Двигатель BMW N20 – характеристики – описание – фото

Двигатель BMW N20 – четырехцилиндровый поршневой двигатель с турбонаддувом, который постепенно заменил 4-цилиндровые N46 и N43 и 6-цилиндровые N52 и N53. Этот силовой агрегат выпускается с 2011 года и в сравнении с N53, N20 оснащен двойной улиткой турбокомпрессора, с изменяемыми фазами газораспределения (так называемый VANOS на BMW), переменным подъемом клапанов (так называемый Valvetronic от BMW) и непосредственным впрыском топлива.

Двигатель N20 будет постепенно заменен на мотор B48 и на момент производства доступен на BMW 1 серии (F20, F21), 2 серии (F22, F23), 3 (F30, F31, F34, F35), 4 (F32, F33 и F36), 5 (F10, F11 и F18), Z4 (E89), кроссоверах X1 (E84), X3 (F25), X4 (F26) и гибридном X5 (F15).

Двигатель BMW N20B20 стал лучшим двигателем 2012 года в категории «от 1,8 до 2,0 литров»

Данный двигатель выпускается в шести вариантах объемом от 1,6 д о 2,0 литров и максимальной мощностью от 170 до 245 л.с..

Двигатель BMW N20B16

1,6-литровая 170-сильная версия БМВ Н20 устанавливаемая на BMW 520i F10 (AT) и выпускаемая только для Турции и Греции.

Двигатель BMW N20B20

Данная версия доступна в пяти вариантах:

• первый выдает мощность 143 л.с. и устанавливается на BMW X1 sDrive16i E84 для рынка Турции и Греции;
•  второй доступен с марта 2013 года, развивает мощность 156 л.с. и разработан для BMW Z4 sDrive18i E89;
• третий, 184-сильный устанавливается на:
  • BMW 220i F23
  • BMW E84 X1 xDrive20i/sDrive 20i
  • BMW F25 X3 xDrive20i
  • BMW F30 320i / BMW F30 320i xDrive / BMW F31 320i
  • BMW F34 320i Gran Turismo
  • BMW F35 320Li Long Wheelbase
  • BMW F10 520i / BMW F11 520i
  • BMW 520Li F18 Long
  • BMW E89 Z4 sDrive20i
  • BMW F22 220i Coupe
  • BMW 420i F32 4 Series Coupe
  • BMW 420i Gran Coupe F36
• четвертый имеет мощность 218 л.с.. Устанавливается на
  • BMW F20 125i
  • BMW F21 125i
  • BMW 525Li F18
  • BMW X4 xDrive20i F26
• пятый двигатель, самый мощный (245 л.с.) доступен на
  • BMW 228i F23
  • BMW F30 328i / BMW F30 328i xDrive
  • BMW F31 328i
  • BMW F34 328i Gran Turismo
  • BMW F35 328Li Long Wheelbase
  • BMW F32 428i Coupe
  • BMW F33 428i Cabrio
  • BMW 428i Gran Coupe F36 4 Series
  • BMW 528i F07 Gran Turismo
  • BMW F10 528i
  • BMW F11 528i
  • BMW E89 Z4 sDrive28i
  • BMW X1 xDrive28i E84
  • BMW X3 xDrive28i F25
  • BMW X4 xDrive28i F26
  • BMW X5 xDrive40e F15

Характеристики двигателя BMW N20

	N20B16	N20B20	N20B20A	N20B20U0	N20B20	N20B20O0
Рабочий объем, см.куб	1592	1598	1997	1997	1997	1997
Число клапанов на цилиндр	4	4	4	4	4	4
Диаметр цилиндра/ход поршня, мм	84,0/71,8	84,0/72,1	84,0/90,1	84,0/90,1	84,0/90,1	84,0/90,1
Мощность, л.с. (кВт)/об.мин	170 (125)/5000	143 (105)/4700-6000	156 (115)/5000	184 (135)/5000	218 (160)/5000	245 (180)/5000-6500
Крутящий момент, Нм/об.мин	250/1500-6000	220/1400-4400	240/1250-4400	270/1250-4500	310/1350-4800	350/1250-4800
Литровая мощность, л.с./л	106,8	89,4	78,3	91,9	109	122,6
Степень сжатия, :1	10,0	9,0	10,0	11,0	10,0	10,0
Средний расход топлива, л/100 км	6,9	7,3	6,8	6,7	6,5	7,9
Выбросы CO2, ∼г/км	158	170	159	155	152	160

Видео двигателя БМВ Н20

Новшества и изменения двигателя N20

Механическая часть двигателя	Алюминиевый блок цилиндров с напыленным покрытием Оптимизированная рубашка охлаждения Использование технологии TVDI Турбонагнетатель TwinSroll Система Valvetronic третьего поколения с новыми промежуточными  рычагами Новое поколение VANOS с центральным клапаном Установленные распредвалы Двухрежимная система вентиляции картера двигателя Кованый коленчатый вал Смещенный кривошипно-шатунный механизм Поршни с отрицательным смещением оси поршневого пальца Цепной привод балансирного вала с натяжителем цепи Расположенные друг над другом балансирные валы
Подача масла	Регулировка масляного насоса по полю характеристик Новый масляный насос с переменной производительностью Охлаждение неочищенного масла Новый комбинированный датчик давления и температуры
Система охлаждения	Электрический насос охлаждающей жидкости Терморегулирующая система
Впускной коллектор и система выпуска отработавших газов	Турбонагнетатель TwinScroll Пленочный термоанемометрический расходомер воздуха (HFM 7) на всех моделях двигателя Три вывода системы вентиляции картера Различное количество штуцеров системы вентиляции топливного бака (в зависимости от исполнения)
Вакуумная система	Двухступенчатый вакуумный насос Вакуумный ресивер
Система подготовки рабочей смеси	Впрыскивание под высоким давлением (как на двигателе N55) Электромагнитные форсунки Насос высокого давления Bosch Трубопроводы высокого давления припаяны к форсункам на магистрали Rail Отсутствует датчик низкого давления топлива
Система питания	Три различных варианта системы вентиляции топливного бака
Электрооборудование двигателя	Система управления двигателем Bosch MEVD17.2.4

Расшифровка маркировки двигателя N20

Обозначение	Пояснение
N	Разработка BMW Group
2	4-цилиндровый двигатель
0	Двигатель с турбонагнеталем, Valvetronic и непосредственным впрыском топлива (TVDI)
B	Бензиновый двигатель, установленный продольно
16-20	Объем двигателя в 1/10 литра
А, B-Z	Требования типовых испытаний:

• А – стандарт
• B-Z – по требованию, например ROZ 87

K, U, M, O, T, S – Класс мощности:

• K – самый малый
• U – нижний
• M – средний
• O – верхний (стандартный)
• T – Top
• S – Super

1-9 – Модификация, прошедшая аттестацию:

• 0 – новая разработка
• 1-9 – модификация

Механическая часть/структура двигателя BMW N20

Картер двигателя

Картер двигателя N20 состоит из блока цилиндров (блок-картер и постели двигателя), головки блока цилиндров, крышки головки блока цилиндров, масляного картера и уплотнений.

Блок цилиндров

Блок цилиндров состоит из блок-картера и постели двигателя, отлитых под давлением из алюминиевого сплава AlSi9Ci3. Аналогичный материла уже использовался на известных 4-цилиндровых моторах с алюминиевым блок-картером. Впервые на двигателях BMW применена технология газотермического напыления. На стенки цилиндров нанесено покрытие способом электродуговой металлизации (ЭДМ).

Рубашка охлаждения также была оптимизирована, охлаждение в зоне перемычки между цилиндрами улучшено за счет отверстий в перемычках и удовлетворяет требования двигателей с турбонаддувом.

Смазочные каналы

На следующем рисунке изображены смазочные каналы в блоке цилиндров.

Каналы для охлаждающей жидкости

На следующем рисунке изображены каналы для охлаждающей жидкости в картере двигателя.

Компенсационные отверстия

Блок-картер имеет большие фрезерованные продольные вентиляционные отверстия. Благодаря им улучшается выравнивание давления между объемами воздуха, расположенными под поршнями при работе двигателя.

Улучшению газообмена служат также дополнительные пазы со стороны впуска на постели коренного подшипника между цилиндрами.

Цилиндры

Для получения износостойкой поверхности стенки цилиндров покрыты сталью с помощью технологии газотермического напыления. Одним из способов газотермического напыления является электродуговая металлизация (ЭДМ). При ЭДМ используется стальная проволочка, которая подается в рабочую зону распылителя. Между концами проволоки при подаче высокого напряжения образуется электрическая дуга. Возникающая при этом температура составляет около 3000ºC. Под воздействием высокой температуры проволока, которая постоянно подается с помощью механизма подачи, плавится. С помощью воздуха, который подается в сторону электрической дуги под высоким давлением, создаваемым центральным и вторичным каналами подачи сжатого воздуха, расплавленное железо выдувается на стенки цилиндра.

Жидкое железо соединяется с алюминиевой поверхностью за счет:

• Механического соединения: расплавленные частицы за счет высокой кинетической энергии и капиллярного эффекта проникают в неровности и углубления и там затвердевают. → Возникает соединение с геометрическим замыканием;

Преимущества:

• Распыляемые частицы сцепляются с основным материалом
• Оптимально подходит для нанесения толстых покрытий или обработки больших площадей
• Максимальная производительность в час среди всех термических способов напыления
• Напыляемый слой почти не отличается по цвету от основного материала
• При производстве возможна однократная обработка безоксидного напыленного слоя, как сплошного материала
• Высокое сопротивление разрыву и низкое усадочное напряжение
• Микропористая поверхность снижает трение
• Возможно задание таких свойств покрытия, как твердость слоя или качество поверхности
• Возможна металлизация любых материалов, например, железа/цветных сплавов
• Низкая термическая нагрузка на метализируемую деталь

За счет малой толщины слоя обеспечивается оптимальная теплопередача. Однако, по этой же причине невозможна доработка или модификация цилиндров в сервисной службе.

Уплотнительной прокладки головки блока цилиндров

В качестве уплотнительной прокладки ГБЦ используется трехслойное уплотнение из пружинной стали. В зоне цилиндра в прокладке приварена нажимная пластина (2), которая обеспечивает достаточное для герметизации давление прижима. Все слои имеют специальное покрытие, причем на поверхности контакта с головкой и блоком цилиндров нанесен частичный слой фторкаучука с антипригарным покрытием.

Головка блока цилиндров

ГБЦ двигателя N20 является модификацией блока цилиндров N55. В двигателе Н20, как и в Н55, используется система Valvetronic третьего поколения.

Смазочные каналы в головке блока цилиндров в значительной степени отличаются от смазочных каналов в ГБЦ двигателя N46. Система VANOS с отдельным электромагнитным клапаном, применяемая на других двигателях BMW, заменена в моторе N20 системой VANOS со встроенным электромагнитным клапаном. В результате чего и произошло уменьшение смазочных каналов в головке блока цилиндров.

Так же как и на N55, теперь в четырехцилиндровом двигателе используется технология TVDI (Turbo Valvetronic Direct Injection).

Комбинация турбонаддува, системы Valvetronic и непосредственного впрыска обозначается как Turbo-Valvetronic-Direct-Injection (TDVI).

Крышка головка блока цилиндров

Конструкция

Крышка ГБЦ является новой разработкой. Все детали вентиляции картера, а также каналы картерных газов интегрированы в крышку. Клапан регулировки давления предотвращает слишком большое разрежение в блок-картере. А так как речь идет о двигателе с турбонаддувом, то система вентиляции картера разделена на две части. Вентиляция осуществляется через различные каналы в зависимости от того, в каком режиме работает двигатель – в режиме наддува или в нормальном  режиме.

В нормальном режиме вентиляция осуществляется через клапан регулировки давления, который настроен на разрежение около 38 мбар.

Картерные газы попадают через отверстие на стороне впуска первого цилиндра к трем сепараторам с лепестковыми клапанами. В них отделяется масло, содержащееся в картерных газах, которое возвращается вдоль стенок через обратный клапан в головку блока цилиндров. Очищенные от масла картерные газы попадают с систему впуска в зависимости от режима работы.

Функционирование

Стандартный принцип работы может использоваться до тех пор, пока во впускном коллекторе под действием разрежения открыт обратный клапан, т.е. в безнаддувном режиме.

В безнаддувном режиме под действием разрежения во впускном коллекторе (2) открывается обратный клапан (18) в канале картерных газов в крышке головки блока цилиндров и картерные газы засасываются через клапан регулировки давления (17). Под действием разрежения одновременно закрывается второй обратный клапан (15) в канале к всасывающему трубопроводу системы наддува (14). Под действием разрежения одновременно закрывается второй обратный клапан в канале к всасывающему трубопроводу системы наддува.

Через интегрированную в крышку головки блока цилиндров распределительную магистраль картерные газы попадают непосредственно во впускной канал в головке блока цилиндров.

По трубопроводу подачи наружного воздуха (6), который подсоединен к трубопроводу очищенного воздуха (13) перед турбонагнетателем (11) и блок-картеру, воздух поступает через обратный клапан (7) непосредственно в полость картера (8). Чем больше разрежение в полости картера, тем больше воздуха поступает в полость. Эта продувка предотвращает обледенение клапана регулировки давления (17).

Как только давления во впускном коллекторе (2) увеличиваться, подача картерных газов по этому пути больше невозможна. Иначе давление наддува достигало бы блока цилиндров и уплотнения могли бы быть повреждены. Обратный клапан (18) в канале картерных газов закрывают канал к выпускному коллектору (2) и, тем самым, защищает блок цилиндров от повышенного давления.

Вследствие возросшей потребности в наружном воздухе трубопроводе очищенного воздуха (13) между турбонагнетателем (11) и глушителем шума всасывания (1) создается разрежение. Этого разрежение достаточно для того, чтобы открыть обратно заслонку (15) и напрямую всасывать картерные газы без регулировки. Клапан регулировки давления (17) при этом не задействован, как создается небольшое разряжение, которые не требуется ограничивать.

Масляный картер

Масляный картер отлит из алюминия. Автомобилей xDrive масляный картер имеет отверстие для приводных валом и точки крепления для главной передачи.

Масляный насос в сборе с балансирными валами отделяет масляный поддон от полости картера и таким образом защищает коленчатый вал от всплесков масла. Стекающие через сливные каналы масло направляется прямо в масляный поддон и не может попасть на коленчатый вал.

Кривошипно-шатунный механизм

Коленчатый вал

Коленвал двигателя БМВ Н20 рассчитан на ход поршня 89,6 миллиметров изготовлен из материала C38modBY. Коленчатый вал кованый, с 4 на балансировочными валами, имеет массу 13,9 килограмм.

Подшипники коленвала

Коленчатый вал имеет 5 коренных подшипников. Упорный подшипник расположен по центру третьей опоре. Подшипник имеет упорную поверхность только 180 градусов и находится в постели коренного подшипника. Подшипник в крышке подшипника не является упорным. Здесь используются не содержащие свинца биметаллические подшипники.

Маркировки подшипников выбиты на блок-картере и коленчатом валу. При замене подшипников коленвала следовать указаниям руководства по ремонту.

Если, как показано на рисунке, стоит буква «К», то она обозначает сторону сцепления. Таким образом первая буква индекса (2) обозначает подшипник (5) в блок-картере. Вторая буква индекса (3) обозначает подшипник (4) и т.д..

Смещение оси поршневого пальца

Для перемещения поршней в цилиндрах требуется зазор. Этот зазор является причиной возникновения стука при изменении направления перемещения поршней при возвратно-поступательном движении. Чем выше усилие, действующее сверху на поршень, и чем больше зазор, тем больше стук поршней.

Смещение оси поршневого пальца позволяет снизить давление поршня на стенку цилиндра в момент изменения направления его перемещения при переходе от такта сжатия к рабочему ходу и в конце такта выпуска перед ВМТ. Это приводит к снижению шумности работы двигателя.

Ось поршневого пальца смещена относительно средней плоскости цилиндра. Положительное смещение оси поршневого пальца – это смещение к нагруженной стороне, отрицательное – смещение к ненагруженной стороне. Нагруженной стороной называется сторона поршня, на которую опирается поршень в такте рабочего хода по пути к нижней мертвой точке.

Как видно на рисунке, в традиционном но кривошипно-шатунном механизме ось отверстия для поршневого пальца, шатун и ось вращения коленвала BMT находится на одной линии. Вследствие такого расположения поршень при движении вверх прижиматься к ненагруженной стороне (B). В верхней мертвой точке силы уравниваются, давление с ненагруженной стороны уменьшаться и с поворотом коленвала в сторону от верхней мертвой точки поршень наклоняется к нагруженной стороне (A). А так как уже в BMT действует высокое давление, то смена стороны прилегания сопровождается сильным шумообразованием. При этом говорят, что слышен шум при перекладке поршней.

Смещение оси поршневого пальца может быть как к нагруженной стороне (положительное), так и к ненагруженной стороне (отрицательное). Смещение к нагруженной стороне называется также шумовом смещении.

При реализации смещения к ненагруженной стороне говорят о термическом смещении. В этом положении улучшается уплотняющее действие поршневых колец.

Для снижения шума при смене стороны прилегания поршня момент смены стороны прилегания сдвигают в ту сторону, в которой силы, действующие на поршень, меньше. Т.е. делают так, чтобы поршень перемещался от ненагруженной стороны к нагруженной в другой момент времени. На рассматриваемых двигателях BMW это достигается за счет смещения поршневого пальца в направление нагруженной стороны.

Смещение составляет от 0,3 до 0,8 мм, то есть почти не видно невооруженным глазом. Это одна из причин, по которой на днище поршня указывается направление его установки. Неверная установка поршня может перевести к повышенному шумообразованию, как при повреждении поршня.

Поршень при движении вверх так же прилегает к ненагруженной стороне. За счет смещения поршневого пальца уже до BMT достигается нейтральное положение поршня. Это тот случай, когда осевая линия цилиндра и осевая линия большой и малой головок шатуна находится параллельно друг к другу. Таким образом уже до BMT происходит смена стороны прилегания от ненагруженной стороны к нагруженной стороне. При движении поршня к BMT силы, действующие на поршень со стороны ГБЦ еще незначительны. За счет смещения оси поршневого пальца, сила, действующая на поршень сверху, с одной стороны имеет большее плечо рычага, чем с другой. В связи с этим поршень отклоняется уже при движении вверх, в результате чего смена стороны прилегания проходит плавнее. В результате шум при перекладке снижается.

Недостаток смещения оси поршневого пальца заключается в некотором увеличения трения на нагруженной стороне. Однако, с ним приходится мириться, учитывая существенное снижение уровня шума.

Смещение

Впервые на BMW используется блок-картер со смещением.

Под смещением понимается смещение оси коленчатого вала относительно средней плоскости цилиндра. Смещение может осуществляться как в нагруженную сторону, так и в направлении ненагруженной стороны двигателя. Положительная смещения – это смещение в нагруженную сторону, отрицательное значение – это смещение к ненагруженной стороне.

В принципе смещение может быть реализовано в обоих направлениях, одиноко, до сегодняшнего дня используется только положительные значения (A).

На следующем рисунке видно, что положительное смещение оси коленчатого вала в сравнении с положительным смещением оси поршневого пальца оказывает противоположный эффект на смену стороны прилегания. Так смена стороны прилегания происходит явно позднее и в области высокого давления в цилиндре.

За счет смещение так же сдвигаются верхняя и нижняя мертвой точки. Верхняя и нижняя мертвые точки достигаются в распрямленном и свернутом положениях. Шатун и плечо коленчатого вала находится геометрический на одной прямой.

В верхней мертвой точке смещения (y), радиус кривошипа (r) и длина шатуна (l) образуют прямоугольный треугольник. По теореме Пифагора можно рассчитать расстояние (sВМТ) от верхней мертвой точки до центра коленвала.

sВМТ = √((l + r)² – y²)

Нижняя мертвая точка также изменяет свое положение и достигается при угле поворота коленчатого вала больше 180º.

В нижней мертвой точке смещения (y), радиус кривошипа (r) и длина шатуна (l) образуют прямоугольный треугольник. По теореме Пифагора можно рассчитать расстояние (sНМТ) от нижней мертвой точки до центра коленвала.

sНМТ = √((l – r)² – y²)

Тогда ход поршня (h) можно определить путем вычитания расстояния от центра коленвала до НМТ (sНМТ) из расстояния от центра коленвала до ВМТ (sВМТ).

h = sВМТ – sНМТ

Наклон коленвала в верхней и нижней мертвых точках можно рассчитать по следующей формуле:

ºКВВМТ = αВМТ = arc sin(y/(l+r))

ºКВНМТ = 180º + (αНМТ = arc sin(y/(l-r)))

На двигателе Н20 применяться комбинация из положительного смещения оси коленчатого вала и отрицательного смещения оси поршневого пальца.

Отрицательное смещение оси поршневого пальца, как и положительное, влияют на характеристики смены стороны прилегания. Из-за распределения момента при смене сторон прилегания, смена происходит позднее и тише.

На моторе N20 длина шатуна равна 144,35 мм, радиус кривошипа составляет 44,8 мм. Смещение оси коленчатого вала составляет +14 мм, смещение оси поршневого пальца -0,3 мм.

Теперь по этим данным можно вычислить все важные значения с помощью приведенных выше формул:

Данные	Значение
Ход поршня	90,09 мм
ВМТ	+ 4,336º
НМТ	+ 188,259º
Угол такта всасывания и угол такта рабочего хода	183,923º
Угол такта сжатия и угол такта выпуска	176,077º

Преимущества

На двигателе со смещением шатун при рабочем такте находится почти в вертикальном положении (следующий рисунок, правая сторона), в отличии от двигателя без смещения(следующий рисунок, левая сторона). За счет этого значительно снижается усилие прижима (5), то есть трение поршня о стенку цилиндра. КПД в результате повышается. Таким образом, смещение оси коленчатого вала и оси поршневого пальца на двигателе N20 можно отнести к элементам стратегии BMW EfficientDynamics.

Шатуны

Шатун двигателя N20 имеет длину 144,35 мм. Его особенностью является фасонное отверстие в малой неразъемной головке шатуна. В таком исполнении шатун уже использовался в двигателе N55. Благодаря ему сила, действующая через поршневой палец, оптимально распределяется по поверхности поршня, и нагрузка на кромки уменьшается.

Подшипник

Вкладыши шатунных подшипников не содержат свинца. Используются два класса подшипников, а именно классы «r» и «b».

Для мест установки и распределения подшипников действительно следующее:

Класс подшипника или индекс	Место установки	Цвет подшипника
b	со стороны стержня со стороны крышки	фиолетовый синий
r	со стороны стержня со стороны крышки	желтый красный

Вкладыши подшипника точно такие же, как на двигателях N54 и N55. Специальный паз предотвращает неправильную установку вкладышей подшипника со стороны стержня или крышки.

Поршни с поршневыми кольцами

Используются поршни с вырезом в юбке до зоны поршневых колец производство фильмы FM. Диаметр поршня составляет 84 миллиметра. Первое поршневое кольцо представляет собой кольцо прямоугольного сечения из азотированной стали. В качестве второго поршневого кольца используется скребковое кольцо. Маслосъемное кольцо представляет собой составное кольцо из двух тонких колец и пружины, известное так же как система MF.

Ось поршневого пальца имеет отрицательное смещение(то есть к ненагруженной стороне).

Применяется два вида поршней. Один вид со степенью сжатия 10:1 рассчитан на использование в моделях, кроме «больших» серий, например F10. Для «больших» серий степень сжатия поршня увеличена до 11:1. В странах с плохим качеством топлива поршни со степенью сжатия 10:1 используются на всех моделях.

На поршне имеется стрелка, указывающая монтажное положение. Эта стрелка при установке всегда должна быть направлена в продольном направлении двигателя вперед к ременному приводу агрегатов (от моховика). Правильная установка поршня очень важна, так как иначе асимметричные проточки под клапаны и различная прочность поршня со сторон впуска и выпуска довольно быстро приведут к повреждениям клапанов или стенок цилиндра. Результатом будет повреждение всего двигателя.

Привод распределительного вала

Привод распределительного вала имеет известную конструкцию. Через балансирные валы осуществляется привод масляного насоса. Для правильного позиционирования балансирных валов относительно коленвала вторичный цепной привод так же оснащен натяжителем цепи. Плотное зацепление требуется для позиционирования балансирных валов.

Балансирные валы

Балансирные валы используются для улучшения параметров работы и шумовых характеристик двигателя. Это достигается за счет двух валов, вращающихся в противоположных направлениях и оснащенных дебалансными массами.

Привод балансирных валов осуществляется от коленвала через зубчатую цепь. Для зацепления зубчатой цепи на коленвале и верхнем балансирном валу имеются специальные шестерни.
Благодаря зубчатой цепи оптимизируется процесс огибания приводной цепью звездочки цепной передачи и за счет этого снижается шумность.

Для позиционирования балансирных валов относительно коленвала нижний балансирный вал фиксируется с помощью штифта толщиной 4,5 мм. Для этого из фиксируемого отверстия необходимо вынуть пробку. Эта пробка препятствует перетеканию масла в камеру балансирных валов при работе двигателя. Избыточное количество масла в камере захватывается балансировочными грузиками при вращении и через отводное отверстие направляется обратно в масляный картер.

Правильное позиционирование балансирных валов необходимо для безупречная работа двигателя. Соблюдайте указания руководства по ремонту!

Привод клапанов

Конструкция

Роликовые рычаги толкателей стороны впуска изготовлены из листового материала и подразделяются на пять классов: с «1» по «5». Промежуточные рычаги также изготовлены из листового метала и подразделяются на шесть классов: с «00» по «05».

Распределительные валы

В моторе Н20 используется уже известные по двигателям N63 и N43 составные распределительные валы. Все детали установлены на трубе методом горячей запрессовки.

Трубы закрыты заглушками. Заглушка в распредвале впускных клапанов обеспечивает подачу масла для вакуумного насоса от головки блока цилиндров через распредвал впускных клапанов. Заглушка в распредвале выпускных клапанов улучшает техническую чистоту.

Фазы газораспределения

Впускные и выпускные клапаны

Впускные и выпускные клапаны заимствованны у двигателя N55 и не претерпели изменений. Стержень впускного клапана имеет диаметр 5 мм. У выпускного клапана диаметр стержня составляет 6 мм, так как выпускной клапан высверлен внутри и заполнен натриевым наполнителем. Кроме того, седло выпускного клапана имеет защитное покрытие (более твердый материал), а седло впускного клапана выполнено методом индуктивного закаливания.

Пружины клапанов

Пружины впускных и выпускных клапанов различаются. Такие пружины впускных клапанов уже использовались в двигателях N52, N52TU и N55. Пружины выпускных клапанов устанавливались в двигателях N43, N51, N52, N52TU, N53, N54 и N55.

Valvetronic

Система Valvetronic состоит из системы бесступенчатой регулировки хода клапанов и системы регулировки фаз газораспределения VANOS, благодаря чему возможно гибкое управление впускными клапанами.

Регулировка хода клапанов осуществляется только на стороне впуска, а система газораспределения управляет как стороной впуска, так и выпуска.

Бездроссепьное управление нагрузкой возможно только, если:

• ход впускного клапана;
• и фазы газораспределения распредвалов впускных и выпускных клапанов имеют изменяемую регулировку;

Результат: свободный выбор моментов открывания и закрывания и, следовательно, продолжительности открывания, а также свободная регулировка хода впускного клапана.

VANOS

Система ВАНОС была переработана. Теперь регулирующее воздействие системы VANOS выполняются с большей скоростью. Также удалось уменьшить загрязняемость. Следующие сравнение систем VANOS двигателей N55 и N20 показывает, что в N20 требуется меньше смазочных каналов.

На следующем рисунке показаны смазочные каналы в исполнительном узле системы VANOS. По каналам, выделенным светло-желтым цветом, распредвал впускных клапанов переставляется в направлении опережения, а по каналам, выделенным темно-желтым цветом, осуществляется регулировка исполнительного узла системы VANOS в направлении запаздывания.

Фиксирующий штифт служит для фиксации части исполнительного узла системы VANOS в монтажном положении. Не изображенные на рисунке спиральные (торсионные) пружины используется для компенсации воздействия пружин клапанов на кулачки распределительных валов при регулировке VANOS, так как без спиральных пружин система VANOS намного быстрее осуществляет регулировку на запаздывание, чем на опережение (против действия пружин). Расфиксирование исполнительного узла VANOS для возможности регулировки фаз осуществляется за счет давления масла, которое подается на фиксатор (2) против действий пружины (3).

Для крепления исполнительного узла VANOS к распределительному валу больше не применяется отдельный болт. Центральный клапан VANOS служит для крепления исполнительного узла системы VANOS к распределительному валу. Одновременно центральный клапан VANOS регулирует поток масса к исполнительному узлу системы VANOS. Для активизации центрального клапана используется электромагнитный актуатор, который с помощью собственного якоря нажимает на поршень (4) центрального клапана VANOS и сдвигает его.

С помощью центрального клапана регулируется поток масла. На следующем рисунке поршень выдвинут. На большом рисунке изображен потока масла от главного смазочного канала в исполнительном узле системы VANOS, на малом рисунке показан поток масла из исполнительного узла системы VANOS в головку блока цилиндров.

Регулировки хода клапанов

Как видно из следующего рисунка, принцип регулировки хода клапанов с помощью серводвигателя Valvetronic очень похож на регулировку, исполнительную в двигателе N55. Датчик эксцентрикового вала интегрирован в серводвигатель Valvetronic.

Используется система Valvetronic ΙΙΙ, которая уже известна по двигателю N55.

Ременный привод

Ременный привод включает в себя основной ремень привода генератора и компрессора кондиционера и дополнительный – насос гидроусилителя рулевого управления. Основной ремень оснащен устройством для натяжения, дополнительный ремень натягивается с помощью револьверной зажимной системы.

Система подачи масла

Система подачи масла в двигателе N20 очень похожа на систему в двигателе N55. Имеются лишь некоторые изменения в конструкции. Однако из-за сложностей всей системы в целом здесь еще раз приводится ее подробный обзор.

Особенности системы подачи масла в двигателе N20:

• Масляный насос, регулируемый по полю характеристик
• Новый масляный насос с переменной производительностью
• Новые центральные клапаны VANOS
• Натяжитель цепи привода балансирных валов и масляного насоса
• Охлаждение неочищенного масла
• Новый комбинированный датчик давления и температуры масла

Обзор

На следующих рисунках дается обзор системы подачи масла и представлены гидравлическая схема и схема фактического расположения смазочных каналов в двигателе.

Гидравлическая схема

Смазочные каналы

Масляный насос

В моторе N20 также применяется масляный насос с изменяемым объемным расходом. Принцип его работы, несмотря на измененную форму, точно такой же, как в двигателе N63 или N55. Несмотря на схожесть масляных насосов в этих двух двигателях, они различаются по принципу регулировки. Если в двигателе N63 используется масляный насос с регулируемым объемным расходом, то регулировка масляного насоса в двигателе N55, как и в двигателе N20, осуществляется по полю характеристик.

Масляный насос присоединен к корпусу балансирных валов. Масляный насос находится со стороны маховика двигателя, но его привод осуществляется с передней стороны двигателя через цепь от коленчатого вала. Требуемый момент передается от звездочки цепной передачи к масляному насосу через вал. Этот вал также является первым балансирным валом и вращается в том же направлении, что и коленвал.

Как уже говорилось, принцип работы маятникового масляного насоса не изменился. Основное отличие заключается в том, что маятниковый корпус при регулировки больше не вращается вокруг оси, а сдвигается параллельно.

Как во всех маятниковых масляных насосах последнего поколения, масло воздействует непосредственно на маятниковый корпус. Чем выше давление, тем дальше сдвигается маятниковый корпус к центру насоса, сжимая пружину, что приведет к снижению объема подачи. Это снижает производительность насоса и ограничивает давление в системе. Таким образом возможна чисто гидравлическая/механическая регулировка объемного  расхода с установкой достаточного рабочего давления. Это давление определяется жесткостью основной пружины в масляном насосе, которая действует на маятниковый корпус.

Дополнительно двигатель N20 имеет уже известный по двигателю N55 клапан регулировки поля характеристик, через который блок DME может влиять на производительность насоса путем электрической активизации.

Масляный насос нельзя заменить отдельно. Необходимо заменять весь блок, включая балансирные валы.

Регулировка

Регулировка производительности всех насосов, в том числе системе подачи масла, имеет важное значение с точки зрения реализации стратегии EfficientDynamics. С одной стороны делаются попытки максимально уменьшить приводную мощность насоса, чтобы снизить потери двигателя. С другой стороны, насос при любых возможных обстоятельствах должен обеспечивать достаточный объем и давление передаваемой среды. Параметры обычного насоса с неизменяемой регулировкой должны постоянно обеспечивать требуемый объем подачи. Однако, это означает, что при определенных обстоятельствах насос большую часть времени будет перекачивать излишнее количество масла и, соответственно, будет забирать у привода больше энергии, чем требуется. Поэтому сейчас разрабатывается все больше насосов с изменяемой регулировкой и их регулировка становится все более точной. На смену обычному масляному насосу пришла регулировка объемного расхода, которая позднее была дополнена регулировкой по полю характеристик.

Регулировкой объемного расхода

Основным элементом насоса с регулировкой объемного расхода является маятниковый корпус. Маятниковый корпус может сдвигаться по направлению к валу насоса.

В положении подачи маятниковый корпус размещается эксцентрично относительно вала насоса. Таким образом происходит сильное увеличение объема со стороны всасывания и точно такое же уменьшение объема на стороне нагнетания. Это создает высокую производительность.

Когда маятниковый корпус сдвигается в направлении вала насоса, скорость изменения объема снижается до полного прекращения изменений объема. Соответственно снижается производительность до установки минимальной подачи.

Положение маятникового корпуса зависит от давления масла в регулировочной масляной камере. Это давление сдвигает маятниковый корпус против действия пружины. Если давление низкое, маятниковый корпус находится эксцентрично и производительность высокая. Если давление высокое, то маятниковый корпус сдвигается дальше к центру и производительность падает.

При «чистой» регулировке объемного расхода давление в регулировочной масляной камере соответствует давлению в главном смазочном канале. Таким образом может поддерживаться относительно равномерное давление независимо от требуемого объемного расхода. Причиной больших различий в требуемом объемном расходе в масляном контуре является система газораспределения VANOS с изменяемой фазой открытия впускных клапанов. В исполнительных узлах системы VANOS масло используется не только для смазки, но и в качестве рабочей жидкости. То есть при регулировке используются большие объемы масла, что приводит к падению давления в системе. Падение давления приводит к тому, что маятниковый корпус в масляном насосе сдвигается в сторону увеличения подачи. За счет этого увеличивается объемный расход насоса и давление в системе компенсируется.

Как уже говорилось, давление, которое устанавливается в масляной системе, зависит от силы сжатия пружины, которая противодействует давлению в регулировочной масляной камере. При мягкой пружине маятниковый корпус сдвигается к центру легче, то есть при меньшем давлении. При жесткой пружине для снижения объема подачи требуется более высокое давление. То есть выбирается пружина, которая сжимается под действием того давления, которое должно иметься в масляной системе.

Дальнейшее усовершенствование регулировки объемного расхода представляют собой регулировку по полю характеристик.

Регулировка по полю характеристик

Регулировка по полю характеристик позволяет влиять на давление в регулировочной масляной камере. В процессе регулировки задействованы два дополнительных клапана: электромагнитный клапан (клапан регулировки поля характеристик) и чисто гидравлический клапан, который обеспечивает аварийный режим и поэтому называется аварийным клапаномв или регулировочным клапаном второго уровня (SLR).

Клапан регулировки поля характеристик находится с левой стороны двигателя и регулирует давление масла от главного смазочного канала к регулировочной масляной камере в масляном насосе.

При этом он может обеспечивать плавное снижение давления масла в регулировочной масляной камере. Чем больше он снижает это давление, тем больше объемный расход масляного насоса. Однако, это не сказывает никакого положительного влияния на экономию энергии. Поэтому основная пружина в масляном насосе, которая действует на маятниковый корпус, должна быть мягче, чем для системы с регулируемым объемным расходом. Это значит, что маятниковый корпус легче сдвигается в центральное положение, и минимальная производительность насоса достигается при более низком давлении в регулировочной камере. За счет этого в масляной системе образуется меньшее соотношение давлений, что означает снижение энергии на привод масляного насоса. При необходимости производительность насоса может быть увеличена путем снижения давления в регулировочной масляной камере через клапан регулировки поля характеристик.

В качестве второй ступени регулировки поля характеристик используется гидравлический клапан, который находится в корпусе масляного насоса, он обозначается как аварийный клапан.

Речь идет о двухпозиционном трехлинейном клапане, который в состоянии переводить давление главного смазочно канала в регулировочную масляную камеру насоса. Для этого масло из главного смазочного канала отжимает поршень против действия пружины, пока наконец не открывается канал к масляному насосу. На другую сторону поршня действует давление масла из клапана регулировки поля характеристик.

Гидравлический клапан находится между клапаном регулировки поля характеристик и регулировочной масляной камерой в масляном насосе. На следующем рисунке это показано на упрощенном масляном контуре.

В режиме регулировки по полю характеристик давления масла действует на обе стороны поршня. Пружине аварийного клапана противодействует давления масла непосредственно из главного смазочного канала. На другую сторону, то есть вместе с пружиной аварийного клапана, действует давления масла от клапана регулировки поля характеристик.

При регулировке по полю характеристик поршень постоянно находится в своем конечном положении. Чтобы сдвинуть поршень, требуется избыточное давление 5,5 бар против действия пружины. Этого при режиме регулировки по полю характеристик никогда не происходит, так как максимальное давление, которое может быть установлено в системе, составляет 4,5 бар. В этом положении аварийный клапан открыт в направлении от клапана регулировки поля характеристик к регулировочной масляной камере масляного насоса.

Давление регулировочной масляной камере насоса определяется непосредственно клапаном регулировки поля характеристик и, таким образом, регулируется производительность масляного насоса.

Регулировка по полю характеристик является стандартным режимом работы масляной системы. Она активна, когда в системе нет неисправностей и условия эксплуатации не выходят за пределы определенных значений.

До этого момента регулировка по полю характеристик обходилось без аварийного клапана. Он, однако, является второй ступенью регулировки поля характеристик. Если клапан регулировки поля характеристик отключается, то в пространстве аварийного клапана со стороны пружины падает давление. То есть при этом на поршень действует только давление пружины. Как уже говорилось, для переключения аварийного клапана требуется разность давлений в 5,5 бар.

Для этого давление главного смазочного канала переключается непосредственно в регулировочную масляную камеру насоса.

Таким образом давление масла ограничивается до максимального значения 5,5 бар. Ниже этого значения регулировка в аварийном режиме не осуществляется так как в регулировочную масляную камеру не поступает масло.

Клапан регулировки поля характеристик является нормально-закрытым. При отказе клапана система автоматически переходит в аварийный режим и обеспечивается ограничение давления 5,5 бар. Как уже говорилось, режим регулировки по полю характеристик является нормальным режимом работы. Однако, существует множество причин, по котором блок DME может переключиться в аварийный режим. Это , например:

• неисправность клапана регулировки поля характеристик
• неисправность датчика давления масла
• температура наружного воздуха ниже -20ºC
• высокая температура моторного масла или охлаждающей жидкости
• характер движения (например, долгое время с высокой частотой вращения)

Через датчик давления распознается застревание аварийного клапана в одном положении. В этом случае блок DME пытается высвободить аварийный клапан путем изменения нагнетания давления. Если аварийный клапан заблокирован в положение «закрыто», то дальнейшая регулировка по полю характеристик возможна. Если аварийный клапан блокироваться в положении «открыто», то нагнетание достаточного давления становится невозможным. Включается контрольная лампа давления масла и необходимо немедленно заглушить двигатель.

Обобщение

За счет регулировки масляного насоса по полю характеристик реализуется точная подача масла и возможно снижение среднего уровня давление в масляном контуре. Это обеспечивает снижение расхода энергии масляным насосом.

Снижение уровня давления возможно только при использовании мягкой основной пружины в масляном насосе, так как маятниковый корпус даже при незначительном давление в регулировочной масляной камере сдвигается в направление минимальной подачи. Клапан регулировки поля характеристик позволяет влиять на это давление , благодаря чему блок DME может управлять объемной подачей.

На следующей диаграмме показаны (упрощенно) характеристики изменения давления в зависимости от частоты вращения коленвала двигателя для различных масляных насосов.

Диаграмма показывает преимущество регулируемых масляных насосов. При достижении достаточного давления масла возможно снижение производительности масляного насоса. Более низкое давление сопоставимо с экономией топлива. Масляные насосы, регулируемые по полю характеристик, обеспечивают здесь максимальное преимущество, так как они могут регулироваться не только в зависимости от частоты вращения коленвала двигателя. Например, при частичной нагрузке требуется совсем небольшое давление масла, так как коренные подшипники коленчатого вала испытывают незначительную нагрузку. Соответственно в диапазоне частичных нагрузок можно установить невысокое давление масла, что делает преимущество по сравнению с насосами с регулируемым объемным расходов еще более явным.

Давление масла в режиме регулировки по полю характеристик составляет от 1,5 до 4,5 бар.

Для обеспечения аварийного режима и создания в определенных ситуациях более высокого давления в систему интегрирован аварийный клапан. Например, при отказе клапана регулировки поля характеристик, он обеспечивает создание требуемого давления, не смотря на мягкую пружину, и регулировку давления масляного насоса до 5,5 бар.

Клапан ограничения давления

В дополнение к регулировке масляного насоса имеется клапан ограничения давления, который часто также называют клапаном облегчения пуска холодного двигателя.

Клапан ограничения давления является первой деталью после насоса в корпусе масляного насоса и в масляном картере. Он открывается при давлении 12-13 бар и спускает масло прямо в масляный картер. Он необходим, прежде всего, при низких температурах и высокой вязкости масла. Пр  этих условиях с помощью клапана ограничения давления предотвращаются повреждения деталей, в особенности модуля масляного фильтра и его уплотнений. Он необходим, прежде всего, при температуре ниже -20ºC, так как при более высокой температуре активна регулировка по полю характеристик.

Очистка и охлаждение масла

Двигатель BMW N20 имеет такой же пластмассовый корпус масляного фильтра, что и двигатель N55, на котором аналогичным способом установлен жидкостно-масляный теплообменник. Этот единый блок называется модулем масляного фильтра.

Охлаждение масла

В двигателе N20 жидкостно-масляный теплообменник находится в масляном контуре перед масляным фильтром. Он служит для охлаждения неочищенного масла, в отличии от охлаждения очищенного масла, и имеет смысл для подшипников коленчатого вала и шатунных подшипниках. Так как последние очень чувствительны к частицам грязи, то при такой конструкции масляный фильтр располагается еще ближе перед опорами подшипников. Его значение возрастает еще больше, если на более поздних моделях будет использоваться вынесенный масляный радиатор, так как в этом случае после аварии всегда имеется опасность попадания грязи в масляный контур.

Постоянный бейпас

Мотор N20 не имеет перепускного клапана теплообменника. Вместо него, как и на двигателе N55, используется так называемый постоянный байпас. Он представляет собой постоянно открытый обход вокруг жидкостно-масляного теплообменника. Чтобы большая часть масла протекала все же через жидкостно-масляный теплообменник, в байпасе находится дроссель.

Очистка масла

Используемый в двигателе Н20 полнопоточный масляный фильтр имеет сходство с масляным фильтром двигателя N57. Вместо обратного клапана прямо на фильтровальном элементе установлена обратная запорная мембрана. Ее задачей является предотвращение опустошения корпуса масляного фильтра при остановленном двигателе.

Обратная запорная мембрана выполнена из резины. Под давлением масла она поднимается и масло может попадать в фильтр. Как только двигатель останавливается и давление масла падает. обратная запорная мембрана за счет своей формы и эластичности перекрывает смазочный канал. Моторное масло не может вытекать из фильтра. Обратная запорная мембрана является частью масляного фильтра и поэтому автоматически заменяется при каждой смене фильтра.

Естественно двигатель N20 имеет и перепускной клапан фильтра, который может открывать байпас в обход фильтра, например, при холодном вязком масле. Это происходит, когда разность давления до и после фильтра превышает 2,5 бар. Допустимая разность давлений была увеличена с 2,0 до 2,5 бар для защиты не содержащих свинца подшипников коленчатого вала и шатунных подшипников. За счет этого масло значительно реже пускается в обход и снижает опасность попадание частиц грязи.

Контроль масла

Датчик давления и температуры масла

В двигателе BMW N20 применяется новый комбинированный датчик давления и температуры масла. Сигнал давления используется для регулировки масляного насоса по полю характеристик, сигнал температуры – для терморегуляции двигателя.

Датчик устанавливается в главном смазочном канале. Таким образом, теперь измеряется не температура масла в масляном картере, а фактическая температура масла в двигателе.

Обычно комбинированные датчики для измерения давления и температуры масла имеют по четыре разъема (питание, масса, сигнал температуры, сигнал давления). Датчик давления и температуры масла имеет только три разъема. Для передачи сигналов температуры и давления не используются отдельные провода. Вместо этого датчик посылает сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Этот сигнал ШИМ подразделяется на три постоянных цикла. Первый цикл используется для синхронизации и диагностики, второй передает температуру, а третий – давление. Значение определяется по продолжительности «высокого уровня» каждого цикла.

Цикл	Функция	Продолжительность цикла	Продолжительность высокого  уровня
1	Синхронизация и диагностика	1024 мкс	256-640 мкс
2	Температура	4096 мкс	128-3968 мкс
3	Давление	4096 мкс	128-3968 мкс

Данные высокого уровня у диагностического сигнала всегда кратна 128 мкс (микросекунда = 0,000001 секунды), как показано в следующей таблице:

Продолжительность сигнала высокого уровня	Длительность импульса	Значение
256 мкс	25 %	Диагностика – в порядке
384 мкс	37,5 %	Отказ измерения давления
512 мкс	50 %	Отказ измерения температуры
640 мкс	62,5 %	Неисправность аппаратного обеспечения

За счет этого датчик является самодиагностируемым и способен распознавать внутренние механические и электрические неисправности.

Сигнал температуры имеет следующие значения:

• 128 мкс (3,125 % длительности импульса) = -40ºC
• 3968 мкс (96,875 % длительности импульса) = 160ºC

Сигнал давления имеет следующие значения:

• 128 мкс (3,125 % длительности импульса) = 0,5 бар (абсолютное)
• 3968 мкс (96,875 % длительности импульса) = 10,5 бар (абсолютное)

Временные значения являются заданными. Фактически измеряются и сравниваются друг с другом продолжительности каждого цикла и каждого высокого уровня. Рассчитанная длительность импульса и дает в итоге соответствующее значение.

Контроль уровня масла

Для контроля уровня и температуры масла используется известный термодатчик уровня масла TÖNS.

Масляные форсунки

В двигателе Н20 детали, до которых не доходят смазочные каналы, также смазываются и/или охлаждаются с помощью масляных форсунок.

Охлаждение днищ поршней

Масляные форсунки для охлаждения днищ поршней, используемые в моторе N20, в принципе уже известны. В них встроены обратные клапаны, чтобы они открывались и закрывались только при определенном давлении масла.

Кроме охлаждения днищ поршней они также используются для смазки поршневых пальцев, поэтому очень важно их точное выравнивание.

Давление открывания	2,5-2,9 бар
Давление закрывания	2,1 бар

По части строения масляных форсунок двигатель N20 имеет сходство с бензиновыми двигателями N5x. При установке масляные форсунки автоматически не попадают в правильное положение, их необходимо выравнивать с помощью специального приспособления.

После установки масляных форсунок для охлаждения днищ поршней в двигателе N20 их необходимо выравнивать с помощью специального приспособления. Соблюдайте указания руководства по ремонту.

В зависимости от расположения в двигателе масляные форсунки для охлаждения днищ поршней предлагаются в двух различные вариантах. Один вариант для цилиндров 1 и 3 и другой вариант для цилиндров 2 и 4.

Цепной привод

Цепной привод в двигателе N20 разделяется на верхнюю часть (привод распределительного вала) и нижнюю часть (привод масляного насоса).

Привод распределительного вала

Смазка приводной цепи осуществляется через масляную форсунку, которая находится в натяжителе  цепи. Для этого в планке натяжителя имеется отверстие, через которое разбрызгивается масло.

Привод балансирных валов и масляного насоса

В приводе балансирных валов и масляного насоса масло также разбрызгивается на цепь через натяжитель цепи. Однако, это необходимо не для смазывания, так как цепь и так погружается в масляный поддон. В этом случае разбрызгивание используется для удаления масла из натяжителя цепи.

Распределительный вал

Смазка кулачков на распредвале также осуществляется через масляные форсунки. Для смазывания распредвала впускных клапанов в кулисах имеются тонкие канавки, в которые через резьбовое отверстие поступает масло.

При монтаже кулис следует обратить особое внимание на отсутствие загрязнений, так как они могут привести к закупорке масляных форсунок. Отсутствие смазки на кулачках может привести к повреждению привода клапанов.

Для смазывания распредвала выпускных клапанов в головке блока цилиндров имеется смазочная трубка, которая через маленькие отверстия разбрызгивает масло на кулачки.  Восемь отверстий предусмотрены для смазки кулачков выпускных клапанов, а остальные для смазки тройного кулачка с приводом от насоса высокого давления.

Зубчатое зацепление серводвигателя Valvetronic

Силовой агрегат N20 имеет точно такой же серводвигатель Valvetronic, что и мотор N55, с аналогичным положением установки. Червячный привод для регулировки эксцентрикового вала также смазывается через масляную форсунку. Здесь, при установке, также необходимо обращать особое внимание на правильность выравнивания. Для этого не требуется специальных приспособлений, только тщательно зафиксировать со слышимым щелчком в специальной направляющей на серводвигателе Valvetronic.

Вследствие размеров масляной форсунки и того факта, что двигатель можно собрать и без нее, существует опасность забыть про нее при установке.

При установке масляной форсунки обращайте особое внимание на правильность положения и фиксации. Неправильно зафиксированная форсунка может отломится из-за вибрации. Соблюдайте указания руководства по ремонту.

Система охлаждения

Система охлаждения также во многом схожа с аналогичной системой двигателя N55. В двигателе N20 для охлаждения смазочной системы используется жидкостно-масляный теплообменник. Регулировка системы охлаждения (например, электрического насоса ОЖ, управляемого термостата и электровентилятора) осуществляется с помощью специальной программы в блоке DME.

Обзор

Сам модуль охлаждения имеется только в одном варианте. Только на автомобилях в исполнении для стран с тропическим климатом с SA-840 «Скоростной пакет» дополнительно используется вынесенный радиатор охлаждающей жидкости (в правой колесной нише).

Номинальная мощность электровентилятора составляет 600 Вт.

Терморегулирующая система

Мотор БМВ Н20 имеет уже известные по двигателю N55 функции терморегуляции в блоке DME. Они включают в себя независимую регулировку электрических компонентов охлаждения: электровентилятора, управляемого термостата и насоса охлаждающей жидкости.

Насос охлаждающей жидкости

Двигатель N20 оснащен электрическим насосом охлаждающей жидкости, уже известным по многим двигателям BMW. Его номинальная электрическая мощность составляет 400 Вт.

В случае снятия насоса охлаждающей жидкости перед повторной установкой необходимо проверить его заполнение охлаждающей жидкостью. Высыхание может привести к заклиниванию вала насоса, что, в свою очередь, приведет к повреждению двигателя из-за перегрева. Перед установкой нужно проверить свободу хода, вручную провернув насосное колесо.

Управляемый термостат

Мотор Н20 оснащен обычным управляемым термостатом, который в режиме без электрической регулировки имеет следующие технические характеристики:

Положение управляемого термостата	Температура охлаждающей жидкости
Начало открывания	97±2ºC
Полное открывание	109ºC

Дополнительно при электрическом обогреве в управляемом термостате возможно открывание при более низких температурах охлаждающей жидкости.

Принцип работы терморегулирующей системы

Терморегулирующая система определяет потребность в охлаждении в данный момент и регулирует систему охлаждения соответствующим образом. При определенных обстоятельствах насос охлаждающей жидкости может быть даже совсем выключен, например, для быстрого нагрева охлаждающей жидкости в стадии прогрева. При стоящем автомобиле и сильно нагретом двигателе  или для охлаждения турбонагнетателя насос охлаждающей жидкости работает и при выключенном двигателе. То есть интенсивность охлаждения может устанавливаться независимо от частоты вращения коленвала двигателя. Терморегулирующая система может в дополнении к управляемому термостату использовать различные поля характеристик для управления насосом охлаждающей жидкости. Таким образом система управления двигателем может приспосабливать температуру охлаждающей жидкости к ситуации движения.

Система управления двигателем регулирует следующие температурные диапазоне:

• 109 ºC = экономичный режим
• 106 ºC = нормальный режим
• 95 ºC = высокий режим
• 80 ºC = высокий режим с подключением управляемого термостата

Если блок управления двигателем распознает на основании динамических показателей автомобиля экономичный рабочий диапазон, система управления двигателем доводит температуру до 109 ºC. В этом температурном диапазоне двигатель работает с относительно низким расходом топлива. Внутреннее трение двигателя уменьшается при высокой температуре. Таким образом, повышение температуры способствует небольшому расходу топлива в диапазоне низких нагрузок. Если водитель хочет использовать максимальную мощность двигателя, то для этого температура в головке блока цилиндров снижается до 80 ºC. Это снижение обеспечивает улучшение степени наполнения, что ведет в повышению крутящего момента двигателя. Блок управления двигателем теперь может, в соответствии с ситуацией движения, осуществлять регулировку в определенном рабочем диапазоне. Таким образом можно влиять на расход и мощность через систему охлаждения.

Защита системы

Если в процессе работы двигателя имеет место повышенная температура охлаждающей жидкости или моторного масла, определенные функции в автомобиле оказывают влияние в направлении увеличение энергии для охлаждения двигателя.

Мероприятия подразделяют на две группы:

• Защита деталей
  • Температура охлаждающей жидкости 117 ºC и выше
  • Датчик давления и температуры масла в главном смазочном канале показывает температуру масла в двигателе 143 ºC и выше
  • Мероприятие: например, снижение мощности кондиционера и двигателя
• Экстренный случай
  • Температура охлаждающей жидкости 122 ºC и выше
  • Датчик давления и температуры масла в главном смазочном канале показывает температуру масла в двигателе 151 ºC и выше
  • Мероприятие: например, снижение мощности двигателя (примерно до 90 %)

Охлаждение внутри двигателя

Как и в двигателе N55, каналы подачи охлаждающей жидкости в головке блока цилиндров окружают также форсунки, которые благодаря этому охлаждаются.

Но в отличии от мотора Н55 двигатель Н20 не имеет в блок-картере канавок на перемычках между цилиндрами. Вместо них двигатель N20 имеет отверстия между цилиндрами, с каждой стороны по два, которые соединяются в центре.

Впускной коллектор и выпуск ОГ

Впускной коллектор и система выпуска отработавших газов в принципе такие же, как и на двигателе N55. В следующем списке перечислены важнейшие особенности впускного коллектора и системы выпуска ОГ:

• Глушитель шума всасывания с жестким креплением к автомобилю
• Пленочный термоанемометрический расходомер воздуха (HFM 7) на всех моделях двигателя
• Турбонагнетатель TwinScroll со встроенным перепускным клапаном и клапаном рециркуляции наддувочного воздуха
• Три штуцера системы вентиляции картера
• Различное количество штуцеров системы вентиляции топливного бака (в зависимости от исполнения)

Обзор

Система впуска

Пленочный термоанемометрический расходомер воздуха

Двигатель БМВ Н20 оснащен пленочным термоанемометрическим расходомером воздуха (HFM 7), который очень похож на аналогичное устройство двигателя N74. Пленочный термоанемометрический расходомер воздуха устанавливается во всех моделях двигателя N20, так как это уже является стандартом двигателей TVDI. Принцип работы такой же, как и в двигателе N13.

Система впуска

Как и на двигателе N55, блок DME крепится к системе впуска. Различия заключаются в том, что, во-первых, блок DME расположен на системе впуска, а не под ней. Во-вторых, после снятия блока DME система впуска не остается открытой. Между системой впуска и блоком DME находится металлическая пластина, которая хорошо отводит тепло блока DME к каналам всасывания системы впуска. За счет этого осуществляется эффективное охлаждение блока DME.

Датчик давления во впускном коллекторе

Прямо за дроссельной заслонкой, на входе системы впуска, находится датчик давления во впускной коллекторе. Применен комбинированный датчик давления и температуры. Однако сигнал температуры не используется для унификации применяемых в двигателях деталей.

Турбонагнетатель

Двигатель N20 оснащен турбонагнетателем, работающим по технологии TwinScroll. Она имеет на впуске турбины два разделенных канала, по каждому из которых на лопатки турбины направляется отработавший газ от двух цилиндров.

Турбонагнетатель имеет известную конструкцию с электрическим клапаном рециркуляции наддувочного воздуха и работающим под действием разрежения перепускным клапаном.

Принцип работы турбонагнетателя TwinScroll

Наименование TwinScroll обозначает турбонагнетатель с двухпоточным корпусом турбины. То есть отработавший газ от пар цилиндров направляется на турбину раздельно. В двигателе N20 (как принято на 4-цилиндровых двигателях) в пары объединены цилиндры 1 и 4 и цилиндры 2 и 3. За счет этого эффективнее используется так называемый импульсный наддув.

Наддув с подводом ОГ с постоянным давлением и импульсный наддув

Для наддува двигателей с помощью турбонагнетателя используются два принципа – подвод ОГ с постоянным давлением и импульсный наддув. Наддув с подводом ОГ с постоянным давлением означает, что давление перед турбиной примерно постоянно. Энергия, приводящая в действие турбонагнетатель, получается из разности давлений до и после турбины.

При импульсном наддуве давление перед турбиной быстро и сильно колеблется, то есть пульсирует под действием толчков отработавших газов из камеры сгорания. Увеличение давления приводит к волне давления, попадающей на турбину. В этом случае используется кинетическая энергия ОГ, волны давления приводят турбонагнетатель в действие толчками.

Импульсный наддув способствует быстрой реакции турбонагнетателя прежде всего на низких оборотах, так как здесь самая сильная пульсация, в то время как при наддуве с подводом ОГ с постоянным давлением разность давлений до и после турбины еще незначительная.

Фактически в турбонагнетателях легковых автомобилей всегда используются обе формы наддува. В зависимости от пропорции, каналов ОГ и количества цилиндров доля импульсного наддува выше или ниже.

Зависимость от цилиндров

В одноцилиндровых двигателях каждые два оборота каленвала происходит такт выпуска. Теоретически, каждые 720º угла поворота коленчатого вала в течении 180º происходит выпуск ОГ. На следующем рисунке показано сильно упрощенное соотношение давлений перед турбонагнетателем при одноцилиндровом двигателе.

Как видно по рисунку, каждые 720º оборота коленчатого вала образуется волна давления, которая ударяет пот турбине. Этот импульс ускоряет турбину.

На следующем рисунке показано соотношение давлений перед турбиной на 4-цилиндровом двигателе.

Так как за два полных оборота коленчатого вала каждый цилиндр имеет свой такт выпуска, то за 720º оборота коленчатого вала образуется четыре волны давления. Вследствие интервала зажигания они равномерно распределяются с интервалом в 180º КВ. При этом волны давления накладываются друг на друга. В то время как давление одного цилиндра начинает снижаться, уже возрастает давление следующего цилиндра.

За счет этого перед турбиной возникает наложение давлений, как показано на следующем рисунке:

За счет наложения значительно снижается разность между минимальным и максимальным давлениями. При этом так же снижается воздействие импульса волны давления на турбину. В этом случае составляющая импульсного наддува в турбонагнетателе ниже.

Турбонагнетатель TwinScroll позволяет предотвратить возникновение этого эффекта на 4-цилиндровых двигателях. За счет разделения четырех цилиндров по двум каналам в каждом из каналов образуется соотношение давлений 2-цилиндрового двигателя, как показано на следующем рисунке.

Здесь также накладываются давления двух цилиндров. Однако, в обоих каналах цилиндры 1 и 4 и цилиндры 2 и 3 объединяются. Благодаря порядку работы цилиндров 4-цилиндрового мотора между тактами выпуска каждого канала образуется интервал в 360º КВ. То есть, несмотря на наложение, имеется большая разность давлений, что позволяет лучше использовать кинетическую энергию ОГ.

Для объединения цилиндров 1 и 4 и цилиндров 2 и 3 используется выпускной коллектор специальной формы.

В турбонагнетателе эти два канала идут отдельно друг от друга к приводным лопастям турбонагнетателя. От традиционного турбонагнетателя, турбонагнетатель TwinScroll отличается наличием центральной перемычки в кольцевом канале вокруг турбины

Система выпуска ОГ

Выпускной коллектор

Выпускной коллектор двигателя N20, имеет такую же конструкцию, как и на двигателе N55. Он имеет изоляцию воздушных зазоров и приварен к турбонагнетателю. На BMW N20 используется выпускной коллектор «четыре в два», что необходимо для особого принципа работы турбонагнетателя TwinScroll. При этом в отдельный клапан объединяются выпускные каналы цилиндров 1 и 4 и цилиндров 2 и 3.

Катализатор

Мотор BMW N20 имеет расположенный рядом с двигателем однопоточный катализатор с двумя керамическими частями.

	Объем	Диаметр	Количество ячеек
Керамическая часть 1	0,75	118,4	600
Керамическая часть 2	0,99	125	400

Лямда-зонды

Используются известные ламбда-зонды фирмы Bosch:

• Регулировочный зонд: LSU ADV;
• Контрольный зонд: LSF4.2;

Регулировочный зонд находится перед первичным катализатором, как можно ближе к выходу турбины. Его положение выбрано таким образом, чтобы все цилиндры могли определятся по отдельности. Контрольный зонд находится между первой и второй керамической частями.

Вакуумная система

Вакуумная система двигателя N20 схожа с системой мотора N13 и N55, но в двигателе N20 разрежением управляется заслонка глушителя.

Система подготовки рабочей смеси

В моторе N20 установлена система впрыска под высоким давлением HDE. В отличии от высокоточного впрыска (HPI) в этой системе используются электромагнитные форсунки с соплом, имеющим несколько отверстий.

Используются форсунки фирмы Bosch с обозначением HDEV5.2. Насос высокого давления уже известен по 4-, 8- и 12-цилиндровым двигателям. Новшеством двигателя N20 является то, что трубопроводы высокого давления от магистрали Rail к форсункам со стороны магистрали Rail больше не привинчиваются, а привариваются. Еще одной особенностью в сравнении с известными моторами на BMW системами является отсутствие датчика низкого давления топлива.

При работах на системе питания двигателя N20 следует обратить внимание на то, чтобы кашки зажигания не были загрязнены топливом. Устойчивость силиконовых материалов существенно снижается при контакте с топливом. Это может вести к пробоям на головке свечи зажигания и, как следствие, к пропускам зажигания.

• Перед работами на системе питания обязательно снять катушки  зажигания и закрыть гнезда свечей зажигания ветошью от попадания в них топлива
• Перед установкой новых электромагнитных форсунок нужно демонтировать катушки зажигания, обеспечив максимально возможную частоту
• Сильно загрязненные топливом катушки зажигания подлежат замене

Форсунки

Электромагнитная форсунка HDEV5.2 фирмы Bosch, которые используются в N20, используются так же в моторе N55, но по принципу действия они схожи с форсунками в двигателях N14 и N73.

При подаче питания на катушку возбуждения возникает. Оно отжимает иглу форсунки от седла клапана, преодолевая давление пружины, и открывает отверстия сопла. Высокое давление в магистрали Rail выталкивают топливо с высокой скоростью через выпускные отверстия в цилиндр. Для завершения впрыска питание отключается и игла форсунки прижимается обратно к седлу клапана под действием пружины.

Клапан открывается и закрывается очень быстро и на время открытия обеспечивает постоянное проходное сечение. Таким образом количество впрыскиваемого топлива зависит от давления в магистрали Rail, от противодавления в камере сгорания и времени открытия форсунки.

В отличии от используемых ранее форсунок электромагнитные форсунки в двигателе N55 и N20 имеют длинный и более чувствительный стержень, наличие которого обусловлено конструкцией головки блока цилиндров. Стержень снаружи состоит из пластмассы. Внутри проходит металлическая трубка, которая используется в качестве топливопровода.

Подача топлива

Система вентиляции топливного бака

Система вентиляции топливного бака двигателя N20 может быть представлена в самых различных вариантах, в зависимости от комплектации и экспортного исполнения. Они различаются разным количеством подсоединений к системе впуска и количеством клапанов вентиляции топливного бака.

Простое исполнение

На легковых автомобилях, такие как, например BMW X1 со стандартным приводом и МКПП устанавливается простое исполнение. Его особенностями является: один электрический клапан вентиляции топливного бака и одно подсоединение трубопровода подачи наружного воздуха на корпусе дроссельной заслонки, сразу за самой заслонкой. Такая конфигурация уже устанавливалась на многие двигатели BMW.

Двухступенчатое исполнение

Двухступенчатое исполнение на двигателе N20 предназначено для «тяжелых» автомобилей. Это модели BMW X1 xDrive с АКПП. Наличие такой сложное системы обусловлено технологией TVDI, так как здесь очень редко бывает достаточно разрежения в системе впуска. Впервые она была использована в двигателе N55.

При двухступенчатом исполнении имеется второе подсоединение системы вентиляции топливного бака к системе впуска. Как и в системе вентиляции картера двигателя, в режиме наддува используется разрежение между воздушным фильтром и турбонагнетателем. Поэтому второе подсоединение системы вентиляции топливного бака находится на трубопроводу очищенного воздуха. Используется общее место подсоединения, где также подсоединен трубопровод подачи наружного воздуха системы вентиляции картера двигателя.

Но так как не всегда можно обеспечить достаточное разрежение в трубопроводе очищенного воздуха, дополнительно используется всасывающий струйный насос. Трубопровод всасывающего струйного насоса подключается перед дроссельной заслонкой. За счет этого обеспечивается соединение трубопровода наддувочного воздуха с трубопроводом очищенного воздуха. В режиме наддува в трубопроводе наддувочного воздуха всегда выше, чем в трубопроводе очищенного воздуха, за счет чего создается поток в сторону трубопровода очищенного воздуха.

Отвод от клапана вентиляции топливного бака подсоединен к этому всасывающему струйному насосу. За счет эффекта Вентури обеспечивается надежная продувка фильтра с активированным углем.

Обратные клапаны в обоих трубопроводах от клапана вентиляции топливного бака предотвращают возврат воздуха в клапан вентиляции топливного бака при избыточном давлении.

Двухступенчатое исполнение со вторым клапаном

Автомобили в исполнении для США имеют второй электрический клапан, который по своей конструкции очень похож на клапан вентиляции топливного бака. Он обозначается как запорный клапан.

Запорный клапан используется для диагностики второго входа и должен перекрывать первый вход в систему впуска при определенных граничных условиях.

Он установлен непосредственно под клапаном вентиляции топливного бака и в состоянии  перекрывать трубопровод к дроссельной заслонке.

Запорный клапан в обесточенном состоянии открыт.

Электрооборудование двигателя

Блок управления двигателем

Мотор N20 оснащен цифровой электронной системой управления (DME) от фирмы Bosch – MEVD17.2.4, которая схожа с системой двигателя N55 (MEVD17.2) и крепится к двигателю на системе впуска.

Блок DME двигателя N20 (MEVD17.2.4) сконструирован для крепления на системе впуска двигателя на алюминиевой промежуточной пластине. Через эту промежуточную пластину блок DME охлаждается воздухом, протекающим в системе впуска. Правильность крепления блока на промежуточной пластине (момент затяжки, плоскостность) очень важна для обеспечения надлежащего теплообмена с пластиной и, соответственно, охлаждения системы DME.

Проблемы двигателя BMW N20

Часто встречающиеся неисправности двигателя БМВ Н20:

• Неравномерная частота вращения двигателя на холостом ходу — возможная причина: слабо закреплена дроссельная заслонка или загрязненный контрольный клапан холостого хода;
• Вибрация двигателя — причина: состояние топливных форсунок;
• Неисправность расходомера воздуха — причина: запаздывание системы зажигания и переобогащение топливно-воздушной смеси;
• Продолжительные максимальные нагрузки на двигатель сказываются на работоспособности электрики;
• Постепенная смена марки топлива и масел негативно влияет на работу мотора;

В 2012 году в США двигатель BMW N20 был заменен на двигатель с меньшим выбросом CO2 – BMW N26.