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详解宝马电子气门(结构与工作原理)

宝马车电子气门(VALVETRONIC)是指由全可变气门行程控制装置和可变凸轮轴控制装置(双VANOS)构成的,可以任意选择进气门关闭时刻。电子气门在很大程度上承担了节气门的功能。为此需要使用一种全可变气门行程控制装置。

一、电子气门的结构

宝马车电子气门的构成如图1所示。在进气门打开情况下进气量是通过调节气门行程来完成的,这样就能确定最佳的气缸气量。

1、伺服电动机

伺服电动机又称执行电动机,布置在凸轮轴上方。伺服电动机的蜗杆嵌入安装在偏心轴上的蜗轮内。伺服电动机是一个典型闭环反馈系统,减速齿轮组由电动机驱动,其终端(输出端)带动一个线性的比例电位器作位置检测,该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板,控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较,产生纠正脉冲,并驱动电动机正向或反向地转动,使齿轮组的输出位置与期望值相符,从而达到使伺服电动机精确定位的目的。

2、滚子式气门压杆

滚子式气门压杆和中间推杆的接触面是斜台,在斜台处进行的是滚动摩擦可减小机械损失,并且压杆与推杆分为不同的等级,在同一个气缸上始终安装相同等级的部件。

3、偏心轴传感器

偏心轴传感器如图2所示,通过测量偏心轴转角,从而为调节功能提供实际参数。偏心轴传感器将偏心轴位置发送给气门行程控制单元或DME。其测量角度范围为180°。

偏心轴传感器按磁阻效应原理工作:当附近磁场更改位置时,铁磁导体就会改变自身的电阻。为此偏心轴上装有一个带有永久磁铁的磁轮。偏心轴旋转时,这些磁铁的磁力线就会穿过传感器内的导磁材料,由此产生的电阻变化通过发动机控制单元换算为气门行程。因此必须用一个非磁性固定螺栓将磁轮固定在偏心轴上,否则传感器无法正常工作。

二、电子气门的工作原理

1、电子气门的工作过程

发动机在不同转速下,对于气门行程的需求差别非常大。在低速下,由于进气量小,如果气门行程很大,将无法产生足够的进气负压,喷油器在喷油以后,无法与吸入的空气充分混合,造成燃烧效率低,低速转矩将大幅减小,而且排放也会增高。在这种情况下,应采用较小的气门行程。由于气门行程小,增加了进气负压,由此产生的大量涡流可以将混合气充分混合,满足低转速下发动机的正常运转。到了高转速状态下情况则恰好相反,此时的进气量非常大,如果气门行程过小,会导致进气气阻过大,无法吸入足够的空气,从而影响到动力的发挥。因此在高转速下,就需要气门行程较大,才能获得最佳的配气需求。

为减小耗油量,宝马车的可调式气门机构导入发动机的空气量不是通过节气门而是通过进气门的可调式升程调整的。通过电动可调偏心轴,由中间杠杆改变凸轮轴对滚子式气门压杆的作用,由此产生进气门的可调式升程。节气门只在起动时和应急运行时使用。在所有其他的运行状态下节气门均全开,几乎无节流作用。电子气门技术通过实现对气门行程的无级调节,达到对发动机不同转速状态下,功率转矩输出的最佳均衡。

发动机的进气量由电子节气门和电子气门行程控制机构共同进行控制。在起动过程中,进气量主要由电子节气门进行控制。在发动机运转之后,节气门就全开了,怠速至高速工况的进气量则主要由电子气门行程控制机构进行控制。由于进气道不再有节气门的节流作用,因此进气阻力大幅减小,从而有效地提高了发动机的输出转矩。

伺服电动机布置在凸轮轴上方。伺服电动机用于调节偏心轴,而伺服电动机的蜗杆嵌入安装在偏心轴上的蜗轮内。进行调节后无需特别锁止偏心轴,因为蜗杆传动机构具有足够的自锁能力。偏心轴扭转可使固定架上的中间推杆朝进气凸轮轴方向移动。但由于中间推杆也靠在进气凸轮轴上,因此滚子式气门压杆相对中间推杆的位置会发生变化。凸轮轴旋转和凸轮向中间推杆移动使中间推杆上的斜台发挥作用。斜台推动滚子式气门压杆,从而使进气门继续向下移动,进气门因此继续开启。

中间推杆可以改变凸轮轴与滚子式气门压杆之间的传动比。在满负荷位置时,气门行程和持续开启时间达到最大值。在怠速位置时,气门行程和持续开启时间达到最小值。由于怠速时的最小气门行程非常小,因此必须确保气缸充气均匀分布,所有气门的开启程度必须相同。因此滚子式气门压杆和相关中间推杆分为不同等级。通过标记出的参数可区分不同等级的部件。在同一个气缸上始终安装相同等级的部件。通过在出厂前分配滚子式气门压杆和中间推杆可确保,在最小气门行程时气门也能均匀进气。

2、电子气门和VANOS共同调节的原理

电子气门利用VANOS和全可变气门机构对进气门的行程和关闭时刻一起进行调节,从而使“进气门关闭”时燃烧室内到达理想的混合气质量。如图3所示,采用电子气门后,换气损失大大减小,进气门关闭始终是在进气行程中实现的,这一点与普通电喷发动机是不同的,普通电喷发动机的进气门都是压缩行程初期才关闭,也就是进气门迟闭,目的是为了充分利用进气流的惯性增加进气。而电子气门由于进气道无节流,与大气直接相通,因此无需迟闭,随着进气门升程的增大,其关闭的时刻也越靠近下止点,关闭时刻相对越来越晚,进气量也越来越多,正好与发动机负荷匹配。进气门关闭后在封闭气缸内的进一步膨胀和接下来的压缩过程几乎都不会产生能量损耗,因此进气损失减少,但是此换气优势随着负荷的增大而不断减弱。满负荷时换气优势为零,因为普通电喷发动机此时节气门也全开。

当负荷较小时进气门开启时间必须非常短,只有通过大幅度减小气门行程才能实现,这样会使气门开启横截面减小,出现明显的节流作用,但是气门间隙处的进气速度由50 m/s提高至300 m/s以上,而且气流围绕整个气门均匀流动,因此使得油滴尺寸减小,实现最佳的混合气形成过程,燃烧充分并减小功率输出波动以及HC和NOx的排放,据实验测得怠速时可减少燃油消耗达20%。负荷增大,节油潜力降低,但即便发动机以理想空燃比运行时,仍可节油10%。

综上所述,宝马的电子气门技术在发动机怠速和部分负荷时由于节气门全开,通过进气门调节进气量从而可以大大减小换气损失,正如有人形容的一样:普通电喷发动机在怠速或部分负荷时,由于节气门节流作用,就好像带着“口罩”在呼吸;而电子气门发动机则是在相同工况下摘掉了“口罩”呼吸,大大减小换气损失,提高了发动机效率。

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