寶馬Valvetronic系統(tǒng)工作過程詳解

Tech Gear汽車診斷學院 戈華飛

如圖1所示，傳統(tǒng)發(fā)動機進排氣門的打開和關閉由凸輪的凸緣形狀決定，當凸輪處于基圓時，氣門在氣門彈簧的作用下處于關閉狀態(tài)；當凸輪處于工作段時，氣門挺桿沿著凸輪的外延移動，氣門處于打開狀態(tài)。

圖1 傳統(tǒng)發(fā)動機的氣門驅動方式

所謂的可變氣門正時（VVT），其實就是通過凸輪軸的旋轉，使凸輪軸上的凸輪工作段的時間提前到達或滯后到達，但整體的工作時間不會改變。而為了實現(xiàn)可變氣門升程（VVL），不同汽車廠家采用了不同的方法，如奧迪AVS系統(tǒng)（圖2）和本田VTEC系統(tǒng)均使用了大小2個凸輪，保時捷Variocam系統(tǒng)（圖3）在液壓挺柱上做了機關，總之，這2種方法是改變了凸輪的工作段或直接更換了工作段，從而實現(xiàn)氣門的開度變化，整體的工作時間也發(fā)生了改變。在各大汽車廠家中，有幾家開發(fā)了獨特的氣門打開方式，如寶馬的Valvetronic系統(tǒng)、英菲尼迪的VVEL系統(tǒng)、菲亞特的Multiair系統(tǒng)和觀致的QamFree系統(tǒng)，后兩者是徹底將氣門用電磁閥來替代，而前兩者還是使用機械機構來打開氣門，實現(xiàn)的方式非常巧妙。本文將重點介紹寶馬Valvetronic系統(tǒng)的工作原理，希望能讓廣大讀者對該系統(tǒng)有全新的認識。。

圖2 奧迪AVS系統(tǒng)

圖3 保時捷Variocam系統(tǒng)

寶馬Valvetronic系統(tǒng)其實是2套機構的合成，一個是氣門正時控制機構（稱為VANOS機構），另一個是氣門升程控制機構。如圖4所示，Valvetronic系統(tǒng)并不是通過凸輪的形狀來打開氣門，而是通過一個平移的部件來打開氣門，這個部件叫做中間推桿。中間推桿的底部大部分是平整的，只在末端會有個翹起的部分。中間推桿上端固定，凸輪推動中間推桿中間部分，使中間推桿做圓弧運動（圖5），因為位移很小，所以可以近似平移運動。隨著中間推桿的平移，當中間推桿底部翹起部分作用到搖臂上時，搖臂被推動，氣門被打開。

那氣門升程是怎么控制的呢？首先，要對中間推桿進行分析。如圖6所示，中間推桿底部的平整部分其實對氣門打開沒有任何作用，為非工作段，類似于凸輪的基圓。如圖7所示，當凸輪軸旋轉，凸輪的形狀不改變，其凸輪的工作段是固定的，頂開中間推桿的距離是固定的，所以中間推桿所產(chǎn)生的位移距離是不變的。那想要在一定的距離內，讓氣門打開的大，可以通過改變中間推桿位移的初始位置來實現(xiàn)。

圖4 寶馬Valvetronic系統(tǒng)

圖5 凸輪推動中間推桿做圓弧運動

圖6 中間推桿底部的結構

圖7 中間推桿所產(chǎn)生的位移距離不變

圖8 氣門升程的調節(jié)過程示意

如圖8所示，中間推桿的上端連接了1個半圓齒輪，該齒輪的旋轉能帶動中間推桿進行偏轉。這個半圓齒輪所在的機構稱為偏心軸，控制這個偏心軸旋轉的是一個電動機，稱為偏心軸電動機。當偏心軸電動機工作，半圓齒輪旋轉，可以使中間推桿有個預先的位移，所以中間推桿與搖臂接觸的初始位置可以通過偏心軸電動機進行控制，從而可以控制中間推桿位移的起始點，使中間推桿底部的翹起工作部分作用的時間發(fā)生改變，以此改變氣門打開持續(xù)的時間和升程。當中間推桿位移一定時，處于翹起段工作區(qū)的時間少，氣門打開持續(xù)的時間短，氣門的升程小；當中間推桿位移一定時，處于翹起段工作區(qū)的時間多，氣門打開持續(xù)的時間長，氣門的升程大；當氣門升程控制斷開（如斷開偏心軸電動機導線連接器）時，氣門以最大升程工作。氣門升程的調節(jié)范圍如圖9所示。

那氣門正時是怎么控制的呢？VANOS機構通過凸輪軸上的凸輪旋轉來調整氣門正時，原理與傳統(tǒng)氣門正時調節(jié)一致。當凸輪軸順時針旋轉，凸輪的工作段提前到達中間推桿軸承，氣門提前打開；當凸輪軸逆時針旋轉，凸輪的工作段滯后到達中間推桿軸承，氣門滯后打開。氣門正時的調節(jié)范圍如圖10所示。

圖9 氣門升程的調節(jié)范圍

圖10 氣門正時的調節(jié)范圍

了解Valvetronic系統(tǒng)調節(jié)氣門升程和氣門正時的工作原理之后，再來看看二者之間的組合控制。如圖11可知，黃色區(qū)域為氣門正時調節(jié)范圍，藍色區(qū)域為氣門升程調節(jié)范圍，當氣門升程變小時，氣門正時也會相應提前，以保證氣門的打開時間一致。

測量并分析配備寶馬 Valvetronic系統(tǒng)發(fā)動機的氣缸壓力波形，如圖12所示，發(fā)動機正常怠速時，氣門升程處于小升程，氣門正時處于提前位置，這是為了確保氣門小升程打開的點和氣門大升程打開的點一致；如圖13所示，當把氣門正時控制斷開，保留氣門升程控制時，氣門升程處于小升程，進氣門正時處于初始位置，氣缸壓力變化的點發(fā)生變化；如圖14所示，當把氣門升程控制斷開，保留氣門正時控制，氣門升程處于最大升程，氣門正時還可以調節(jié)。

圖11 Valvetronic系統(tǒng)的調節(jié)范圍

圖12 發(fā)動機正常怠速時的氣缸壓力波形（截屏）

圖13 斷開氣門正時控制時的氣缸壓力波形（截屏）

圖14 斷開氣門升程控制時的氣缸壓力波形（截屏）