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1、宝马 530 轿车发动机电控技术剖析组长： 李信爱 电话： 15058321573 组 员：蒋定武、裘彦平、苏依山、孙雷雷、吴元材陈顺安、凌秀秀2013 年 12 月1 引言N52 发 动 机 是 是 宝 马 的 自 然 吸 气 的 发 动 机 的 代 表 ， 世 界 首创 的 铝 镁 合 金 复 合 式 曲 轴 箱 ， 新 一 代 发 动 机 过 去 我 们 已 将 新 一 代4 缸 、 8 缸 和 12 缸 发 动 机 引 入 宝 马 车 辆 。 N52 代 表 了 宝 马 新一 代 6 缸 发 动 机 的 开 始 。 使 用 该 发 动 机 后 ， 直 列 6 缸 发 动 机现 在 也
2、有 了 全 新 的 面 貌 。 N52 发 动 机 ， 它 实 现 了 通 过 三 个 主 要 方法 ， 轻 质 材 料 ， 制 造 工 艺 突 破 性 的 这 些 崇 高 目 标 ， 并 在 机 械 阻 力 和 摩擦 减 少 它 不 是 直 列 发 动 机 的 最 后 一 款 产 品 ， 而 是 又 领 先 了 一 步 。 设计 人 员 的 任 务 是 必 须 将 明 显 矛 盾 的 设 计 要 求 融 合 统 一 起 来 。 即 开 发 出一 种 高 动 力 性 及 低 污 染 物 排 放 量 和 低 耗 油 量 的 驱 动 装 置 。N52 首 次 应 用 于 E63 和 E64。图 1
3、-1N52B302 N52 进气系统优点2.1 级可变进气装置（DISA）进气装置/DISA 由下列主要部件构成见下 图 2-1：图 2-1 进气装置/DISA1 、进气集气管 2、振荡管 3、谐振管 4 、溢流管2.1.1 谐振增压功能描述发动机内产生的扭矩在很大程度上取决于进气行程中新鲜空气进气质量。各气缸的进气行程，即气门开启时的活塞下行行程使进气质量产生振荡。进气气缸的移动空气质量与该气缸关闭的进气门相遇时，上述振荡就会与压力峰值产生的振荡相叠加。这两种振荡叠加时就会产生所谓的谐振或共振。谐振可以使原始振荡放大或衰减。进气行程开始时气缸上进气门前出现的是压力峰值还是压力低谷，在很大程度
4、上取决于叠加振荡在进气区域内的行程和发动机转速即气流流速。在较大发动机转速范围内希望得到较高的扭矩导致内燃机进气导管的种类不断增多。因此，进气装置的几何形状和控制对气缸换气的质量影响很大。一根长度固定的进气管只能在特定发动机转速下产生最佳气缸进气效果。为此，M54 装有一个带 DISA 风门的二级可变进气装置（DISA）。该 DISA 风门由一个电磁阀和一个前置真空蓄能器控制。在特定转速范围内提高扭矩是有条件的。因为当 N52 达到最大转速 7000 rpm 时，以前所用的二级 DISA 就会在中等转速范围内产生一个扭矩低谷。为了能够在中等发动机转速范围内也产生较高扭矩，N52 装有一个三级D
5、ISA。下图列出了这种三级装置的效果。通过DISA的不同转换档位可在整个转速范围内都实现较高的扭矩。见 图 2-2图 2-2 三级 DISA 装置的效果上述原理通过带有两个 DISA 执行机构的一个进气管转换装置和进气范围内的一个溢流管实现。与以前通过真空控制的系统不同，现在这两个DISA 执行机构分别由相应的电机控制。电机和DISA 执行机构构成了一个单元。两个 DISA 执行机构的尺寸不同。DISA 执行机构 2 安装在溢流管内，DISA 执行机构 1安装在振荡管前的进气集气管内。2.1.2 第 1 档 怠速/转速范围较低怠速运转和转速范围较低时，DISA 执行机构1 和 2 处于关闭状态
6、（见下 图 2-3）。进气经过节气门进入谐振管。在谐振管内分配进气量并通过集气管和振荡管送至各个气缸内。这样每三个气缸都可获得等量进气质量。 点火顺序：1-5-3-6-2-4 1 . 图 2-3 第 1 档谐振增压功能2.1.3 第 2 档中等转速范围处于中等转速范围时，DISA 执行机构 2 打开见下 图 2-4。在本示例中，假设第一个气缸的进气门刚刚关闭。气体的移动在关闭的进气门上产生一个压力峰值。该压力峰值通过振荡管和集气管送至点火顺序中的下一个气缸处。从而改善下一个准备进气气缸的新鲜空气进气质量。图 2-4 第 2 档谐振增压功能2.1.4 第 3 档 转速范围较高转速范围较高时，两个
7、DISA 执行机构都处于开启状态（见下 图 2-5）。此时也假设第一个气缸的进气门刚刚关闭。关闭的进气门前也产生了一个压力峰值。进气量通过振荡管、溢流管和集气管进行输送。图 2-5 第 3 档谐振增压功能2.2 DISA 执行机构DISA 风门与驱动装置一起构成一个单元。DISA 风门由一个电机和一个齿轮机构驱动。DISA 执行机构内集成了电子控制装置。DISA执行机构由 DME MSV70 通过脉冲宽度调制信号控制。该机构只有两个调节位置：DISA 风门可关闭或开启，就是说启用时电机将DISA 风门移动至相应限位位置处。2.3 电子气门调节系统 VALVETRONICI使用 N52 后，现在
8、直列六缸汽油发动机也配置了基于气门机构的负荷控制系统。4 缸、8缸和 12 缸发动机上采用的 VALVETRONICI（见下 图 2-6） 已能够显著提高效率。BMW 通过 VALVETRONIC II 系统继续发展该方案。后继研发带来的结果：1、 提高发动机动力性2、 提高效率3 、改善废气排放值这些结果突出了 BMW 自身的特性。经过下列优化的发动机进一步提升了驾乘乐趣：1、最高转速升至 7000 rpm2 、比功率提升至 63.4 kW/l3、在较大的发动机转速范围内，比发动机扭矩大约为 100 Nm/l4 、显著提高了气门加速度，传动件的摩擦情况经过了优化，因此提高了响应时间5 、在
9、NEFZ（新的欧洲行驶循环）中将 CO2排放量减少了 10 % 以上。6、满足全球最严格的排放标准图 2-6 最小行程 最大行程伺服电机安装在凸轮轴上方的气缸盖内。用于调节偏心轴。电机的蜗杆轴嵌入安装在偏心轴上的蜗轮内。进行调节后无需特别锁止偏心轴，因为蜗杆传动机构具有足够的自锁能力。偏心轴调节进气侧的气门行程。中间推杆改变凸轮轴与滚子式气门摇臂之间的传动比。在满负荷位置处时气门行程（9.9 mm）和开启时间达到最大值。在怠速位置处时气门行程（0.18 mm）和开启时间达到最小值。滚子式气门摇臂和相关中间推杆分为四个等级。部件上冲压有相关参数。每对的等级都相同。通过在生产厂处对滚子式气门摇臂和
10、中间推杆进行分类，可确保即使在最小行程为 0.18 mm 时气缸也能均匀进气。2.4 N52 的双 VANOSN52 的进气和排气侧各有一个紧凑型无级叶片式 VANOS 单元。VANOS 单元易于拆卸和安装。该单元作为链条传动机构的集成式组件用一个中央螺栓固定在相应凸轮轴上见下 图 2-7。图 2-7N52 的双 VANOS正时调节过程与 N42 相似。在没有压力的状态下，一个螺旋弹簧将VANOS 单元固定在基本位置处。VANOS 单元不再是可分解的部件。由于进气和排气凸轮轴 VANOS 单元的交错角不同，因此不允许进行互换（混淆）。如果安装了不正确的 VANOS 单元，则可能导致发动机严重损
11、坏。图 2-8 螺旋弹簧将 VANOS 固定在基本位置处图 2-9 进气 VANOS 单元图 2-10 排气 VANOS 单元3 排气系统（尾气处理）3.1 总述：BMW 一直以来都在对 6 缸发动机进行不断优化。开始时是用 M50 替代了 M20。为了提高功率并降低耗油量和废气排放量，在 M50 上引入了新的进气 VANOS 和燃烧爆震控制装置。作为 M50 的下一代产品，M52 采用了双 VANOS、铝合金曲轴箱和置于发动机附近的催化转换器，从而朝着上述目标的方向迈出了决定性的一步。此外，减轻驱动装置重量也变得越来越重要。这样与 M50 相比，动力性提高 2%且耗油量降低 5%。随后的 M
12、54 由于使用了电子加速踏板模块和其它技术改进措施，例如用于进行废气再处理的二次空气泵，因而继续体现了与前几代产品的不同特性。因此，与上一代产品相比，动力性能再提高 2%，同时耗油量再节省 2 %。从而能够很好地满足 ULEV 和 EU3 法定排放标准。M54 的一款变型产品 M56 甚至能够达到严格的美国 SULEV 排放标准3.2 废气中的辅助成分/污染物：3.2.1 燃烧过程越是不充分，污染物的排放量越大。 CO（一氧化碳） CH （碳氢化合物） NOX （氮氧化物 ）N52 发动机产生的废气通过一个三位一体的排气歧管、三元催化转化器和氮氧化物储存催化转化器进入双通道。气流在进入中间消音
13、器之前汇合，然后进入后部消音器。该系统配备有两个排气尾管并带有排气挡板，不同于其它将排气尾管设置在右侧的汽车。图 3-1排气系统的主要任务之一就是将燃烧过程中产生的物质可靠地从发动机输送到汽车的后部，同时抑制噪音。3.2.2 排气系统还积极地执行其它任务： 废气的各种成分都在排气系统内进行处理，以便将它们对人类和环境的不良影响降低到可接受的程度。 废气的成分由传感器进行监控。 发动机管理系统监视过程给出的结果以便优化随后的燃烧过程。废气因此可以下降到合适的水准。图 3-23.3 废气再循环（EGR）在部分载荷范围内，即发动机最频繁的工作模式下，燃油在点火之前被喷射进入气缸。它只是在辅助设备的帮
14、助下进行不完全的混合。因此只在火花塞附近才可以获得可燃混合物。但是，燃料-空气比 lambda 值处于平均水平，与带有进气歧管喷射装置的传统汽油发动机相比，混合气要稀薄（1 ，分层进气）的多。在载荷较高的情况下，燃油的喷射早于气缸的进气循环，因此为它提供了充足的时间来与新鲜空气混合，并得到一种均匀混合物，在点火时 lambda 值等于 1。 在 N52 直喷发动机的两种工作模式下，必须实现最低限度未经处理的污染物排放水平，以便排气系统内的废气经过处理后达到或者低于目前规定的污染物排放限值。 未经处理的一氧化氮的排放量必须保持在尽可能低的水平，因为实际上三元催化转化器在废气（发动机在1 下工作）
15、中的空气过剩时不能将一氧化氮转化成氮气和氧气。 要想减少一氧化氮的形成，一个适当的措施就是通过废气再循环来降低燃烧温度。图 3-3除内部废气再循环之外，N53 发动机也采用了外部废气再循环。 这里，更多的废气被专门引导返回进气系统，并在输入气缸之前与新鲜空气混合。 废气再循环阀安装在可变进气系统（DISA）之下，将再循环的废气在通过节气阀返回进入进气系统。 与均匀工作的发动机相比，直喷汽油发动机和使用稀混合气的汽油发动机上的外部废气再循环的一个特点就是在很大的范围内，废气中含非常丰富的氧气。 部分氧气通过废气再循环系统重新输入气缸之内。 发动机管理系统需要相应的信息以便与即将喷射进入燃烧室与氧气混合的油量相匹配。 这个系统也使用氧传感器提供的废气中的含氧量信号。 此外，发动机控制单元也从废气再循环阀接收位置反馈信号。 用这种位置反馈信号，可以根据需要来纠正废气再循环率。图 3-4N52发动机上的 VANOS的调节范围就在发动机内的气门重叠时，残余气体在内部返回并进入气缸。 可变气门正时系统（VANOS）通过调节气门开度和闭合时间可以影响这种废气再循环，也就是说可以改变气门重叠的时机。4 电子点火系统点火控制：根据转速和负荷信号，发动机（DME ）控制单元确定点火角（点火时刻）并通过点火输出级输出。这个过程也要考虑诸如发动机温度、进气温度、节气门位置等输入信号以及来自发动机电子油
