調節(jié)，可調式凸輪軸控制裝置需要一個有關凸輪軸當前位置的反饋信號。在進氣和排氣側各有一個凸輪軸傳感器檢測凸輪軸的位置。在發(fā)動機啟動時，進氣凸輪軸在極限位置上（在“滯后”位置上）。在發(fā)動機啟動時通過一個彈簧片預緊排氣凸輪軸，并將其保持在“提前”位置。

N20發(fā)動機伺服電動機安裝位置見圖1-5。

電動氣門控制伺服電動機最大限制為40A。最大20A可支配超過200ms的時間段。按脈沖寬度調制控制電子氣門控制伺服電動機。脈沖負載參數(shù)在5%～98%之間。

Valvetronic經過后續(xù)開發(fā)后應用于新款B58發(fā)動機。VVT4的特點是可從外部看到Valvetronic伺服電機，見圖1-6。

相比第3代，第4代在結構上做了部分改進，下面以N55和B58發(fā)動機的對比為例（圖1-7）進行介紹。以下組件針對Valvetronic改進后應用于B58發(fā)動機。

復合式偏心軸；

調節(jié)范圍由190°（N55）提高至253°（B58）；

蝸桿傳動機構傳動比較小（37∶1）；

滑塊更細更輕，僅用一個螺栓連接；

回位彈簧不用螺栓連接，而是采用插接方式；

取消了用于潤滑蝸桿傳動機構的機油噴嘴；

Valvetronic伺服電機更小更強勁。

改進Valvetronic后顯著減小了所需安裝空間。由于更換了進氣凸輪軸和偏心軸，因此獲得了顯著的高度空間。中間推桿和槽板采用新位置后簡化了氣缸蓋內的動力傳遞。槽板僅通過一個螺栓固定在支撐座上并通過兩個精確接觸面固定在氣缸蓋內。用于中間推桿的回位彈簧支撐在氣缸蓋與軸頸間，無需單獨擰入點。偏心軸像凸輪軸一樣采用“復合式”設計。

B38發(fā)動機伺服電動機安裝位置與端子分布如圖1-8所示，系統(tǒng)電路以B48、B58發(fā)動機為例，見圖1-9。

（3）可調式凸輪軸控制裝置（雙凸輪可變正時控制系統(tǒng)）VANOS

寶馬發(fā)動機氣門機構配備了用于進氣門和排氣門的可調式凸輪軸控制裝置（雙凸輪可變正時控制系統(tǒng)）。利用VANOS能夠推遲進氣門和排氣門的打開時間。以N20發(fā)動機為例，其VANOS機構部件如圖1-10所示。

進氣凸輪軸傳感器和排氣凸輪軸傳感器檢測凸輪軸的位置。為此在凸輪軸上固定了一個增量輪（凸輪軸傳感器齒盤）。凸輪軸傳感器利用霍爾效應工作。供電通過數(shù)字式發(fā)動機電子伺控系統(tǒng)（DME）用5V電壓進行。此傳感器通過信號線向數(shù)字式發(fā)動機電子伺控系統(tǒng)（DME）提供一個數(shù)字信號。

進氣凸輪軸傳感器固定在氣缸蓋罩上。在曲軸傳感器失靈時，數(shù)字式發(fā)動機電子伺控系統(tǒng)（DME）據(jù)此計算出發(fā)動機轉速。進氣凸輪軸傳感器連同曲軸傳感器，是全順序噴射裝置所必需的（每個氣缸的燃油噴射都在最佳點火時刻）。

數(shù)字式發(fā)動機電子伺控系統(tǒng)（DME）可以通過進氣凸輪軸傳感器識別出第1缸是處在壓縮階段還是換氣階段。另外向傳感器提供凸輪軸位置的反饋信號，用于調節(jié)變量凸輪軸（VANOS）。

進氣凸輪軸傳感器是作為無接觸霍爾傳感器安裝的。凸輪軸傳感器齒盤有6個不同的齒面距離。霍爾傳感器探測這些齒面距離。

為啟動發(fā)動機，數(shù)字式發(fā)動機電子伺控系統(tǒng)（DME）應檢查下列條件是否滿足：曲軸傳感器發(fā)出的信號沒有錯誤；信號都必須按規(guī)定的時間順序識別到。

這一步驟稱為同步過程，并僅在車輛啟動時執(zhí)行。同步時數(shù)字式發(fā)動機電子伺控系統(tǒng)（DME）能夠正確控制燃油噴射；不同步時不能啟動車輛。

在加上電壓時，便可識別出該傳感器是處于一個齒的位置，還是處于一個缺口的位置。

數(shù)字式發(fā)動機電子伺控系統(tǒng)（DME）讀取傳感器信號，并將信號與保存的樣本進行比較，于是可識別凸輪軸的準確位置。

可調式凸輪軸控制裝置改善低速和中等轉速范圍內的轉矩。同時為怠速和最大功率設置最合理的氣門配氣相位。通過較小的氣門重疊可在怠速下產生數(shù)量較少的剩余氣體。通過部分負荷區(qū)的內部廢氣再循環(huán)降低氮氧化物。

此外還可達到下列效果：廢氣催化轉換器的加熱更快；冷機啟動后的有害物質的排放更少；減小燃油消耗。

VANOS磁性激勵器用于控制VANOS調整裝置，部件見圖1-11。從發(fā)動機轉速和負荷信號計算出所需的進氣凸輪軸及排氣凸輪軸位置（根據(jù)進氣溫度和冷卻液溫度）。數(shù)字式發(fā)動機電子伺控系統(tǒng)（DME）通過VANOS磁性激勵器控制VANOS調整裝置。

VANOS中央閥門固定具有凸輪軸的VANOS調整裝置。同時，通過該VANOS中央閥門還能控制VANOS調整裝置內的機油流量。

VANOS電磁執(zhí)行器移動VANOS中央閥門。此時，VANOS電磁執(zhí)行器的活塞壓在VANOS中央閥門的活塞上。

VANOS中央閥門結構如圖1-12所示。

在怠速下調整凸輪軸要保證產生一個對油耗和運行平穩(wěn)性來說最佳的較小氣門重疊。達到最小的氣門重疊時，伴隨著的是很大的進氣角度和排氣角度，甚至到了最大。VANOS電磁閥這時不通電。即使在關閉發(fā)動機的情況下，仍占據(jù)該凸輪軸位置。在這種狀態(tài)下調整裝置自動鎖定。因此在下次發(fā)動機啟動時存在一個穩(wěn)定的凸輪軸調整。當油泵還沒有為凸輪軸調整建立足夠的油壓時，也可達到這個穩(wěn)定的凸輪軸調整。在第一次要求調整時，流入的機油將調整裝置重新解鎖。

為了在發(fā)動機低轉速時獲得高轉矩，排氣門被滯后打開。這樣，燃燒延長到柱塞上。在發(fā)動機高轉速時，通過較大的氣門重疊（排氣門提前打開和排氣門滯后打開）獲得較高的功率。

為了實現(xiàn)較高的轉矩，必須達到一個較高的氣缸進氣度。根據(jù)進氣管壓力（增壓壓力）和廢氣壓力，進氣門或排氣門必須提前或滯后打開或關閉。帶VANOS的發(fā)動機可以在寬的轉速范圍內用優(yōu)化的氣缸進氣來描述。為獲得同樣的充氣（對應于轉矩），帶VANOS的發(fā)動機需要的增壓壓力應比具有剛性凸輪軸位置的發(fā)動機需要的增壓壓力低。

原因：新鮮氣體退回進氣管以及剩余氣體倒流回氣缸都可避免。

渦輪增壓時轉矩升高。對于渦輪增壓發(fā)動機，發(fā)動機低轉速時，在增壓范圍內通過大的氣門重疊可實現(xiàn)“過掃氣”，從而可獲得明顯更大的轉矩。

第一個效果：流經發(fā)動機的空氣比用于燃燒所需要的更多。因此雙渦流廢氣渦輪增壓器不屬于泵送范圍。

第二個效果：在氣缸中幾乎沒有剩余氣體。

部分負荷時的內部廢氣再循環(huán)。與進氣和排氣凸輪軸的轉矩或功率最佳位置相比，在調節(jié)進氣和排氣凸輪軸時也可以強制獲得高的廢氣再循環(huán)率。對于內部廢氣再循環(huán)量起決定作用的是氣門重疊大小以及排氣歧管和進氣管之間的壓力差。

內部廢氣再循環(huán)有下列特性。

反應時間比外部廢氣再循環(huán)更快（使用內部廢氣再循環(huán)時在進氣集氣箱中沒有剩余氣體）；廢氣余熱在氣缸中快速再循環(huán)（這些附加熱量在發(fā)動機冷機時可改善混合氣制備并降低碳氫化合物排放）；降低燃燒溫度并減少氮氧化物排放量。

1.1.2.2　TwinScroll廢氣渦輪增壓器

（1）增壓器結構

TwinScroll表示帶有一個雙渦管渦輪殼體的廢氣渦輪增壓器。這樣可以分別將兩個氣缸的廢氣引導至渦輪處。N20發(fā)動機與其他4缸發(fā)動機一樣，采用將氣缸1和4、氣缸2和3集成在一起的設計。這樣可以更高效地利用脈沖增壓效果。

N20發(fā)動機裝有采用TwinScroll技術的廢氣渦輪增壓器。該廢氣渦輪增壓器在渦輪入口處有兩個獨立通道，可分別將兩個氣缸的廢氣引至渦輪葉片處。結構如圖1-13所示。

廢氣渦輪增壓器采用帶有電動循環(huán)空氣減壓閥和真空控制廢氣旁通閥的傳統(tǒng)結構。

（2）增壓器工作原理

通過廢氣渦輪增壓器實現(xiàn)發(fā)動機增壓有兩種工作原理，即定壓增壓和脈沖增壓。定壓增壓是指渦輪前的壓力幾乎恒定，用于驅動廢氣渦輪增壓器的能量通過渦輪前后的壓力差獲得。采用脈沖增壓方式時，渦輪前的壓力變化迅速而顯著，通過從燃燒室排出廢氣形成脈沖，壓力增大時就會產生作用在渦輪上的壓力波，此時利用廢氣動能，使壓力波以脈沖方式驅動廢氣渦輪增壓器。脈沖增壓可實現(xiàn)渦輪增壓器的快速響應特性，特別是在轉速較低情況下，因為此時脈動最強，而在定壓增壓模式下渦輪前后的壓力差尚小。

實際上PKW發(fā)動機的廢氣渦輪增壓器始終利用兩種增壓方式。根據(jù)尺寸參數(shù)、廢氣通道導向和氣缸數(shù)量決定脈沖增壓模式使用比例。

在單缸發(fā)動機上，曲軸每旋轉兩圈完成一個排氣循環(huán)。因此從理論上來說，每720°曲軸轉角中有180°用于排氣。圖1-14以非常簡化的方式展示了單缸發(fā)動機廢氣渦輪增壓器前的壓力情況。

點火如圖1-14所示，曲軸每旋轉720°，曲軸轉角就會產生一個作用在渦輪上的壓力波。該脈沖可使渦輪加速。

圖1-15展示了4缸發(fā)動機渦輪前的壓力情況。

由于曲軸旋轉兩圈后所有氣缸均完成了各自的排氣循環(huán)，因此在720°曲軸轉角內產生了四個壓力波。點火每隔180°曲軸轉角均勻分配。在此過程中壓力波相互疊加。某一氣缸壓力下降時，下一氣缸的壓力已經增大。

因此，在渦輪前形成了疊加壓力，如圖1-16所示。

疊加作用會使最小壓力與最大壓力差值明顯減小。因此壓力波作用在渦輪上的脈沖也隨之減小，進而導致廢氣渦輪增壓器內的脈沖增壓減少。

在4缸發(fā)動機上可通過TwinScroll廢氣渦輪增壓器來防止出現(xiàn)這種情況。其方式是將四個氣缸分為兩個通道，在每個通道內都實現(xiàn)一個2缸發(fā)動機的壓力情況，如圖1-17所示。

在此兩個氣缸的壓力也會疊加。但是氣缸1和4、氣缸2和3集成在了兩個通道內。根據(jù)4缸發(fā)動機的點火順序，一個通道的排氣循環(huán)間隔360°曲軸轉角。因此，即使在疊加情況下也可產生較大壓力差并能更好地利用廢氣動能。

集成氣缸1和4、氣缸2和3采用了特殊造型排氣歧管。

在廢氣渦輪增壓器內，兩個通道分別引導至渦輪處。與傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓器不同，TwinScroll廢氣渦輪增壓器在圍繞渦輪的環(huán)形通道內帶有一個中部凸臺。