寶馬530轎車發(fā)動機電控技術(shù)剖析

1、寶馬530轎車發(fā)動機電控技術(shù)剖析組長： 李信愛電話 員：蔣定武、裘彥平、蘇依山、孫雷雷、吳元材陳順安、凌秀秀2013年12月1引言n52發(fā)動機是是寶馬的自然吸氣的發(fā)動機的代表，世界首 創(chuàng)的鋁鎂合金復合式曲軸箱，新一代發(fā)動機過去我們已將新 一代4缸、8缸和1 2缸發(fā)動機引入寶馬車輛。n52代表了寶 馬新一代6缸發(fā)動機的開始。使用該發(fā)動機后，直列6缸發(fā) 動機現(xiàn)在也有了全新的而貌。n52發(fā)動機，它實現(xiàn)了通過三個 主要方法，輕質(zhì)材料，制造工藝突破性的這些崇高口標，并 在機械阻力和摩擦減少它不是直列發(fā)動機的最后一款產(chǎn)品， ifu是又領(lǐng)先了 一步。設(shè)計人員的任務是必須將明顯矛盾的

2、設(shè) 計要求融合統(tǒng)一起來。即開發(fā)岀一種高動力性及低污染物排 放量和低耗油量的驅(qū)動裝置。n52首次應用于e63和e64o圖 1-1n52b302 n52進氣系統(tǒng)優(yōu)點2.1級可變進氣裝置(disa)進氣裝置/disa由卜列主要部件構(gòu)成見卜-圖2-1：圖21進氣裝置/disa2、振蕩管3、諧振管1、進氣集氣悖4、溢流管2.1.1諧振增壓功能描述發(fā)動機內(nèi)產(chǎn)生的扭矩在很大程度上取決于進氣行程中新鮮空氣進氣質(zhì)量。各氣缸的進氣行 程，即氣門開啟時的活塞下行行程使進氣質(zhì)雖產(chǎn)生振蕩。進氣氣缸的移動空氣質(zhì)雖與該氣缸關(guān)閉 的進氣門相遇時，上述振蕩就會與壓力峰值產(chǎn)生的振蕩相疊加。這兩種振蕩疊加時就會產(chǎn)住所謂 的諧振或共

3、振。諧振可以使原始振蕩放大或衰減。進氣行程開始時氣缸上進氣門前出現(xiàn)的是壓力 峰值還是壓力低谷，在很大程度上取決于疊加振蕩在進氣區(qū)域內(nèi)的行程和發(fā)動機轉(zhuǎn)速即氣流流速。 在較人發(fā)動機轉(zhuǎn)速范用內(nèi)希望得到較高的扭矩導致內(nèi)燃機進氣導管的種類不斷增多。因此，進氣 裝置的兒何形狀和控制對氣缸換氣的質(zhì)量影響很大。一根長度固定的進氣管只能在特定發(fā)動機轉(zhuǎn) 速下產(chǎn)生最佳氣缸進氣效果。為此，m54裝有一個帶disa風門的二級可變進氣裝置(disa)。 該dtsa風門由一個電磁閥和-個前置真空蓄能器控制。在特定轉(zhuǎn)速范偉i內(nèi)提高扭矩是有條件的。 因為當n52達到最人轉(zhuǎn)速7000 rpm時，以前所用的二級disa就會在屮等轉(zhuǎn)

4、速范圍內(nèi)產(chǎn)牛一個 扭矩低谷。為了能夠在中等發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)也產(chǎn)生較高扭矩，n52裝有一個三級disao 下圖列出了這種三級裝置的效果。通過disa的不同轉(zhuǎn)換檔位可在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都實現(xiàn)較高的扭 矩。見圖2-2(mm)(1/min)sg.wql00o圖22三級disa裝置的效果上述原理通過帶有兩個d1sa執(zhí)行機構(gòu)的-個進氣管轉(zhuǎn)換裝宜和進氣范圍內(nèi)的-個溢流管實現(xiàn)。與以前通過真空控制的系統(tǒng)不同，現(xiàn)在這兩個dtsa執(zhí)行機構(gòu)分別山相應的電機控制。電機 和dtsa執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)成了一個單元。兩個dtsa執(zhí)行機構(gòu)的尺寸不同。dtsa執(zhí)行機構(gòu)2安裝在溢 流管內(nèi)，disa執(zhí)行機構(gòu)1安裝在振蕩管前的進氣集氣管內(nèi)。2.

5、1.2第1檔-怠速/轉(zhuǎn)速范圍較低怠速運轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速范圍較低時，disa執(zhí)行機構(gòu)1和2處于關(guān)閉狀態(tài)（見下圖2-3） o進氣經(jīng)過節(jié)氣門進入諧振管。在諧振管內(nèi)分配進氣量并通過集氣管和振蕩管送至各個氣缸內(nèi)。這樣每三個氣缸都可獲得等量進氣質(zhì)量。點火順序：1-5-3-6-2-4 1.000000一圖23第1檔諧振增壓功能2.1.3第2檔中等轉(zhuǎn)速范圍處于中等轉(zhuǎn)速范圍時，disa執(zhí)行機構(gòu)2打開見下圖2-4o在本示例中，假設(shè)第一個氣缸的 進氣門剛剛關(guān)閉。氣體的移動在關(guān)閉的進氣門上產(chǎn)生一個壓力峰值。該壓力峰值通過振蕩管和集 氣管送至點火順序中的下一個氣缸處。從而改善下一個準備進氣氣缸的新鮮空氣進氣質(zhì)量。圖24第2檔諧

6、振增壓功能2.1.4第3檔-轉(zhuǎn)速范圍較高轉(zhuǎn)速范圍較高時，兩個disa執(zhí)行機構(gòu)都處于開卅狀態(tài)（見下圖2-5）。此時也假設(shè)第一個氣缸 的進氣門剛剛關(guān)閉。關(guān)閉的進氣門前也產(chǎn)生了一個壓力峰值。進氣量通過振蕩管、溢流管和集氣 管進行輸送。0008一 一圖25第3檔諧振增壓功能2.2 disa執(zhí)行機構(gòu)disa風門與驅(qū)動裝置一起構(gòu)成一個單元。d1sa風門由一個電機和-個齒輪機構(gòu)驅(qū)動。d1sa 執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)集成了電子控制裝置。disa執(zhí)行機構(gòu)由dmemsv70通過脈沖寬度調(diào)制信號控制。該機 構(gòu)只冇兩個調(diào)節(jié)位置：dtsa風門町關(guān)閉或開啟，就是說啟用時電機將dtsa風門移動至相應限位 位置處。2.3電子氣門調(diào)節(jié)系統(tǒng)

7、valvetronici使用n52后，現(xiàn)在直列六缸汽汕發(fā)動機也配置了基于氣門機構(gòu)的負荷控制系統(tǒng)。4缸、8缸 和12缸發(fā)動機上采用的valvetronici （見下圖2-6）已能夠顯著提高效率。bmw通過 valvetrontc tt系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)展該方案。后繼研發(fā)帶來的結(jié)果：1、提高發(fā)動機動力性2、提咼效率3、改善廢氣排放值這些結(jié)果突出了 bmw白身的特性。經(jīng)過下列優(yōu)化的發(fā)動機進一步提升了駕乘樂趣：1、最高轉(zhuǎn)速升至7000 rpm2、比功率提升至63. 4 kw/13、在較大的發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，比發(fā)動機扭矩大約為100 nm/14、顯著提高了氣門加速度，傳動件的摩擦情況經(jīng)過了優(yōu)化，因此提高了響應時

8、間5、在nefz （新的歐洲行駛循環(huán)）中將c02排放量減少了 10 %以上。6、滿足全球最嚴格的排放標準20-科圖2-6最小行程最大行程伺服電機安裝在凸輪軸上方的氣缸蓋內(nèi)。用于調(diào)節(jié)偏心軸。電機的蝸桿軸嵌入安裝在偏心軸 上的蝸輪內(nèi)。進行調(diào)節(jié)后無需特別鎖止偏心軸，因為蝸桿傳動機構(gòu)具冇足夠的自鎖能力。偏心軸 調(diào)節(jié)進氣側(cè)的氣門行程。中間推桿改變凸輪軸與滾子式氣門搖臂之間的傳動比。在滿負荷位置處吋氣門行程（9.9 mm）和 開啟時間達到最人值。在怠速位置處時氣門行程（0.18mm）和開啟時間達到最小值。滾子式氣門 搖臂和相關(guān)屮間推桿分為四個等級。部件上沖壓有相關(guān)參數(shù)。每對的等級都相同。通過在生產(chǎn)廠處對滾

9、了式氣門搖臂和中間推桿進行分類，可確保即使在最小 行程為0. 18 mm時氣缸也能均勻進氣。2.4 n52 的雙 vanosn52的進氣和排氣側(cè)各有一個緊湊型無級葉片式vanos單元。vanos單元易于拆卸和安裝。 該單元作為鏈條傳動機構(gòu)的集成式組件用一個中央螺栓固定在相應凸輪軸上見下圖2-7oft2)圖 2-7n52 的雙 vanos正時調(diào)節(jié)過程與n42相似。在沒有壓力的狀態(tài)下，一個螺旋彈簧將vanos單元固定在基木位 置處。vanos單元不再是可分解的部件。由于進氣和排氣凸輪軸vanos單元的交錯角不同，因此 不允許進行互換（混淆）。如果安裝了不正確的vanos單元，則對能導致發(fā)動機嚴重損

10、壞。圖2-8螺旋彈簧將vanos固定在基本位置處圖29進氣vanos單元圖210排氣vanos單元3排氣系統(tǒng)（尾氣處理）3.1總述:bmw -1：以來都在對6缸發(fā)動機進行不斷優(yōu)化。開始吋是用m50替 代了 m20。為了提高功率并降低耗油量和廢氣排放量，在m50上引入了新 的進氣vanos和燃燒爆震控制裝置。作為m50的下一代產(chǎn)品，m52采用了 雙vanos、鋁合金曲軸箱和置于發(fā)動機附近的催化轉(zhuǎn)換器，從而朝著上述 目標的方向邁出了決定性的一步。此外，減輕驅(qū)動裝置重量也變得越來越 重要。這樣與m50相比，動力性提高2%且耗油量降低5%。隨后的m54由 于使用了電子加速踏板模塊和其它技術(shù)改進措施，例

11、如用于進行廢氣再處 理的二次空氣泵，因而繼續(xù)體現(xiàn)了與前兒代產(chǎn)品的不同特性。因此，與上 一代產(chǎn)品相比，動力性能再提高2%,同時耗油量再節(jié)省2 %。從而能夠很 好地滿足ulev和eu3法定排放標準。m54的一款變型產(chǎn)品m56甚至能夠 達到嚴格的美國sulev排放標準3.2廢氣中的輔助成分/污染物：3.2.1燃燒過程越是不充分，污染物的排放量越大。 co （一氧化碳） cii （碳氫化合物） nox （氮氧化物）n52發(fā)動機產(chǎn)牛的廢氣通過一個三位一體的排氣歧管、三元催化轉(zhuǎn)化器和氮氧化物儲存催化轉(zhuǎn)化 器進入雙通道。氣流在進入中間消音器z前匯合，然后進入后部消音器。該系統(tǒng)配備有兩個排氣 尾管并帶有排氣擋

12、板，不同于其它將排氣尾管設(shè)置在右側(cè)的汽車。n52發(fā)動機的排氣系統(tǒng)編號說明編號說明1訊傳感器（具有穩(wěn)態(tài)特性曲 線的主要氧傳夠痔8后部消音器2三元催化轉(zhuǎn)化器 氣缸排29排氣描板3溫度傳感器10氣傳感器監(jiān)控具有不穩(wěn)定特性的傳 感器）4氮氧化物儲存僅化轉(zhuǎn)化器. 氣缸排211三位一體排氣歧管，氣缸排25氮氣化物儲存催化轉(zhuǎn)化器. 氣缸排112三元催化轉(zhuǎn)化器，氣缸扌im6凰氧化物傳感器13三位一體排氣歧管，氣缸搏17中間消音器排氣系統(tǒng)的主耍任務之一就是將燃燒過程中產(chǎn)生的物質(zhì)可靠地從發(fā)動機 輸送到汽車的后部，同時抑制噪音。3.2.2排氣系統(tǒng)還積極地執(zhí)行其它任務：廢氣的各種成分都在排氣系統(tǒng)內(nèi)進行處理，以便將它們

13、對人類和環(huán)境的不良影響降低到可接受的程度。廢氣的成分由傳感器進行監(jiān)控。發(fā)動機管理系統(tǒng)監(jiān)視過程給出的結(jié)果以便優(yōu)化隨后 的燃燒過程。廢氣因此可以下降到合適的水準。廢氣處理©mso80n 52發(fā)動機的廢氣處理編號說明編號說明1控制具有上升特性的傳感器5丼氣溫度傳感器2發(fā)動機控制單元6監(jiān)控八仃不穩(wěn)定特性的傳感器3氮氣化物傳感器7三元催化轉(zhuǎn)化器4氮孔化物僦仃佈化憶化器圖3-23.3廢氣再循環(huán)（egr）在部分載荷范圍內(nèi)，即發(fā)動機最頻繁的工作模式卜，燃汕在點火之前被噴射進入氣缸。它只是在 輔助設(shè)備的幫助下進行不完全的混合。因此只在火花塞附近才可以獲得可燃混合物。但是，燃料 空氣比lambda值處于

14、平均水平，與帶冇進氣歧管噴射裝置的傳統(tǒng)汽油發(fā)動機相比，混介氣要稀薄（1 x，分層進氣）的多。在載荷較高的情況下，燃油的噴射早于氣缸的進氣循環(huán)，因此為它 提供了充足的時間來與新鮮空氣混合，并得到一種均勻混合物，在點火時lambda值等于1。 在 n52直噴發(fā)動機的兩種工作模式f，必須實現(xiàn)最低限度未經(jīng)處理的污染物排放水平，以便排氣系 統(tǒng)內(nèi)的廢氣經(jīng)過處理示達到或者低于目前規(guī)定的污染物排放限值。未經(jīng)處理的一氧化氮的排放赧 必須保持在盡可能低的水平，因為實際上三元催化轉(zhuǎn)化器在廢氣（發(fā)動機在1 x下工作）中的 空氣過剩時不能將一氧化氮轉(zhuǎn)化成氮氣和氧氣。要想減少一氧化氮的形成，一個適當?shù)拇胧┚?是通過廢氣再

15、循環(huán)來降低燃燒溫度。n 52發(fā)動機廢氣再循環(huán)系統(tǒng)編號說明編號說明123廢氣再循環(huán)閥 冷卻劑輸入45進氣歧管管線接頭 冷卻劑返回圖3-3除內(nèi)部廢氣再循環(huán)之外，n53發(fā)動機也采用了外部廢氣再循環(huán)。 這 里，更多的廢氣被專門引導返回進氣系統(tǒng)，并在輸入氣缸之前與新鮮空氣 混合。廢氣再循環(huán)閥安裝在可變進氣系統(tǒng)（disa）之下，將再循環(huán)的廢 氣在通過節(jié)氣閥返冋進入進氣系統(tǒng)。與均勻工作的發(fā)動機和比，直噴汽 油發(fā)動機和使用稀混合氣的汽油發(fā)動機上的外部廢氣再循環(huán)的一個特點 就是在很大的范圍內(nèi)，廢氣中含非常豐富的氧氣。部分氧氣通過廢氣再 循環(huán)系統(tǒng)重新輸入氣缸之內(nèi)。發(fā)動機管理系統(tǒng)需要相應的信息以便與即 將噴射進入燃

16、燒室與氧氣混合的油量相匹配。這個系統(tǒng)也使用氧傳感器 提供的廢氣中的含氧量信號。此外，發(fā)動機控制單元也從廢氣再循環(huán)閥 接收位置反饋信號。用這種位置反饋信號，可以根據(jù)需要來糾正廢氣再 循環(huán)率。圖34n52發(fā)動機上的vanos的調(diào)節(jié)范圍就在發(fā)動機內(nèi)的氣門重疊時，殘余氣體在內(nèi)部返冋并進入氣缸?？勺儦?門正時系統(tǒng)(vanos)通過調(diào)節(jié)氣門開度和閉合時間可以影響這種廢氣再 循環(huán)，也就是說可以改變氣門重疊的時機。4電子點火系統(tǒng)曲圖4-1點火控制：根據(jù)轉(zhuǎn)速和負荷信號，發(fā)動機(dme)控制單 元確定點火角(點火時刻)并通過點火輸出級輸出。這個過程 也要考慮諸如發(fā)動機溫度、進氣溫度、節(jié)氣門位置等輸入信號 以及來自

17、發(fā)動機電子汕門控制系統(tǒng)(eml)、動態(tài)剎車穩(wěn)定控 制系統(tǒng)(dsc)和自適應變速箱控制系統(tǒng)(ags)的信號。 發(fā)動機轉(zhuǎn)速和電池及發(fā)動機電圧可以確定在點火線圈屮建立 初級電壓所需的時間。通過這些數(shù)值，發(fā)動機電腦計算出所需 的點火閉合角，確保在所有工況下有足夠的點火電壓。4.1點火器點火器是電控點火系統(tǒng)的執(zhí)行元件，它可將電子控制系統(tǒng)輸出的點火信號進行功率放人后，驅(qū)動 點火線圈工作。點火線圈將火花塞跳火所需的能量存儲在線圈的磁場中，并將電源提供的低電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樽阋栽陔?極間產(chǎn)生擊穿點火的1520kv高電壓。4.2電控點火系統(tǒng)的工作原理發(fā)動機工作時，ecu根據(jù)接收到各傳感器信號，按存儲器小存儲的有關(guān)程序和

18、相關(guān)數(shù)據(jù)，確定出 改工況下最佳點火提前角和點火線圈初級電路閉合角，并以此向點火器發(fā)出指令。點火器則根據(jù) ecu的指令，控制點火線圈初級電路的導通和截止。當電路導通時，冇電流從點火線圈中的初級 電路通過，點火線圈將點火能量一磁場的形式儲存起來。當初級電路中的電流被切斷時。在其次 級線圈中將產(chǎn)生很簡的感應電動勢，傳送到工作氣缸的火花塞。點火能量經(jīng)火花塞瞬間釋放，產(chǎn) 生的電火花電人氣缸內(nèi)的混合氣，是發(fā)動機完成作功過程。5燃油系統(tǒng)供給系統(tǒng)1°) 0 ©1燃油箱蓋和燃油箱接地2加油管3溢流擋板4燃油箱5帶冇右側(cè)燃油箱傳感器的燃油楙6電動燃油泵 （ekp） 7右側(cè)引流泵8帶有燃汕濾淸器

19、的維修閉鎖裝置9燃汕壓力調(diào)節(jié)器10左側(cè)引流泵11燃汕供給管 路12噴射汕軌6機油狀態(tài)傳感器n52發(fā)動機取消了機油尺及導向管。這為客戶提供了便利。此外還能更準確地測得發(fā)動機油位。發(fā)動 機油位由一個機油狀態(tài)傳感器（oezs）測量并在e63的中映信息顯示屏（cid）上顯示出來。動 機汕溫度和機汕狀態(tài)也由oezs來測處及計算。oezs的信號在dme內(nèi)跡行分析。分析后的信號通 過pt-can、sgm ik-can發(fā)送至組合儀表和cid。通過測定發(fā)動機油位可避免發(fā)動機油位過低， 從而防止造成發(fā)動機損壞。通過測定機汕狀態(tài)可準確判斷出何時需耍更換發(fā)動機汕。發(fā)動機汕加注過 多會導致泄漏，此時會發(fā)出警告信息。圖6-1機油狀態(tài)傳感器1殼體2外部金屬管3內(nèi)部金屬管4發(fā)動機油5機油油位傳感器6機油狀態(tài)傳感器7傳感器 電子裝置8汕底殼9溫度傳感器 機油狀態(tài)傳感器的功能該傳感器山兩個上下疊加安裝在一起的柱狀電容器構(gòu)成。機油狀態(tài)通過底部較小的電容器（6）來測量。 彼此內(nèi)嵌的兩個金屬管（2 + 3）用作電容器電極。電介質(zhì)是兩個電極z間的發(fā)動機油（4）。發(fā)動機 油的電氣特性隨看損耗的加劇和燃油添加劑的分解而發(fā)生變化。電介質(zhì)：電場中的絕緣物質(zhì)。電場穿 過絕緣體。電容器（機油狀態(tài)傳感器）電容隨發(fā)動機油（電介質(zhì)）電氣特性的變化而變化。就是說， 電容值經(jīng)過傳感器內(nèi)集成的電子分析裝置（7