BMW发动机废气涡轮增压器系统.docx

1、BMW发动机废气涡轮增压器系统技术培训 产品信息废气涡轮增压器系统结构原理BMW经销商内训产品信息废气涡轮增压器系统结构原理发动机废气涡轮增压器系统 涡轮增压器 增压压力调节系统 循环空气减压系统 增压空气冷却系统N54发动机废气涡轮增压系统N55发动机废气涡轮增压系统N63发动机废气涡轮增压系统N74发动机废气涡轮增压系统概述废气涡轮增压系统 涡轮增压发动机是依靠涡轮增压器来提高进气密度和增大发动机进气量的一种发动机，涡轮增压器实际上就是一个空气压缩机。它是利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮(位于排气道内)，涡轮又带动同轴的叶轮位于进气道内，叶轮就压缩由空气滤清器管道送来的新鲜

2、空气，经过中冷器降低进气温度，从而提高进气密度再送入气缸。当发动机转速加快废气排出速度与涡轮转速也同步加快，空气压缩程度就得以加大，发动机的进气量就相应地得到增加，就可以增加发动机的输出功率了。废气涡轮增压系统组成 涡轮增压器 增压压力调节装置 循环空气减压控制 增压空气冷却系统涡轮增压器涡轮增压器是由涡轮室和增压器组成的机器。 涡轮室进气口与排气歧管相连，排气口接在排气管上； 增压器进气口与空气滤清器管道相连，排气口接在进气歧管上； 涡轮与叶轮分别装在涡轮室和增压器内，两者同轴工作原理：涡轮增压器是利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮(位于排气道内)，涡轮又带动同轴的叶轮位于进气

3、道内，叶轮就压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气再送入气缸。涡轮增压器的润滑：由于涡轮增压器连接在排气侧，所以温度相对较高，涡轮轴采用全浮式轴承结构，所以涡轮轴的润滑完全由发动机润滑系统提供润滑。涡轮增压器的冷却： 涡轮增压器的转速最高可达200000rpm，废气入口温度最高可达1050，致使涡轮增压器的温度很高，所以涡轮增压器的冷却是靠发动机的冷却系统进行冷却。 当发动机熄火后，由于涡轮增压器的温度还很高，此时停止冷却会导致轴承壳内的润滑油过热，形成结焦，久而久之导致涡轮增压器轴承处消耗机油，所以在发动机停转后水泵会继续控制冷却液进行一段时间冷却。增压压力调节装置废气涡轮增压器的增压压力与到达

4、废气涡轮增压器涡轮处的废气气流有直接关系。无论是废气气流的速度还是质量都直接取决于发动机转速和发动机负荷。发动机管理系统通过废气旁通阀调节增压压力。废气旁通阀由真空执行机构操纵，这些执行机构由发动机管理系统通过电子气动压力转换器（EPDW）来控制。持续运行的发动机真空泵产生真空并将其存储在一个蓄压器内。这样可以确保这些用电器不会对制动助力功能产生不利影响。通过废气旁通阀可将全部或部分废气气流输送至涡轮处。达到所需增压压力时，废气旁通阀开始打开，部分废气气流通过旁通通道排出。这样可防止通过涡轮继续提高压缩机转速。通过这种控制方法可处理各种运行状况。处于怠速阶段时，两个涡轮增压器的废气旁通阀均关闭

5、。其结果是，全部废气气流在这些低发动机转速阶段都用于压缩机加速。需要提高发动机功率时，压缩机可立即提供所需增压压力（不会感觉到延时）。在满负荷情况下，达到最大允许扭矩时通过部分开启废气旁通阀保持一个较高的恒定增压压力值。压缩机始终根据运行情况保持相应的转速。通过开启废气旁通阀可降低涡轮的驱动能量，因此不会进一步提高增压压力，不会增加耗油量。在满负荷运行模式下，发动机进气管内的最高表压力为 bar。增压压力调节原理图循环空气减压控制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。因此这些阀门对降低发动机噪音起到了重要作用并且有助于保护涡轮增压器部件。如果发动机转速较高时关闭节气门

6、，进气管内就会产生真空压力。由于至进气管的通道已阻断，因此会在压缩机后形成无法消除的较大背压。这会造成增压器“泵气”。这意味着 出现明显感觉到的干扰性泵噪音， 出现这种泵噪音的同时，废气涡轮增压器还承受可造成部件损坏的负荷，因为高频压力波向废气涡轮增压器轴承施加轴向方向的负荷。真空控制式循环空气减压阀循环空气减压阀是机械操纵式弹簧膜片阀；在此按如下方式通过进气管压力控制这些阀门：如果节气门前后存在压力差，进气管压力就会使循环空气减压阀打开，并将增压压力转至压缩机的进气侧。压力差一旦超过 bar，循环空气减压阀就会开启。这个过程可防止出现造成部件损坏的干扰性泵动作用。即使发动机以接近怠速转速运行

7、（P增压/ P进气压力差 = bar），循环空气减压阀也会根据系统要求开启。但不会对增压系统进一步产生影响。废气涡轮增压器在这些低转速范围内承受全部废气气流的压力，并在接近怠速转速运行时便对进气预先施加一定压力。如果此时节气门开启，就会迅速为发动机提供所需要的全部增压压力。真空控制式废气旁通阀的一个主要优点是，在中等负荷范围时这些阀门可以部分开启，以免进气预先加压过度而增大耗油量。负荷较高时，这些阀门根据所需增压压力开启到相应的控制位置。电动控制式循环空气减压阀电动控制循环空气减压阀与真空控制式循环空气减压阀不同，安装在涡轮增压器增压侧，由发动机控制单元直接控制。节气门关闭时，系统将增压压力（

8、节气门前）及其提高值与存储的规定值进行比较。如果实际值超出规定值达到一定程度，循环空气减压阀就会打开。从而使增压压力转至压缩机的进气侧。这样可防止出现造成部件损坏的干扰性泵动作用。如下图所示： 增压空气冷却系统发动机的增压空气冷却系统用于提高功率和降低耗油量。废气涡轮增压器内因其部件温度和压缩作用而受热的增压空气，在增压空气冷却器内最多可降低80 C。这样可提高增压空气的密度，从而达到更好的燃烧室充气效果。由此可降低所需要的增压压力。此外还能降低爆震危险并提高发动机效率。下图为风冷式增压空气冷却系统：下图为水冷式增压空气冷却系统： N54发动机废气涡轮增压器系统N54发动机是第一款采用双涡轮增

9、压器、高精度喷射装置和全铝合金曲轴箱的6 缸直列发动机，该发动机具有涡轮增压发动机以前无法达到的响应速度以及延伸至高转速范围内的高输出动力。此外，这款新型涡轮增压发动机还具有BMW6 缸直列发动机特有的运行平稳性。发动机功率的显著提高要归功于 BMW 的高精度喷射装置。第二代汽油直接喷射装置为确保双涡轮发动机的经济性做出了很大贡献。在涡轮增压发动机发明 100 年后，BMW 工程师以这种组合方式在涡轮增压发动机的历史上书写了全新的光辉篇章。由于 N54 发动机是涡轮增压发动机，因此进气导管非常重要。利用排出废气的能量事先压缩吸入的新鲜空气，从而使更多的空气进入燃烧室内。只有在系统无泄漏的情况下

10、该系统才能正常工作。废气涡轮增压器进行进气导管方面的安装工作时，必须确保部件的安装位置准确无误且管路连接接口密封严密。在某些情况下，系统泄漏会导致增压压力不正确。发动机管理系统会识别出这种情况且发动机将处于应急运行模式（停用增压压力调节装置）。在这种情况下会感觉到发动机功率不足。.新鲜空气经过空气滤清器（10）和增压空气进气管路（6 + 18）由废气涡轮增压器（23 + 24）的压缩机吸入并压缩。由于废气涡轮增压器的运行温度很高，因此将其与冷却液循环回路和发动机油循环回路连接在一起。增压空气在废气涡轮增压器内压缩时产生很高的温度，因此需要通过一个增压空气冷却器（16）对其再次冷却。经过压缩和冷

11、却的增压空气从增压空气冷却器处通过节气门（12）进入进气管。为了确保新鲜空气进气量始终与相应的发动机运行条件相符，该系统装有一些传感器和执行机构。在下文中将介绍如何协调这些复杂关系。工作原理废气涡轮增压器通过发动机废气驱动。就是说带有压力的废气通过废气涡轮增压器的涡轮，并以这种方式为同一个轴上的压缩机提供驱动力。在此事先压缩进气，从而提高发动机燃烧室的进气量。这样可提高喷射和燃烧的燃油量，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200,000 rpm。废气入口温度最高可达1050 C。由于温度很高，因此N54 发动机的废气涡轮增压器不仅与发动机油系统相连，而且还集成在发动机的冷却

12、液循环回路内。N54 发动机装有电动冷却液泵时，还可以在关闭发动机后排出废气涡轮增压器内的余热，从而防止轴承壳体内的润滑油过热。利用冷却液泵的继续运行功能可排出废气涡轮增压器内的积热，从而防止轴颈处机油焦化。这是一项重要的部件保护功能。双涡轮增压系统涡轮增压器的响应速度对于 N54 发动机来说最为重要。不允许对驾驶员的要求（即加速踏板位置）做出延迟反应。即不能让驾驶员感觉到所谓的“涡轮效应滞后”。在 N54 发动机上用两个相互并联的小型涡轮增压器解决了这个问题。气缸1、2 和 3（气缸列 1）驱动废气涡轮增压器（5），气缸 4、5 和 6（气缸列 2）驱动另一个废气涡轮增压器（2）。小型废气涡

13、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，因而压缩机可以更快达到较高增压压力。增压压力调节装置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。无论是废气气流的速度还是质量都直接取决于发动机转速和发动机负荷。发动机管理系统通过废气旁通阀调节增压压力。废气旁通阀由真空执行机构操纵，这些执行机构由发动机管理系统通过电子气动压力转换器（EPDW）来控制。持续运行的发动机真空泵产生真空并将其存储在一个蓄压器内。这样可以确保这些用电器不会对制动助力功能产生不利影响。通过废气旁通阀可将全部或部分废气气流输送至涡轮处。达到所需增压压力时，废气旁通阀

14、开始打开，部分废气气流通过旁通通道排出。这样可防止通过涡轮继续提高压缩机转速。通过这种控制方法可处理各种运行状况。处于怠速阶段时，两个涡轮增压器的废气旁通阀均关闭。其结果是，全部废气气流在这些低发动机转速阶段都用于压缩机加速。需要提高发动机功率时，压缩机可立即提供所需增压压力（不会感觉到延时）。在满负荷情况下，达到最大允许扭矩时通过部分开启废气旁通阀保持一个较高的恒定增压压力值。压缩机始终根据运行情况保持相应的转速。通过开启废气旁通阀可降低涡轮的驱动能量，因此不会进一步提高增压压力，不会增加耗油量。在满负荷运行模式下，N54 发动机进气管内的最高表压力为 bar。循环空气减压控制N54 发动机

15、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。因此这些阀门对降低发动机噪音起到了重要作用并且有助于保护涡轮增压器部件。如果发动机转速较高时关闭节气门，进气管内就会产生真空压力。由于至进气管的通道已阻断，因此会在压缩机后形成无法消除的较大背压。这会造成增压器“泵气”。这意味着 出现明显感觉到的干扰性泵噪音， 出现这种泵噪音的同时，废气涡轮增压器还承受可造成部件损坏的负荷，因为高频压力波向废气涡轮增压器轴承施加轴向方向的负荷。循环空气减压阀是机械操纵式弹簧膜片阀；在此按如下方式通过进气管压力控制这些阀门：如果节气门前后存在压力差，进气管压力就会使循环空气减压阀打开，并将增压压力

16、转至压缩机的进气侧。压力差一旦超过 bar，循环空气减压阀就会开启。这个过程可防止出现造成部件损坏的干扰性泵动作用。即使发动机以接近怠速转速运行（P增压/ P进气压力差 = bar），循环空气减压阀也会根据系统要求开启。但不会对增压系统进一步产生影响。废气涡轮增压器在这些低转速范围内承受全部废气气流的压力，并在接近怠速转速运行时便对进气预先施加一定压力。如果此时节气门开启，就会迅速为发动机提供所需要的全部增压压力。真空控制式废气旁通阀的一个主要优点是，在中等负荷范围时这些阀门可以部分开启，以免进气预先加压过度而增大耗油量。负荷较高时，这些阀门根据所需增压压力开启到相应的控制位置。增压空气冷却N

17、54 发动机的增压空气冷却系统用于提高功率和降低耗油量。废气涡轮增压器内因其部件温度和压缩作用而受热的增压空气，在增压空气冷却器内最多可降低80 C。这样可提高增压空气的密度，从而达到更好的燃烧室充气效果。由此可降低所需要的增压压力。此外还能降低爆震危险并提高发动机效率。 负荷控制N54 发动机的负荷控制通过节气门和废气旁通阀实现。在此节气门是主要执行元件。通过控制废气旁通阀对增压压力进行微调。满负荷时节气门完全打开，负荷由废气旁通阀进行控制。在负荷控制图中可以看到，在N54 发动机的所有运行状况下，废气旁通阀都根据特性曲线参与负荷控制过程。控制参数N54 发动机增压压力控制涉及到以下参数：

18、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（参考参数）。发动机控制单元根据这些参数控制电子气动压力转换器（EPDW）。通过所达到的增压压力（测量节气门前的压力）可检查该控制结果。随后将达到的增压压力与特性曲线的规定数据进行比较，必要时可根据比较结果校正控制参数。因此系统在运行过程中对自身进行控制和监控。应急运行模式如果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相关的传感器失灵，就会切断废气旁通阀的控制，阀门完全打开。因此不再进行增压。下面列出了 N54 发动机的一些部件或功能分组，如果这些部件或功能失灵、出现故障或数值不可信，就会停用增压压力调节系统。出

19、现这类故障时通过EML 指示灯提醒驾驶员注意。 高压燃油系统 进气 VANOS 排气 VANOS 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。N55发动机废气涡轮增压器N55 发动机废气涡轮增压器进行了一些优化： 由于采用新废气涡轮增压器，因此使用全新未过滤空气进气导管，其结构更简单 循环空气减压系统集成在废气涡轮增压器内如插图所示，因为仅使用一个废气涡轮增压器，所以进气系统结构更简单。循环空气减压系统的基本功能相同。与 N54 发动机不同的是，在此不以气动方式操纵循环空气减压阀。在 N55发动机中循环空气减压阀是一个直接由 DME 控制的电动执行机构。循环空气减压阀

20、安装在废气涡轮增压器上可以明显减少部件数量。通过循环空气减压阀可以短时使进气侧与压力侧连通。与 N54 发动机一样，这款发动机也可以降低节气门快速关闭时可能出现的增压压力峰值。因此循环空气减压阀对降低发动机噪音起到了重要作用并且有助于保护废气涡轮增压器部件。N55发动机采用TwinScroll 废气涡轮增压器,因此排气歧管采用无间隙六合二结构。每三个排气通道分别汇集为一个排气通道，以便 TwinScroll 废气涡轮增压器能够以最佳方式流入气流。排气歧管和废气涡轮增压器彼此焊接在一起，因此是一个部件。索引说明1排气歧管2真空罐3至增压空气冷却器的接口4机油供给管路5循环空气减压阀6机油回流管路

21、7冷却液供给管路8冷却液回流管路9废气旁通阀轴10至排气装置的接口废气涡轮增压器N55 使用一个 TwinScroll 废气涡轮增压器替代两个分开的小废气涡轮增压器（N54 发动机中采用这种方式）。以下插图以草图形式给出了 TwinScroll 废气涡轮增压器的工作原理。索引说明A废气通道 1（气缸 1 3） B废气通道 2（气缸 4 6） C至催化转换器的接口D自进气消音器的入口E环形通道F至增压空气冷却器的出口1废气旁通阀2废气旁通阀杠杆臂3废气旁通阀真空罐4循环空气减压阀索引说明6涡轮8冷却通道10机油回流管路11冷却液回流管路索引说明A废气通道 1（气缸 1 3） B废气通道 2（气缸

22、 4 6） C至催化转换器的接口D自进气消音器的入口E环形通道F至增压空气冷却器的出口1废气旁通阀2废气旁通阀杠杆臂索引说明3废气旁通阀真空罐4循环空气减压阀10机油回流管路11冷却液回流管路索引说明A废气通道 1（气缸 1 3） B废气通道 2（气缸 4 6） C至催化转换器的接口D自进气消音器的入口E环形通道F至增压空气冷却器的出口1废气旁通阀2废气旁通阀杠杆臂3废气旁通阀真空罐4循环空气减压阀5旁通通道索引说明6涡轮7压缩机轮8冷却通道9涡轮轴TwinScroll 废气涡轮增压器功能在极个别情况下废气涡轮受恒定废气压力控制。转速较低时废气以脉冲方式进入废气涡轮。脉动造成废气涡轮的压力比值

23、短时较高。因为随着压力的增长效率也逐渐提高，所以脉动还使增压压力走向和发动机扭矩得以改善。这种情况在发动机转速较低时尤其明显。但是为了在换气过程中不影响各个气缸，在此将诸如气缸 1 3（气缸列 1）和气缸 4 6（气缸列 2）分别汇集到一个排气管。分开的废气气流在废气涡轮增压器内以螺旋形式通过两个废气通道（1 + 2）引向废气涡轮。通过这种结构可以最佳利用所出现的脉动产生增压压力。现有的废气旁通阀则用于限制增压压力。增压压力调节装置发动机管理系统通过废气涡轮增压器上的废气旁通阀调节增压压力。在此使用电控气动压力转换器以无级方式为废气旁通阀提供真空，转换器根据发动机管理系统信号和规定压力信号执行

24、。循环空气减压阀通过法兰固定在废气涡轮增压器上。发动机管理系统可以直接控制这个循环空气减压阀，因此可以使进气侧与压力侧之间短路连接。通过循环空气减压阀可以消除节气门快速关闭时可能出现的增压压力峰值。因此循环空气减压阀对发动机噪音影响很大且有助于保护废气涡轮增压器部件。节气门关闭时，会产生从节气门至废气涡轮增压器的压力波。这个压力波作用在废气涡轮增压器的涡轮叶片上，从而作用在叶片轴承上。通过循环空气减压阀可以显著降低这个压力波，因此可降低废气涡轮增压器负荷。N63发动机废气涡轮增压器N63 发动机首创性地采用了将涡轮增压器和靠近发动机的主催化转换器集成在 V 型区域的优化套件。为了确保优化套件及

25、重量能够满足更高的功率目标，根据进气和排气通道的换气情况，废气涡轮增压器和催化转换器安装在气缸列之间的 V 型区域。这种结构可通过缩短导管长度和增大横截面积，使进、排气侧的压力损失降至最低。N63 发动机的涡轮增压系统与 N54 发动机涡轮增压系统的工作原理非常相似。通过两个相对较小且并联的废气涡轮增压器实现低转速下的快速响应。通过废气旁通阀控制增压压力。此外还使用了循环空气减压阀。废气涡轮增压器工作原理废气涡轮增压器通过发动机废气驱动。即带压力的废通气过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。在此对进气进行事先压缩，从而提高发动机燃烧室的进气量。这样可提高喷射和燃烧的燃油量

26、，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 175,000 rpm。废气入口温度最高可达950 C。由于温度很高，因此 N63 发动机的废气涡轮增压器不仅与发动机油系统相连，而且还集成在发动机的冷却液循环回路内。利用 N63 发动机上的电动辅助冷却液泵还可在关闭发动机后排出废气涡轮增压器内的余热，从而防止轴承壳体内的润滑油过热。利用电动辅助冷却液泵的继续运行功能可排出废气涡轮增压器内的积热，从而防止轴颈处机油焦化。这是一项重要的部件保护功能。􀁥双涡轮增压系统涡轮增压器的响应速度对于 N63 发动机来说非常重要。不允许对驾驶员的要求（即加速踏板位置）做出延迟反应。

27、即不能让驾驶员感觉到所谓的“涡轮效应滞后”。N63 发动机利用两个相对较小且并联的涡轮增压器解决了这个问题。每个气缸列各驱动一个废气涡轮增压器。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，因而压缩机可以更快达到较高增压压力。增压压力调节装置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。无论是废气气流的速度还是质量都直接取决于发动机转速和发动机负荷。发动机管理系统通过废气旁通阀调节增压压力。废气旁通阀由真空罐操纵，真空罐由发动机管理系统通过电子气动压力转换器（EPDW）来控制。持续运行的发动机真空泵产生真空并将其存储在一个蓄

28、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利影响。通过废气旁通阀可影响输送至涡轮的废气气流流量。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。这样可防止通过涡轮继续提高压缩机转速。通过这种控制方法可处理各种运行状况。处于怠速阶段时，两个涡轮增压器的废气旁通阀均关闭。因此在低发动机转速期间即可使全部可用废气气流用于压缩机加速。需要提高发动机功率时，压缩机便可立即提供所需增压压力（不会感觉到延迟）。在满负荷情况下，达到最大允许扭矩时通过部分开启废气旁通阀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。打开废气旁通阀可降低涡轮的驱动能量，从而限制增压

29、转速，避免超转速运转。此外不会进一步提高增压压力，从而有利于降低油耗。在满负荷运行模式下，N63 发动机进气管内的最高表压力为 bar。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。因此这些阀门对降低发动机噪音起到了重要作用且有助于保护涡轮增压器部件。如果发动机转速较高时关闭节气门，进气管内就会产生真空压力。由于至进气管的通道已阻断，因此会在压缩机后形成无法消除的较大背压。这会造成增压器“泵气”。这意味着 出现明显的干扰性泵噪音， 出现这种泵噪音的同时，废气涡轮增压器还会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

30、环空气减压阀是一个电动阀。节气门关闭时，系统将增压压力（节气门前）及其提高值与存储的规定值进行比较。如果实际值超出规定值达到一定程度，循环空气减压阀就会打开。从而使增压压力转至压缩机的进气侧。这样可防止出现造成部件损坏的干扰性泵动作用。增压空气冷却系统N63 发动机第一次使用了间接增压空气冷却系统。增压空气不直接进入气对气热交换器。增压空气通过一个空气 / 冷却液热交换器来冷却。为此 N63 发动机配备了一个独立的封闭式低温冷却循环回路。增压空气冷却系统用于提高功率和降低耗油量。废气涡轮增压器内因其部件温度和压缩作用而受热的增压空气，在增压空气冷却器内可降至 80 C。这样可提高增压空气的密度，从而达到更好的燃烧室充气效率。由此可降低所需增压压力。此外还能降低爆震危险并提高发动机效率。间接增压空气冷却系统的优点是可以减小安装空间，因为它可以直接安装在发动机上。此外由于安装位置靠近发动机，还有助于明显减少增压空气导管的长度。这样可以明显降低压力损失，从而改善输出功率和发动机响应速度。 负荷控制N63 发动机通过节气门和废气旁通阀实现负荷控制。在此节气门是主要执行元件。通过控制废气旁通阀对增压压力进行微调。满负荷时节气门完全打开，负荷由废气旁通阀