N54发动机机械、冷却、进气和燃油系统解析
BMWCHE/2015-12-03/技术解析/阅读:次
一、概述
N54发动机是 N52 发动机的升级产品。作为采用双渦轮增压技术和汽油直接喷射装置的新型发动机，N54发动机采用高精度喷射装置，其喷束导向式直接喷射方式是一种降低油耗的持久解决方式，可克服汽油机涡轮增压的不足，例如減小压缩比时很容易爆震。
N54发动机技术参数见下表。
二、机械系统
N54发动机曲轴箱装置的基本结构、自吸式发动机运行模式、增压运行模式与 N63发动机相同。N54发动机曲轴箱装置的排气流程见下图。
1.增压空气进气管路单向阀
2.增压运行模式排气
2.增压运行模式排气
3.进气集气管单向阀和压力节流阀
4.自吸式发动机运行模式排气
4.自吸式发动机运行模式排气
N54发动机装有气旋式分离器，在油气分离器壳体内有4个气旋通道，见下图。
三、冷却系统
与其他3L汽油机相比，N54发动机功率较高，热量明显增大，因此要求冷却系统的效率更高。N54发动机的冷却系统由一个水冷系统和一个单独的机油冷却系统组成。将两个冷却系统分开可防止发动机机油将热量传递给冷却液。提高冷却系统功率的措施如下：
(1) 采用功率为400w的电动冷却液泵。
(2)将水冷和发动机机油冷却系统分开。
(3)提高散热器功率。
(4) 采用600W电风扇。
四、进气系统
(一)进气导管
由于 N54发动机是涡轮增压发动机，因此进气导管非常重要。涡轮增压系统利用排出废气的能量事先压缩吸入的新鲜空气，从而使更多的空气进入燃烧室。只有在无泄漏的情况下该系统才能正常工作。N54发动机的进气导管见下图。
安装进气导管时，必须确保部件的安装位置准确无误且管路连接接口密封严密。在某些情况下，系统泄漏会导致增压压力不正确。发动机管理系统会识别出这种情况并启用应急运行模式 (停用增压压力调节装置)，发动机功率因此降低。
在增压运行模式下，新鲜空气经过空气滤清器和增压空气进气管路，然后由废气涡轮增压器吸入并由泵轮压缩。废气涡轮增压器的运行温度很高，需要将其与冷却循环系统回路和发动机机油循环回路连接在一起。在废气涡轮增压器内被压缩的空气温度很高，需要通过一个增压空气冷却器进行冷却。经过压缩和冷却的增压空气从增压空气冷却器处通过节气门进入进气管。增压运行模式下的 N54发动机进气导管见下图。
(二)涡轮增压系统
1、废气祸r轮增压器
为确保新鲜空气进气量始终与相应的发动机运行条件相符合，废气涡轮增压系统装有相应的传感器和执行器。N54发动机废气涡轮增压器见下图。
A.泵轮 B.冷却/润滑装置 C.涡轮
废气涡轮增压器通过发动机废气驱动。带有压力的废气通过废气涡轮增压器的涡轮并以这种方式为同一轴上的泵轮提供驱动力。涡轮和泵轮的最高转速可达200000r/min。废气入口最高温度可达 1050℃。电动冷却液泵可在关闭发动机后排出废气涡轮增压器内的余热，从而防止轴承壳体内的机油过热。
2、双渴轮增压系统
N54发动机利用两个并联的小型涡轮增压器解决涡轮效应滞后问题。汽缸1、2、3 (汽缸列1)使用一个废气涡轮增压器，汽缸4、5、6 (汽缸列2)使用另一个废气涡轮增压器。N54 发动机废气涡轮增压器部件说明见下图。
3、增压压力调节装量
废气旁通阀由真空执行机构操纵，这些执行机构由发动机管理系统通过电子气动压力转换器来控制。废气旁通阀可将全部或部分废气气流输送至涡轮处。当达到所需增压压力时，废气旁通阀打开，部分废气通过旁通阀排出。采用这种控制方式不仅可以防止增压压力过高，而且能够处理各种运行状况。在满负荷运行模式下，N54发动机进气管内的最高表压为80kPa。N54 发动机废气涡轮增压器结构见下图。
4、循环空气减压阀
循环空气减压阀用于降低节气门快速关闭时不希望出现的增压压力峰值。该阀对降低发动机噪音起到重要作用，有助于保护废气涡轮增压器的部件。N54 发动机的循环空气减压阀见下图。
循环空气减压阀是机械操纵式弹簧膜片阀，其工作原理如下： 如果节气门前后存在压力差，那么进气管压力就会使循环空气减压阀打开，将增压压力转至泵轮的进气侧。压力差一旦超过30kPa，循环空气减压阀就会开启，这个过程可防止出现造成部件损坏的干扰性泵动作用。也就是说，即使发动机以接近怠速转速运行，循环空气减压阀也会根据系统要求开启，但不会对增压系统产生进一步影响。
由于废气涡轮增压器在低转速范围内承受全部废气气流的压力，因此在接近怠速转速运行时便对进气预先施加一定压力。如果此时节气门开启，那么废气涡轮增压器就会为发动机提供所需的全部增压压力。
5、增压空气冷却器
压缩作用会使增压空气的温度升高。为了提高发动机功率及降低油耗，需要对增压空气进行降温，这样可以提高增压空气的密度，达到更好的燃烧室充气效果，由此降低所需的增压压力，降低爆震危险，提高发动机功率。增压空气冷却器最多可使增压空气温度降低80℃，见下图。
五、燃油系统
N54发动机燃油系统的直接喷射原理与 N63发动机相同。
(一)高精度直喷(HPl)系统
N54发动机高精度直喷系统结构见下图。
N54发动机高精度直喷系统示意图见下图。
燃油量控制阀控制共轨内的燃油压力c发动机控制模块利用脉冲宽度信号对该控制阀进行控制。脉冲宽度信号使燃油量控制阀开启相应的横截面，从而调节相应负荷所需的燃油流量，此外还能降低共轨内的压力。
(二)高压泵
N54发动机的高压泵结构见下图。
在电动燃油泵的泵压下，燃油流入高压泵并通过燃油量控制阀和低压单向阀，然后进入泵元件的燃油室内。燃油在泵元件内被加压并通过高压单向阀被输送至高压接口。燃油量控制阀以开关方式调节燃油供给通道内燃油压力。高压区域内的最大压力不得超过24. 5MPa。如果压力过高，那么溢流阀向低压区域释放高压循环回路的压力。由于燃油无法被压缩，因此这种调压方式完全可行。也就是说，燃油体积不会随着压力的改变而改变。向低压区域释放压力时，该区域内的油液体积抵消所产生的压力峰值。因温度变化而造成的体积变化可通过与高压泵供油装置相连的热补偿器进行补偿。
N54发动机的高压泵的泵元件结构见下图。
由摆动盘驱动的高压活塞在上移期间将机油压入金属膜，金属膜体积增大并使燃油室空间减小，燃油在压力作用下被压入共轨。
(三)压电喊射器
N54发动机的压电喷射器结构及工作原理与 N63发动机相同。
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