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拆解寶馬N20發(fā)動機(jī)
2012
年12
月18日 00:23 來源：汽車之家 類型：原創(chuàng) 編輯：馮景毅 評論：306條
［汽車之家 拆解］ 全新的四缸渦輪增壓發(fā)動機(jī)——N20，可謂是寶馬的扛鼎之作，它肩負(fù)著取代自然吸氣式直列六缸發(fā)動機(jī)（代號N52）的重任。而人們也難免會將這個(gè)全新“代表作”與老去的“經(jīng)典”進(jìn)行比較，好在它憑借著渦輪增壓系統(tǒng)以及一系列全新的技術(shù)裝備，造就出更加出色的動力性能以及燃油經(jīng)濟(jì)性。它確實(shí)在用自身的實(shí)力踐行著寶馬的Efficient Dynamics（高效動力）策略。
● N20發(fā)動機(jī)型號的劃分
『寶馬3系』 『寶馬X1』
『
寶馬1系』 『寶馬5系』 目前，N20發(fā)動機(jī)已經(jīng)搭載于X1、新3系、5系等車型上。按照產(chǎn)地的不同，N20發(fā)動機(jī)分為進(jìn)口和國產(chǎn)兩種版本，裝配到具體車型上又分為高功版和低功版，而這些完全可以通過位于缸體上的發(fā)動機(jī)編號來加以辨別（最后一位字母的不同）。此外，如果你想了解更多關(guān)于寶馬發(fā)動機(jī)編號所蘊(yùn)藏的秘密，請點(diǎn)擊此處。
在沈陽鐵西工廠（寶馬在歐洲以外的第一家發(fā)動機(jī)工廠）所生產(chǎn)的N20發(fā)動機(jī)都嚴(yán)格執(zhí)行寶馬的全球生產(chǎn)流程控制體系，不會因?yàn)楫a(chǎn)地不同而出現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)上的差異。在具體的零部件采購方面，國產(chǎn)N20發(fā)動機(jī)的部分零部件根據(jù)就近原則，選用了國內(nèi)的一些供應(yīng)商，而目前N20發(fā)動機(jī)的國產(chǎn)化率為40%（即40%的零部件由國內(nèi)生產(chǎn)）。
高功版和低功版發(fā)動機(jī)在硬件上主要是活塞頂部的形狀不同，從而導(dǎo)致二者壓縮比也不同，這一點(diǎn)在文章后面我會詳細(xì)講到，同時(shí)發(fā)動機(jī)電腦的程序也會進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整以適配更高功率的動力輸出。此次我們拆解的為進(jìn)口低功版的N20發(fā)動機(jī)。
● 分體式曲軸
箱
通過上圖可以看到，N20發(fā)動機(jī)的曲軸箱由兩部分組成，一個(gè)為曲軸箱主體，另一個(gè)為底板，底板通過螺栓與缸體連接，其主要用來固定曲軸。與普通發(fā)動機(jī)只通過軸瓦蓋來進(jìn)行固定的方式相比，這種設(shè)計(jì)能為缸體提供足夠的扭轉(zhuǎn)剛性，同時(shí)可以對高轉(zhuǎn)速下的曲軸提供更為精確的支承。
● 應(yīng)用于氣缸壁上的電弧絲噴涂工藝
從2007年推出市場的N54雙渦輪增壓發(fā)動機(jī)到現(xiàn)在的單渦輪增壓發(fā)動機(jī)N55和N20，它們都一改N52發(fā)動機(jī)的鎂鋁合金缸體，轉(zhuǎn)而采用了傳統(tǒng)的鋁合金材質(zhì)。其中最新的N20發(fā)動機(jī)在氣缸壁處首次采用了電弧絲噴涂工藝，該工藝通過高電壓下產(chǎn)生的高溫電弧來熔化金屬鐵，并通過高壓空氣將鐵噴涂在鋁合金材質(zhì)的氣缸壁上。
鐵涂層可以有效提高氣缸壁的強(qiáng)度，而噴涂后所形成的微孔表面又可以減小活塞運(yùn)行時(shí)
的摩擦。由于鋁合金的導(dǎo)熱性更好，所以通過這種工藝只需噴涂很薄的一層便可滿足相應(yīng)的要求，而且缸體部位也可以實(shí)現(xiàn)最佳的熱傳導(dǎo)。與普通鋁合金發(fā)動機(jī)采用鑄鐵缸套的設(shè)計(jì)相比，N20發(fā)動機(jī)的電弧絲噴涂工藝要更為先進(jìn)。
● 兩種材質(zhì)的油底殼
根據(jù)搭載車型的不同，N20發(fā)動機(jī)共有兩種不同材質(zhì)的油底殼，其中適配xDrive車型的N20發(fā)動機(jī)為鋁合金材質(zhì)的油底殼，這主要是因?yàn)樵撚偷讱ば枰型兴尿?qū)系統(tǒng)中的前橋差速器。后驅(qū)車型所搭載的N20發(fā)動機(jī)的油底殼由于無需承托其它結(jié)構(gòu)，所以其為耐熱樹脂材質(zhì)，它的優(yōu)點(diǎn)就是重量更輕、隔音性更好，同時(shí)成本也相對更低。
兩種不同材質(zhì)的油底殼上都集成了
機(jī)油傳感器，該傳感器既可檢測機(jī)油量，還可以對機(jī)油品質(zhì)進(jìn)行分析，從而判斷是否應(yīng)該對機(jī)油進(jìn)行更換，（具體檢測原理請點(diǎn)擊此），這種智能監(jiān)測保養(yǎng)系統(tǒng)也就是寶馬的CBS車況保養(yǎng)服務(wù)系統(tǒng)。
● 鍛造曲軸
N20發(fā)動機(jī)采用鋼制的鍛造曲軸，其中四個(gè)平衡塊用來確保發(fā)動機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，其上開有的平衡孔用來保證曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動平衡
● 活塞銷偏置和曲軸偏置技術(shù)
活塞銷用來連接活塞與連桿，從表面看，活塞銷恰好處在活塞的中心位置。在壓縮行程時(shí)，活塞在連桿的推動下上移，此時(shí)活塞的右側(cè)緊貼氣缸壁且受到的壓力最大，我們也將活塞的這一側(cè)稱為次推面。在做功行程時(shí)，活塞下移，此時(shí)活塞左側(cè)緊貼氣缸壁且受到的壓力最大。由于做功行程時(shí)氣缸內(nèi)的壓力相比壓縮行程更大，所以我們也將活塞的左側(cè)稱為主推面。
對于曲軸處在氣缸中心線位置的
發(fā)動機(jī)來說，當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)的位置并開始向下移動時(shí)，由于活塞與氣缸壁之間存在間隙，所以活塞會從右側(cè)向左側(cè)移動，并產(chǎn)生一定的沖擊聲，此種現(xiàn)象也被稱為敲缸。為了防止敲缸的產(chǎn)生，通常在設(shè)計(jì)活塞銷的位置時(shí)將其向活塞的主推面一側(cè)偏離最大2毫米左右，當(dāng)活塞換向時(shí)，活塞在缸筒內(nèi)則會發(fā)生傾斜，從而起到提前換向的作用，以此減輕敲缸聲，而這種活塞銷的偏置肉眼幾乎看不出來。
寶馬的很多發(fā)動機(jī)都采用了活塞銷正偏置的設(shè)計(jì)來減小敲缸聲，但N20發(fā)動機(jī)的活塞銷卻是負(fù)偏置的設(shè)計(jì)
（負(fù)偏置0.3毫米），這是為了配合寶馬首次在發(fā)動機(jī)上所應(yīng)用的曲軸正偏置的設(shè)計(jì)。
所謂的曲軸偏置是指曲軸的軸線向氣缸中心面的一側(cè)偏置，與活塞銷偏置類似，曲軸偏置也分為向活塞主推面偏置的曲軸正偏和向活塞次推面偏置的曲軸負(fù)偏。通過上圖可以清楚地看到N20發(fā)動機(jī)的曲軸軸線偏離氣缸的中心面（正偏置14毫米）。
通常來說，如果活塞銷與曲軸都采用正偏置的設(shè)計(jì)，會對減小敲缸聲起到相反的作用，所以N20發(fā)動機(jī)采用了活塞銷負(fù)偏置和曲軸正偏置相結(jié)合的方式，這樣可以最大化地減小敲缸聲，而這樣做的缺點(diǎn)就是會增加活塞主推面的摩擦。
曲軸偏置的設(shè)計(jì)還有一個(gè)好處就是在做功行程時(shí)，連桿更接近于垂直狀態(tài)，
這樣可以更
多地將燃燒產(chǎn)生的壓力作用于曲軸，同時(shí)也減小了活塞在氣缸壁上的壓緊力和摩擦，從而提高活塞運(yùn)動時(shí)的效率�？偟膩碚f，N20發(fā)動機(jī)通過活塞銷負(fù)偏置和曲軸正偏置的設(shè)計(jì)，最終減小了敲缸聲，并且提高了發(fā)動機(jī)的工作效率。
● 活塞
N20發(fā)動機(jī)的高
功率版和低功率版反應(yīng)在硬件上，主要是活塞頂部的形狀不同，從而導(dǎo)致兩種版本的壓縮比不同。高功率版通過更大的增壓值來獲取更高的動力輸出，為了減小爆震情況的發(fā)生，它的壓縮比為10:1；而低功率版剛好相反，因此可以相應(yīng)地提高壓縮比，低功版發(fā)動機(jī)的壓縮比為11:1。
● 凸輪軸
N20發(fā)動機(jī)
的凸輪軸為空心結(jié)構(gòu)，在提升強(qiáng)度的同時(shí)也降低了重量。凸輪軸上的凸輪等相關(guān)部件通過熱壓工藝直接壓到凸輪軸上，此種工藝能夠有效提升凸輪軸的制造精度。 ● Double-VANOS可變氣門正時(shí)系統(tǒng)
N20發(fā)動機(jī)應(yīng)用了最新一代的Double-VANOS進(jìn)、排氣門雙可變氣門正時(shí)系統(tǒng)，相比應(yīng)用于N55發(fā)動機(jī)上的VANOS系統(tǒng)，新一代VANOS系統(tǒng)對正時(shí)的調(diào)節(jié)更快，而與N55發(fā)動機(jī)相
同的是其進(jìn)、排氣門的最大調(diào)整范圍（進(jìn)氣門35°，排氣門27.5°），同時(shí)通過對電磁閥的油路以及相應(yīng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，新一代VANOS
降低了對機(jī)油中污染物的敏感度。
在拆解的很多零部件上都可以看到二維碼的標(biāo)識，這些標(biāo)識在發(fā)動機(jī)裝配時(shí)通過掃碼就可以確定這批零部件是否是這臺發(fā)動機(jī)所需，提高了裝配效率，同時(shí)也能對零部件的生產(chǎn)日期、流向等進(jìn)行詳細(xì)查詢。
● 第三代Valvetronic電子氣門升程系統(tǒng)
N20發(fā)動機(jī)采用了與N55發(fā)動機(jī)相同的第三代Valvetronic電子氣門升程系統(tǒng)，它的特點(diǎn)是帶動偏心軸旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)的尺寸更小，同時(shí)用來檢測偏心軸旋轉(zhuǎn)角度的傳感器也集成在了伺服電機(jī)內(nèi)。除此之外，它的工作原理沒有任何變化，依然是可以對進(jìn)氣門側(cè)的氣門升程進(jìn)行從0.3毫米到9.9毫米之間的無級調(diào)節(jié)。
下面這段視頻非常形象、直觀地介紹了Valvetronic電子氣門升程系統(tǒng)的工作原理，請點(diǎn)擊播放。
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此外，N20發(fā)動機(jī)排氣門側(cè)的氣門還應(yīng)用了氣門充鈉技術(shù)，這種技術(shù)將氣門桿設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，然后將金屬鈉充入其中。在發(fā)動機(jī)正常的工作溫度下，處于液態(tài)的金屬鈉會隨著氣門的開閉而上下運(yùn)動。由于鈉的比熱容較大，所以它能夠很好地吸收來自氣門頭部的熱量并進(jìn)行傳導(dǎo)，這就降低了氣門在惡劣工作環(huán)境下的溫度。
●
雙渦管渦輪增壓器
N20發(fā)動機(jī)使用了一臺與N55發(fā)動機(jī)相同的雙渦管渦輪增壓器，所謂的雙渦管是指有兩條互不干涉的管路都通向廢氣渦輪側(cè)。對于四缸發(fā)動機(jī)來說，根據(jù)1-3-4-2的氣缸做功順序，將1、4缸組成一條管路，2、3缸組成另一條管路。這種雙渦管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以減小排氣干
涉，讓排氣壓力更為平穩(wěn)持續(xù)，同時(shí)雙渦管的結(jié)構(gòu)減小了每個(gè)渦管的截面積，
從而提高了排氣氣流的速度，最終起到減小渦輪遲滯和提升增壓的效果。
N20發(fā)動機(jī)的排氣歧管和渦輪增壓器焊接集成在了一起，渦輪和葉輪的直徑通過對比“1角”硬幣來進(jìn)行直觀地了解。該渦輪增壓器通過機(jī)油和冷卻液共同進(jìn)行散熱，其中冷卻液的水道由單獨(dú)的電動水泵來控制，當(dāng)車輛熄火后，在電動水泵的驅(qū)動下，冷卻液依然可以對渦輪增壓器進(jìn)行散熱。
● 真空泵
由于加入了渦輪增壓系統(tǒng)，所以進(jìn)氣管路在增壓模式下難以提供符合標(biāo)準(zhǔn)的真空度，
因
此N20發(fā)動機(jī)也設(shè)計(jì)了與N55發(fā)動機(jī)相同的真空泵來獲取真空。真空泵安裝在進(jìn)氣凸輪軸的一端，隨著凸輪軸的旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生真空，產(chǎn)生的真空將提供給制動助力器以及控制渦輪增壓器中廢氣旁通閥的電子伺服裝置。
● 平衡軸
由于四缸發(fā)動機(jī)的做功間隔角相比六缸發(fā)動機(jī)更大，所以N20發(fā)動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)平順性方面可以說具有先天的劣勢。為了盡可能減小和平衡發(fā)動機(jī)的振動，N20發(fā)動機(jī)應(yīng)用了平衡軸技術(shù)。在發(fā)動機(jī)曲軸的下方，是一個(gè)疊加布置（上下布置）的平衡軸機(jī)構(gòu)，它由曲軸通過鏈條進(jìn)行驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速是曲軸的2倍。此外它的另一端連接機(jī)油泵，并驅(qū)動其運(yùn)轉(zhuǎn)。
N20發(fā)動機(jī)的這套平衡軸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)較為特殊，一是采用了疊加的布置形式（與傳統(tǒng)分布于曲軸兩側(cè)相比），二是兩個(gè)平衡軸的轉(zhuǎn)速相同，方向相反，且是曲軸轉(zhuǎn)速的2
倍。這說明該平衡軸主要用來減小發(fā)動機(jī)的二階振動，而對于占整個(gè)振動70%以上的一階振動，或許已經(jīng)通過位于曲軸上的平衡塊很好地加以了解決。
● 可變排量機(jī)油泵
發(fā)動機(jī)中的機(jī)油不僅要提供潤滑、冷卻等功能，同時(shí)還要用來傳遞作用力（比如
Double-VANOS系統(tǒng)），因此，機(jī)油泵既要確保充足的供油量，還要保證足夠的機(jī)油壓力，否則系統(tǒng)的相關(guān)部件將難以正常工作。除此之外，在滿足供給需求的條件下，工程師還希望機(jī)油泵的功率盡可能小，這樣就可以降低發(fā)動機(jī)的負(fù)荷。
N20發(fā)動機(jī)采用了與
N55發(fā)動機(jī)相同的可變排量機(jī)油泵，該機(jī)油泵是由發(fā)動機(jī)電腦根據(jù)發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況來調(diào)整機(jī)油泵的功率，從而供給最適合的機(jī)油量，這樣就可以在不影響機(jī)油供給的前提下，盡可能減小發(fā)動機(jī)的負(fù)荷。
通過上圖可以看到，滑閥在調(diào)節(jié)油室內(nèi)機(jī)油的推動下向右側(cè)移動，這樣機(jī)油泵的功率就會減小，傳統(tǒng)的機(jī)械式調(diào)整的機(jī)油泵的調(diào)節(jié)油室內(nèi)的壓力與發(fā)動機(jī)主油道的壓力是保持一致的，而N20發(fā)動機(jī)在發(fā)動機(jī)主油道與調(diào)節(jié)油室間設(shè)計(jì)了一個(gè)電磁閥，該電磁閥可以調(diào)整由主油道進(jìn)入調(diào)節(jié)油室的機(jī)油量，從而對機(jī)油泵的功率進(jìn)行動態(tài)地調(diào)整。
● 噴油器
N20發(fā)動機(jī)應(yīng)用了
缸內(nèi)直噴技術(shù)，其中高壓油泵由排氣凸輪軸驅(qū)動，噴油器則由博世提供，其最高可承受200巴的噴射壓力（相當(dāng)于200個(gè)大氣壓）。雖然噴油器不大，但它卻是一個(gè)十分具有科技含量的部件，它不但要在極短的時(shí)間內(nèi)幾乎毫無延遲地進(jìn)行噴油，同時(shí)還要保證每個(gè)氣缸噴油量的一致性，此外噴油嘴還要具有很好的霧化效果，只有這樣才能盡可能節(jié)省每一滴燃料，提升燃油經(jīng)濟(jì)性。
● 發(fā)動機(jī)電腦
N20發(fā)動機(jī)的電腦由BOSCH公司提供，它與N55發(fā)動機(jī)相同，都被安放在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管的上方，依靠流入發(fā)動機(jī)的空氣對其進(jìn)行冷卻。
● 關(guān)于N20發(fā)動機(jī)的動畫視頻
上面講了一大堆關(guān)于N20發(fā)動機(jī)在技術(shù)方面的亮點(diǎn)，或許有些朋友還不能全部理解，沒關(guān)系，下面這段充滿樂趣的動畫用另一種形式詮釋了N20發(fā)動機(jī)，看后相信你會對它產(chǎn)生深刻的印象。
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全文總結(jié)：
N20發(fā)動機(jī)與N55發(fā)動機(jī)都裝備了渦輪增壓器、缸內(nèi)直噴系統(tǒng)以及Valvetronic電子氣門裝置，所以在很多部件以及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，N20與N55可謂如出一轍，但是，作為一部欲取代經(jīng)典N52發(fā)動機(jī)的作品，寶馬還是創(chuàng)新性地首次在N20上應(yīng)用了諸如曲軸偏置、新一代的Double-VANOS、電弧絲噴涂工藝以及平衡軸等技術(shù)�？梢哉f全新的N20發(fā)動機(jī)集寶馬在發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的積累與沉淀，同時(shí)融入了創(chuàng)新與進(jìn)取，而它所能取得的輝煌或許也只有通過時(shí)間才能得以正名。（文/汽車之家 馮景毅）
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