宝马N20发动机干货

发动机机械机构 • 气缸套带有涂层的铝合金曲轴箱

• 经过优化的冷却水套

• 采用 TVDI 技术

• TwinScroll 废气涡轮增压器

• 带有新型中间推杆的第三代 Valvetronic

• 带有中央阀的新一代 VANOS

• 复合式凸轮轴

• 两件式曲轴箱通风装置

• 锻造曲轴

• 偏置式曲轴传动机构

• 负偏置活塞

• 带有链条张紧器的平衡轴链条传动机构

• 叠加布置式平衡轴

机油供给系统 • 特性曲线调节式机油泵

• 新型往复式滑阀机油泵

• 粗滤机油冷却系统

• 新型组合式机油压力和机油温度传感器

冷却系统 • 电动冷却液泵

• 现有热量管理系统

进气和排气系统 • TwinScroll 废气涡轮增压器

• 应用于所有发动机型号的热膜式空气质量流量计 7

• 用于曲轴箱通风的三个接口

• 用于燃油箱通风的接口数量不同根据型号

真空系统 • 两级真空泵

• 用于废气旁通阀的真空蓄能器与发动机盖板牢固连接

燃油混合气制备装置 • 高压喷射装置与 N55 发动机相同

• 电磁阀喷射器

• Bosch 高压泵

• 连接喷射器的高压管路钎焊在共轨上

• 没有燃油低压传感器

燃油供给系统 • 三种不同型号的燃油箱通风装置

发动机电气系统 • 发动机控制单元 Bosch MEVD17.2.4

N20 发动机名称详解

N BMW 集团开发

2 4 缸直列发动机

0 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

20 2.0 升排量

O 较高功率等级

0 新开发

发动机机械机构

发动机缸体采用压铸铝合金 AlSi9Cu3 制成由曲轴箱和底板组成。相同材料已在带有铝合金曲轴箱的

四缸发动机上使用。由 BMW 首次使用的涂层工艺电弧丝喷涂 LDS 可优化气缸工作表面特性。

冷却水套同样经过了优化环岸孔可改善环岸区域的冷却效果并根据涡轮增压发动机要求进行了调整。

机油通道

下图所示为发动机缸体内的机油通道。



1 机油回流通道

2 泄漏通道

3 细滤机油通道

4 粗滤机油通道

冷却液通道

下图所示为发动机壳体内的冷却液通道。

气缸盖

N20 发动机气缸盖源于 N55 发动机气缸盖。N20 发动机也与 N55 发动机一样采用了第三代

Valvetronic。

气缸盖内的机油通道与 N46 发动机气缸盖内的机油通道存在明显区别。因此 N46 发动机带有独立电磁

阀的传统 VANOS 在 N20 发动机上由带有集成式电磁阀的中央 VANOS 所取代。因此减少了气缸盖内的

机油通道。

与 N55 发动机一样现在四缸发动机上也采用了 TVDI 技术。

1 进气 VANOS 电磁执行机构

2 排气 VANOS 电磁执行机构

3 高压泵滚柱推杆

4 Valvetronic 伺服电机

5 弹簧

6 月牙板

7 中间推杆

8 偏心轴

气缸盖罩

气缸盖罩是一个全新开发的产品。用于曲轴箱通风的所有部件以及泄漏通道均采用集成方式。通过调压

阀避免在曲轴箱内产生过大真空压力。由于发动机为涡轮增压发动机因此曲轴箱通风分为两部分。因

此根据发动机处于增压运行模式还是正常运行模式通过不同通道进行通风。

在正常运行模式下通过调压阀进行通风调压阀可调节出大约 38 mbar 真空压力。

A 剖面图 A

B 剖面图 B

C 剖面图 C

1 连接废气涡轮增压器前的洁净空气管

2 单向阀

3 调压阀

4 簧片分离器

5 机油分离器

6 集气室

7 单向阀

8 单向阀

9 连接气缸盖内进气通道的泄漏通道

泄漏气体通过气缸 1 进气侧区域的开口到达三个簧片分离器处。附着在泄漏气体上的机油通过簧片分离器分离并沿器壁向下通过单向阀流回气缸盖内。分离出机油后的净化泄漏气体此时根据运行状态进入进气系统内。

功能

只有在进气集气管内通过真空压力使单向阀处于开启状态时即处于自吸式发动机运行模式时才能使用标准功能。

在自吸式发动机运行模式下进气集气管内的真空压力使气缸盖罩泄漏通道内的单向阀打开并通过调压阀抽吸泄漏气体。同时真空压力使增压空气进气管路通道内的第二个单向阀关闭。

泄漏气体通过集成在气缸盖罩内的分配管直接进入气缸盖内的进气通道中。

与废气涡轮增压器前的洁净空气管以及曲轴箱相连的清洁空气管路通过单向阀直接将新鲜空气输送至曲轴空间内。曲轴空间内的真空压力越大进入曲轴箱内的空气量就越大。通过这种清污方式可防止调压阀结冰。

1 链条传动机构

2 平衡轴

3 进气侧机油回流通道

4 机油泵

5 排气侧机油回流通道

1 链条传动机构

2 平衡轴箱

3 油底壳

4 机油泵

1 排气 VANOS

2 进气 VANOS

3 链条张紧器

4 初级链条

5 张紧导轨

6 链轮通过曲轴驱动

7 次级链条齿形链

8 链条张紧器

9 平衡轴和机油泵传动链轮

平衡轴由曲轴通过一个齿形链进行驱动。齿形链要求曲轴和平衡轴使用特殊齿轮。齿形链可以优化驱动链在链轮上的滚动过程从而减少噪音形成。

1 曲轴链轮

2 上部平衡轴

3 下部平衡轴

4 上部平衡轴齿轮

5 机油泵齿轮

6 机油泵

7 平衡轴和机油泵传动齿形链

8 平衡轴链轮

确定平衡轴相对于曲轴的位置时用一个 4.5 mm 厚的定位心轴固定下部平衡轴。为此必须取出插在定位孔内的密封塞。密封塞可防止在运行过程中机油流入平衡轴室内。室内的过多机油随平衡轴旋转而被带出并通过排出口输送回油底壳内。

气门机构

1 进气凸轮轴

2 滚子式气门压杆

3 中间推杆

4 月牙板

5 扭转弹簧

6 偏心轴

7 Valvetronic 伺服电机

8 排气凸轮轴

1 扭转弹簧

2 中间推杆

3 偏心轴

4 进气 VANOS 调节单元

5 进气凸轮轴

6 进气 HVA 元件

7 进气滚子式气门压杆

8 进气门气门弹簧

进气侧滚子式气门压杆由钢板制成且分为五个等级即等级“ 1” 至等级“ 5” 。中间推杆现在也由钢板制成且分为六个等级即等级“ 00” 至等级“ 05” 。

凸轮轴

N20 发动机采用已在 M73 发动机和 N43 发动机上应用的复合式凸轮轴。所有部件都热压到轴管上。

排气凸轮轴开启范围 [°CA] 125 - 80 115 - 60 115 - 60

进气凸轮轴持续开启角度 [°CA] 255 258 258

排气凸轮轴持续开启角度 [°CA] 271 261 252

进气门和排气门

进气门和排气门均采用与 N55 发动机结构相同的部件。进气门的气门杆直径为 5 mm。排气门的气门杆直径为 6 mm因为排气门采用空心钻孔结构且带有钠填充物。此外排气门气门座进行了铠装处理较硬材料进气门气门座进行了感应硬化处理。

气门弹簧

进气门和排气门的气门弹簧不同。进气门气门弹簧已在 N52、N52TU 和 N55 发动机上使用。排气门气门弹簧已在 N43、N51、N52、N52TU、N53、N54 和 N55 发动机上使用。

2.5.2. 电子气门调节系统（Valvetronic）

Valvetronic 由全可变气门行程控制装置和可变凸轮轴控制装置双 VANOS构成因此可以任意选择进气门关闭时刻。

气门行程控制仅在进气侧进行而凸轮轴控制在进气侧和排气侧进行。

只有满足以下条件时才能进行免节气负荷控制

• 进气门的气门行程

• 以及进气和排气凸轮轴的凸轮轴控制能够进行可变调节。

因此

可以任意选择进气门的开启和关闭时刻以及持续开启时间和气门行程。

VANOS

VANOS 系统进行了改进。经过改进后 VANOS 调节单元的调节速度提高。通过改进还进一步降低了对污物的敏感度。通过 N55 发动机 VANOS 与 N20 发动机 VANOS 的以下对比可以看出所需机油通道减少。

1 主机油通道

2 进气侧 VANOS 电磁阀

3 排气侧 VANOS 电磁阀

4 链条张紧器

5 排气侧 VANOS 调节单元

6 进气侧 VANOS 调节单元

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

1 转向助力泵皮带轮

2 转向助力泵皮带

3 曲轴皮带轮

4 皮带张紧器

5 发电机皮带轮

6 空调压缩机皮带轮

7 皮带

1 机油滤清器

2 气缸盖内的润滑部位细节参见下文

3 用于活塞顶冷却的机油喷嘴

4 主机油通道

5 连杆轴承润滑部位

6 曲轴主轴承润滑部位

7 机油泵

8 紧急阀

9 特性曲线调节阀

10 粗滤机油通道

1 气缸盖内的润滑部位细节参见下文

2 排气凸轮轴 VANOS 调节单元

3 进气凸轮轴 VANOS 调节单元

4 粗滤机油通道

5 发动机油 / 冷却液热交换器

6 平衡轴和机油泵传动链条张紧器

7 机油抽吸管

8 平衡轴轴承润滑部位

9 曲轴主轴承润滑部位

10 连杆轴承润滑部位

11 用于活塞顶冷却的机油喷嘴

12 正时链链条张紧器

1 进气凸轮轴轴承润滑部位

2 用于中间推杆和进气凸轮的月牙板内的机油喷嘴

3 Valvetronic 伺服电机花键机油喷嘴

4 进气门 HVA 元件

5 进气凸轮轴 VANOS 调节单元

6 排气凸轮轴 VANOS 调节单元

7 正时链链条张紧器

8 用于排气凸轮机油喷嘴的机油管

9 排气门 HVA 元件

10 排气凸轮轴轴承润滑部位

1 气缸盖内的排气通道

2 曲轴箱内的排气通道

3 底板内的排气通道

4 底板内的机油回流通道

5 曲轴箱内的机油回流通道

6 气缸盖内的机油回流通道

冷却系统

所用冷却系统也与 N55 发动机非常相似。系统包括冷却液冷却和发动机油冷却。N20 发动机使用发动机油 / 冷却液热交换器进行发动机油冷却。通过数字式发动机电子系统内的热量管理协调器进行冷却系统调节例如电动冷却液泵特性曲线式节温器和电子扇。

1 冷却液散热器

2 电子扇

3 特性曲线式节温器

4 特性曲线式节温器加热装置

5 电动油位传感器

6 补液罐

7 废气涡轮增压器

8 暖风热交换器

9 发动机油 / 冷却液热交换器

10 冷却液温度传感器

11 电动冷却液泵

冷却模块自身只有一个型号。只有在热带国家规格且带有选装配置 SA 840 高速调校的车辆上才附加安装一个独立式冷却液散热器在右侧车轮罩内。电子扇的额定功率为 600 W。

下图展示了相关部件的安装位置和布置方式。

1 发动机油 / 冷却液热交换器

2 发动机回流管路短路循环

3 特性曲线式节温器

4 冷却液散热器

5 通风管路

6 补液罐

7 发动机供给管路

8 电动冷却液泵

9 暖风热交换器

10 暖风热交换器供给管路

11 暖风热交换器回流管路

N20 发动机数字式发动机电子系统内的热量管理系统功能与 N55 发动机所用相同。包括对电动冷却部件

电子扇、特性曲线式节温器和冷却液泵进行独立调节。

N20 发动机所用电动冷却液泵与众多 BMW 发动机均相同。其额定电功率为 400 W。

进气系统

1 进气装置

2 进气管压力传感器

3 节气门

4 增压空气温度和增压空气压力传感器

5 热膜式空气质量流量计

6 进气消音器

7 未过滤空气进气

8 增压空气冷却器

9 增压运行模式下的曲轴箱通风接口

10 曲轴箱通风清洁空气管路接口

11 循环空气减压阀

12 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、

TwinScroll 废气涡轮增压器功能

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 发动机与其它 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。定压增压和脉冲增压

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不变。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此时尚小。

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。

与气缸数量的关系

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。

N20 发动机的真空系统与 N55 发动机相似。除为制动助力器提供真空压力外它主要用于启用废气涡轮增压器上的废气旁通阀。此外在 N20 发动机上还通过真空压力来操作排气风门。

1 制动助力器接口

2 真空泵

3 排气风门接口

4 真空蓄能器

5 用于废气旁通阀的电子气动压力转换器 EPDW

6 废气旁通阀真空罐

N20 发动机采用了 N55 发动机引入的高压喷射装置 HDE。它与高精度喷射系统 HPI 的不同之处在于使用了多孔喷嘴式电磁阀喷射器。