‘壹’ 集大成 拆解宝马4缸涡轮增压发动机N20
分体曲轴箱/电弧丝喷涂工艺 【拆解】全新四缸涡轮增压发动机——N20可谓宝马的杰作。它肩负着更换自然吸气直列六缸发动机的重任。人们不可避免地会将这一全新的“杰作”与旧的“经典”进行比较。好在有了涡轮增压系统和一系列全新的技术装备，创造了更好的动力性能和燃油经济性。真的是在用自己的实力践行宝马的高效动力战略。
N20发动机型号分类
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目前，N20发动机已经安装在X1、新3系、5系等车型上。根据产地不同，N20发动机分为进口和国产两个版本，在特定车型上装配时分为高功率版本和低功率版本，完全可以通过气缸体上的发动机号来区分。另外，如果你想了解更多关于宝马发动机号的秘密，请点击这里。
根据部分网友的反馈，一批20i型号的X1车型的发动机号也是N20B20A。其实在硬件上和28i车型的N20发动机完全一样，只是软件调整略有不同，导致车型要配备低功率发动机，但发动机号是高功率发动机。
沈阳铁西工厂生产的N20发动机严格遵循宝马全球生产流程控制体系，不会因为产地不同而导致产品质量差异。具体零部件采购方面，国产N20发动机部分零部件是根据就近原则从国内供应商中选择，但目前N20发动机国产化率为40%。
在硬件上，高功率发动机和低功率发动机的活塞顶部形状不同，导致压缩比不同。这个我会在文章后面详细讲，发动机电脑的程序也会相应调整，以适应更高的功率输出。这次我们拆解了进口的低功率N20发动机。
●分体式曲轴箱
从上图可以看出，N20发动机的曲轴箱由两部分组成，一部分是曲轴箱体，另一部分是底板，通过螺栓与缸体连接，主要用于固定曲轴。与普通发动机仅用衬套盖固定的方式相比，这种设计可以为气缸体提供足够的扭转刚度，同时可以在高速时为曲轴提供更精确的支撑。
●气缸壁电弧喷涂工艺
从2021年推出的N54双涡轮发动机，到现在的单涡轮发动机N55、n 20，都改变了N52发动机的镁铝合金缸体，采用了传统的铝合金材质来代替。其中，最新的N20发动机首次在气缸壁上采用了电弧丝喷涂工艺。在这个过程中，金属铁被高压下产生的高温电弧熔化，铁被高压空气体喷在铝合金制成的气缸壁上。
铁涂层可以有效提高气缸壁的强度，喷涂后形成的微孔表面可以减少活塞工作时的摩擦。由于铝合金的导热性较好，这种工艺只需喷涂一薄层就能满足相应的要求，在缸体处也能达到最佳的导热性。与普通铝合金发动机采用铸铁气缸套的设计相比，N20发动机的电弧丝喷涂工艺更先进。
●两种材料制成的油底壳
根据车型不同，N20发动机有两种不同的油底壳材料，其中适用于xDrive车型的N20发动机采用铝合金油底壳，主要是因为在四驱系统中需要支撑前桥差速器。后驱车N20发动机的油底壳由于不需要支撑其他结构，所以采用耐热树脂制成。它的优点是重量轻，隔音好，成本相对较低。
两种不同材质的油盘集成了油传感器，不仅可以检测油量，还可以分析油的质量，从而判断是否需要更换油。这套智能监控维护系统也是宝马的CBS车况维护服务系统。
●锻造曲轴
N20发动机采用锻钢曲轴，其中四个平衡块用来保证发动机平稳运转，其上的平衡孔用来保证曲轴运转时的动平衡。
活塞销偏置和曲轴偏置技术
●活塞销偏置和曲轴偏置技术
活塞销用于连接活塞和连杆。在表面上，活塞销正好位于活塞的中心。在压缩冲程中，活塞在连杆的推动下向上移动。此时，活塞右侧紧贴气缸壁，受到的压力最大。我们也称活塞的这一侧为二次推动面。在做功冲程期间，活塞向下移动。此时，活塞左侧紧贴气缸壁，受到的压力最大。因为做功冲程时气缸内的压力大于压缩冲程时的压力，所以我们也称活塞左侧为主推力面。
对于曲轴位于气缸中心线的发动机，当活塞到达上止点位置并开始向下运动时，由于活塞与气缸壁之间的间隙，活塞会从右侧向左侧运动，并产生一定的撞击声，这也称为敲击气缸。为了防止敲击气缸，活塞销的位置通常设计成与活塞主推力面的最大偏差约为2毫米。当活塞反转时，活塞会在缸筒内倾斜，从而起到提前反转的作用，从而减少对气缸的敲击，活塞销的偏移几乎是肉眼看不到的。
很多宝马发动机都采用了活塞销正偏的设计来降低爆震声，但N20发动机活塞销负偏的设计与宝马首次在发动机上应用的曲轴正偏设计是一致的。
所谓曲轴偏移是指曲轴的轴线偏移到气缸中心平面的一侧。与活塞销偏置类似，曲轴偏置也可分为正曲轴偏置到活塞主推力面和负曲轴偏置到活塞副推力面。从上图可以清楚地看到，N20发动机的曲轴轴线偏离气缸中心平面。
一般来说，如果活塞销和曲轴都采用正偏置设计，对降低爆震声会起到相反的作用，所以N20发动机采用活塞销负偏置和曲轴正偏置的组合，可以将爆震声降到最低，但这样做的缺点是会增加活塞主推力面的摩擦力。
曲轴偏置设计的另一个优点是，连杆在做功冲程时更接近垂直状态，这样燃烧产生的压力可以更多地施加到曲轴上，同时可以减少活塞对气缸壁的压力和摩擦，从而提高活塞运动的效率。总的来说，N20发动机最终通过活塞销负偏置和曲轴正偏置的设计，降低了爆震声，提高了发动机的工作效率。
●活塞
N20发动机的高功率版本和低功率版本都体现在硬件上，主要是因为活塞顶的形状不同，导致两个版本的压缩比不同。高功率版本通过更大的增压值获得更高的功率输出，为了减少爆震的发生，其压缩比为10: 1。低功耗版本正好相反，所以压缩比可以相应提高。低功率版本发动机的压缩比为11:1。
Double-VANOS/Valvetronic
●凸轮轴
N20发动机的凸轮轴采用空中心结构，既提高了强度，又减轻了重量。凸轮轴上的凸轮等相关部件通过热压工艺直接压在凸轮轴上，可以有效提高凸轮轴的制造精度。
●双VANOS可变气门正时系统
N20发动机采用最新一代的Double-VANOS双可变气门正时系统，用于进气门和排气门。与N55发动机使用的VANOS系统相比，新的VANOS系统可以更快地调整正时，与N55发动机相同的是进排气门的最大调整范围。同时，新的VANOS系统通过改进油路和电磁阀的相应结构，降低了对油中污染物的敏感性。
很多拆解的零件都可以标上二维码，在发动机装配时通过扫码就可以确定这些零件是否是这台发动机所需要的，从而提高装配效率，同时还可以详细查询零件的生产日期和流向。
●第三代Valvetronic电子气门升程系统
N20发动机采用与N55发动机相同的第三代Valvetronic电子气门升程系统，其特点是驱动偏心轴旋转的伺服电机尺寸更小，用于检测偏心轴旋转角度的传感器也集成在伺服电机中。此外，它的工作原理完全没有改变，进气门侧的气门升程仍然可以从0.3毫米无级调节到9.9毫米。
以下视频生动直观地介绍了Valvetronic电子气门升程系统的工作原理。请点击播放。
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此外，N20发动机排气阀侧的气门也应用了气门补钠技术，将气门杆设计成中空结构，然后用金属钠填充。在发动机正常工作温度下，液态金属钠会随着阀门的开启和关闭而上下移动。钠由于比热容大，可以从阀头吸热并传导，在恶劣的工作环境下降低了阀门的温度。
●双涡旋涡轮增压器
N20发动机采用与N55发动机相同的双涡管涡轮增压器。所谓双涡管是指有两条互不干扰的管道通向排气涡轮侧。对于四缸发动机，按照1-3-4-2缸的工作顺序，1缸和4缸组成一条管路，2缸和3缸组成另一条管路。双涡卷的结构设计可以减少排气干扰，使排气压力更加稳定和连续。同时，双涡卷的结构减小了每个涡卷的截面积，从而提高了废气流动的速度，最终达到减少涡轮迟滞和增压的效果。
N20发动机的排气歧管和涡轮增压器焊接成一体，通过比较“dime”可以直观地了解涡轮和叶轮的直径。涡轮增压器通过发动机机油和冷却液散热，其中冷却液的水道由单独的电动水泵控制。当车辆关闭时，冷却液仍然可以在电动水泵的驱动下向涡轮增压器散热。
●真空泵
加上涡轮增压系统，进气管道在增压模式下很难提供符合标准的真空度，所以N20发动机也设计了和N55发动机一样的真空泵，以获得真空。true 空泵安装在进气凸轮轴的一端，随着凸轮轴的转动产生true 空，产生的true 空将提供给制动助力器和控制涡轮增压器中废气旁通阀的电子伺服装置。
平衡轴/可变排量机油泵
●平衡轴
由于四缸发动机的工作间隔角大于六缸发动机，N20发动机在运行舒适性方面存在固有的不足。为了尽可能减少和平衡发动机的振动，N20发动机应用了平衡轴技术。发动机曲轴下方有一个叠加布置的平衡轴机构，由曲轴通过链条驱动，其转速是曲轴的两倍。此外，其另一端与油泵连接并驱动其运转。
N20发动机平衡轴机构的设计相当特殊。一是采用叠加布置。第二，两个平衡轴的转速相同也相反，是曲轴转速的两倍。这说明平衡轴主要用于降低发动机的二阶振动，而占整个振动70%以上的一阶振动，可能已经被位于曲轴上的平衡块很好地解决了。
●可变排量油泵
发动机中的油不仅要提供润滑、冷却等功能，还要用来传递力。因此，油泵不仅要保证充足的供油，还要保证充足的油压，否则系统的相关部件将难以正常工作。此外，在满足供应需求的情况下，工程师也希望油泵的功率尽可能小，这样可以减轻发动机的负荷。
N20发动机采用与N55发动机相同的变排量机油泵。发动机电脑根据发动机的运转情况来调节机油泵的功率，从而供给最合适的油量，从而在不影响供油的情况下尽可能降低发动机的负荷。
从上图可以看出，滑阀在调节油室内的油的推动下向右移动，这样油泵的功率就会降低。传统机械调节油泵的调节油室内的压力与发动机主油路的压力一致。但N20发动机在主油路和调节油室之间设计了电磁阀，可以调节从主油路进入调节油室的油量，从而动态调节油泵的功率。
●喷油器
N20发动机应用缸内直喷技术，高压油泵由排气凸轮轴驱动，喷油器由博世提供，最高可承受200 bar的喷射压力。喷油器虽然不大，但却是一个非常高科技的部件。它不仅需要在很短的时间内几乎没有延迟地喷射燃油，而且还要保证每个气缸喷油量的一致性。此外，喷油器还具有良好的雾化效果。只有这样，才能尽可能节约每一滴燃油，提高燃油经济性。
●发动机计算机
N20发动机的电脑由BOSCH公司提供，与N55发动机相同，放置在发动机进气歧管上方，由流入发动机的空空气冷却。
●关于N20发动机的动画视频
上面提到的N20发动机技术有很多亮点，有些朋友可能不完全了解。没关系。下面有趣的动画以另一种形式解释了N20引擎。相信看完之后你会对它印象深刻。
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全文摘要:
N20发动机和N55发动机都配备了涡轮增压器、缸内直喷系统和Valvetronic电子气门装置，所以N20和N55在很多零部件和结构设计上都很相似。但作为替代经典N52发动机的作品，宝马首次将曲轴偏置、新一代Double-VANOS、电弧丝喷涂技术、平衡轴等技术创新性地应用到N20上。可以说，全新的N20发动机融合了宝马在发动机领域的积累和沉淀，同时又融合了创新和进取，它所能取得的辉煌或许只能通过时间来正名。
@2019