N63发动机冷却、进气和排气以及真空系统解析

BMWCHE/2015-12-04/技术解析/阅读:次

一、冷却系统

由于采用废气涡轮增压系统且涡轮增压器以紧凑方式布置在V形区域内，因此N63发动机会产生很多热量，冷却系统变得非常重要。为此首次开发了一种间接增压空气冷却系统，该系统可通过空气 / 冷却液热交换器对增压空气进行冷却。

发动机冷却系统和增压空气冷却系统使用两条彼此独立的冷却循环回路。

(一)发动机冷却系统

发动机冷却系统承担着散发发动机热量及尽量保持特定运行温度恒定的传统任务。就N63发动机而言，该冷却系统还对两个涡轮增压器进行冷却。冷却系统有一个通过皮带传动机构驱动的传统冷却液泵，由于是机械式的，因此该泵在发动机关闭后不能对涡轮增压器进行冷却。N63发动机的发动机冷却循环回路见下图。

1.冷却液散热器 2.用于变速器油冷却的冷却液散热器
3.散热器出口处的冷却液温度传感器
4.电风扇 5.特性曲线式节温器
6.用于涡轮增压器冷却的电动辅助冷却液泵
7.冷却液泵 8.废气涡轮增压器 9.暖风热交换器
10.双阀门 11.用于暖风系统的电动辅助冷却液泵
12.排气管路 13.发动机出口处的冷却液温度传感器
14.补液罐 15.排气管路 16.变速器油/冷却液热交换器
17.辅助冷却液散热器

1、用于涡轮增压器冷却的电动辅助冷却液泵

N63发动机使用一个20w 的电动辅助冷却液泵来排出发动机关闭后的涡轮增压器的积热。系统根据以下参数接通该电动辅助冷却液泵：发动机出口处的冷却液温度、发动机机油温度、燃油喷射量。

通过计算燃油喷射量可确定发动机内产生的热量。这种功能与六缸发动机的热量管理系统功能相似。当发动机关闭后，电动辅助冷却液泵的持续运转时间可达30min。为了进一步改善冷却效果，电风扇会同时接通，最长运转时间为11min。

2、系统保护

当冷却液或发动机机油的温度过高时，车辆的某些功能会受到影响(关闭)，避免产生随温度增加的负荷。

(二)増压空气冷却系统

N63发动机采用间接增压空气冷却系统。空气/冷却液热交换器吸收增压空气的热量，然后冷却液/空气热交换器将热量释放到环境空气中。增压空气冷却系统有一个自己的低温冷却循环回路，该回路与发动机冷却循环回路相互独立，见下图。

A.用于增压空气冷却的电动冷却液泵
B.排气管路 C.增压空气冷却器

D.用于增压空气冷却的补液罐
E.用于增压空气冷却的冷却液散热器

1、增压空气冷却器

增压空气冷却器装在汽缸盖端面上，它利用对流原理进行工作，可使空气冷却到80℃。

2、电动冷却液泵

增压空气冷却系统由一个50W的电动泵进行驱动，该泵的运转与以下参数有关：车外温度、增压空气温度与车外温度的差值。

3、排气

增压空气冷却系统的排气管路中有一个专用的排气裝置，其排气原理与六缸发动机冷却循环回路的排气原理相同。

二、进气和排气系统

对进气和排气位置进行互换，使得排气歧管、废气涡轮增压器和催化转换器位于N63发动机的V形区域内。因此，带有废气涡轮增压系统的N63发动机的结构非常紧凑。增压空气冷却器能够以间接方式对增压空气进行冷却。N63发动机的进气和排气系统见下图。

1.节气门 2.增压空气温度/压力传感器
3.增压空气冷却器 4.循环空气减压阀
5.进气消音器 6.热膜式空气质量/流量传感器

7.废气涡轮增压器 8.催化转换器
9.电子气动压力转換器 10.废气旁通阀
11.进气管压力传感器 12.发动机控制模块 (DME)

(一)进气系统

N63发动机的进气系统见下图。

1.进气消音器 2.废气涡轮增压器
3.循环空气减压阀 4.热膜式空气质量/流量传感器
5.用于增压运行模式的曲轴箱通风接头
6.洁净空气管工作 7.增压空气管
8.未过滤空气管 9.增压空气冷却器
10.增压空气温度/压力传感器 11.节气门
12.用于自吸式发动机运行模式的曲轴箱通风接头
13.进气管压力传感器 14.进气装置

(二)排气系统

N63发动机的排气系统见下图。

1.氧传感器(催化转换器后的监控传感器LSF4.2)
2.催化转换器

3.氧传感器(催化转换器前的监控传感器LSF ADV)
4.排气歧管 5.废气涡轮增压器

(三)涡轮增压系统

N63发动机利用两个并联的废气涡轮增压器实现低转速快速响应。废气旁通阀和循环空气减压阀用于控制增压压力。

1、废气混轮增压器

N63发动机的废气涡轮增压器见下图。

1.涡轮 2.轴承座 3.压缩机
4.循环空气减压阀 5.真空罐 6.废气旁通阀

废气涡轮增压器由发动机排出的废气驱动。带有压力的废气驱动废气涡轮增压器的涡轮并以此方式为同轴上的压缩机提供驱动力。进气被压缩，使发动机燃烧室的进气量更充沛，从而提高发动机的功率和扭矩。涡轮和压缩机的最高转速可达 175000r/min，废气入口温度可达950℃。

由于废气温度很高，因此废气涡轮增压器不仅需要与发动机机油系统相连，进行润滑，而且还与发动机冷却液循环回路相连，进行冷却。电动辅助冷却液泵可在发动机关闭后排出废气涡轮增压器内的余热，防止轴承壳体内的机油过热及轴颈处的机油焦化，这是一项非常重要的部件保护功能。

2、双混轮增压系统

涡轮增压器的响应速度非常重要，即不能让驾驶员感觉到涡轮效应滞后。N63发动机利用两个相对较小且并联的废气涡轮增压器解决了这个问题。小型废气涡轮增压器的优点在于，在涡轮增压器加速过程中，由于涡轮转动惯量较小，因此加速质量较小，压缩机能够更快达到较高的增压压力。

3、增压压力调节装量

废气涡轮增压器的增压压力与到达废气涡轮增压器涡轮处的废气气流有直接关系。废气气流的速度和质量都取决于发动机转速和负荷。发动机管理系统通过废气旁通阀来调节增压压力。废气旁通阀由真空罐操纵，真空罐由发动机管理系统利用电子气动压力转换器 (EPDW)来控制。

持续运转的发动机真空泵产生真空并将其存储在一个蓄压器内，这样可以确保这些真空控制部件不会对制动助力功能产生不良影响。废气旁通阀对输送至涡轮的废气气流产生影响，当达到所需增压压力时，废气旁通阀就会打开并使部分废气气流通过涡轮，这样可防止涡轮继续提高压缩机的转速。

当发动机处于怠速工况时，两个废气涡轮增压器的废气旁通阀均关闭。因此，在低发动机转速下，所有废气气流用于压缩机加速。当需要提高发动机功率时，压缩机可立即提供所需的增压压力，从而消除涡轮效应滞后现象。

在发动机满负荷工况下，当发动机达到最大允许扭矩时，废气旁通阀部分开启，保持较高的恒定增压压力。压缩机始终根据运行情况保持相应的转速，也就是说，打开的废气旁通阀可限制增压转速，避免发动机超速运转，同时有利于降低油耗。在满负荷运行模式下，N63发动机进气管内的最高表压力为80kPa。

4、循环空气减压控制

N63发动机的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。如果在发动机转速较高时关闭节气门，那么进气管内就会产生真空压力。由于此时进气管的通道已阻断，因此会在废气涡轮增压器的压缩机后形成无法消除的较大背压，造成增压器泵气。由此产生的影响如下：出现明显的干扰性泵噪音。当出现这种泵噪音时，废气涡轮增压器还要承受导致部件损坏的负荷，因为高频压力波向废气涡轮增压器轴承施加轴向负荷。

循环空气减压阀对降低发动机噪音起到重要作用，而且有助于保护涡轮增压器的部件。N63发动机的循环空气减压阀外观结构与 N74发动机基本相同，工作原理见下图。

1.循环空气减压阀关闭 2.循环空气减压阀打开

5、增压空气冷却系统

在N63发动机上第一次采用间接增压空气冷却系统。增压空气不直接进入气对气的热交换器，而是通过一个空气/冷却液热交换器来进行冷却。为此该发动机配备独立的封闭式低温冷却循环回路。N63发动机的增压空气冷却器见下图。

1.增压空气冷却器 2.增压空气温度/压力传感器

A.热的增压空气 B.冷却后的增压空气
C.冷却的冷却液 D.加热的冷却液

6、负荷控制

N63发动机利用节气门和废气旁通阀来实现负荷控制。节气门是主要的执行元件。废气旁通阀按照特性曲线参数对增压压力进行微调。在满负荷工况下节气门完全打开，负荷由废气旁通阀控制。

7、控制参数

N63发动机的增压压力控制受以下参数影响：进气温度、发动机转速、节气门位置、大气压力、进气管压力、节气门前的压力。发动机控制模块根据这些参数信号控制电子气动压力转換器，同时根据增压压力信号 (测量节气门前的压力)来检査控制结果。

8、应急运行模式

如果系统在运行过程中出现功能故障、不可信数值或与废气涡轮增压调节功能相关的传感器失灵，那么发动机控制模块就会切断废气旁通阀的控制功能，使阀门完全打开，不再进行增压。若以下系统/部件出现功能失灵或数值不可信，则增压压力调节系统被停用，排放警告灯点亮：高压燃油系统、进气 VANOS机构、排气 VANOS机构、曲轴传感器、凸轮轴传感器、增压压力传感器、爆震传感器、进气温度传感器。

9、诊断与维修

维修时要注重查找故障原因，否则换件后故障还会出现。有三条检修原则 (也称为黄金原则)适用于N63发动机涡轮增压系统的检修工作。

(1)不要草率地认为发动机功能损失是废气涡轮增压器有问题。不要经常随意拆卸和更换运转正常的废气涡轮增压器。如果排气装置排出蓝烟，那么应先检査空气滤清器内是否有污物或是否因磨损造成发动机机油消耗过高，然后再检查废气涡轮增压器。如果废气涡轮增压器运行噪音过大，那么需要检査废气涡轮增压器压力侧的所有连接部件。如果发动机排出黑烟或功率下降，也要先检査发动机机体和连接管路。

(2)废气涡轮增压器损坏的主要原因如下：

①润滑不足造成轴承失灵。压缩机和涡轮被磨入売体，密封垫损坏，连接轴可能折断。

②异物导致涡轮和泵轮损坏。由此产生的不平衡会降低效率且可能导致叶片断裂。

③润滑油内有污物，造成轴颈和轴承上产生划痕。机油孔和密封垫堵塞，造成机油泄漏，损失较大。安装在压缩机前部的过滤器可阻止沙子、汚物、螺栓或类似物体进入废气涡轮增压器。该过滤器需定期保养。要确保空气滤清器和至压缩机空气导管清净，没有任何颗粒物。

(3)不要对废气涡轮增压器进行任何改动。出厂前已对废气涡轮增压器进行最佳匹配。切勿尝试改动增压压力调节控制杆。改动有可能使废气涡轮增压器运行的增压压力高于极限值，造成发动机运行温度过高，活塞、汽缸盖或发动机支架失灵，以及发动机电子系统的安全功能被激活，发动机应急模式被启用。

三、真空系统

为了向制动助力器和附加设施 (废气旁通阀和排气风门)提供所需的真空压力，N63发动机配置一个真空泵。为了随时提供足够的真空压力，使用一个真空蓄能器。该真空蓄能器与真空控制部件以串联方式相连。N63发动机的真空系统见下图。

1.真空泵 2.用于附加设施的单向阀
3.用于制动助力器的単向阀
4.制动助力器上的单向阀

5.制动助力器 6.电动转换阀
7.用于排气风门的真空罐
8.电子气动压力转换器
9.用于汽缸列1废气旁通阀的真空罐
10.真空蓄能器 11.电子气动压力转换器
12.用于汽缸列2废气旁通阀的真空罐

N63发动机真空系统的真空泵与 N62发动机相似，它是一个两级真空泵，有对应的两个接口。第一级接口用于制动助力器，第二级接口用于附加设施。N63发动机真空系统的真空泵结构见下图。

1.用于制动助力器的单向阀
2.用于附加设施的单向阀
3. 用于附加设施的接口
4.真空泵壳体 5.叶片
6.用于制动助力器的接口

考虑到制动助力器和附加设施的不同要求，只有在最后阶段才打开用于附加设施的第二级接口，这样可以迅速建立起制动助力器所需的真空压力。

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