详解宝马车系N20发动机废气涡轮增压和排气系统

    一、废气涡轮增压器
    1．概述
    N20发动机装有采用Twin Scroll技术的废气涡轮增压器，该废气涡轮增压器在涡轮入口处有两个独立通道，可分别将两个汽缸的废气引至涡轮叶片处，如图1所示。

    废气涡轮增压器采用带有电动循环空气减压阀、真空控制废气旁通阀、电气减压装置阀门以及检测增压的进气温度／增压压力传感器，在第一节中有详细的解释，这里不再叙述。
    2. Twin Scroll废气涡轮增压器功能
    Twin Scroll表示带有一个双涡管涡轮壳体的废气涡轮增压器，这样可以分别将两个汽缸的废气引导至涡轮处。N20发动机（与其他4缸发动机一样）采用将汽缸1和4、汽缸2和3集成在一起的设计。这样可以更高效地利用脉冲增压效果。
   （1）定压增压和脉冲增压
    通过废气涡轮增压器实现发动机增压有两种工作原理，即定压增压和脉冲增压。定压增压是指涡轮前的压力几乎恒定不变，用于驱动废气涡轮增压器的能量通过涡轮前后的压力差获得。采用脉冲增压方式时，涡轮前的压力变化迅速而显著，通过从燃烧室排出废气形成脉冲。压力增大时就会产生作用在涡轮上的压力波，此时利用废气动能，使压力波以脉冲方式驱动废气涡轮增压器。脉冲增压可实现涡轮增压器的快速响应特性，特别是在转速较低情况下，因为此时脉动最强，而在定压增压模式下涡轮前后的压力差此时尚小。实际上PKW发动机的废气涡轮增压器始终利用两种增压方式。根据尺寸参数、废气通道导向和汽缸数量决定脉冲增压模式使用比例。
   （2）与汽缸数量的关系
    在单缸发动机上，曲轴每旋转两圈完成一个排气循环，因此从理论上来说每720°曲轴转角中有180°用于排气。图2以非常简化的方式展示了单缸发动机废气涡轮增压器前的压力情况。如图3所示，曲轴每旋转720°，曲轴转角就会产生一个作用在涡轮上的压力波，一该脉冲可使涡轮加速。图3展示了4缸发动机涡轮前的压力情况。



    由于曲轴旋转两圈后所有汽缸均完成了各自的排气循环，因此在720°曲轴转角内产生了4个压力波。点火间隔每隔180°曲轴转角均匀分配。在此过程中压力波相互叠加。某一汽缸压力下降时，下一汽缸的压力已经增大。因此在涡轮前形成了叠加压力，如图4所示。

    叠加作用会使最小压力与最大压力差值明显减小。因此压力波作用在涡轮上的脉冲也随之减小。进而导致废气涡轮增压器内的脉冲增压减少。在4缸发动机上可通过Twin Scroll废气涡轮增压器来防止出现这种情况。其方式是将4个汽缸分为2个通道，在每个通道内都实现一个2缸发动机的压力情况，如图5所示。

    在此两个汽缸的压力也会叠加，但是汽缸1和4、汽缸2和3集成在了两个通道内。根据4缸发动机的点火顺序，一个通道的排气循环间隔360°曲轴转角，因此即使在叠加情况下也可产生较大压力差并能更好地利用废气动能，集成汽缸1和4、汽缸2和3采用了特殊造型排气歧管。在废气涡轮增压器内，两个通道分别引导至涡轮处。与传统废气涡轮增压器不同，Twin Scroll废气涡轮增压器在围绕涡轮的环形通道内带有一个中部凸台。

    二、排气歧管
    N20发动机的排气歧管结构与N55发动机相同，它采用无间隙设计并与废气涡轮增压器焊接在一起，N20发动机针对Twin Scroll废气涡轮增压器特殊功能采用四合二式排气歧管。因此汽缸1和4、汽缸2和3的排气通道分别集成在一个通道内，如图6所示。

    三、催化转换器
    N20发动机采用带有两个陶瓷载体，靠近发动机的单管式催化转换器，如图7。

    陶瓷载体的标准值见表1。


    四、氧传感器
    采用大家熟知的Bosch氧传感器：控制传感器LSU ADV、监控传感器LSF4. 2。
    控制传感器位于前催化转换器前最靠近涡轮出气口处。选择该位置是为了对所有汽缸进行单独探测。监控传感器位于陶瓷载体1与陶瓷载体2之间。

    五、废气触媒转换器前氧传感器
    1．概述
    废气触媒转换器前的氧传感器是一个宽带氧传感器（调控用传感器），此宽带氧传感器不断测量废气中的残余氧含量。残余氧含量的摆动值作为电压信号继续传送给发动机控制单元，发动机控制系统通过喷射修正混合气成分。改进研发的宽带氧传感器LSU ADV（Bosch）是新产品。LSU是“通用氧传感器”的缩写，而ADV则代表“高级”。
    2．功能描述
    宽带氧传感器的传感机构由二氧化错陶瓷层（层压板）组成，层压板中插入的加热元件确保快速加热到至少760℃的必要工作温度，宽带氧传感器具有2个元件，一个所谓的测量元件和一个参考元件，这两个元件上涂有铂电极。通过宽带氧传感器可以无级测得一个介于0.65和空气之间的空燃比（稳定的特性线）。宽带氧传感器比先前版本LSU4. 9更快地准备就绪。为了实现完全而完美的燃烧，需要的空燃比为1kg燃油和约14. 7kg空气。实际输送的空气质量与化学计算的空气质量之间的比称为空气过量系数。在车辆正常运行时空气过量系数会摆动。发动机在空气不足（空气过量系数约0.9，浓混合气）时具有最佳功率。发动机在空气过量（空气过量系数约1.1，稀混合气）时油耗最低。当混合气在空气过量系数＝1的范围内时，废气触媒转换器可最佳地减少有害物质的排放。转换率（即已转换的有害物质部分）在先进的废气触媒转换器上达98％～100%。油气混合气的最佳成分由发动机控制调节。氧传感器这时提供关于废气成分的基本信息。
    3．结构及内部连接
    在泵元件上施加一个电压，于是很多氧气被抽送到测量元件中，直到测量元件的电极之间出现一个450mV的电压为止，产生泵电流是空燃比的测量值。空燃比控制于是可在燃烧室内建立每个希望的空燃比，如图8所示。

    4．特性线及标准值
    新氧传感器的特点是自空气过量系数＝0.65起扩大的测量范围，新的调控用传感器的其他优点是较高的温度耐受性、响应时间缩短到30ms以下，以及较高的信号精确度，如图9所示。

    宽带氧传感器的标准值见表2。

    5．诊断提示—部件失灵
    在宽带氧传感器失灵时，预计将出现以下情况：在发动机控制单元记录故障代码；调校值或用替代值的紧急运行；组合仪表中排放警示灯亮起。
    诊断的下列监控功能检查发动机和排气系统的状态。
    氧传感器调校值：空燃比调校（混合气调校）用于补偿影响混合气的部件公差和老化效应。
    废气触媒转换器诊断：此诊断检查废气触媒转换器的氧气存储能力，氧气存储能力是废气触媒转换器转换能力的一个指标。

    六、废气触媒转换器后的氧传感器
    1．概述
    具有跳跃式特性线的监控用传感器是Bosch公司的LSF4. 2型切换式传感器。该监控用传感器在废气触媒转换器后面，用于废气触媒转换器诊断，监控用传感器识别空气过量系数＝1的可靠偏差，但不能确定混合气浓度偏差的大小。
    2．功能描述
    前部氧传感器不断测量废气中的残余氧含量。残余氧含量的摆动值被作为电流信号转发到发动机控制单元。DME通过喷射修正混合气成分。在废气触媒转换器后安装有第二个氧传感器（监控用传感器）。废气触媒转换器具有较高的氧气存储能力。因此在废气触媒转换器后只有少量氧气。监控用传感器输出几乎恒定的（经平缓处理的）电压。随着不断老化，废气触媒转换器的氧气存储能力下降。监控用传感器于是越来越频繁地通过电压波动对空气过量系数偏差做出反应。这种特性可通过一项专用的诊断功能用于废气触媒转换器监控。通过排放警示灯显示废气触媒转换器的功能异常。因为即使在用浓混合气运行时废气中依然含有残余氧含量，在外部电极和内部电极之间会出现一个电压。为了使基准参数保持不变，参考空气通道与大气保持连接。基准参数因而就是大气的氧含量。
    3．结构及内部连接
    保护层可防止由于废气中的残留物而可能在外部电极上产生损坏，二氧化错（ ZrO2）陶瓷层自约350℃起可传导氧离子。为了使氧传感器尽快达到运行温度，集成了一个加热元件，如图10所示。

    4．信号曲线及标准值
    通过一个对应于空气过量系数＝1时的混合气成分的残余氧气含量，测量元件上的电压测量显示一个450mV的电压。空气过量系数＝1时各种材料的废气成分最理想，如图11所示。

监控用传感器的标准值见表3。

    5．诊断提示—部件失灵
    监控用传感器失灵时会出现下列状况：在发动机控制单元记录故障代码；组合仪表中排放警示灯亮起。
    诊断的下列监控功能检查发动机和排气系统的状态。
    氧传感器调校值：空燃比调校（混合气调校）用于补偿影响混合气的部件公差和老化效应。
    废气触媒转换器诊断：此诊断检查废气触媒转换器的氧气存储能力。氧气存储能力是废气触媒转换器转换能力的一个指标。
    注意：保护插头连接防止污染。
    监控用传感器需要探头内部的大气。大气经插头连接通过电缆进入内部。因此，必须防止插头连接被蜡或防腐剂等污染。空燃比控制有故障时必须检查宽带氧传感器的插头连接是否被污染。

    七、电子阀废气风门
    1．概述
    废气风门已集成在后消音器中。废气风门降低怠速下和接近怠速的转速范围中的噪声级。这样，降低了排气口噪声，提高了舒适性。排气口噪声降低了约8dB。
    2．功能描述
    发动机控制系统控制电子阀。施加的真空打开废气风门。是否打开取决于挡位、转速以及负荷。施加的真空打开废气风门。在给膜片箱通风（真空系统失压）时，废气风门被一个弹簧关闭，如图12所示。

    3．结构及内部连接
    在后消音器的排气尾管上固定了一个膜片箱。这个膜片箱通过一个调整机械装置与废气风门连接。真空软管从电子阀通到膜片箱，如图13。

    4．控制和标准值
    在行驶模式下，只存在两种状态，即打开或关闭。废气风门的控制取决于下列参数：负荷、挂入的挡位、转速，如图14所示。

废气风门电子阀的标准值见表4。

    5．诊断提示—部件失灵
当废气风门电子阀失灵时，预计将出现以下情况：在发动机控制单元记录故障代码。
    如果废气风门在关闭状态下损坏，较高转速下会在排气装置内产生嘶嘶声。在部分打开的废气风门损坏时，在怠速时会发出隆隆声。
 

来源:网络