全可变气门Valvetronic II系统在N52中的应用
BMWCHE/2015-12-07/技术解析/阅读:次
(一)概述
此前四缸、六缸和十二缸发动机采用的Valvetronic I系统能够显著提高发动机效率。现在直列六缸汽油发动机配置基于气门机构的负荷控制系统：Valvetronic II系统，这使得 N52发动机比前一代发动机有了以下改进：最高转速升至7000r/min；比功率提升至63.4kW/L；在较大的发动机转速范围内，比发动机扭矩大约为100N.m/L；气门加速度显著提高，传动件的摩擦情况得到优化，响应特性得到提高；C02排放量减少了10%以上；满足全球最严格的排放标准。N52 发动机的汽缸盖剖面图见下图。
(二)负荷控制
发动机的负荷控制原理见下图。
受气门控制的发动机 VALVETRONIC发动机
1.进气门开启 2.排气门关闭 3.进气门关闭
4.排气门开启5.点火时刻
4.排气门开启5.点火时刻
A.有益功 B损失功 p.压力
0T.上止点 UT.下止点
0T.上止点 UT.下止点
传统发动机的负荷由节气门控制，这种控制方法的功率损失较大，因为新鲜空气被吸入发动机时，必须克服节气门的阻力。配置 Valvetronic系统的发动机则不同，其进气过程中节气门几乎一直完全开启，负荷控制通过气门关闭时刻来实现。由于进气装置不会出现真空，因此可以降低进气过程中的功率损失。需要说明的是，由于进行曲轴箱通风时需要进气装置内存在最少量的真空，因此需要稍稍调整节气门。
(三)结构及功能
Valvetronic II系统由全可变气门行程控制装置(全可变气门机构 II)和可变凸轮轴控制装置(双VANOS单元)构成。在此仅控制进气侧的气门行程，同时仅调节排气侧的凸轮轴。valvetronic II系统通过下列项目实现负荷控制：进气门的可变气门行程、进气门的可变气门开启时间、进气和排气凸轮轴的可变凸轮轴交错角度。
就负荷控制原理而言，Valvetronic II系统与应用于 N42发动机的 Valvetronic I系统是相同的。与 Valvetronic I系统相比，ValvetronicII系统在气门机构运动学特性、伺服电动机和VANOS 单元工作范围等方面进行了优化及改进。Valvetronic II系统改进之处如下：
(1)中间推杆上用于偏心轴的滑动轴承由一个滚柱轴承替代，从而减小了气门机构内的摩擦。
(2)仅需一个用于引导和支撑中间推杆的弹簧，中间推杆的导向更准确。
(3)气门机构的移动质量减少13%。
(4)改善了进气门的行程范围。最大行程增至9.9mm，最小行程降至0.18mm。
(5 )通过改善进气管和排气动态特性来进一步提高整体效果。
(四)全可变气门机构 II
全可变气门机构 II见下图。
1.伺服电动机 2.蜗杆轴 3.回位弹簧
4.槽板 5.进气凸轮轴 6.调节板
7.进气HVA元件(液压挺柱) 8.进气门
4.槽板 5.进气凸轮轴 6.调节板
7.进气HVA元件(液压挺柱) 8.进气门
9.排气门 10.排气滚子式气门揺臂
11.排气HVA元件(液圧挺柱)
12.进气滚子式气门摇臂
13.中间推杆 14.偏心轴
15.蜗轮 16.排气凸轮轴
11.排气HVA元件(液圧挺柱)
12.进气滚子式气门摇臂
13.中间推杆 14.偏心轴
15.蜗轮 16.排气凸轮轴
全可变气门行程控制通过伺服电动机、偏心轴、中间推杆、回位弹簧、进气凸轮轴和进气滚子式气门揺臂来实现。伺服电动机装在凸轮轴上方的汽缸盖内，用于调节偏心轴。该电动机的蜗杆轴嵌入安装在偏心轴上的蜗轮内。偏心轴调节进气侧的气门行程，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。
中间推杆改变凸轮轴与滚子式气门揺臂之间的传动比。在满负荷位置时进气门行程达到最大(9.9mm)，开启时间也达到最大。在怠速位置时进气门行程达到最小(0.18mm)，开启时间也达到最小。进气门的最小行程和最大行程见下图。
最小行程 最大行程
滚子式气门揺臂和中间推杆分为4个等级。部件上冲压有相关参数。每对滚子式气门揺臂和中间推杆的等级都相同。通过在生产厂处对滚子式气门揺臂和中间推杆进行分类，可确保即使在最小行程为 0.18mm时汽缸也能均匀进气。
1、偏心轴传感器
偏心轴传感器又称为 Valvetronic传感器，用于识别偏心轴位置。该传感器信号由发动机控制模块接收，N52发动机的偏心轴传感器和磁轮见下图。
1.磁轮 2.非磁性固定螺栓 3.偏心轴传感器
在偏心轴上装有一个带有永久磁铁的磁轮。当偏心轴旋转时，磁铁的磁力线就会穿过偏心轴传感器内的导磁材料。由此产生的电阻变化值用作发动机控制模块的偏心轴调节参数值。需要说明是，为了确保偏心轴传感器正常工作，必须用非磁性螺栓将磁轮固定在偏心轴上。
2、最小挡块和最大挡块
N52发动机偏心轴的最小挡块见下图。
1.偏心轴上的最小挡块 2.装在汽缸盖内的最小挡块
N52发动机偏心轴的最大挡块见下图。
为了识别偏心轴的机械极限位置，在相应部位装有最小挡块和最大挡块。可以在挡块之间执行挡块识别程序，从而将偏心轴从零行程调节到满行程。只有当启动时发动机控制模块识别到不可信数值时，才会执行挡块识别程序。挡块识别程序也可以由诊断系统启动。
3、定相位 .
全可变气门机构可以非常迅速且准确地控制发动机负荷。在定相位控制方式下，每个汽缸的两个进气门以最大0.2mm的行程同步开启。自该行程起，进气门1提前开启，进气门2稍稍延迟开启，并在行程大约为6mm时与进气门1同步。随后，两个进气门再次同步开启。
定相位开启特性有助于气体进入汽缸。通过保持较小的进气门开启横截面，可在进气量不变的情况下显著提高流速，并且与燃烧室上部区域的几何形状相配合，从而使进气混合气更有效地混合。
(五)VANOS单元
N52 发动机的进气侧和排气侧各有一个紧凑型无级叶片式VANOS 单元。该单元作为链条传动机构的集成式组件，用一个中央螺栓固定在相应的凸轮轴上，见下图。
与早期的发动机相比，N52发动机的VANOS单元更容易拆卸和安装，正时调节过程与 N42 发动机相似。在没有压力的状态下，一个螺旋弹簧将VANOS单元固定在基本位置处，见下图。
VANOS单元是不可分解的部件。由于进气VANOS单元和排气VANOS单元的交错角不同，因此不允许进行互换(混淆)。如果安裝位置不正确，那么会导致发动机严重损坏。N52发动机的VANOS单元识别见下图。
进气VANOS单元 排气VANOS单元
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