寶馬電子氣門的結構與工作原理

寶馬車電子氣門（VALVETRONIC）是指由全可變氣門行程控制裝置和可變凸輪軸控制裝置（雙VANOS）構成的，可以任意選擇進氣門關閉時刻。電子氣門在很大程度上承擔了節(jié)氣門的功能。為此需要使用一種全可變氣門行程控制裝置。

一、電子氣門的結構

寶馬車電子氣門的構成如圖1所示。在進氣門打開情況下進氣量是通過調節(jié)氣門行程來完成的，這樣就能確定最佳的氣缸氣量。

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1、伺服電動機

伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，布置在凸輪軸上方。伺服電動機的蝸桿嵌入安裝在偏心軸上的蝸輪內。伺服電動機是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，減速齒輪組由電動機驅動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉角坐標轉換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產生糾正脈沖，并驅動電動機正向或反向地轉動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，從而達到使伺服電動機精確定位的目的。

2、滾子式氣門壓桿

滾子式氣門壓桿和中間推桿的接觸面是斜臺，在斜臺處進行的是滾動摩擦可減小機械損失，并且壓桿與推桿分為不同的等級，在同一個氣缸上始終安裝相同等級的部件。

3、偏心軸傳感器

偏心軸傳感器如圖2所示，通過測量偏心軸轉角，從而為調節(jié)功能提供實際參數。偏心軸傳感器將偏心軸位置發(fā)送給氣門行程控制單元或DME。其測量角度范圍為180°。

偏心軸傳感器按磁阻效應原理工作：當附近磁場更改位置時，鐵磁導體就會改變自身的電阻。為此偏心軸上裝有一個帶有永久磁鐵的磁輪。偏心軸旋轉時，這些磁鐵的磁力線就會穿過傳感器內的導磁材料，由此產生的電阻變化通過發(fā)動機控制單元換算為氣門行程。因此必須用一個非磁性固定螺栓將磁輪固定在偏心軸上，否則傳感器無法正常工作。

二、電子氣門的工作原理

1、電子氣門的工作過程

發(fā)動機在不同轉速下，對于氣門行程的需求差別非常大。在低速下，由于進氣量小，如果氣門行程很大，將無法產生足夠的進氣負壓，噴油器在噴油以后，無法與吸入的空氣充分混合，造成燃燒效率低，低速轉矩將大幅減小，而且排放也會增高。在這種情況下，應采用較小的氣門行程。由于氣門行程小，增加了進氣負壓，由此產生的大量渦流可以將混合氣充分混合，滿足低轉速下發(fā)動機的正常運轉。到了高轉速狀態(tài)下情況則恰好相反，此時的進氣量非常大，如果氣門行程過小，會導致進氣氣阻過大，無法吸入足夠的空氣，從而影響到動力的發(fā)揮。因此在高轉速下，就需要氣門行程較大，才能獲得最佳的配氣需求。

為減小耗油量，寶馬車的可調式氣門機構導入發(fā)動機的空氣量不是通過節(jié)氣門而是通過進氣門的可調式升程調整的。通過電動可調偏心軸，由中間杠桿改變凸輪軸對滾子式氣門壓桿的作用，由此產生進氣門的可調式升程。節(jié)氣門只在起動時和應急運行時使用。在所有其他的運行狀態(tài)下節(jié)氣門均全開，幾乎無節(jié)流作用。電子氣門技術通過實現對氣門行程的無級調節(jié)，達到對發(fā)動機不同轉速狀態(tài)下，功率轉矩輸出的最佳均衡。

發(fā)動機的進氣量由電子節(jié)氣門和電子氣門行程控制機構共同進行控制。在起動過程中，進氣量主要由電子節(jié)氣門進行控制。在發(fā)動機運轉之后，節(jié)氣門就全開了，怠速至高速工況的進氣量則主要由電子氣門行程控制機構進行控制。由于進氣道不再有節(jié)氣門的節(jié)流作用，因此進氣阻力大幅減小，從而有效地提高了發(fā)動機的輸出轉矩。

伺服電動機布置在凸輪軸上方。伺服電動機用于調節(jié)偏心軸，而伺服電動機的蝸桿嵌入安裝在偏心軸上的蝸輪內。進行調節(jié)后無需特別鎖止偏心軸，因為蝸桿傳動機構具有足夠的自鎖能力。偏心軸扭轉可使固定架上的中間推桿朝進氣凸輪軸方向移動。但由于中間推桿也靠在進氣凸輪軸上，因此滾子式氣門壓桿相對中間推桿的位置會發(fā)生變化。凸輪軸旋轉和凸輪向中間推桿移動使中間推桿上的斜臺發(fā)揮作用。斜臺推動滾子式氣門壓桿，從而使進氣門繼續(xù)向下移動，進氣門因此繼續(xù)開啟。

中間推桿可以改變凸輪軸與滾子式氣門壓桿之間的傳動比。在滿負荷位置時，氣門行程和持續(xù)開啟時間達到最大值。在怠速位置時，氣門行程和持續(xù)開啟時間達到最小值。由于怠速時的最小氣門行程非常小，因此必須確保氣缸充氣均勻分布，所有氣門的開啟程度必須相同。因此滾子式氣門壓桿和相關中間推桿分為不同等級。通過標記出的參數可區(qū)分不同等級的部件。在同一個氣缸上始終安裝相同等級的部件。通過在出廠前分配滾子式氣門壓桿和中間推桿可確保，在最小氣門行程時氣門也能均勻進氣。

2、電子氣門和VANOS共同調節(jié)的原理

電子氣門利用VANOS和全可變氣門機構對進氣門的行程和關閉時刻一起進行調節(jié)，從而使“進氣門關閉”時燃燒室內到達理想的混合氣質量。如圖3所示，采用電子氣門后，換氣損失大大減小，進氣門關閉始終是在進氣行程中實現的，這一點與普通電噴發(fā)動機是不同的，普通電噴發(fā)動機的進氣門都是壓縮行程初期才關閉，也就是進氣門遲閉，目的是為了充分利用進氣流的慣性增加進氣。而電子氣門由于進氣道無節(jié)流，與大氣直接相通，因此無需遲閉，隨著進氣門升程的增大，其關閉的時刻也越靠近下止點，關閉時刻相對越來越晚，進氣量也越來越多，正好與發(fā)動機負荷匹配。進氣門關閉后在封閉氣缸內的進一步膨脹和接下來的壓縮過程幾乎都不會產生能量損耗，因此進氣損失減少，但是此換氣優(yōu)勢隨著負荷的增大而不斷減弱。滿負荷時換氣優(yōu)勢為零，因為普通電噴發(fā)動機此時節(jié)氣門也全開。

當負荷較小時進氣門開啟時間必須非常短，只有通過大幅度減小氣門行程才能實現，這樣會使氣門開啟橫截面減小，出現明顯的節(jié)流作用，但是氣門間隙處的進氣速度由50 m/s提高至300 m/s以上，而且氣流圍繞整個氣門均勻流動，因此使得油滴尺寸減小，實現最佳的混合氣形成過程，燃燒充分并減小功率輸出波動以及HC和NOx的排放，據實驗測得怠速時可減少燃油消耗達20%。負荷增大，節(jié)油潛力降低，但即便發(fā)動機以理想空燃比運行時，仍可節(jié)油10%。

綜上所述，寶馬的電子氣門技術在發(fā)動機怠速和部分負荷時由于節(jié)氣門全開，通過進氣門調節(jié)進氣量從而可以大大減小換氣損失，正如有人形容的一樣：普通電噴發(fā)動機在怠速或部分負荷時，由于節(jié)氣門節(jié)流作用，就好像帶著“口罩”在呼吸；而電子氣門發(fā)動機則是在相同工況下摘掉了“口罩”呼吸，大大減小換氣損失，提高了發(fā)動機效率。

編輯：黃飛