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寶馬N20系列發動機詳解 渦輪增壓的力量

2012-06-20 19:30:47 來源: PCauto 作者:陳勝博
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1寶馬渦輪史及N20技術原理介紹回頂部

  【太平洋汽車網 新車頻道】寶馬曾經是如此忠實的自然吸氣發動機推行者。采用V8發動機的E90系列M3、采用V10發動機的E60系列M5都是采用自然吸氣發動機的高性能車型代表,那線性的動力、高轉速時發出的高亢的氣浪聲,激起了無數車迷的腎上腺素。然而,當采用了N63B44TU 4.4T雙渦輪增壓發動機的F10 M5將E60 M5遠遠甩到只有吃灰的份上之時,我們應該明白,自然吸氣的寶馬時代已經遠去,長江后浪推前浪,渦輪增壓發動機已經將自然吸氣發動機拍死在了沙灘上。

BMW TwinTurbo Power

● 渦輪增壓很久以前就是寶馬的拿手好戲

  雖說寶馬是最近幾年才開始大規模采用了渦輪增壓技術,然而寶馬其實在很久以前就已經開始采用渦輪增壓技術,只不過并沒有大規模應用。最早采用了渦輪增壓的寶馬量產車是2002 Turbo,它是一臺有著深遠意義的車,因為它是如今M3的前身,并且是寶馬乃至歐洲市場的第一臺量產渦輪車型。它搭載2.0T直列四缸渦輪增壓發動機,最大功率125kW(170PS)/5800rpm、峰值扭矩240Nm,0-100km/h僅需6.9秒。現在看來參數不算出彩,但相比當時的自然吸氣機型來說可算非常給力。

寶馬2002 TURBO

  后來寶馬還在1980年推出了M102,是一臺排量為3.2L的渦輪增壓發動機,用在了1980年款的第一代E32 寶馬7系的745i車型上。它的最大功率為188kW(252PS),功率輸出可以達到同時期1.4倍排量的自然吸氣車型,大概可以等同于4.5L發動機,這也是745i名稱的由來。不過在M102乃至后來的M106發動機后,寶馬就甚少踏足渦輪增壓領域。

寶馬E32 745i

  當寶馬開始大規模換用N20后,不少車迷表示仍然迷戀N52系列直列六缸機器,并且認為寶馬棄用自然吸氣是走了邪道,此言其實差矣。如果硬要說N20是邪道,那么寶馬早在幾十年前就已經步入邪道了。要知道,寶馬是造飛機發動機起家的,而渦輪增壓技術是航空活塞發動機必備的技術之一,當年寶馬2002 Turbo的渦輪增壓技術更是走在了眾多歐洲車廠的前面,而N54/N55發動機亦是寶馬近來最有代表性的高性能渦輪增壓發動機之一。

寶馬1系M

寶馬1系M

  N54是一款直列六缸3.0L雙渦輪增壓發動機,而N55可以說是N54的繼任機型,是一款直列六缸3.0L雙渦管單渦輪增壓發動機。N55用雙渦管取代了N54的雙渦輪,并且加入了可變氣門升程技術,在保持N54高性能的前提下,進一步降低了油耗,在335i、535i、X6 35i等一系列高性能車型上。而目前,還在使用N54的有著名的寶馬1系M,憑借著出色的性能,打敗了許多售價不菲的高性能跑車,這款發動機也獲得了2007和08年的國際年度發動機獎。可以說寶馬從N54/N55開始,重新走上了渦輪增壓的道路。

● 四缸版本的N55——寶馬N20系列2.0T發動機

  N54/N55發動機的表現自然非常出色,然而它們都主要用在價格不菲的高性能車型上。大眾系列的2.0 TFSI四缸發動機已經大量應用在了奧迪A4/A5/A6/Q5等車型上,奔馳的C180/C200/C260/E200車型采用的也是1.6L或者1.8L的小排量四缸渦輪增壓發動機。而被N20取代前的N52/N53是直列六缸自然吸氣發動機,這一系列機型的排量和油耗都比對手的更高,然而性能卻沒有明顯優勢,所謂的平順性顯然無法戰勝小排量渦輪增壓低轉高扭、油耗更低的優勢。于是寶馬有了N20。

N52系列發動機

奧迪A4L搭載2.0TFSI發動機

  值得贊賞的是,寶馬沒有隨隨便便推出一款小排量增壓機型就去和奧迪奔馳抗衡,而是采用了在N55發動機上運用成熟的雙渦管單渦輪增壓技術。寶馬之所以長久以來采用自然吸氣,其中一個原因就是他們痛恨渦輪增壓發動機嚴重的渦輪遲滯現象。雙渦輪技術很好的解決了這個問題,但成本偏高。而雙渦管單渦輪則在成本和性能上找到了極佳的平衡點。

2011款寶馬X1搭載的N20發動機

  寶馬N20發動機具有三個關鍵性的技術:1、雙渦管單渦輪增壓技術;2、可變氣門升程輔以可變氣門正時技術;3、燃油直接噴射技術。接下來我們先介紹后兩個技術,把最重要的雙渦管單渦輪增壓技術再單獨拿出來講解。

N20發動機示意圖

  可變氣門升程與正時技術,寶馬稱之為VALVETRONIC with twin VANOS,該系統會根據需要而自動改變進氣閥門的升程。其效果是發動機可以自動調節功率輸出從而優化燃油消耗。而可變氣門正時,寶馬稱之為VANOS,可以影響進氣閥和泄氣閥的開合時間。其優點在于可以讓發動機在較低的轉數下獲得較高的扭矩、在較高的轉數下獲得更強大的功率輸出,同時也能優化尾氣排放以及燃油消耗。

  燃油直噴技術Petrol Direct Injection/High Precision Injection現在已不新鮮,N20發動機的燃油直接噴射的原理是在百萬分之一秒內在火花塞的附近精確生成空氣和汽油的混合物。如此一來,燃燒就可以在更潔凈的區域內均勻地完成。這種技術可以提高燃燒效率,最直接的好處是降低燃油消耗。

  相比以上兩個技術,N20最引以為豪的毫無疑問是雙渦管單渦輪增壓技術(TwinScroll Turbocharger)相比一般的渦輪增壓發動機,N20具有兩個渦管,分別與氣缸1和氣缸4、氣缸2和氣缸3連通,這一長一短兩個渦管將發動機氣缸的廢棄分別導入渦輪中,這么做可以讓渦輪的反應更加敏捷,尤其是在低轉速下。下圖可以方便大家更好的了解N20渦輪增壓器的運作,其工作原理主要具有四個步驟:

N20發動機示意圖

  1)導流:從氣缸排出的高溫高壓氣體經由兩個渦管到達渦輪。我們知道,氣缸氣門是循環開合運作的,普通的增壓采用一個渦管,在低轉速下排出的廢氣尤其容易發生互相抵消的作用。而N20發動機的渦管各自和1、4和2、3氣缸連通,因為奇數和偶數氣缸不會同時排出廢氣,因此就避免了抵消作用。同時期,兩個渦管可以分別傳導奇數或者偶數氣缸的氣體到渦輪中,因此可以極大地降低渦輪遲滯效應,并且在低轉速下就獲得高扭矩。

  2)旋轉:氣缸排出的廢氣可以推動渦輪葉片,葉片的轉數最高可達15萬rpm。由于來自兩個渦管的廢氣更有規律的導入渦輪,因此可以降低渦輪遲滯效應。

  3)排氣:經過渦輪后,完全無用的廢氣由此排除,他們將經過二元催化器,將一氧化碳、氮氧化物等有害氣體進行分離后再從排氣管排出。

  4)壓縮:與此同時,渦輪將廢氣壓縮,讓它們變得相對低溫且潔凈,其壓力超過30%的大氣壓。而富含氧氣的氣體再次回到燃燒室,進一步提高燃燒效率,從而強化發動機的功率和扭矩輸出。具備TwinPower技術的發動機比一般同排量自然吸氣發動機的動力輸出可以提高30%以上。

  看到這里,相信大家已經基本了解了N20發動機的技術特點和工作原理,那么它的表現究竟如何呢?事實勝于雄辯,轉到下頁,我們看看N20發動機的實際表現。

2寶馬N20發動機細節性能對比分析回頂部

● 事實勝于雄辯:N20動力參數出色

  不像大眾的2.0 TSI/TFSI發動機,調校多種多樣非常復雜。寶馬的N20發動機目前只有兩種調校版本,發動機代號都為N20B20(B代表汽油動力,20代表發動機排量),分別為135kW版和180kW版。下表是這兩款發動機的詳細參數,表中的油耗數值取自新寶馬F30 320i和F30 328i: 

項目

N20發動機 135kW版

N20發動機 180kW版

最大功率

135kW(184PS)/5000rpm

180kW(245PS)/6500rpm

峰值扭矩

270Nm/1250-4500rpm

350Nm/1250-4800rpm

0-100km/h加速 7.3s 5.9s

平均油耗*

6.3L/100km

6.4L/100km

  

*數據分別取自新寶馬320i和328i

寶馬328i

  從參數來看,N20發動機的參數給人感覺較為均衡,算不上激進。135kW版的N20從最大功率來看,和大眾低功率調校的2.0 TSI/TFSI發動機接近,而180kW版則相對出色。前面說過,N20發動機是用來取代N52/N53發動機的,那么N20發動機比起N52/N53如何呢?下面我們再以新老寶馬3系為參考,對比以下這兩代發動機。其中,新寶馬328i搭載高功率N20發動機,取代了搭載N53B30 3.0L自然吸氣發動機的老寶馬330i,而新寶馬320i搭載低功率N20發動機,取代了搭載N53B25 2.5L自然吸氣發動機的老寶馬325i:

項目

最大功率

峰值扭矩

百公里加速 平均油耗

新寶馬328i

180kW(245PS)/6500rpm

350Nm/1250-4800rpm

5.9s 6.4L/100km

老寶馬330i

200kW(272PS)/5800rpm 320Nm/2750-3000rpm 6.1s 7.2L/100km
新寶馬320i

135kW(184PS)/5000rpm

270Nm/1250-4500rpm 7.3s 6.3L/100km

老寶馬325i

160kW(218PS)/6100rpm

270Nm/2400-4200rpm

6.7s 7.1L/100km
國產寶馬325i

160kW(218PS)/6500rpm

250Nm/2750rpm 7.7s --

  低功率版的N20發動機,相比N53B25來說,主要提升在于油耗和低轉速扭矩表現。最大功率來說,N20低功率比N53B25低了25kW,峰值扭矩相同,但輸出轉速提前許多。新320i比老325i的百公里加速慢了0.6s,但油耗減少0.8L/100km,得可以嘗失了。而且,從320i的命名就可以看出,它的定位本身就要低于老的325i,介于老320i和325i之間的定位,從歐洲售價來看也是如此。另外這里提一下,國產老寶馬325i用的還是N52B25發動機,它的性能則可以說說徹徹底底被N20低功率版秒殺。

老寶馬3系

  新寶馬320i的定位略低于老款寶馬325i,然而新328i采用了N20高功率版發動機后,則可以說是名正言順取代了老的E90系列330i。盡管330i所搭載的N53B30最大功率高出20kW,但峰值扭矩要低30Nm,而且輸出轉速也遠不及N20高功率版,因此在加速性能上,老330i也要弱于新328i。盡管如此,更小排量的新328i平均油耗比老330i低0.6L/100km,是當之無愧的全面超越。擁有更強的性能,數字卻更小,寶馬的車型命名方式堪稱低調。不像奧迪,2.0T的車硬是來個40TFSI……

  事實上,PCauto也已經做過N20和N52發動機的實戰對比了。我們對比過測試過更換發動機前后的寶馬X1 28i,2012款的寶馬X1 xDrive28i采用的就是N52B30發動機,最大功率為190kW、峰值扭矩310Nm;而2011款之后的寶馬X1 28i更換了N20高功率版,實測下來,N20版的X1 28i還以輕微優勢戰勝了N52版的28i。

28i

寶馬X1 28i加速測試
采用N52B30發動機的X1 28i實測0-100km/h加速為7.12s


采用N20發動機的X1 28i實測0-100km/h加速為7s

 

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● N20發動機現階段完勝競爭對手

  現在,再來讓我們就和競爭對手比比。這里我們找來幾個常見的采用小排量渦輪增壓的對手——奧迪A4奔馳C級,為了公平對比,這里采用的是歐洲標準軸距版奧迪A4的數據,油耗數據也采用歐洲方面給出的數據,且由于較難區別不同品牌車型的定位關系,這里分層對比了,直接羅列一下它們的參數:

項目

最大功率

峰值扭矩

百公里加速 平均油耗

新寶馬328i

180kW(245PS)/6500rpm

350Nm/1250-4800rpm

5.9s 6.4L/100km

新寶馬320i

135kW(184PS)/5000rpm

270Nm/1250-4500rpm 7.3s 6.3L/100km
奧迪A4 2.0T高功率 155kW(211PS)/4300-6000rpm 350Nm/1500-4200rpm 6.5s 7L/100km

奧迪A4 2.0T低功率

132kW(180PS)/4000-6000rpm

320Nm/1500-3900rpm

7.9s 6.2L/100km
奔馳C250 150kW(201PS)/5500rpm 310Nm/2000-4300rpm 7.2s 6.9L/100km
奔馳C200

135kW(184PS)/5250rpm

270Nm/1800-4600rpm 7.8s 6.9L/100km
凱迪拉克ATS 2.0T 201kW(273PS)/5300rpm 353Nm/2400rpm -- 7.8L/100km

  先說明一下,歐版奔馳C250即國內的C260。我們可以看到,和主要競爭對手相比,搭載了N20的新寶馬3系無論是發動機參數、加速性能和油耗表現都贏得相當輕松,N20發動機可以說是新寶馬3系重生的最大法寶。最后還讓將來推出的凱迪拉克ATS亂入了一下,它可以說是寶馬3系最有潛力的挑戰者,ATS搭載的2.0T發動機有著驚天地泣鬼神的動力參數,然而還是有一項落敗——峰值扭矩的輸出轉速!

N20發動機曲線

  上一頁說過了雙渦管技術的最大優勢在于可以消除渦輪遲滯,并且在低轉速下獲得更出色的扭矩表現。而N20發動機無論是高低功率型號,都能在1250rpm就輸出最大扭矩,并且峰值扭矩的輸出范圍比任何對手都要寬廣,就連ATS的2.0T發動機都無法在這一點上取得優勢。而在日常用車的時候,我們基本上起步之后轉速都在1250rpm,而1250-4500rpm基本涵蓋了我們日常行車所要用到的轉速范圍,可以說N20幾乎每時每刻都可以輸出最大扭矩,因此我們無需擔心N20的平順性。

寶馬5系

  可以說在未來很長一段時間內,N20都可以幫助新寶馬3系在同級別車型中獲得領先地位。同時已經采用了N20發動機的寶馬X1、Z4、X3和即將采用N20的5系Li車型都將受益于N20低轉速高性能以及低油耗的優異表現。下一頁,我們再來看看N20目前所裝備的車型。

3搭載N20的寶馬車型及N20的前景回頂部

● 最早采用N20的車型——2011款寶馬X1

  首批搭載了寶馬N20發動機的車型包括了2011款的寶馬X1、寶馬Z4以及寶馬X3。其中N20發動機最早在2011款寶馬X1公布的同時公布的。而N20發動機也恰好和寶馬X1一同在國內進行投產了投產。首先讓我們來看看寶馬X1。 

寶馬X1

  搭載N20發動機的寶馬X1共有xDrive 20i和xDrive 28i兩款,分別搭載N20的高低功率兩個版本。它是寶馬目前提及最小的一款跨界SUV車型,在國內市場上暫時還沒有直接競爭對手,將來或許將面對奧迪Q3的挑戰。xDrive 20i和xDrive 28i分別取代了老款X1的xDrive25i和xDrive28i兩款車型。前面也已經提到過,采用了N20的X1在性能上有所提升的同時,還能大幅度降低油耗。

寶馬X1

  另外,奧迪Q3很快就要進入國內了。它進入國內和將成為寶馬X1最直接的競爭對手,而且Q3與X1同樣主推2.0L排量的渦輪增壓發動機。而有趣的是,N20發動機的強大性能讓奧迪Q3還未進入中國已經感到壓力不小,具體請參考下表(百公里加速成績都取自官方數據,請勿與實測數據混淆):

項目

最大功率

峰值扭矩

百公里加速

寶馬X1 28i

180kW(245PS)/6500rpm

350Nm/1250-4800rpm

6.5s

寶馬X1 20i

135kW(184PS)/5000rpm

270Nm/1250-4500rpm 7.9s
奧迪Q3 2.0T 高功率

155kW(211PS)/5000-6200rpm

300Nm/1800-4900rpm 6.9s

奧迪Q3 2.0T 低功率

125kW(170PS)/4300-6200rpm

280Nm/1700-4200rpm

8.2s

● 寶馬Z4

  寶馬Z4是一款雙門敞篷跑車,拉風的寶馬Z4跑車是許多高富帥的愛車。此前寶馬Z4采用的也是N52B25和N52B30發動機,現在N20發動機也全面取代了這兩款發動機。這里不再闡述N20相對于N52的優勢了,總之性能提升油耗下降當然是大家樂于見到的。

寶馬Z4

  寶馬Z4的主要競爭對手是奧迪TT以及奔馳SLK。對付奔馳SLK200的1.8T發動機,寶馬Z4不再話下。然而相對奧迪TT來說,Z4 20i對付TT有點力不從心,28i則不在話下,但是碰到TTS,又力不從心,要交給采用N55的Z4 35i了。不過寶馬Z4的定位本身要比奧迪TT高些許,因此很難說它們具體哪個車型爭對哪個車型,下表也僅供參考:

項目

最大功率

峰值扭矩

百公里加速 國內起步價

寶馬Z4 28i

180kW(245PS)/6500rpm

350Nm/1250-4800rpm

5.7s 66.9萬元

寶馬Z4 20i

135kW(184PS)/5000rpm

270Nm/1250-4500rpm 7.2s 57.8萬
奧迪TTS Roadster 200kW(272PS)/6000rpm 350Nm/2500-5000rpm 5.4s 70.8萬

奧迪TT Roadster

155kW(211PS)/4300-6000rpm

350N.m/1600-4200rpm

6.1s 56.5萬
奔馳SLK200

135kW(184PS)/5250rpm

270Nm/1800-4600rpm 7s 60.8萬

● 寶馬X3

  寶馬X3相信不用筆者多說,大家都很熟悉。剛上市那會據說要等18個月,讓無數想買X3的準車主傷心欲絕。現在X3的熱度應該有所下降,不過肯定也不容易買到。寶馬X3在上市之初推出兩款車型,分別為28i和35i車型。28i采用N52B30發動機,是目前為數不多還在用N52系列的寶馬車型,35i則當然用的是大紅大紫的N55發動機。

寶馬X3 xDrive20i

  而前不久,寶馬推出了X3 xDrive20i,采用的是低功率版N20發動機,并將X3的國內起步價降低至48萬,相信這款車也是一車難求了。如今奧迪Q5奔馳GLK都已經國產,不知何時寶馬會考慮推出國產X3,解決國內X3需求量過大的問題。

寶馬5系

  目前進口寶馬5系已經換裝了N20系列發動機,分別為528i和520i,大家也不用猜了,分別搭載高低功率版本的N20發動機。而隨著N20發動機在國內的投產,華晨寶馬推出采用N20發動機的5系也只會是時間問題。預計523Li隨后將會完全停產,取而代之的528Li和520Li車型,或許解釋530Li也會被取代。

寶馬5系

● 全新寶馬3系

  關于N20在新寶馬3系上的表現,在第二頁的時候已經羅列過大量數據,這里不再重復。這里值得一提的是,新寶馬3系長軸距版很快就要在國內上市,而目前寶馬官方給出的預售價格是34萬元起,這個價格是320i的。從前面的數據我們已經看出,320i現有的性能表現可以穩超奧迪A4L 2.0T低功率版以及奔馳C200,因此這個價格還是具有一定競爭力的。當然我們希望8月份上市的時候,新寶馬3系的價格會更為精細。

國產寶馬3系

● 總結:N20對國內市場的意義重大

  相信看到這里,大家已經能了解到寶馬N20發動機讓人信服的性能表現,并足以替代N52/N53系列發動機。而前面還甚少提及的是N20發動機對于中國市場的重要意義。早在年初華晨寶馬X1上市的時候,寶馬就公布了N20發動機在中國沈陽投產的消息。這是寶馬在歐洲地區以外唯一的發動機工廠。要知道發動機是汽車最重要的零部件,而目前國產寶馬發動機除N20以外都采取進口,而高昂的汽車零配件進口稅未能有效降低華晨寶馬在中國的生產成本。

N20發動機沈陽投產

  而寶馬在中國投產N20發動機,說明寶馬鐵了心要在中國地區挑戰奧迪的權威。投產N20發動機的一大重要好處就是可以極大降低生產成本,同時提高生產速度,以應對需求。另外,N20發動機有效降低了發動機排量,而我們知道,中國汽車消費稅是根據排量而改變的,排量越低消費稅越低,而且差別非常大,具體可以參考下表:

稅目

稅率

排氣量在1.5升以上至2.0升(含2.0升)

5%

排氣量在2.0升以上至2.5升(含2.5升)

9%

排氣量在2.5升以上至3.0升(含3.0升) 12%

  我們可以看到,2.0L排量的N20發動機,比2.5L排量的N52B25可以少4%的稅率,比3.0L排量的N52B30少7%的稅率。假設新320i和老325i的稅前售價都是30萬,那么它們的稅后售價分別為31.5萬和32.7萬,差價有1.2萬之多。再假設新328i和老330i的稅前售價都是30萬,那么它們的稅后售價分別為31.5萬和33.6萬,差價達到2.1萬,如此大的差價足以左右消費者的購買意向了。因此包括新3系在內的眾多寶馬車型在采用N20發動機后,能進一步獲得降價空間,贏得競爭力。

  寶馬用N20替代N52/N53系列發動機,從技術和營銷的角度來看,都是非常明智的選擇,渦輪增壓帶來的不僅是技術和性能上的優勢,更有成本上的優勢。相信N20發動機帶來的動力和價格優勢,會讓那些曾經傾心于N52/N53直列六缸發動機的準車主們認可渦輪增壓的力量。(文/太平洋汽車網 陳勝博)

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