寶馬X6發(fā)動機高速無力的故障診斷與排除

1、寶馬N54發(fā)動機高速無力的故障診斷與排除王志俊江蘇省交通技師學院摘要：本文主要介紹了一輛寶馬X6轎車在高速行駛時發(fā)動機動力下降故障的診斷和分析以及最終解決故障。本文介紹了BMW N54B30 發(fā)動機，排量為3.0L,帶雙渦輪增壓，還應用了BMW 車輛可變凸輪軸控制裝置（VANOS）與直接噴射裝置 （HPI）等先進技術。結合一臺寶馬X6發(fā)動機由于高速工作異常，導致發(fā)動機在高速時加不起油的故障。講述了如何運用專用診斷設備檢測故障，基本數(shù)據(jù)測試以及系統(tǒng)結構分析來進行診斷分析，從而最終排除故障。關鍵詞：N54發(fā)動機，燃油系統(tǒng)，高壓油泵，故障診斷1.概述隨著當今汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車新技術發(fā)展日新月異，尤

2、其在發(fā)動機技術方面?，F(xiàn)在燃油電子噴射技術都有了大的革新，寶馬頂級運動車型X6就采用了先進的缸內直接噴射技術和雙渦輪增壓技術，這些先進技術使車輛在動力加速方面，燃油經濟方面以及環(huán)保方面都得到了進一步提升。但是在汽車故障排除方面也增加了不小困難。本文介紹了一例N54發(fā)動機因高壓泵故障而導致的高速動力下降的故障。2.故障現(xiàn)象一輛2009款寶馬X6，車型為E71，配置單渦輪雙渦管式渦輪增壓發(fā)動機，發(fā)動機型號為N54。車輛行駛不到2000km。車輛來店報修行駛中儀表中的黃色發(fā)動機故障燈點亮報警，中央信息顯示屏顯示“發(fā)動機異常！功率下降”的文字信息，加速明顯感覺發(fā)動機提速無力，在高速行駛時有輕微的抖動，中

3、低速一切正常。3.發(fā)動機介紹為了分析此故障，先來了解這款發(fā)動機的技術特點，此車裝配排量為3.0L的直列6缸新型缸內直噴帶雙渦輪增壓的汽油發(fā)動機（圖1），配備了ZF公司的6速全電控手自一體變速器。圖1 N54 發(fā)動機配置3.1直接噴射裝置 （HPI）高精度直噴系統(tǒng)是BMW EfficientDynamics的組成部分，BMW EfficientDynamics是BMW的系列創(chuàng)新科技，致力于在提高性能的同時降低油耗。 高精度直噴系統(tǒng)的核心要素是位于氣門和火花塞之間的壓電噴油器。噴油器內部是多層壓電晶體，當電流通過時，它們會立即膨脹。這使定量的油氣混合物從噴油器噴針噴出，通過出口（僅頭發(fā)粗細）進入壓

4、力為200 bar的燃燒室。指甲大小的錐形氣云被精確噴射到火花上，并與過量的氧氣燃燒。與傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)相比，BMW高精度直噴系統(tǒng)需要的燃油非常少，并消除了由于燃油被噴射到燃燒室壁上而未燃燒所造成的浪費。 得益于壓電噴油器，燃油可于0.14毫秒內噴射，這使得單個燃燒過程中可引入多次燃油噴射。高性能和靈活的電子控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機動力要求、運行溫度和汽缸壓力調整定時和噴射油的定量。這確保燃燒被精確控制，在任何行駛狀態(tài)下都能保證清潔和高效。圖2高精度噴射裝置（HPI）3.2雙渦輪增壓系統(tǒng)BMW 工程師通過這款新型發(fā)動機成功彌補了早期渦輪增壓發(fā)動機結構上的不足。因此，BMW 6 缸渦輪增壓發(fā)動機也不具有目

5、前渦輪增壓發(fā)動機典型的負面特性。這種新型發(fā)動機既不會延遲提供推動力，也不像傳統(tǒng)渦輪增壓動力總成那樣油耗較高。特別是其雙渦輪增壓方案可顯著提高功率利用率。該發(fā)動機不再采用一個大增壓器，而是每三個氣缸驅動一個小增壓器。圖3雙廢氣渦輪增壓系統(tǒng)組成1-增壓運行模式下泄漏氣體的 PTC2-氣缸列 2 循環(huán)空氣管路3-節(jié)氣門連接法蘭4-空氣濾清器 5-氣缸列 1 循環(huán)空氣管路 6-進氣管 13 氣缸列7-增壓空氣壓力管路 8-氣缸列 1 增壓空氣進氣管路 9-增壓空氣冷卻器10-增壓空氣集氣管路 11-氣缸列 1 廢氣渦輪增壓器 12-廢氣渦輪增壓器13-增壓空氣進氣管路由于溫度很高，因此N54 發(fā)動機的

6、廢氣渦輪增壓器不僅與發(fā)動機油系統(tǒng)相連，而且還集成在發(fā)動機的冷卻液循環(huán)回路內。N54 發(fā)動機裝有電動冷卻液泵時，還可以在關閉發(fā)動機后排出廢氣渦輪增壓器內的余熱，從而防止軸承殼體內的潤滑油過熱。利用冷卻液泵的繼續(xù)運行功能可排出廢氣渦輪增壓器內的積熱，從而防止軸頸處機油焦化。這是一項重要的部件保護功能。.雙渦輪增壓系統(tǒng)渦輪增壓器的響應速度對于 N54 發(fā)動機來說最為重要。不允許對駕駛員的要求（即加速踏板位置）做出延遲反應。即不能讓駕駛員感覺到所謂的“渦輪效應滯后”。在 N54 發(fā)動機上用兩個相互并聯(lián)的小型渦輪增壓器解決了這個問題。氣缸1、2 和 3（氣缸列 1）驅動廢氣渦輪增壓器（5），氣缸 4、5

7、 和 6（氣缸列 2）驅動另一個廢氣渦輪增壓器（2）。小型廢氣渦輪增壓器的優(yōu)點在于，在渦輪增壓器加速過程中由于渦輪轉動慣量較小因此加速質量較小，因而壓縮機可以更快達到較高增壓壓力。這種小尺寸增壓器的主要優(yōu)點是其轉動慣量較小。即使駕駛員通過加速踏板施加最輕微的作用力，也會立即產生壓力。因此不會再感覺到以前渦輪增壓發(fā)動機典型的渦輪效應滯后現(xiàn)象通過增壓器獲得輸出功率需要一定時間。駕駛員可以體驗到一種“盡在掌握”的動力感受，輕松實現(xiàn)瞬間提速。3.3無級雙 VANOSN54 發(fā)動機以每缸 4 氣門方式（氣門由兩個頂置凸輪軸驅動）實現(xiàn)換氣過程。發(fā)動機正時時間可通過兩個無級 VANOS 單元以可變方式調節(jié)。

8、所采用的 VANOS 單元具有以下點火提前角：通過根據(jù)發(fā)動機轉速調節(jié)進氣門關閉時刻，可以避免氣體從燃燒室回流到進氣通道內。利用凸輪軸調節(jié)裝置可改變氣門開啟重疊率，從而能夠控制氣缸內的殘余氣體量。在氣缸內保留部分殘余氣體可限制燃燒溫度，從而降低NOx 排放量。無級 VANOS 通過改變氣門開啟重疊率進行內部廢氣再循環(huán)。在氣門開啟重疊階段，廢氣由排氣通道流入進氣通道內。因此，處于較低和中等轉速范圍時，調節(jié)進氣凸輪軸主要用于提高發(fā)機扭矩和進行內部廢氣再循環(huán)。轉速較高時，主要用于改善功率輸出。圖4-無級雙 VANOS進氣 VANOS 單元 55° 曲軸轉角排氣 VANOS 單元 45

9、6; 曲軸轉角調節(jié)排氣凸輪軸用于優(yōu)化怠速質量或實現(xiàn)最大廢氣再循環(huán)率。相對于不帶無級雙 VANOS 的發(fā)動機來說，最多可節(jié)省燃10%。除了以上種典型技術外，X6還采用了電動冷卻液泵、兩級真空泵、液壓補償閥和很多先進的車載網絡總線等先進技術。4.故障診斷過程根據(jù)此車中低速行駛時正?？赏茢喟l(fā)動機的機械部件功能正常，可從其他方面檢查入手。從常規(guī)外表檢查看各管路正常，從外表未發(fā)現(xiàn)異常，于是遵循由表及里、由簡到繁的診斷步驟對故障進行診斷。造成發(fā)動機動力下降的原因分析空氣濾清器濾芯阻塞，混合氣過濃，渦輪增壓增壓壓力不足，進氣系統(tǒng)漏氣，磨損銹蝕疲勞所致年老體衰，油品質量不佳，點火時刻不準，與荷載不匹配而至長期

10、不作為退化或過勞衰退，維護維修不規(guī)范操作而至功能退化。 4.1診斷電腦檢測首先在靜止狀態(tài)下連接ISID(寶馬專用檢測儀：Integrated Service Interface Display集成服務信息顯示器)，打開點火開關，ON檔，進行車輛識別，讀取車輛數(shù)據(jù)，對全車電控系統(tǒng)進行測試。大約二十多分鐘后，車輛測試完成，進入故障存儲器，DME（引擎控制電腦）有燃油高壓系統(tǒng)故障記憶，故障代碼為B1214(燃油壓力調節(jié)故障)，當前不存在故障，提示需更換高壓泵。啟動發(fā)動機，在怠速工況下查看發(fā)動機工作數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)16缸的運行平穩(wěn)性數(shù)據(jù)大致相同，可默認運行規(guī)則良好。繼續(xù)進入ISID的模塊測試功能，提示先進行

11、油壓測量。4.2基本數(shù)據(jù)測量低壓端油壓檢測:在怠速時接上油壓表，檢測低壓油路壓力，查閱維修資料得知低壓側正常壓力為56bar，經多次檢測，只要每次接通點火開關瞬間，燃油壓力立刻為5.3bar左右，在正常范圍內。可見低壓側基本正常，繼續(xù)執(zhí)行檢測計劃后系統(tǒng)提示須更新高壓油泵，并對DME進行控制編程。圖 圖5-測量低壓燃油壓力用專用電腦找到判斷出的故障點后，為了徹底解決故障，還需要找出具體造成此故障的原因，以免返修。為此，我們進入了ISID的數(shù)據(jù)測試模塊，選擇DME數(shù)據(jù)檢測，根據(jù)試車員試車時提供的大致轉數(shù)為28003400r/min，我們選擇了3000 r/min作為測試轉數(shù)，盡量接近出現(xiàn)故障時的數(shù)

12、據(jù)，查看其他系統(tǒng)是否有故障。表1：專用電腦檢測出的基本發(fā)動機數(shù)據(jù)測量內容測量值正常值發(fā)動機轉速3000r/min28003400r/min冷卻液溫度103.580109DME溫度47.54060環(huán)境溫度30-2042機油溫度108.685120進氣溫度54.753065噴油時間2.0ms2.04.0msVANOS進氣0°(曲軸轉角)-36°（曲軸轉角)VANOS排氣0.38°(曲軸轉角)-35°（曲軸轉角)點火提前角21.38°(曲軸轉角)16°28°（曲軸轉角)進氣量5.6g/s511g/s節(jié)氣門角度14.28.528機油

13、量58.59mm>60mm(發(fā)動機關閉)凸輪軸調整角0°(曲軸轉角)-36°（曲軸轉角)大氣壓力（空氣壓力）101Kpa101Kpa增壓壓力實際值353.81Kpa280380Kpa高壓油壓50.2bar150200bar以上數(shù)據(jù)說明發(fā)動機的進氣，配氣，點火，渦輪增壓等系統(tǒng)均正常。根據(jù)故障點，判斷故障原因應在燃油系統(tǒng)，下面就來分析一下X6的燃油系統(tǒng)。圖6-X6的燃油系統(tǒng)1-發(fā)動機控制單元 2-共軌 3-高壓傳感器 4-壓電噴射器 5- EKP 6-高壓泵7-燃油量控制閥8-帶有單向閥的高壓泵元件 9-帶有旁通的溢流閥分析X6的低壓和高壓相結合的燃油供應系統(tǒng)圖，可看出低

14、壓燃油供應部分和一般電噴車的燃油供油系統(tǒng)并無多大區(qū)別，由電動燃油泵提供油壓（56bar），油管接口處采用了快速接頭。參考壓力管邊接著燃油壓力調節(jié)器和燃油回油管。燃油量控制閥控制共軌內的燃油壓力。發(fā)動機管理系統(tǒng)通過一個脈沖寬度（PWM）信號對其進行控制。根據(jù)控制信號使節(jié)流閥橫截面以不同大小開啟，并調節(jié)相應負荷點所需的燃油質量流量，此外還能降低共軌內的壓力。燃油從燃油箱處通過電動燃油泵 EKP 經供給管路以 5 bar 預壓輸送至高壓泵內。預壓值通過低壓傳感器來監(jiān)控。EKP 根據(jù)需要輸送燃油。如果該傳感器失靈，EKP 就會在總線端15接通時以 100 % 的輸送功率繼續(xù)輸送燃油。44燃油在持續(xù)運行

15、的三活塞式高壓泵（6）內加壓，然后通過高壓管路輸送至共軌（2）內。以這種方式存儲在共軌內的加壓燃油通過高壓管路分配給壓電噴射器（4）。發(fā)動機管理系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機負荷和發(fā)動機轉速確定所需燃油壓力。實際達到的壓力值通過高壓傳感器（3）測量并發(fā)送至發(fā)動機控制單元。在對比共軌壓力規(guī)定值和實際值后通過燃油量控制閥（7）進行調節(jié)。燃油在持續(xù)運行的三活塞高壓泵內加壓，然后通過高壓管路輸送至共軌內。以這種方式存儲在共軌內的加壓燃油通過高壓管路分配給高壓噴射閥。發(fā)動機管理系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機負荷和發(fā)動機轉速確定所需燃油壓力。共軌壓力傳感器測量實際達到的壓力值并將其發(fā)送至發(fā)動機控制單元。對比共軌壓力規(guī)定值和實際值后通過燃

16、油量調節(jié)閥進行調節(jié)。只有在高負荷、低轉速的情況下才需要 200 bar 的壓力。4.3全面檢查排除外因我們開始沿著供油油路開始慢慢排查原因，檢查油箱油泵處線路正常無燒蝕，拔開回油管快速接頭檢查回油正常，油質無異常。7-檢查油泵回路拆開底盤護板內的汽油濾清器，用風槍反吹出內部汽油檢查，發(fā)現(xiàn)濾清器內的汽油呈黃褐色，對于剛跑了9400多公里的車來說，明顯不正常。有可能是加油站油品問題，或者使用了不合適的燃油添加劑。圖8-檢查燃油濾清器為了能給高壓油路提高良好的油質，已建議車主更換燃油濾清器，并清洗油箱，和油路。鑒于油品有可能有問題，我們決定拆下兩個火花塞檢查氣缸內點火是否正常，有無積碳。經檢查火花塞

17、色澤呈金黃色，無燒蝕，基本無積碳，無需更換。圖9-檢查火花塞5.故障排除下一步可以開始拆高壓油泵了，先觀察一下發(fā)動機艙，查閱了相關寶馬維修資料得知，高壓油泵的安裝在發(fā)動機缸體上，如圖11圖10-高壓系統(tǒng)組成1-高壓管路2-共軌3-高壓管路4-共軌壓力傳感器5-電磁閥噴射器6-高壓油泵在更換前，我們先用冷風將發(fā)動機溫度吹冷，只有在發(fā)動機冷卻后才能進行該燃油系統(tǒng)方面的工作，冷卻液溫度不得超過40 °C，必須遵守這項規(guī)定，否則高壓系統(tǒng)內的剩余壓力可能造成燃油反向噴射。進行高壓燃油系統(tǒng)方面的工作時，要特別注意保持清潔并遵守維修說明中列出的工作步驟。高壓管路螺栓連接件上即使出現(xiàn)最微小的污物或損壞都可能會造成燃油泄漏。拆下發(fā)動機蓋板后才能隱約看到高壓泵，再拆下進氣管上的節(jié)氣門后，我們就可以完全看到高壓泵，并開始更換。更換完高壓油泵，濾清器后試車員又再次試車檢查后，發(fā)動機無再亮燈，確定故障排除。6.故障分析總結燃油系統(tǒng)的高精度噴射（HPI）進入了自我保護模式，一旦出現(xiàn)廢氣排放值不真實的情況，自我保護模式生效，發(fā)動機控制裝置將噴射壓力限制在90 bar，此時N54發(fā)動機只在同質模式下工作，HPI處于自我保護模式。這