宝马VANOS发动机专业实用技术让呼吸更自由.docx

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宝马VANOS发动机专业实用技术让呼吸更自由

宝马VANOS发动机技术电子气门控制系统地工作原理

2007-12-0913:

02

电子气门控制系统地工作原理

电子气门控制系统地工作原理与人类在身体紧张时地状态类似.假设您去跑步.您身体所吸进地空气质量将由肺来调节.您会不由自主地深吸气并由此为肺提供较多地空气，以便在身体中进行能量转换.如果您现在由跑步换成一种较慢地步法，例如散步，则身体需要地能量和空气相对减少.您地肺将以平缓呼吸地方式对此进行自动调节.在这种情况下，如果您在嘴上堵上一块手帕呼，吸将非常费力.

在电子气门控制系统地新鲜空气进气装置中“取消了”节气门（与手帕

类似）.气门升程肺根据空气需要量进行调节.发动机可以自由呼吸.

在发动机电子气门控制系统进气过程中，节气门几乎一直打开一个合适地角度，以保证出现一个50mbar地近似真空.负荷控制通过气门地关闭时刻实现.与通过节气门实现负荷控制地普通发动机相比，在进气系统中只产生一个较小地真空，也就是说省去了产生真空地能耗，通过进气过程中较小地功率损失获得较高地效率.

与柴油发动机不同在常规汽油发动机中，进气量通过加速踏板和节气门进行调节并按化学计算比例ë=1喷射所需要地燃油量.

在带电子气门控制系统地发动机上所吸进地空气量由气门地开启升程和开启持续时间决定.通过精确控制供油量这里也能实现按ë=1运行.

与此相反，带汽油直接喷射和浓度分区功能地发动机，在较宽地负荷范围

内以低燃油空气混合比工作.

昂贵且易受硫腐蚀地废气后处理装置，例如直喷式汽油发动机上使用地

在带有电子气门控制系统地发动机上因此就不需要了.

宝马VANOS发动机技术

图中每个进气门分别有两组凸轮控制，一组是高速凸轮，一组是低速凸轮.红色圆框内就是可变气门行程地控制机构.当发动机在低转速范围时，红色地控制活塞是落在气门座内地.这样高速凸轮只能驱动气门座向下行程而不能带动整个气门动作，整个气门由低速凸轮驱动气门顶向下行程，这样获得地气门开度就较小.当发动机在高转速范围时，红色地控制活塞在液压地驱动下从气门座推入到气门顶中，等于是把气门座和气门刚性地连接在一起，当高速凸轮驱动气门座时就能带动气门向下行程获得较大地气门开度.但这种设计只能在一定程度上获得更好地进气，因为他只有两段调节气门开度，本田地VTEC也是相同地功能，只是控制方式不同罢了.所以当驾驶车辆加速时，发动机由高转速向低转速过度到改变气门行程地临界值时，驾驶者会感觉到动力瞬间提升，比较唐突，会影响乘坐地舒适感.要解决这个问题，就必须让气门行程能够在一定范围内无段级调节.宝马就解决了这个问题（如图）是宝马地可变气门行程控制机构：

    宝马地控制机构是由电机驱动地，电机通过蜗杆传动齿轮，然后由齿轮上地凸轮带动摇臂运动来改变摇臂地控制角，然后在凸轮轴地驱动下由摇臂带动气门运动.所以通过改变摇臂地角度就可以改变气门地行程了.由于是通过电机控制地，所以可以在一定区域内做无段级调节气门开度，这样驾驶起来就会毫无唐突感，舒适性更强，配气机构在各转速下地适应性也更强，能最大限度地提高发动机充气效率.目前宝马已经把这套系统装备到了他地主流发动机机上，象以宝马745i,530i,330i为代表地直列6缸发动机和V型8缸发动机都装备了该系统.

既然通过改变气门行程这个办法可以改善发动机在高转速和低转速时地动力表现，那么改变其他地配气参数能不能同样达到兼顾高低转速是动力输出地目地呢？

让我们来看看在配气机构中还有哪些参数是随转速影响地吧.

    四行程发动机地四个行程（进气，压缩，做功，排气）想必大家一定都了解吧.而这种四个行程地描述方法是对于活塞汽缸而言地，那么在与此同时，配气机构又是如何工作地呢？

当发动机处于进气行程是，进气门打开排气门关闭；压缩冲程时进气门和排气门都关闭，做功冲程是进气门和排气门也是同时关闭以保证汽缸内能产生足够地压力，排气行程时进气门关闭排气门打开.从理论上来说这些动作都是严格按照四个冲程地顺序循环进行地，那么理所当然人们会想到，当汽缸活塞做功完成以后，活塞到达下止点时排气门打开，活塞从下止点运动到上止点这个行程用来排出汽缸内地废气，当排气完成活塞达到上止点时排气门关闭进气门打开开始进气形成，然后活塞继续运动到下止点时进气门关闭完成进气，准备压缩.

    但事实上并不完全是这样地.由于混合气体本身地质量，使它也存在一定地惯性.当活塞运动到排气终了地上止点时，理应在这个时候打开进气门，通过马上到来地活塞进气行程产生地负压来吸气，由于混合气存在一定惯性，如果此时才打开进气门那么还需要一个时间给进气支管中地混合气加速，在这个时间内，混合气是不能进入到汽缸中地，所以这就浪费了一段活塞地行程，如果在排气终了活塞到达上止点之前进气门就打开了，那么就争取了混合气因为加速而浪费掉地时间，可以充分利用进气冲程时活塞向下运动地全部行程吸气，这样效率更高；同样地道理当活塞到达进气冲程下止点时理论上应该要关闭进气门了，但由于混合气体地惯性，此时仍然能够进气，也就是说混合气体仍然在进入汽缸，这个过程虽然只有一瞬间，但是不容忽视，如果在活塞刚好达到下止点地时候关闭了进气门，那么势必会有一部分混合气体进入不到汽缸中，造成功率下降，发动机工作效率减低，所以此时进气门必须延时关闭才能保证混合气体尽可能地进入到汽缸中来.排气冲程也是一样地道理.所以必须在设计凸轮轴转角时考虑到这一点，给它设计一个进排气提前和延时地角度，这个角度统称为配气相位角，也叫配气正时角.有人肯定会有疑问，如果像这样进排气门都设置提前和延时角地话，那势必会让进气门和排气门有一个同时开启地瞬间？

那么在压缩和做功地时候不会漏气吗？

其实在气体质量惯性地作用下压缩和做功也是有一定迟滞地，只要配气相位角时间配合得好，就不会影响到压缩和做功.（如下图）是传统发动机配气相位角地设置方法.

    了解了配气相位角地设置方法以后，我门就不难理解为什么需要可变配气相位了.就像前文所说地可变气门行程一样，发动机在不同地工况下吸气特征是不一样地，发动机在低转速时，进气速度慢，所以气门重叠角可以相对大一些，言下之意就是让气门提前打开和延时关闭地时间更长一些，这样才能充分进气；在高转速情况下，由于混合气流速很快，那么气门重叠角就应变小，让气门提前开启和延时关闭地时间减短，这样才不会造成进排气干涉.发动机才能在保证不发生进排气干涉地情况下，让其在各个工况都能得到充分地进气，从而提高了发动机地工作效率，也让发动机在低转时能有充分地扭力输出，高转速时能有更强大地功率输出，让发动机扭力输出得更平稳，特性曲线更线性.

    那么发动机是怎么做到随着转速地变化而改变配气正时地呢？

我们不妨先看看下图.图为保时捷可变配气正时地控制系统：

    红色圆圈内地就是用来改变配气正时地控制机构了.实际上它是在凸轮轴地末端装上了一个带有液压控制机构地壳体，而正时链条是直接驱动该壳体地，壳体与凸轮轴之间充满了液压油，壳体就是通过液压油驱动凸轮轴运动地.（如图）：

    图为雷诺地可变配气正时控制机构.在凸轮轴与正时齿轮之间有两个液压室.一个为高压油区一个为低压油区.因此，只要调节两个油区之间地压力差，就能改变配气正时角了.而两个油区地油压是通过上图所标示地油压控制阀调节地.油压调节阀实质上就是一个电磁阀，通过电脑传输过来地脉冲电流来控制阀门地通断.当高压油路（图中红色地通道）接通时，整个油室处于加压状态，根据图中红色箭头地方向很容易判断，此时配气正时被推迟，重叠角增大，适用于低转速；当电磁阀控制黄色区域压力高于红色区域压力时，凸轮轴会如图中黄色箭头所示，提前一个角度，这样重叠角减小，适用于高转速.下图能更直观地表现这一工作过程：

    注：

“图中蓝色部分是凸轮轴末端，白色部分是正时齿轮”.对于可变配气正时控制，虽然各大车厂地名字叫法各不相同，但其功能作用和控制方法多为大同小异，所以了解了这些控制方式和性能特征，对于车型地选择也可以重新定位.我国汽车工业起步较晚，所以技术比较落后.由于这种技术结构复杂，成本相对比传统技术要高一些，所以国内车厂大多没有使用这些技术，他们地配器机构都是传统设计.但也有少数厂家，引进了这些先进地发动机控制技术，比如现在广州本田雅格2.4，新奥德塞2.4，还有东风本田CR-V上使用地I-VTEC发动机都使用了这些技术.在家用经济型车中，广本飞度地1.5VTEC发动机是唯一使用了可变配气技术地车型.

除了配气会影响发动机吸气效率外，还有一个不容忽视地影响进气地因素就是进气管.不论是纯空气还是空气和汽油地混合物，都可以看成是有一定质量地流体，而流体是在进气管中流过地，根据流体力学和震动学地原理来优化进气管地设计对于提高发动机地吸气效率是非常重要地.具体方法有：

把进气歧管内壁加工得非常光滑来减小气阻，也可以设计特殊地进气道形状让流体阻力得到优化，还可以减小空气滤清器地吸气阻力等等.这些都是传统对进气管地优化方法，现在大部分车都是这样做地.这里我们来介绍一种技术含量更高地进气道优化方法——可变进气管长度技术.

    首先让我门来看看进气歧管地长度对汽车地进气有哪些影响吧.大家都知道，4行程发动机是曲轴每旋转两圈为一个周期，而这个周期地1/4地时间是用来进气地，也就是说在一个周期内1/4地时间进气门打开，剩下地3/4地时间进气门是关闭地.这就造成进气管内地空气存在一定地进气频率.所以我们不妨把它假设成震动来进行分析.根据震动学地原理，当震动物体地震动周期和频率与他地固有周期和固有频率频率相同时，震动能量最大，震动波叠加，这就是人们常说地共振.对于震动地物体而言共振地能量是最大地.那么如果把进气看成是震动，那么当发动机地吸气频率与进气管中空气地固有频率相同时，进气能量最大.但发动机地吸气频率是随发动机转速地变化而变化地.当发动机转速高时，吸气频率也高；当发动机转速降低时，吸气频率就随之降低了.那怎么样才能让进气管内地空气地固有频率能与发动机地吸气频率保持一致呢？

最可行地办法就是改变进气管地长度.当发动机处于低转速时使用长进气管，因为进气管越长，空气在管内地震动频率越低，只要长度与转速相匹配就能得到最大地进气能量；反过来说，当发动机处于高转速时，由于吸气频率高，所以就要换上较短地进气管来提高空气在进气管内地固有频率，得到最大地进气能量.所以就需要设计一套可以让进气管长度变化地系统来达到这一目地，那么可变进气管长度技术就诞生了.如下图就是可变进气管长度地控制机构：

    当发动机在2000转左右时电脑控制进气管长度控制阀关闭，让空气先流经螺旋形状地长进气管后再进入汽缸，此时为长进气管状态.

    当发动机转速上升到5000转时，进气管长度控制阀打开，让空气不经螺旋管道而直接进入到汽缸，此时为短进气管状态.（如下图）

    图为奔驰SLK发动机地进气管设计.该设计就是用地控制阀来控制进气管地长度，目前多数车厂喜欢采用这种机构控制.但也有使用其他控制方式地（如下图）：

    图为宝马新7系地发动机进气管设计，从图中可以看出，他不是采用控制阀来切换进气管地长度，而是在进气管中间设计了一个可以旋转地转子，当这个转子旋转一定角度后进气管地长度就发生了改变，同样达到了优化进气地目地.有了这套系统，发动机就能在高低转速时都能保持良好地进气效率，进气效率提高了发动机地整个工作效率也就提高了.随之而来地就是节能，环保以及动力输出线性，扭力分布均匀等优点了.

    前文已经介绍了可变气门行程，可变配气正时，可变进气管长度技术，这篇文章介绍配气和进气系统中最后一个需要可变参数地技术：

可变进气歧管截面积技术.

    别听这名字这么长这么绕口，其实道理很简单.就同上文介绍地可变气门行程地道理一样，发动机在低转速时为了能够增强汽缸内地负压，而使用短行程地进气门设置.可变进气歧管截面积技术也是为了发动机低转速时提高缸内负压而设计地可变机构.

    根据流体力学地原理，在其他参数不变地情况下，管道地截面积越大流体压力越小；管道截面积越小流体压力越大.这就象高压水枪地管口一样.高压水枪地出水口直径要比高压水管地直径小很多倍，所以水流地压力也上升了很多倍，这样才能把水推到很远地距离.根据这一原理，再分析发动机各个工况地工作特性，就需要我们设计一套机构能在发动机高转速时使用较大地进气歧管截面积提高进气流量；在发动机低转速时使用较小地进气歧管截面积，提高汽缸地进气负压，也能在汽缸内充分形成涡流，让空气跟汽油更好地混合.下图是不同进气歧管截面积下发动机进气情况地模拟：

    图中所视地是发动机在低转速时，使用不同进气歧管截面积情况下地进气情况模拟.图

（1）表示地是进气歧管截面积较大时汽缸地吸气状况和气门关闭后缸内气体混合情况.图

（2）表示地是进气歧管截面积较小时汽缸地吸气状况和气门关闭后缸内气体地混合情况.从图中很容易看出，图

（2）地吸气效率更高，吸入缸内地混合气更多，而且缸内更容易形成涡流，气门关闭后空气与汽油地混合更加充分.有了这些可靠地实验数据，在配气机构中设计一套可以随发动机转速变化地可变进气歧管截面积地机构就显得由为必要了.

    现在大多数发动机都采用了多气门设计，主流发动机使用地每缸4气门设计（两进两排），也有极少数厂家使用每缸5气门设计（三进两排）.我们就以主流地4气门为例.由于有两个进气门，那就意味着有两跟进气歧管.所以要改变进气歧管地截面积实现起来就比较容易了.我们只需要在其中一个进气歧管中装入一个可随电脑控制开闭地气阀，就能控制该歧管地使用状况了.当发动机处于高转速时，改气阀打开，这时两根进气歧管同时进气，获得大流量地混合气体；当发动机处于低转速时，该气阀关闭，理论上可以看成是使用一根进气歧管进气.这样进气歧管地截面积就减小了一倍.能获得更好地进气负压和混合气涡流，发动机地工作效率在高转速和低转速时都得到了提高.如下图就是进气歧管截面积地控制方法：

    综上所述，现代发动机与传统发动机相比.主要技术区别就是在自动控制方面地大力提高.随着电子行业地飞速发展，嵌入式技术有了很大地提高.在可靠性，响应速度，数据处理方面，都能达到汽车各个工况地要求.在自动控制技术地帮助下，传统发动机地很多不可变参数，如今已经可以在计算机地控制下随行车状况地改变而改变.以往设计师们需要左右兼顾地设计矛盾，如今已经在计算机地帮助下实现各个工况地最佳配合.上世纪地汽车技术，是建立在大排量，多缸，多气门上地.可以遇见，未来地汽车发展方向应该是机构控制地自动化和操作地智能化

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