宝马新7系G11/G12底盘车型的动力传动系统解析(3)
BMWCHE/2016-01-13/技术解析/阅读:次
三、柴油发动机
柴油发动机
用于区分两款柴油发动机型号的一个主要特点是增压方式不同。BMW 730d 使用一个废气涡轮增压器，而BMW 740d 2 串联连接的废气涡轮增压器提高了效率和功率。
G11/G12 B57 发动机的发动机室概览见下图：
1 发动机结构盖板
2 集成式供电模块
3 数字式柴油机电子系统 DDE
4 风窗框板盖板
5 前桥支撑座
6 用于冷却液循环回路的补液罐
7 双锁系统
8 弹簧减振支柱顶前部支撑杆
9 冷却套件盖板
10 进气消音器
11 谐振器
12 跨接起动接线柱
13 12 V 蓄电池（车载网络支持措施）
14 清洗液补液罐加注口
1、BMW 730d/Ld（xDrive）
(1)技术数据
B57D30O0 发动机满负荷曲线图见下图：
(2)B57 发动机技术亮点
B57 发动机见下图：
1 2500 bar 共轨系统
2 特性曲线控制式机油泵
3 可切换活塞冷却
4 高压和低压废气再循环
5 在数字式柴油机电子系统 DDE 内集成预热控制功能
6 新型数字式柴油机电子系统 DDE 8.32。
2、BMW 740d/Ld（xDrive）
(1)技术数据
(2)B57 顶级发动机技术亮点
B57 顶级发动机见下图：
1 2500 bar 共轨系统
2 特性曲线控制式机油泵
3 可切换活塞冷却
4 两个带 VNT 调节器的废气涡轮增压器（高压和低压段）
5 高压和低压废气再循环
6 在数字式柴油机电子系统 DDE 内集成预热控制功能
7 新型数字式柴油机电子系统 DDE 8.32。
有关 B57D30O0 和 B57D30T0 发动机的详细介绍参见产品信息 B57 发动机。
3、系统电路图
G11/G12 B57 发动机的系统电路图见下图：
1 数字式柴油机电子系统 DDE
2 电子扇
3 电子扇继电器
4 发动机室配电盒
5 空调压缩机
6 小齿轮起动机
7 发动机通风加热装置（选装配置寒带国家规格）
8 CAN 终端电阻 5
9 CAN 终端电阻 4
10 车身域控制器 BDC
11 智能型蓄电池传感器 IBS
12 右后配电盒
13 燃油泵控制系统 FPC
14 电动燃油泵
15 高级碰撞和安全模块 ACSM
16 燃油滤清器加热装置
17 组合仪表 KOMBI
18 加速踏板模块 FPM
19 动态稳定控制系统 DSC
20 集成式供电模块
4、进气和排气系统
(1)进气导管
G11/G12 B57 发动机的进气导管见下图：
1 带格栅的未过滤空气进气装置
2 宽带减振器
3 双管式未过滤空气导管
4 进气消音器
5 谐振器
6 泄漏气体管路
7 低压废气再循环接口
8 洁净空气管
9 增压空气冷却器后的增压空气软管
10 增压空气冷却器前的增压空气软管
谐振器
进气系统内空气柱加速和减速会产生噪音。借助洁净空气管内谐振器的附加容积可抵消约 60 Hz 范围的低频噪音。
宽带减振器
超过废气涡轮增压器的喘振极限时，会因压缩机侧过压较高导致少量压缩空气朝进气方向回流。由此会导致压缩机侧过压降低并低于喘振极限范围。由于上述超过和低于喘振极限的情况以飞快的速度交替出现，由此会产生 1500 至 3000 Hz 的高频噪音。通过宽带减振器可抵消上述噪音。
低压废气再循环
为了不损坏进气系统的塑料部件且向增压空气输送尽可能少的热量，在将高温废气引入洁净空气管前通过经由冷却液冷却的废气再循环冷却器对其进行冷却。为了防止进气系统被颗粒物所污染，会抽出柴油颗粒过滤器后的废气。
有关低压废气再循环的详细介绍参见下一章节“排气系统”和产品信息“B57 发动机”。
(2)排气系统
根据功率等级使用两种不同的排气装置。
以下插图展示了两种不同的排气系统型号。
G11/G12 柴油发动机的排气系统见下图：
A B57 发动机（单管式）
B B57 顶级发动机（双管式）
1 氮氧化物存储式催化转换器和柴油颗粒过滤器
2 SCR 催化转换器（选择性催化剂还原）
3 电动背压阀
4 后部消音器
欧六排气系统措施：
• 使催化转换器和柴油颗粒过滤器位于发动机附近
• 使催化转换器和柴油颗粒过滤器隔音、隔热
• 高压和低压废气再循环
• 选择性催化剂还原 SCR。
排气尾管型号
G11/G12 柴油发动机的排气尾管型号见下图：
G11/G12 的排气尾管挡板不是排气装置的组成部分，而是集成在后部保险杠内。
(3)尾气排放规定
G11/G12 的排气系统针对将来的排放法规指导方针进行了相应调整。为了更好地理解在排气系统和柴油机车辆方面的较高费用支出，本章节将对欧洲排放法规进行简要概述。
1988 年，美国加利福尼亚大气资源局 CARB 首次引入了用于监控尾气排放相关系统功能安全的车载诊断系统 OBD 系统。
车载诊断 OBD 不仅用于确保新车注册时符合排放标准，而且还用于在整个车辆使用寿命期间监控是否遵守法定限值。
1998 年 10 月，欧盟以法规形式引入 OBD II。与 OBD I 相比的一个新特点是可对监控系统进行监控。
下图展示了欧三至欧六的法定排放标准发展情况以及相关 OBD 限值的发展情况。
以图形方式对比欧洲排放标准限值和 OBD 限值见下图：
A 颗粒物质量 PM [mg/km]
B 氮氧化物 NOx [mg/km]
1 欧六尾气排放限值
2 欧五尾气排放限值
3 欧四尾气排放限值
4 欧三尾气排放限值
5 欧六尾气排放规定的车载诊断 OBD 限值
6 欧五尾气排放规定的车载诊断 OBD 限值
7 欧三/四尾气排放规定的车载诊断 OBD 限值
立法机构以两级方式引入欧六车载诊断 OBD 限值。第一级自 2014 年 9 月 1 日生效，计划第二级自2017 年 9 月 1 日生效。在本手册中仅涉及第一级的 OBD 限值。
行驶循环
为了能够针对欧洲排放规定对不同汽车制造商的尾气排放量进行比较，自 1992 年起提出所谓的新欧洲行驶循环 NEFZ。
1997 年结合欧三排放标准对 NEFZ 进行了改进。此外还针对得出的废气量计算了由此得出的耗油量。
将来（2017 年）会对 NEFZ 增加一项实际驾驶排放（RDE）法规。实际驾驶排放 RDE 的一个特点是与当前 NEFZ 相比负荷可能更高。由此负荷较高时需要相关系统来还原氮氧化物。通过高压和低压废气再循环，G11/G12 现在已做好了满足实际驾驶排放 RDE 法规严格规定的准备。
为了能够现在就满足将来的法规要求，柴油发动机的排气系统需要不同的新型系统和传感器。
用于减少污染物的系统分为：
• 用于发动机内部措施的系统
• 用于废气再处理的系统。
(4)高压和低压废气再循环
废气再循环是一项用于还原氮氧化物 NOx 的发动机内部措施。在此会根据运行状态将规定废气量与新鲜空气进行混合。
由此减少的新鲜空气量会：
• 降低燃烧室内的含氧量
• 降低最高燃烧温度。
之前主要在部分负荷范围内进行废气再循环来还原氮氧化物。将废气再循环程度扩展至满负荷时可实现较高废气涡轮增压器增压效率，因此仅在充分使用节气门时才会进行高压废气再循环。
这会带来以下问题：
• 通过降低允许最大增压压力减小了发动机扭矩
• 降低了效率进而提高了耗油量。
低压废气再循环系统在较高负荷下也可实现高效运行且不会存在上述缺点。低压废气再循环占整个废气再循环程度的百分比针对各发动机运行时刻和各发动机型号单独确定并以特性曲线形式存储在数字式柴油机电子系统 DDE 内。
下面通过示意图展示了两个废气再循环系统的结构（不包括相关传感器系统）。
G11/G12 B57 发动机高压和低压废气再循环示意图见下图：
A B57 顶级发动机
B B57 发动机
C 高压段（小废气涡轮增压器）
D 低压段（大废气涡轮增压器）
E 废气涡轮增压器
F 高压废气再循环
G 低压废气再循环
1 高压废气再循环的废气再循环冷却器
2 高压废气再循环的废气再循环冷却器旁通阀
3 高压废气再循环的废气再循环阀
4 涡轮调节阀
5 高压段可变涡轮几何结构调节器
6 低压段可变涡轮几何结构调节器
7 氮氧化物存储式催化转换器和柴油颗粒过滤器
8 选择性催化剂还原催化转换器（SCR 催化转换器）
9 废气积蓄阀
10 低压废气再循环的废气再循环冷却器
11 低压废气再循环的废气再循环阀
12 低压段压缩机轮
13 高压段压缩机轮
14 压缩机旁通阀
15 增压空气冷却器
16 节气门
17 进气通道转换风门调节器
18 可变涡轮几何结构调节器
19 压缩机轮
进行低压废气再循环时会抽出柴油颗粒过滤器后的废气并通过废气再循环冷却器将其输送至新鲜空气。
在此将热膜式空气质量流量计后和废气涡轮增压器前的冷却废气输送至洁净空气。通过抽出柴油颗粒过滤器后的废气并采用带有特殊涂层的废气涡轮增压器压缩机轮可防止造成损坏。
为了能够根据运行时刻对相应废气再循环量进行再循环，必须对进气与排气系统间的压力差进行部分调节。电动操纵的废气再循环阀根据运行时刻调整横截面开启度。通过选择性催化剂还原 SCR 催化转换器后的一个电动操纵废气积蓄阀可使废气积蓄从而提高排气系统内的废气压力。通过同时调节两个执行元件可在所有运行时刻向新鲜空气输送正确废气量。
有关废气再循环的详细介绍参见产品信息“B57 发动机”。
5、选择性催化剂还原 SCR
为了满足不断提高的尾气排放规定，BMW 在当前柴油发动机上采用以下技术从而在废气再处理过程中还原氮氧化物：
• 氮氧化物存储式催化转换器 NSC
• 选择性催化剂还原 SCR。
BMW 引入这两个系统时均使用“BMW Blue Performance”作为销售名称。
选择性催化剂还原 SCR 是一项 BMW 高效动力措施，可确保现代柴油机车辆以经济方式运行。
SCR 系统通过向废气中配给一种还原剂（Ad-Blue®）将氮氧化物还原至最低程度。在此不会影响实际燃烧过程且柴油发动机的高效性能保持不变。
(1)欧六车型概览
下表概括了现在在哪些车型上使用哪代 SCR？
NEFZ = 新欧洲行驶循环
RDE = 实际驾驶排放行驶循环。
下表概览了欧六 SCR 控制单元和 SCR 罐系统的不同安装位置。
S1 SCR 控制单元
S2 SCR 控制单元
S3 DDE 控制单元（带集成式 SCR 控制单元）
A1 主动罐，型号 1，6.4 l
A2 主动罐，型号 3，10 l
A3 主动罐，型号 4，13.7 l
A4 主动罐，型号 5，15 l
A5 主动罐，型号 6，20 l
P1 被动罐，型号 7，4.5 l
P2 被动罐，型号 8，16.5 l
EA 主动罐加注口
EP 被动罐加注口
EK 燃油箱加注口
(2)G11/G12 系统概览
下图展示了 B57 发动机的排气系统及其相关执行机构和传感器。
G11/G12 B57 发动机废气再处理概览见下图：
1 用于低压废气再循环模块的差压传感器
2 用于柴油颗粒过滤器的差压传感器
3 低压废气再循环的废气再循环阀
4 通过冷却液冷却的低压废气再循环模块
5 柴油颗粒过滤器
6 氮氧化物存储式催化转换器
7 宽带氧传感器
8 废气温度传感器
9 数字式柴油机电子系统 DDE
10 氮氧化物传感器控制单元
11 宽带氧传感器（LSU 5.1）
12 氮氧化物传感器
13 计量模块
14 混合器
15 氮氧化物传感器控制单元
16 颗粒物质量传感器控制单元（仅限美规）
17 废气温度传感器
18 SCR 催化转换器 1
19 SCR 催化转换器 2
20 颗粒物质量传感器（仅限美规）
21 氮氧化物传感器
22 电动废气积蓄阀执行机构
23 废气积蓄阀
24 带加热装置的计量管路
25 排泄管
26 燃油箱盖
27 排气罐
28 SCR 罐（20 l）
29 加热装置
30 罐法兰模块
31 右后配电盒
32 SCR 控制单元
SCR 罐法兰模块与 SCR 罐单元牢固连接在一起，维修时无法单独更换。SCR 输送模块通过三个螺栓固定在 SCR 罐法兰模块上，可单独更换。过滤器、加热元件和液位传感器与 SCR 罐法兰模块牢固连接在一起，因此只能通过更换整个 SCR 罐单元的方式来进行更换。
过滤器设计用于整个车辆使用寿命。过滤器无需进行更换。
SCR 输送模块见下图：
1 预输送泵
2 计量管路接口
3 电气接口
4 回流泵
5 预输送接口
6 回流接口
(3)加注
为了不影响系统功能，只允许使用许可的 ISO 22241-1 标准 Ad-Blue®。
避免皮肤直接接触 Ad-Blue® 液体和接触车辆表面。接触可能会导致刺激眼睛和皮肤或造成表面损坏。
液位较低时会向客户发出加注提醒，以便及时行驶到加注站。下表对加注提醒进行了总结。
因 SCR 罐排空导致关闭情况时，加注 Ad-Blue® 液体即可。因 SCR 罐排空进行加注时应至少加满三个KRUSE 瓶。KRUSE 瓶容量为 0.5 加仑（1.89 l）。
像耗油量一样，Ad-Blue® 消耗量也取决于驾驶风格。采用正常驾驶方式时，消耗量约为每千公里 1升。根据上述假设，G11/G12 加注一次 Ad-Blue® 可在下次加注前行驶约 20000 km。
用加注枪或 KRUSE 瓶进行 SCR 加注见下图：
A 用加注枪进行加注
B 用 KRUSE 瓶进行加注
SCR 系统不仅可通过 KRUSE 瓶进行加注，而且也首次实现了可通过在很多加注站广泛使用的 Ad-Blue®（LKW）加注枪进行加注。德国加注站加注机的最低加注量约为 2 l。根据测量和校准法的法律规定可能无法通过加注枪进行不足 2 l 的加注。
SCR 加注口位于燃油箱盖板后柴油加注口旁，十分容易找到。
可以每分钟 40 升的输送率进行系统加注。因此与用 KRUSE 瓶进行加注相比，可使 20 升罐的加注时间降至 30 秒。
G11/G12 SCR 加注管的排气罐见下图：
1 SCR 罐
2 排气罐
3 SCR 液体（Ad-Blue®）加注管
4 SCR 液体（Ad-Blue®）通风管路
5 燃油箱盖
6 柴油排气管路
7 柴油加注管
进行 SCR 罐加注时会从 Ad-Blue® 中排出 SCR 罐内的空气。空气通过一个通风管路进入排气罐内。用加注枪对 SCR 系统进行加注时会非常迅速地排出空气。由于排气管路直径较小，因此流速提高。在排气罐内会滤掉通过较高流速带出的 Ad-Blue® 液体。从而防止在加注过程中 Ad-Blue® 喷出。
由于加注过程结束时不会再排出空气，因此加注管内的背压会迅速升高。加注管内压力升高会使加注枪自动关闭。
此外，排气罐的附加容积还可使 SCR 罐系统额外吸收拔出加注枪时进入加注管的少量剩余液体。这样可防止 SCR 液体（Ad-Blue®）溢出。
柴油和 Ad-Blue® 这两个加注口采用不同设计，使用普通加注枪时不会弄混。
用 KRUSE 瓶进行加注见下图：
A 将瓶子装好并转到限位位置
B 将瓶子向下压（加注过程）
C 将瓶子拉回并拧下
用瓶子对 SCR 罐加注例如防冻剂后不要再起动发动机。有起火危险。
Ad-Blue® 可被微生物利用，非常容易分解。因此在德国将其划分为最低水危害等级（WGK 1）。如果加注时出现了任何误操作，用大量水进行彻底冲洗即可。
加注错误保护功能
对于驾驶员而言的一大优点是容易接触到 SCR 罐加注口。但紧靠柴油燃油箱加注口也会存在弄混的危险。通过两个加注口采用不同设计，使用普通加注枪进行加注时几乎不会出现弄混的情况。
Ad-Blue® 加注枪和柴油加油枪见下图：
A Ad-Blue® 加注枪
B 柴油加油枪
上图展示了两个加注枪的不同直径。由于柴油加油枪直径较大，无法插入 SCR 加注口的加注管内。因此不会向 SCR 罐错误加注柴油。
下图展示了两个加注口的不同设计机构。
G11/G12 SCR 加注口和柴油加注口的加注错误功能见下图：
A Ad-Blue® 加注枪插入深度
1 Ad-Blue® 加注枪
2 磁环（永久磁铁）
3 SCR 加注口
4 柴油加注口
5 锁销
6 盖
只有通过正确直径的加油枪操作两个锁销（5）时，柴油加注口盖（6）才会开锁。之后可通过加油枪在两侧压住盖（6）使加油枪能够插至柴油加注口内的限位位置。
SCR 加注口带有一个磁环。用 Ad-Blue® 加注枪进行加注时应确保将其插至 SCR 加注口内的限位位置。这样一方面可防止 Ad-Blue® 液体喷出，另一方面可确保通过磁环释放加注枪。根据具体国家情况使用不同的 Ad-Blue® 加注枪。其中一些 Ad-Blue® 加注枪带有锁止机构。将锁止机构穿过磁环时可在磁场作用下打开锁止装置并可开始进行加注。
根据 Ad-Blue® 加注枪型号，插入深度过浅时可能无法启动加注过程。
(4)Ad-Blue® 服务信息
根据具体车型，SCR 系统用一个或两个附加罐来携带不同量的 Ad-Blue®。Ad-Blue® 是尿素与水的混合物，在此将其作为还原剂直接喷入柴油颗粒过滤器后的废气中。
由于所用并非纯尿素而是与水的混合物，因此车外温度很低时（-11° C）尿素与水的混合物可能会结冰。
不同混合比例的 Ad-Blue® 冰点图示见下图：
A 水的冰点
B Ad-Blue® 的冰点
T [° C] 温度（℃）
Urea in g 尿素比例（g/100 g 溶液）
为了确保 Ad-Blue® 的最低冰点，尿素与水的混合比例为 32.5 %。即 100 g Ad-Blue® 溶液中包含32.5 g 尿素和 67.5 g 水。
如果所需 32.5 % 混合比例与实际情况不符会导致以下问题：
• 混合物冰点降低
• 调整计量量会产生故障代码存储器记录。
尿素浓度过低
SCR 罐内的尿素浓度过低时，可能会因计量量适配值为正而产生故障代码存储器记录。在此情况下会增加对计量模块的控制，直至超过最大调节限值。
尿素浓度过高
有大量水蒸发时，SCR 罐内的尿素浓度会提高。这会导致冰点降低。此外在车外温度较高的情况下尿素浓度较高容易导致凝结堵塞进而无法产生压力。
尿素凝结见下图：
出于上述原因建议进行故障查询时检查尿素与水含量的浓度。
通过折射计（订购编号 81 39 2 296 522）可确定尿素与水的混合物的准确浓度。测量值应在 31.8 %至 33.3 % 之间。
混合比例错误时必须更换 SCR 液体（Ad-Blue®）。不允许通过加水的方式来校正混合比例。
折射计见下图：
A 折射计
B 刻度（蓄电池酸液密度/冷却液防冻剂/尿素与水的混合物 Ad-Blue®）
Ad-Blue® 液体应存放在一个密封容器内并采取紫外线防护措施。
如果需要更换 Ad-Blue®，可在维修时通过抽吸、检测和加注设备来进行。
• 220 V 抽吸设备（欧洲）订购编号：81 39 2 302 782
• 110 V 抽吸设备（美国）订购编号：81 39 2 302 919。
进行有关 Ad-Blue® 液体的维修工作时应注意不要让含有矿物油的物质进入 SCR 系统内。所用工具必须无机油和油脂！接触矿物油会导致 SCR 系统密封件膨胀。
(5)故障查询服务信息
SCR 系统各种部件故障也可能会在发动机关闭状态下阻止重新起动。为使维修车间能在进行故障查询时起动发动机，在 BMW 诊断系统 ISTA 内提供服务功能“复位：SCR 关闭情况”。复位功能可使发动机重新起动并继续行驶 99 km。如果在继续行驶 99 km 期间未清除当前故障，关闭情况会再次出现并阻止发动机重新起动，直至排除该故障并删除故障代码存储器记录。
出现该故障时无法再重新启用复位功能。如果清除故障一段时间后故障又再次出现，可通过复位功能重新进行故障查询从而行驶 99 km。
G11/G12 因 SCR 故障出现关闭情况的流程图见下图：
1 SCR 系统故障
2 确保 SCR 液位正确
3 发动机可起动
4 无发动机起动授权
5 启用 SCR 复位功能
6 发动机起动授权可行驶 99 km（一次）
7 维修成功
8 维修失败
此外，维修时在 BMW 诊断系统 ISTA 内还提供很多工作流程。
进行故障查询时应注意以下要点：
1 如果更换了 SCR 系统的某一组件，必须对相应适配进行复位。
2 脱离因 SCR 故障出现的关闭情况后，接下来可能需要进行调节行驶。为此可通过 BMW 诊断系统ISTA 获得相关提示。
有关通过选择性催化剂还原 SCR 2 进行废气再处理的详细介绍参见产品信息“欧六 SCR 2”。
(6)系统电路图
G11/G12 SCR 系统电路图见下图：
1 数字式柴油机电子系统 DDE
2 计量模块
3 CAN 终端电阻 5
4 车身域控制器 BDC
5 计量管路加热装置
6 带输送泵和回流泵的 SCR 输送模块
7 加热装置
8 主动罐液位传感器，温度传感器和加热装置
9 20 l 主动罐
10 SCR 控制单元（DCU）
11 右后配电盒
12 SCR 催化转换器前的氮氧化物传感器
13 柴油颗粒传感器（仅限美规）
14 废气温度传感器
15 SCR 催化转换器后的氮氧化物传感器
对 SCR 控制单元进行电气测量时，维修时可使用两个新型适配电缆。
• 13 芯适配电缆：83 30 2 408 765
• 26 芯适配电缆：83 30 2 408 766。
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