寶馬Valvetronic電子氣門控制系統(tǒng)的工作原理解析

◆文/廣東 李明權

發(fā)動機功率損失主要是發(fā)動機進氣以及排氣過程中導致的功率損失，是燃燒后的廢氣從汽缸中排出并將新鮮空氣吸入汽缸內所必須消耗的能量。吸氣過程中的功率損失主要來自于新鮮空氣在節(jié)氣門和進氣門處受到阻力所導致的功率損失。為了減少這部分功率損失，往往采取兩種應對策略：一種是通過改變進氣門的形狀及開度，以減少進氣阻力，大多數汽車廠商采用這種策略；另一種是讓節(jié)氣門一直處于全開位置，以減少進氣阻力，寶馬采取的就是這種應對策略。

寶馬采用全可變電子氣門控制系統(tǒng)Valvetronic的發(fā)動機，在進氣過程中，節(jié)氣門幾乎一直完全開啟，通過控制氣門升程及關閉時刻來實現對進氣量的控制，以減少節(jié)氣門處的進氣阻力。與通過節(jié)氣門控制進氣量的傳統(tǒng)發(fā)動機相比，寶馬的Valvetronic發(fā)動機進氣裝置內不會出現真空，也就是說不會因為產生真空而消耗能量，達到通過降低進氣過程中的功率損失來提高發(fā)動機效率的目的。

寶馬B58發(fā)動機上采用的是第四代Valvetronic。在第一代和第二代 Valvetronic(圖1)系統(tǒng)當中，電機驅動偏心軸，再通過偏心軸傳感器探測用于全可變氣門行程調節(jié)裝置的偏心軸位置。偏心軸傳感器采用冗余設計，兩個偏心軸傳感器元件安裝在一個殼體內，一個偏心軸傳感器元件執(zhí)行控制功能，另一個偏心軸傳感器元件執(zhí)行監(jiān)控功能。這兩個偏心軸傳感器元件采用反向運行設計。偏心軸由最小行程變化到最大行程時，控制傳感器提供增大角度的信號，基準傳感器提供減小角度的信號。

圖1 第一代和第二代Valvetronic系統(tǒng)中的偏心軸傳感器

寶馬第三代Valvetronic(圖2)系統(tǒng)中的偏心軸傳感器(圖3)集成在Valvetronic伺服電機內，傳感器在伺服電機內間接進行偏心軸位置探測。為此圍繞伺服電機驅動軸裝有霍爾傳感器，這些傳感器將移動時受方向影響的信號圖形傳送至DME。DME計算出偏心軸的位置，并進行必要的調整。在發(fā)動機每次啟動前系統(tǒng)都將進行適配，偏心軸都會移動到上部機械限位位置并被傳感器探測到該位置。

圖2 寶馬第三代Valvetronic系統(tǒng)結構

圖3 寶馬第三代Valvetronic偏心軸傳感器

經過后續(xù)開發(fā)的第四代Valvetronic目前已應用于新款寶馬BX8系列發(fā)動機。第四代Valvetronic最明顯的特征是從外部就能看到伺服電機，具體結構如圖4所示。

圖4 寶馬B58發(fā)動機上的第四代 Valvetronic結構

與之前幾代相比，寶馬第四代Valvetronic主要進行了以下改進：

1.氣門調節(jié)范圍由190°(N55)提高至253°(B58)；

2.蝸桿傳動機構傳動比較小，為37:1；

3.滑塊更細更輕，僅需一個螺栓即可連接；

4.回位彈簧不再采用螺栓連接，而是采用插接的方式進行連接；

5.取消了用于潤滑蝸桿傳動機構的機油噴嘴；

6.伺服電機更小、更強勁。

通過上述改進，第四代Valvetronic的外形明顯減小，所需的安裝空間也顯著縮小，圖5為改進前后的結構對比。由于更換了進氣凸輪軸和偏心軸，因此獲得了顯著的高度空間。中間推桿和槽板采用新位置后簡化了汽缸蓋內的動力傳遞。槽板僅通過一個螺栓固定在支撐座上并通過兩個精確接觸面固定在汽缸蓋內。

圖5 寶馬BX8與N55發(fā)動機上的Valvetronic結構對比

由于偏心軸調節(jié)速度很快，從最小行程到最大行程不足300ms，且傳動比較小、調節(jié)范圍大(氣門行程最小0.2mm，最大9.9mm)，因此，在 Valvetronic 伺服電機蝸桿傳動機構與偏心軸驅動小齒輪間必須進行充分潤滑。潤滑油通過偏心軸第一個軸頸處的流入孔進入油室內(圖6)，當潤滑油液面上升至排出孔下邊緣后，多余的潤滑油將通過排出孔返回到發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的回路內。由于蝸桿傳動機構的嚙合齒浸在油槽內，因此隨時都可以進行充分的潤滑。

圖6 寶馬BX8發(fā)動機Valvetronic蝸桿傳動機構潤滑系統(tǒng)

Valvetronic伺服電機內部傳感器由電壓為5V的數字式發(fā)動機電子伺控系統(tǒng) (DME) 中提供電源(圖7)。DME通過5個霍爾傳感器(圖8)，即角度傳感器，獲取信號并進行分析。這5個霍爾傳感器中的3個用于粗略的分割，另外2個用于細微控制。伺服電機的轉角小于7.5°。通過蝸輪蝸桿傳動機構的傳動比可以實現對閥門進行精確、快速的行程調整。

圖7 數字式發(fā)動機電子伺控系統(tǒng)

圖8 伺服控制角度傳感器

在電子氣門控制系統(tǒng)激活時，供給發(fā)動機的空氣不是通過電子節(jié)氣門調節(jié)器，而是通過進氣門的可調式氣門升程進行調整。裝備電子氣門控制系統(tǒng)時，為執(zhí)行車輛啟動(暖機過程)、怠速控制、滿負荷運轉和緊急運行等而控制電子節(jié)氣門調節(jié)器。

在所有其它運行狀態(tài)下，節(jié)氣門打開至只產生一個輕微的真空為止，這個真空是燃油箱排氣所需要的。數字式發(fā)動機電子伺控系統(tǒng) (DME)根據加速踏板位置和其它參數計算出電子氣門控制系統(tǒng)的相應位置，并控制汽缸蓋上的電子氣門控制系統(tǒng)伺服電機，而電機通過一個蝸桿傳動裝置驅動汽缸蓋油室中的偏心軸。DME持續(xù)監(jiān)控偏心軸傳感器的兩個信號，并檢查這些信號是否單獨可信和相互可信。這兩個信號相互間不允許有偏差。在短路或損壞時，這些信號將在測量范圍之外。DME還會持續(xù)檢查偏心軸的實際位置與標準位置是否相符，并由此判斷其機械機構是否動作靈活。發(fā)生故障時，閥門會被盡可能地打開，然后通過節(jié)氣門調節(jié)空氣的輸送量。如果系統(tǒng)不能識別偏心軸的當前位置，則閥門會打開到最大開度。為達到正確的閥門開啟角度，系統(tǒng)會自動調校補償氣門機構內的所有公差。在調校過程中，偏心軸會觸及機械限位。DME會存儲這些位置作為學習值，也就是把這些位置作為計算當前氣門升程的基礎。發(fā)動機每次啟動時，系統(tǒng)都會將偏心軸實際位置與學習值進行對比。如果在某次維修后，系統(tǒng)識別到偏心軸處于另外一個位置，則自動執(zhí)行調校過程。另外，也可以通過診斷系統(tǒng)進行人工調校。

從DME系統(tǒng)電路圖(圖9)可以看出，電子氣門控制伺服電機通過U、V、W三相進行控制。從線路代碼BLDC_U、BLDC_V、BLDC_W可以知道，電子氣門控制伺服電機其實就是三相無刷直流電機。那么，DME是如何控制這三相電機的呢？

從電子氣門控制伺服電機在DME內部的控制電路簡圖(圖10)可以看出，電源PDM內部的熔絲F06經過5B的2號針腳進入DME內的過濾電感，給晶體管A、B、C供電。這三個晶體管控制電機的三相電源，而另外三個晶體管D、E、F負責控制電機三相繞組的接地。上述六個晶體管組成一個橋式電路，由電機控制芯片統(tǒng)一管理，按照程序設定的順序接通，就可以完成對電機U、V、W三相繞組的控制。由于電機是電感元件，所以在正極還并聯了6個電容，以防止干擾車載電壓。

電子氣門控制伺服電機最大電流為40A，在超過200ms的時間段內最大可提供20A的電流，按脈沖寬度調制控制電子氣門的控制伺服電機。發(fā)動機關閉時，伺服電機的電流為O，但如果是使用遙控鑰匙解鎖，或打開點火開關，電機就會被DME激活，此時會聽到電機運轉的聲音，之后電機的電流又將回到O，只有當發(fā)動機啟動之后，伺服電機的電流才會隨著發(fā)動機的負荷改變而發(fā)生變化，負荷越大電流越大。在發(fā)動機熄火后，伺服電機還會工作一段很短的時間，其目的是保證發(fā)動機關閉后，電子氣門停留在最大的位置上，以便下次啟動時有足夠的新鮮空氣進入發(fā)動機。

圖9 DME系統(tǒng)電路圖

圖10 DME內部控制電路簡圖