寶馬電子氣門的結(jié)構(gòu)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(gòu)成的，可以任意選擇進氣門關(guān)閉時刻。電子氣門在很大程度上承擔(dān)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(jié)構(gòu)

寶馬車電子氣門的構(gòu)成如圖1所示。在進氣門打開情況下進氣量是通過調(diào)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(nèi)。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(qū)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(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)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(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動電動機正向或反向地轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角，從而為調(diào)節(jié)功能提供實際參數(shù)。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(yīng)原理工作：當(dāng)附近磁場更改位置時，鐵磁導(dǎo)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(zhuǎn)時，這些磁鐵的磁力線就會穿過傳感器內(nèi)的導(dǎo)磁材料，由此產(chǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)矩將大幅減小，而且排放也會增高。在這種情況下，應(yīng)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(chǎn)生的大量渦流可以將混合氣充分混合，滿足低轉(zhuǎn)速下發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)。到了高轉(zhuǎn)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(dǎo)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(zhuǎn)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(diào)式氣門機構(gòu)導(dǎo)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(diào)式升程調(diào)整的。通過電動可調(diào)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(chǎn)生進氣門的可調(diào)式升程。節(jié)氣門只在起動時和應(yīng)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(shù)通過實現(xiàn)對氣門行程的無級調(diào)節(jié)，達到對發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，功率轉(zhuǎn)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(gòu)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(zhuǎn)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(gòu)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(zhuǎn)矩。

伺服電動機布置在凸輪軸上方。伺服電動機用于調(diào)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(nèi)。進行調(diào)節(jié)后無需特別鎖止偏心軸，因為蝸桿傳動機構(gòu)具有足夠的自鎖能力。偏心軸扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)中間推桿分為不同等級。通過標(biāo)記出的參數(shù)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(diào)節(jié)的原理

電子氣門利用VANOS和全可變氣門機構(gòu)對進氣門的行程和關(guān)閉時刻一起進行調(diào)節(jié)，從而使“進氣門關(guān)閉”時燃燒室內(nèi)到達理想的混合氣質(zhì)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(guān)閉始終是在進氣行程中實現(xiàn)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(guān)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(guān)閉的時刻也越靠近下止點，關(guān)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(guān)閉后在封閉氣缸內(nèi)的進一步膨脹和接下來的壓縮過程幾乎都不會產(chǎn)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(dāng)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(xiàn)，這樣會使氣門開啟橫截面減小，出現(xiàn)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(xiàn)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(jù)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(shù)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(diào)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