全可变气门Valvetronic II系统在N52中的应用

BMWCHE/2015-12-07/ 分类：技术解析/阅读：

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。 ...

(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

A.有益功 B损失功 p.压力
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

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

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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