N20发动机机械结构系统解析
BMWCHE/2015-11-26/技术解析/阅读:次
(一)发动机壳体
N20发动机壳体由发动机缸体、曲轴箱/底板、 汽缸盖、 汽缸盖罩、油底壳和密封件组成，见下图。
(二)发动机缸体
N20发动机缸体采用压铸铝合金 AISi9Cu3制成，它由曲轴箱和底板组成。该发动机缸体首次采用电弧丝喷涂 LDS技术，该技术可优化汽缸工作表面的特性。冷却水套同样经过了优化，环岸孔可改善环岸区域的冷却效果并根据涡轮增圧发动机的要求进行了调整 。
(1) 机油通道。 N20发动机的机油通道见下图。
(2)冷却液通道。N20发动机売体内的冷却液通道见下图。
(3)补偿口。曲轴箱带有较大的銑削纵向通风孔。这些纵向通风孔可改善活塞上、下运动过程中产生的往复空气柱的压力平衡。位于进气侧汽缸之间轴承座上的附加开口可进一步完善优化效果。 N20发动机轴承座上的补偿口见图2-5-13,
(4)汽缸。在电弧丝两端之间通过较高电压来点燃电弧，此时产生的温度约为3000℃。高温可熔化持续通过的电弧丝。中央和二次压缩空气供气产生的压力使熔化的铁喷涂在汽缸壁上，这样，熔化的颗粒在较高动能和毛细作用下渗入不平表面和侧凹处并凝固，即液态铁与铝合金表面形成机械结合。电弧喷涂工艺原理见图。
喷涂的颗粒与基材结合在一起，喷涂层与基材几乎不存在任何颜色差别，涂层硬度和表面情况可控或得到改善。在所有热喷涂中这种工艺的每小时喷涂率最高，尤其适合较厚涂层或较大表面。经过处理的汽缸具有较高抗拉强度和较小收缩应力。微孔表面可减小摩擦。对于氧化物含量较低的喷涂层，在生产过程中可进行与固体一样的一次性处理。
(三)汽缸盖密封垫
N20发动机的汽缸盖密封垫是三层弹簧钢密封垫。汽缸径向区域焊接一个止动片，以便达到足够的密封压紧力。三层密封垫均带有涂层，汽缸盖和发动机缸体之间的接触面带有含不粘涂层的局部氟橡胶涂层。N20发动机汽缸盖密封塾的结构见下图。
(四)汽缸盖
废气涡轮增压器、VaLvetronic和直接喷射装置组合起来称为涡轮增压VaLvetronic直接喷射装置，即TVDI装置。N20发动机配置TVDI装置，相关部件布置在汽缸盖上，见下图。
1、概述
汽缸盖是全新开发的产品，用于曲轴箱通风的所有部件及泄漏通道均采用集成方式。调压阀可避免在曲轴箱内产生过大的真空压力。根据实际工况要求，N20发动机可在增压运行模式或正常运行模式下进行通风。在正常运行模式下，调压阀进行通风，可调节大约38kPa的真空压力。N20发动机的汽缸盖见下图2-5-17。
泄漏气体通过汽缸进气侧区域的开口到达3个簧片分离器处，附着在泄漏气体上的机油通过簧片分离器分离并沿管壁向下通过单向阀，然后流回汽缸盖内。此时，分离出机油后的浄化泄漏气体根据运行状态进入进气系统内。
2、功能
只有在进气集气管内通过真空压力使单向阀处于开启状态 (即处于自吸式发动机运行模式下)，才能激活标准通风功能。
(1) 自吸式发动机运行模式。进气集气管内的真空压力使汽缸盖泄：漏通道内的第一个单阀打开并通过调压阀抽吸泄漏气体，同时真空压力使增压空气进气管路通道内的第二个单向阀关闭。泄漏气体通过集成在汽缸盖罩内分配管直接进人汽缸盖内的进气通道内。
与废气涡轮增压器前的洁净空气管以及曲轴箱相连的清洁空气管路，通过单向阀直接将新鲜空气输送至曲轴箱内。曲轴箱内的真空压力越大，进入曲轴箱内的空气量越大。这种清污方式可防止调压阀结冰。在自吸式发动机运行模式下的 N20发动机曲轴箱通风原理见下图。
(2) 增压运行模式。如果进气管集成管内的压力升高，那么就无法再通过自吸式发动机运行模式引入泄漏气体，否则可能造成增压压力进入曲轴箱内。此时汽缸盖罩通道内的单向阀关闭，防止曲轴箱出现过压。
在增压运行模式下，由于新鲜空气需求较大，因此废气涡轮增压器与进气消音器之间的洁净空气管内产生真空压力。在真空压力作用下，单向阀打开并在无调节的情况下直接抽吸泄漏气体。此时由于只产生较低真空压力且无需进行限制，因此泄漏气体会绕过调压阀。在增压运行模式下的 N20发动机曲轴箱通风原理见下图 2-5- 19。
(五)油底壳
N20发动机的油底売由压铸铝合金制成。该油底売带有驱动轴开口和主减速器的固定点。带有平衡轴的机油泵装在油底売内，可防止机油飞溅到曲轴上。通过机油回流通道回流的机油
直接流回油底売内，不会接触到曲轴。带有平衡轴的 N20发动机机油泵见下图2-5-20。
带有机油泵和平衡轴的 N20发动机油底売见下图。
(六)曲轴传动机构
1、带有轴承的曲轴
(1)曲轴。N20发动机的曲轴行程为89.6mm，它由 C38modBY材料制成c.该曲轴带有4 个平衡块。N20发动机的曲轴见下图。
(2)曲轴轴承。该曲轴有5个支撑点。止推轴承位于第三轴颈中央。止推轴承以180°的设计方式装在轴承座上。轴承盖内的轴承由无船材料制成，不进行轴向导向。N20发动机的曲轴轴承见下图。
轴承标记印在曲轴箱和曲轴处，该标记在曲轴安装新轴承时使用。N20发动机的曲轴轴承标记见下图。
N20发动机曲轴箱上的曲轴轴承标记见下图。
(3) 活塞销偏置。活塞一般都需要运行间隙，该运行间隙通常会导致活塞由上移动变为向下移动时发出一定的敲击声。由上方施加在活塞上的作用越大以及运行间隙越大，活塞敲击声就越大。
活塞销偏置是指活塞销轴线与汽缸中心面偏置。活塞销正偏置是指朝压力側偏移，活塞销负偏置是指朝背压側偏移。 压力側是指在燃油过程中活塞向下移动时支撑活塞的一侧。 通过活塞偏置可使活塞在压缩行程与作功行程之间的换侧时刻提前到上止点前的较小压力范围内，这这样可以减小噪音。
活塞销既可以朝压力侧(正方向)偏置，也可以朝背压侧(负方向)偏置。压力侧活塞销偏置也称为噪音偏置。背压侧活塞销偏置也称为热偏置，处于该位置时可改善活塞环密封效果。由于在换侧过程中会听到活塞噪音，因此尽可能使换侧推迟到作用力较小的情况下发生。现有宝马发动机一般都通过朝压力侧偏置活塞销来实现上述目的。
活塞销偏置 0.3 ~ 0.8mm，肉眼是看不出来的，这也是在活塞顶部带有方向标记的原因。错误安装可能会导致类似于活塞损坏时发出的巨大噪音。活塞销偏置发动机的换侧原理见下图。
活塞在向上移动过程中靠在背压侧。通过活塞销偏置可使活塞在即将到达上止点前，就到达自然位置。此时汽缸中线以及大连杆头和小连杆头中线相互平行。因此，活塞在到达上止点前便已从背压侧换至压力侧。在此阶段施加在活塞上的作用力仍较小。通过偏心方式支撑活塞，可使从上方施加在活塞上的作用力在活塞一侧的力臂大于另一侧，这样可使活塞在向上移动过程中便开始倾斜且活塞上边缘靠在压力侧上。活塞在继续移动过程中恢复垂直状态并完全靠在压力侧上。
活塞销偏置的缺点为压力侧摩擦会稍稍增大。为了减小噪音，这点不足是可以接受的。
(4) 曲轴偏置。宝马公司在 N20发动机上首次采用曲轴偏置的曲轴箱。曲轴偏置是指曲轴轴线与汽缸中心偏置。既可以在发动机压力侧进行曲轴偏置，也可以在发动机背压侧进行曲轴偏置。曲轴正偏置是指朝压力侧偏移，曲轴负偏置是指朝背压侧偏移。
原则上可以朝两个方向进行曲轴偏置，但至今为止，所有宝马发动机仅朝正偏置方向进行曲轴偏置。曲轴偏置原理见下图。
相对于活塞销正偏置而言，曲轴正偏置于对换侧产生相反方向的作用力。因此，换侧会明显延迟并在较高汽缸压力范围内发生。曲轴偏置发动机的换侧原理见下图。
采用曲轴偏置时，活塞的上止点和下止点会随之转移，在延长位置和重叠位置内达到上止点和下止点。从几何形状来看，连杆和曲轴指向相同方向。
2、带有轴承的连杆
(1) 连杆。N20发动机的中心距为144.35mm。该连杆的特点是小连杆头内带有成型孔。这种设计形式已在 N55 发动机上使用过。成型孔可使活塞通过活塞销作用的力以最佳方式分布在轴套表面上并降低边缘处的负荷。
(2) 连杆轴瓦，N20 发动机的连杆轴瓦用无船材料制成。定位槽可防止连杆侧和轴承盖侧轴瓦安装错误。有两种类型的连接轴瓦：r 类型和 b 类型，其安装位置及颜色见下表。
3、带有活塞环的活塞
N20发动机使用封闭式活塞。活塞直径为84mm。第一个活塞环是氨化钢矩形环。第二个活塞环是鼻形锥面环。刮油环是带有弹簧的钢带环，、 在活塞上有一个安装位置箭头。进行安装时，该箭头始终沿发动机纵向方向指向皮带传动机构_ 必须确保活塞安装位置正确，否则非对称气门凹坑以及进气侧和排气侧的不同强度会使气门很快损坏或封闭式活塞壁破裂。N20 发动机的
活塞及活塞环见下图。
(七)凸轮軸传动装置
N20发动机的凸轮轴传动装置见下图。
1、平衡轴
平衡轴用于改善发动机的运行平稳性和噪音特性。通过装有平衡重块且朝相反方向旋转的两个轴可实现上述目的。N20发动机的平衡轴和机油泵传动装置见下图。
确定平衡轴相对于曲轴的位置时，用一个4.5mm厚的定位心轴固定下部平衡轴，为此必须取出插入定位孔内的密封塞。密封塞可防止在运行过程中机油流入平衡轴室内。室内的过多机油随平衡轴旋转而被带出并通过排出口输送回油底売内。N20发动机的平衡轴结构见下图。
2、气门机构
N20发动机的气门机构见下图。
N20发动机的气门机构部件说明见下图。
进气侧滚子式气门压杆由钢板制成且分为5个等级：等级1至等级5。中间推杆也由钢板制成且分为6个等级：等级00至等级05。
3、凸轮轴
N20发动机采用复合式凸轮轴，所有部件都热压在轴管上，见下图2-5-35。
所有管都用端盖密封。进气凸轮轴上的端盖确保由汽缸盖通过进气凸轮轴为真空泵供油。
排气凸轮轴上的端盖用于提高洁净度。
进气门的气门杆直径为5mm，排气门的气门杆直径为6mm。排气门采用空心钻孔结构且带有钠填充物。排气门的气门座进行了油装处理，进气门的气门座进行了感应硬化处理。进气门和排气门的气门弹簧是不同的，不可互换。
(八)电子气门调节系统(Va1vetronic系统)
1、VANOS系统
N20发动机的 VANOS系统进行了改进。经过改进的 VANOS单元的调节速度得到提高，而且对污物的敏感度降低了。对比 N55发动机，可以看出 N20发动机的 VANOS单元减少了的机油通道。N55发动机的 VANOS单元机油通道见下图。
N20发动机的 VANOS单元机油通道见下图。
(1) 进气凸轮轴 vANOS单元的机油调节通道。利用相关机油通道可使进气凸轮轴朝提前方向调节或朝延迟方向调节，见下图。
(2) 锁销。锁销可确保 VANOS单元在无压力状态下处于锁止位置，这对于确保发动机启动时正时时间准确是非常重要的。除了朝提前方向提供机油外，还通过 VANOS单元内的机油通道向锁销提供机油。当需要朝提前方向调节凸轮轴时，机油压力克服锁止弹簧作用力并向管状部件方向压下锁销，从而释放用于 VANOS单元调节的锁盖。N20发动机 VANOS单元的锁销见下图。
(3) VANOS中央阀。VANOS中央阀用于将 VANOS单元与凸轮轴固定在一起。利用该阀还能控制流入 vANOS单元的机油。电磁执行机构将白身活塞压在 VANOS中央阀的活塞上并移动vANOs中央阀的活塞，从而实现机油流量控制功能。N20发动机进气凸轮轴的 VANOS中央阀工作原理见下图。
2、气门行程调节装置
N20发动机采用 Va1vetronic III机构。气门行程调节装置带有 Va1vetronic伺服电动机。偏心轴传感器集成在 Va1vetronic伺服电动机内。N20发动机的气门行程调节装置见下图。
(九)皮带传动机构
N20发动机的度帯传动机构包括一个带有发电动机和空调压缩机的主度带传动机构和一个带有；一考二向動力聚的抽動度带传动机构_ 主传动度带传动机构带有-一一个皮带张紧器。辅助度带传动机构由转轮张紧系统进行张紧、 N20发动机的度带传动机构见下图。
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