张超 ZHANG Chao
（广西交通职业技术学院，南宁 530023）
摘要： 本文重点介绍了宝马汽车发动机第三代可变气门技术的结构特点和工作原理。与第二代结构相比采用新型的电子元件，提升了气门控制的响应时间，改善发动机的经济性和动力性。
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关键词 ： VALVETRONIC；可变气门；升程；无节气门
中图分类号：U472.43 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）03-0060-02
作者简介：张超（1982-），男，河南武陟人，讲师，研究方向为汽车电子技术（或汽车检测与维修）。
0 引言
随着汽车的普及和技术的发展，各大汽车厂商都在想方设法地提高发动机的燃油经济性和动力性，满足越来越严格的排放法规要求。目前主要通过提升处理效率、减少换气过程中的损失和减少机械摩擦三种办法来提高发动机的效率，效率的提高可以直接导致耗油量的下降。本文主要讲述的是宝马汽车公司在新一代N55系列发动机中，如何通过减少换气损失，来提升发动机的经济性和动力性。
1 可变气门升程技术简介
宝马汽车公司从2001年开始，几乎所有的宝马轿车汽油发动机都装备有VALVETRONIC（可变气门升程调节系统）。它一般是由进气门升程的控制装置和双VANOS（可变配气相位）构成。通过这些装置可大大减小换气时对发动机功率的损失。同传统汽油发动机比，可减少换气损失约10%左右。宝马的可变气门升程控制装置在很大程度上承担了节气门的功能，是世界上第一个没有节气门（也称节流阀）的发动机。如图1四冲程发动机示功图所示，（1→3）进气行程，（3→5）压缩行程压力升高，（5→4）做功行程燃烧产生的高压气体推动活塞下行做功。图中A区域表示汽油机燃烧做功过程中获得的功率。B区域表示发动吸气过程中的损失情况。
在怠速和小负荷工况时，节气门只是稍微开启，同时活塞动作往下拉（从2→3），企图从接近关闭的进气管吸入空气，这时节气门和活塞之间会形成真空，外界的大气压力对于活塞的动作形成很大的抵抗力，大大消耗能量。发动机转速越低，节气门就关得越紧，造成的能量损失就越大。所以传统节气门控制式发动机的B部分就比电子气门技术控制的发动机大得多。
而采用可变电子气门升程技术的发动机（如图1右图所示），节气门的开启状态基本是一直开启，发动机负载的控制通过进气门升程的高低来实现。与传统发动机相比，进气歧管内不会出现真空度。也就是说B区域中的能量损失会大大降低。从而可提高发动机的效率。
根据研究表明安装了本系统后，使汽油发动机功率增加20%左右，油耗降低10%左右，排放的废气更加的符合环保要求。
2 宝马第三代连续可变气门升程系统的结构组成及工作原理
宝马第三代可变气门升程系统与第二代相比机械部分几乎没有改变，控制系统中使用了新型的无刷直流电动机，取消了原来安装在偏心轴上的偏心轴位置传感器，偏心轴角度由集成在调整电动机中的传感器系统得出的角度增量确定；使得执行机构的响应速度得到提高，并降低了整个电子气门控制系统的质量。本文主要从控制系统和机械执行系统两个部分介绍宝马第三代连续可变气门升程控制系统。
2.1 控制系统中包括发动机数据管理系统（DME）、带气门升程调整电机的气门控制单元（集成偏心轴位置传感器）、加速踏板位置传感器、曲轴位置传感器、空气流量计等组成，如图2所示。
发动机管理系统（DME）根据凸轮轴位置传感器、加速踏板位置传感器，曲轴位置传感器和空气流量计的信号来计算出气门应该开启的时刻和打开的升程。然后通过占空比信号控制气门升程调节电机，气门升程调节电机驱动偏心轴转动改变其偏移量，经过一些机械传动间接的改变气门的升程。偏心轴位置传感器将偏心轴的偏移量反馈给发动机管理系统，进行实时的修正。经过以上动作可以使气门的升程在（0.2mm-9.9mm）之间连续地改变。
气门升程调整电机是一种无刷直流电机（BLDC电机）。电机以非接触方式传递能量、免维护且功率较大。由于采用集成式电子模块，因此可以非常精确地进行控制。最大控制电流为40安培。时间超过200毫秒后最大电流为20安培。发动机管理系统以脉冲宽度调制方式控制气门升程调整电机。占空比数在5%至98%之间。
发动机管理系统为传感器供电5伏的电源。通过电动机中的五个霍尔元件得到信号并进行分析。五个霍尔传感器中三个用于粗略划分，两个用于进一步细分。可测定的电机转角<7.5°。因此可以通过蜗杆传动机构非常精确且快速地调节气门行程。
2.2 机械系统由：偏心轴、扭转弹簧、月牙板、进气凸轮轴、中间推杆、滚子式气门摇臂、液压气门间隙补偿装置等组成。其结构特点主要是在进气凸轮轴和气门摇臂之间增加了中间推杆，并且在缸盖上增加了一根偏心轴，在偏心轴上有与中间推杆对应数目的偏心凸轮。中间推杆通过其顶部的滚轮依靠在偏心凸轮上，其中部通过滚轮支撑在进气凸轮上，其底部的弧线工作区域与摇臂的滚轮接触。扭转弹簧一端固定在缸盖上，另一端则固定在中间推杆的足部，使得中间推杆始终与偏心凸轮和进气凸轮接触，因此中间推杆的运动由偏心凸轮和进气凸轮共同控制。
气门间隙补偿装置在液压的作用下将气门摇臂的滚轮与中间推杆的底部接触保持在零间隙。在偏心轴的中间部位是齿轮，该齿轮与电机的齿杆组成一对蜗轮蜗杆机构。气门调整升程电机，通过驱动齿轮，使偏心轴可在0-170°范围内连续地转动。当偏心轴不动时，中间推杆的顶部滚轮支撑在偏心凸轮上，中部滚轮在进气凸轮的驱动下，使得中间推杆围绕某个中心旋转，则中间推杆底部的弧线区域的某一部分驱动随动摇臂的滚轮，完成进气门的开启与关闭。假如当进气凸轮轴固定不动时，中间摇臂支撑在进气凸轮上，偏心轴旋转一定的角度，则中间推杆的足部跟摇臂的滚轮接触弧线工作区域发生变化。偏心轴旋转的角度不同，则中间推杆的旋转中心发生变化，导致工作区域不同，气门的升程发生改变。如果偏心轴旋转角度越大，则中间推杆旋转的幅度越大，进气门的升程也越大。
当偏心轴旋转到初始位置0°时，进气凸轮转动到圆弧面跟中间推杆接触时，此时气门升程为最小值0.18mm。当偏心轴偏转到极限位置170°时，进气凸轮转动到凸顶跟中间推杆接触时，气门升程达到最大为9.80mm。因此，气门调整电机根据DME的信号，调节偏心轴的旋转角度，改变中间推杆的旋转幅度，从而使中间推杆底部工作区域的弧线改变，进而改变进气门的升程，使其升程可在0.18-9.80mm之间连续变化。该传动机构可以使气门升程在300ms以内从怠速调节到全负荷。
3 总结
第三代宝马连续可变气门升程控制系统，比上一代优化了气门升程调整电机的结构。降低了整个系统的重量，提高了气门控制的自由度和灵活性，能够实现发动机无节气负荷控制，改善了燃油经济性，降低了废气排放中有害成分的含量，使怠速更加稳定，转速更低。
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