寶馬第三代連續(xù)可變氣門升程技術(shù)淺析

1、寶馬第三代連續(xù)可變氣門升程技術(shù)淺析- 工程論文寶馬第三代連續(xù)可變氣門升程技術(shù)淺析張超 ZHANG Chao（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧530023 ）摘要： 本文重點(diǎn)介紹了寶馬汽車發(fā)動(dòng)機(jī)第三代可變氣門技術(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。與第二代結(jié)構(gòu)相比采用新型的電子元件，提升了氣門控制的響應(yīng)時(shí)間，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。關(guān)鍵詞：VALVETRONIC ；可變氣門；升程；無(wú)節(jié)氣門A中圖分類號(hào)：U472.43文章編號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：1006-4311（ 2015 ）03-0060-02作者簡(jiǎn)介：張超（ 1982- ），男，河南武陟人，講師，研究方向?yàn)槠囯娮蛹夹g(shù)（或汽車檢測(cè)與維修） 。0 引言隨著汽車的普

2、及和技術(shù)的發(fā)展， 各大汽車廠商都在想方設(shè)法地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性， 滿足越來(lái)越嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。目前主要通過(guò)提升處理效率、減少換氣過(guò)程中的損失和減少機(jī)械摩擦三種辦法來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，效率的提高可以直接導(dǎo)致耗油量的下降。本文主要講述的是寶馬汽車公司在新一代N55 系列發(fā)動(dòng)機(jī)中，如何通過(guò)減少換氣損失，來(lái)提升發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。1 可變氣門升程技術(shù)簡(jiǎn)介寶馬汽車公司從2001年開(kāi)始，幾乎所有的寶馬轎車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)都裝備有VALVETRONIC （可變氣門升程調(diào)節(jié)系統(tǒng)） 。它一般是由進(jìn)氣門升程的控制裝置和雙 VANOS （可變配氣相位）構(gòu)成。通過(guò)這些裝置可大大減小換氣時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的損失

3、。同傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)比，可減少換氣損失約10% 左右。寶馬的可變氣門升程控制裝置在很大程度上承擔(dān)了節(jié)氣門的功能，是世界上第一個(gè)沒(méi)有節(jié)氣門（也稱節(jié)流閥）的發(fā)動(dòng)機(jī)。如圖1 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖所示， （ 1 3 ）進(jìn)氣行程，（ 3 5 ）壓縮行程壓力升高，（ 5 4 ）做功行程燃燒產(chǎn)生的高壓氣體推動(dòng)活塞下行做功。圖中 A 區(qū)域表示汽油機(jī)燃燒做功過(guò)程中獲得的功率。B 區(qū)域表示發(fā)動(dòng)吸氣過(guò)程中的損失情況。在怠速和小負(fù)荷工況時(shí)，節(jié)氣門只是稍微開(kāi)啟，同時(shí)活塞動(dòng)作往下拉（從2 3 ），企圖從接近關(guān)閉的進(jìn)氣管吸入空氣，這時(shí)節(jié)氣門和活塞之間會(huì)形成真空，外界的大氣壓力對(duì)于活塞的動(dòng)作形成很大的抵抗力，大大消耗能量。 發(fā)動(dòng)

4、機(jī)轉(zhuǎn)速越低，節(jié)氣門就關(guān)得越緊， 造成的能量損失就越大。 所以傳統(tǒng)節(jié)氣門控制式發(fā)動(dòng)機(jī)的 B 部分就比電子氣門技術(shù)控制的發(fā)動(dòng)機(jī)大得多。而采用可變電子氣門升程技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)（如圖1 右圖所示），節(jié)氣門的開(kāi)啟狀態(tài)基本是一直開(kāi)啟， 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的控制通過(guò)進(jìn)氣門升程的高低來(lái)實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，進(jìn)氣歧管內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)真空度。也就是說(shuō)B 區(qū)域中的能量損失會(huì)大大降低。從而可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。根據(jù)研究表明安裝了本系統(tǒng)后，使汽油發(fā)動(dòng)機(jī)功率增加20% 左右，油耗降低10% 左右，排放的廢氣更加的符合環(huán)保要求。2 寶馬第三代連續(xù)可變氣門升程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理寶馬第三代可變氣門升程系統(tǒng)與第二代相比機(jī)械部分幾乎沒(méi)有改變，

5、 控制系統(tǒng)中使用了新型的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)， 取消了原來(lái)安裝在偏心軸上的偏心軸位置傳感器，偏心軸角度由集成在調(diào)整電動(dòng)機(jī)中的傳感器系統(tǒng)得出的角度增量確定；使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度得到提高，并降低了整個(gè)電子氣門控制系統(tǒng)的質(zhì)量。本文主要從控制系統(tǒng)和機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)兩個(gè)部分介紹寶馬第三代連續(xù)可變氣門升程控制系統(tǒng)。2.1 控制系統(tǒng)中包括發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（DME ）、帶氣門升程調(diào)整電機(jī)的氣門控制單元（集成偏心軸位置傳感器） 、加速踏板位置傳感器、 曲軸位置傳感器、空氣流量計(jì)等組成，如圖2 所示。發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)（ DME ）根據(jù)凸輪軸位置傳感器、加速踏板位置傳感器，曲軸位置傳感器和空氣流量計(jì)的信號(hào)來(lái)計(jì)算出氣門應(yīng)該開(kāi)

6、啟的時(shí)刻和打開(kāi)的升程。然后通過(guò)占空比信號(hào)控制氣門升程調(diào)節(jié)電機(jī)，氣門升程調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)改變其偏移量， 經(jīng)過(guò)一些機(jī)械傳動(dòng)間接的改變氣門的升程。偏心軸位置傳感器將偏心軸的偏移量反饋給發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的修正。 經(jīng)過(guò)以上動(dòng)作可以使氣門的升程在（ 0.2mm-9.9mm）之間連續(xù)地改變。氣門升程調(diào)整電機(jī)是一種無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC 電機(jī)）。電機(jī)以非接觸方式傳遞能量、免維護(hù)且功率較大。 由于采用集成式電子模塊，因此可以非常精確地進(jìn)行控制。最大控制電流為40 安培。時(shí)間超過(guò) 200 毫秒后最大電流為20 安培。發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)以脈沖寬度調(diào)制方式控制氣門升程調(diào)整電機(jī)。占空比數(shù)在 5% 至98% 之

7、間。發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)為傳感器供電5 伏的電源。通過(guò)電動(dòng)機(jī)中的五個(gè)霍爾元件得到信號(hào)并進(jìn)行分析。五個(gè)霍爾傳感器中三個(gè)用于粗略劃分，兩個(gè)用于進(jìn)一步細(xì)分?？蓽y(cè)定的電機(jī)轉(zhuǎn)角7.5 °因。此可以通過(guò)蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)非常精確且快速地調(diào)節(jié)氣門行程。2.2 機(jī)械系統(tǒng)由：偏心軸、扭轉(zhuǎn)彈簧、月牙板、進(jìn)氣凸輪軸、中間推桿、滾子式氣門搖臂、液壓氣門間隙補(bǔ)償裝置等組成。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要是在進(jìn)氣凸輪軸和氣門搖臂之間增加了中間推桿，并且在缸蓋上增加了一根偏心軸，在偏心軸上有與中間推桿對(duì)應(yīng)數(shù)目的偏心凸輪。中間推桿通過(guò)其頂部的滾輪依靠在偏心凸輪上，其中部通過(guò)滾輪支撐在進(jìn)氣凸輪上，其底部的弧線工作區(qū)域與搖臂的滾輪接觸。扭轉(zhuǎn)彈簧一

8、端固定在缸蓋上，另一端則固定在中間推桿的足部，使得中間推桿始終與偏心凸輪和進(jìn)氣凸輪接觸，因此中間推桿的運(yùn)動(dòng)由偏心凸輪和進(jìn)氣凸輪共同控制。氣門間隙補(bǔ)償裝置在液壓的作用下將氣門搖臂的滾輪與中間推桿的底部接觸保持在零間隙。 在偏心軸的中間部位是齒輪， 該齒輪與電機(jī)的齒桿組成一對(duì)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。氣門調(diào)整升程電機(jī)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)齒輪，使偏心軸可在0- 170 °范圍內(nèi)連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)偏心軸不動(dòng)時(shí)， 中間推桿的頂部滾輪支撐在偏心凸輪上，中部滾輪在進(jìn)氣凸輪的驅(qū)動(dòng)下， 使得中間推桿圍繞某個(gè)中心旋轉(zhuǎn)，則中間推桿底部的弧線區(qū)域的某一部分驅(qū)動(dòng)隨動(dòng)搖臂的滾輪，完成進(jìn)氣門的開(kāi)啟與關(guān)閉。 假如當(dāng)進(jìn)氣凸輪軸固定不動(dòng)時(shí)， 中

9、間搖臂支撐在進(jìn)氣凸輪上，偏心軸旋轉(zhuǎn)一定的角度， 則中間推桿的足部跟搖臂的滾輪接觸弧線工作區(qū)域發(fā)生變化。偏心軸旋轉(zhuǎn)的角度不同，則中間推桿的旋轉(zhuǎn)中心發(fā)生變化，導(dǎo)致工作區(qū)域不同， 氣門的升程發(fā)生改變。 如果偏心軸旋轉(zhuǎn)角度越大，則中間推桿旋轉(zhuǎn)的幅度越大，進(jìn)氣門的升程也越大。當(dāng)偏心軸旋轉(zhuǎn)到初始位置0 °時(shí)，進(jìn)氣凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)到圓弧面跟中間推桿接觸時(shí)，此時(shí)氣門升程為最小值0.18mm 。當(dāng)偏心軸偏轉(zhuǎn)到極限位置170 °時(shí)，進(jìn)氣凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)到凸頂跟中間推桿接觸時(shí)，氣門升程達(dá)到最大為9.80mm 。因此，氣門調(diào)整電機(jī)根據(jù) DME 的信號(hào)，調(diào)節(jié)偏心軸的旋轉(zhuǎn)角度，改變中間推桿的旋轉(zhuǎn)幅度，從而使中間推桿底部工作區(qū)域的弧線改變，進(jìn)而改變進(jìn)氣門的升程， 使其升程可在 0.18-9.80mm 之間連續(xù)變化。該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以使氣門升程在 300ms 以內(nèi)從怠速調(diào)節(jié)到全負(fù)荷。3 總結(jié)第三代寶馬連續(xù)可變氣門升程控制系統(tǒng)，比上一代優(yōu)化了氣門升程調(diào)整電機(jī)的結(jié)構(gòu)。降低了整個(gè)系統(tǒng)的重量， 提高了氣門控制的自由度和靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)節(jié)氣負(fù)荷控制，改善了燃油經(jīng)濟(jì)性，降低了廢氣排放中有害成分的含量，使怠速更加穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速更低。參考文獻(xiàn)：1 張國(guó)杰 ,朱余清 ,黃偉強(qiáng) .本田下一代可變氣門Advance V