寶馬Valvetronic系統(tǒng)工作過程詳解

Tech Gear汽車診斷學(xué)院 戈華飛

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

圖1 傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門驅(qū)動(dòng)方式

所謂的可變氣門正時(shí)（VVT），其實(shí)就是通過凸輪軸的旋轉(zhuǎn)，使凸輪軸上的凸輪工作段的時(shí)間提前到達(dá)或滯后到達(dá)，但整體的工作時(shí)間不會(huì)改變。而為了實(shí)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(gè)凸輪，保時(shí)捷Variocam系統(tǒng)（圖3）在液壓挺柱上做了機(jī)關(guān)，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(shí)現(xiàn)氣門的開度變化，整體的工作時(shí)間也發(fā)生了改變。在各大汽車廠家中，有幾家開發(fā)了獨(dú)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(jī)械機(jī)構(gòu)來打開氣門，實(shí)現(xiàn)的方式非常巧妙。本文將重點(diǎn)介紹寶馬Valvetronic系統(tǒng)的工作原理，希望能讓廣大讀者對(duì)該系統(tǒng)有全新的認(rèn)識(shí)。。

圖2 奧迪AVS系統(tǒng)

圖3 保時(shí)捷Variocam系統(tǒng)

寶馬Valvetronic系統(tǒng)其實(shí)是2套機(jī)構(gòu)的合成，一個(gè)是氣門正時(shí)控制機(jī)構(gòu)（稱為VANOS機(jī)構(gòu)），另一個(gè)是氣門升程控制機(jī)構(gòu)。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(gè)平移的部件來打開氣門，這個(gè)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(huì)有個(gè)翹起的部分。中間推桿上端固定，凸輪推動(dòng)中間推桿中間部分，使中間推桿做圓弧運(yùn)動(dòng)（圖5），因?yàn)槲灰坪苄?，所以可以近似平移運(yùn)動(dòng)。隨著中間推桿的平移，當(dāng)中間推桿底部翹起部分作用到搖臂上時(shí)，搖臂被推動(dòng)，氣門被打開。

那氣門升程是怎么控制的呢？首先，要對(duì)中間推桿進(jìn)行分析。如圖6所示，中間推桿底部的平整部分其實(shí)對(duì)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(dāng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)，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(nèi)，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(shí)現(xiàn)。

圖4 寶馬Valvetronic系統(tǒng)

圖5 凸輪推動(dòng)中間推桿做圓弧運(yùn)動(dòng)

圖6 中間推桿底部的結(jié)構(gòu)

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(diào)節(jié)過程示意

如圖8所示，中間推桿的上端連接了1個(gè)半圓齒輪，該齒輪的旋轉(zhuǎn)能帶動(dòng)中間推桿進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。這個(gè)半圓齒輪所在的機(jī)構(gòu)稱為偏心軸，控制這個(gè)偏心軸旋轉(zhuǎn)的是一個(gè)電動(dòng)機(jī)，稱為偏心軸電動(dòng)機(jī)。當(dāng)偏心軸電動(dòng)機(jī)工作，半圓齒輪旋轉(zhuǎn)，可以使中間推桿有個(gè)預(yù)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(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，從而可以控制中間推桿位移的起始點(diǎn)，使中間推桿底部的翹起工作部分作用的時(shí)間發(fā)生改變，以此改變氣門打開持續(xù)的時(shí)間和升程。當(dāng)中間推桿位移一定時(shí)，處于翹起段工作區(qū)的時(shí)間少，氣門打開持續(xù)的時(shí)間短，氣門的升程?。划?dāng)中間推桿位移一定時(shí)，處于翹起段工作區(qū)的時(shí)間多，氣門打開持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)，氣門的升程大；當(dāng)氣門升程控制斷開（如斷開偏心軸電動(dòng)機(jī)導(dǎo)線連接器）時(shí)，氣門以最大升程工作。氣門升程的調(diào)節(jié)范圍如圖9所示。

那氣門正時(shí)是怎么控制的呢？VANOS機(jī)構(gòu)通過凸輪軸上的凸輪旋轉(zhuǎn)來調(diào)整氣門正時(shí)，原理與傳統(tǒng)氣門正時(shí)調(diào)節(jié)一致。當(dāng)凸輪軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，凸輪的工作段提前到達(dá)中間推桿軸承，氣門提前打開；當(dāng)凸輪軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，凸輪的工作段滯后到達(dá)中間推桿軸承，氣門滯后打開。氣門正時(shí)的調(diào)節(jié)范圍如圖10所示。

圖9 氣門升程的調(diào)節(jié)范圍

圖10 氣門正時(shí)的調(diào)節(jié)范圍

了解Valvetronic系統(tǒng)調(diào)節(jié)氣門升程和氣門正時(shí)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?yàn)闅忾T正時(shí)調(diào)節(jié)范圍，藍(lán)色區(qū)域?yàn)闅忾T升程調(diào)節(jié)范圍，當(dāng)氣門升程變小時(shí)，氣門正時(shí)也會(huì)相應(yīng)提前，以保證氣門的打開時(shí)間一致。

測(cè)量并分析配備寶馬 Valvetronic系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸壓力波形，如圖12所示，發(fā)動(dòng)機(jī)正常怠速時(shí)，氣門升程處于小升程，氣門正時(shí)處于提前位置，這是為了確保氣門小升程打開的點(diǎn)和氣門大升程打開的點(diǎn)一致；如圖13所示，當(dāng)把氣門正時(shí)控制斷開，保留氣門升程控制時(shí)，氣門升程處于小升程，進(jìn)氣門正時(shí)處于初始位置，氣缸壓力變化的點(diǎn)發(fā)生變化；如圖14所示，當(dāng)把氣門升程控制斷開，保留氣門正時(shí)控制，氣門升程處于最大升程，氣門正時(shí)還可以調(diào)節(jié)。

圖11 Valvetronic系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍

圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)正常怠速時(shí)的氣缸壓力波形（截屏）

圖13 斷開氣門正時(shí)控制時(shí)的氣缸壓力波形（截屏）

圖14 斷開氣門升程控制時(shí)的氣缸壓力波形（截屏）