宝马Valvetronic电子气门控制系统的工作原理解析

◆文/广东 李明权

发动机功率损失主要是发动机进气以及排气过程中导致的功率损失，是燃烧后的废气从汽缸中排出并将新鲜空气吸入汽缸内所必须消耗的能量。吸气过程中的功率损失主要来自于新鲜空气在节气门和进气门处受到阻力所导致的功率损失。为了减少这部分功率损失，往往采取两种应对策略：一种是通过改变进气门的形状及开度，以减少进气阻力，大多数汽车厂商采用这种策略；另一种是让节气门一直处于全开位置，以减少进气阻力，宝马采取的就是这种应对策略。

宝马采用全可变电子气门控制系统Valvetronic的发动机，在进气过程中，节气门几乎一直完全开启，通过控制气门升程及关闭时刻来实现对进气量的控制，以减少节气门处的进气阻力。与通过节气门控制进气量的传统发动机相比，宝马的Valvetronic发动机进气装置内不会出现真空，也就是说不会因为产生真空而消耗能量，达到通过降低进气过程中的功率损失来提高发动机效率的目的。

宝马B58发动机上采用的是第四代Valvetronic。在第一代和第二代 Valvetronic(图1)系统当中，电机驱动偏心轴，再通过偏心轴传感器探测用于全可变气门行程调节装置的偏心轴位置。偏心轴传感器采用冗余设计，两个偏心轴传感器元件安装在一个壳体内，一个偏心轴传感器元件执行控制功能，另一个偏心轴传感器元件执行监控功能。这两个偏心轴传感器元件采用反向运行设计。偏心轴由最小行程变化到最大行程时，控制传感器提供增大角度的信号，基准传感器提供减小角度的信号。

图1 第一代和第二代Valvetronic系统中的偏心轴传感器

宝马第三代Valvetronic(图2)系统中的偏心轴传感器(图3)集成在Valvetronic伺服电机内，传感器在伺服电机内间接进行偏心轴位置探测。为此围绕伺服电机驱动轴装有霍尔传感器，这些传感器将移动时受方向影响的信号图形传送至DME。DME计算出偏心轴的位置，并进行必要的调整。在发动机每次启动前系统都将进行适配，偏心轴都会移动到上部机械限位位置并被传感器探测到该位置。

图2 宝马第三代Valvetronic系统结构

图3 宝马第三代Valvetronic偏心轴传感器

经过后续开发的第四代Valvetronic目前已应用于新款宝马BX8系列发动机。第四代Valvetronic最明显的特征是从外部就能看到伺服电机，具体结构如图4所示。

图4 宝马B58发动机上的第四代 Valvetronic结构

与之前几代相比，宝马第四代Valvetronic主要进行了以下改进：

1.气门调节范围由190°(N55)提高至253°(B58)；

2.蜗杆传动机构传动比较小，为37:1；

3.滑块更细更轻，仅需一个螺栓即可连接；

4.回位弹簧不再采用螺栓连接，而是采用插接的方式进行连接；

5.取消了用于润滑蜗杆传动机构的机油喷嘴；

6.伺服电机更小、更强劲。

通过上述改进，第四代Valvetronic的外形明显减小，所需的安装空间也显著缩小，图5为改进前后的结构对比。由于更换了进气凸轮轴和偏心轴，因此获得了显著的高度空间。中间推杆和槽板采用新位置后简化了汽缸盖内的动力传递。槽板仅通过一个螺栓固定在支撑座上并通过两个精确接触面固定在汽缸盖内。

图5 宝马BX8与N55发动机上的Valvetronic结构对比

由于偏心轴调节速度很快，从最小行程到最大行程不足300ms，且传动比较小、调节范围大(气门行程最小0.2mm，最大9.9mm)，因此，在 Valvetronic 伺服电机蜗杆传动机构与偏心轴驱动小齿轮间必须进行充分润滑。润滑油通过偏心轴第一个轴颈处的流入孔进入油室内(图6)，当润滑油液面上升至排出孔下边缘后，多余的润滑油将通过排出孔返回到发动机润滑系统的回路内。由于蜗杆传动机构的啮合齿浸在油槽内，因此随时都可以进行充分的润滑。

图6 宝马BX8发动机Valvetronic蜗杆传动机构润滑系统

Valvetronic伺服电机内部传感器由电压为5V的数字式发动机电子伺控系统 (DME) 中提供电源(图7)。DME通过5个霍尔传感器(图8)，即角度传感器，获取信号并进行分析。这5个霍尔传感器中的3个用于粗略的分割，另外2个用于细微控制。伺服电机的转角小于7.5°。通过蜗轮蜗杆传动机构的传动比可以实现对阀门进行精确、快速的行程调整。

图7 数字式发动机电子伺控系统

图8 伺服控制角度传感器

在电子气门控制系统激活时，供给发动机的空气不是通过电子节气门调节器，而是通过进气门的可调式气门升程进行调整。装备电子气门控制系统时，为执行车辆启动(暖机过程)、怠速控制、满负荷运转和紧急运行等而控制电子节气门调节器。

在所有其它运行状态下，节气门打开至只产生一个轻微的真空为止，这个真空是燃油箱排气所需要的。数字式发动机电子伺控系统 (DME)根据加速踏板位置和其它参数计算出电子气门控制系统的相应位置，并控制汽缸盖上的电子气门控制系统伺服电机，而电机通过一个蜗杆传动装置驱动汽缸盖油室中的偏心轴。DME持续监控偏心轴传感器的两个信号，并检查这些信号是否单独可信和相互可信。这两个信号相互间不允许有偏差。在短路或损坏时，这些信号将在测量范围之外。DME还会持续检查偏心轴的实际位置与标准位置是否相符，并由此判断其机械机构是否动作灵活。发生故障时，阀门会被尽可能地打开，然后通过节气门调节空气的输送量。如果系统不能识别偏心轴的当前位置，则阀门会打开到最大开度。为达到正确的阀门开启角度，系统会自动调校补偿气门机构内的所有公差。在调校过程中，偏心轴会触及机械限位。DME会存储这些位置作为学习值，也就是把这些位置作为计算当前气门升程的基础。发动机每次启动时，系统都会将偏心轴实际位置与学习值进行对比。如果在某次维修后，系统识别到偏心轴处于另外一个位置，则自动执行调校过程。另外，也可以通过诊断系统进行人工调校。

从DME系统电路图(图9)可以看出，电子气门控制伺服电机通过U、V、W三相进行控制。从线路代码BLDC_U、BLDC_V、BLDC_W可以知道，电子气门控制伺服电机其实就是三相无刷直流电机。那么，DME是如何控制这三相电机的呢？

从电子气门控制伺服电机在DME内部的控制电路简图(图10)可以看出，电源PDM内部的熔丝F06经过5B的2号针脚进入DME内的过滤电感，给晶体管A、B、C供电。这三个晶体管控制电机的三相电源，而另外三个晶体管D、E、F负责控制电机三相绕组的接地。上述六个晶体管组成一个桥式电路，由电机控制芯片统一管理，按照程序设定的顺序接通，就可以完成对电机U、V、W三相绕组的控制。由于电机是电感元件，所以在正极还并联了6个电容，以防止干扰车载电压。

电子气门控制伺服电机最大电流为40A，在超过200ms的时间段内最大可提供20A的电流，按脉冲宽度调制控制电子气门的控制伺服电机。发动机关闭时，伺服电机的电流为O，但如果是使用遥控钥匙解锁，或打开点火开关，电机就会被DME激活，此时会听到电机运转的声音，之后电机的电流又将回到O，只有当发动机启动之后，伺服电机的电流才会随着发动机的负荷改变而发生变化，负荷越大电流越大。在发动机熄火后，伺服电机还会工作一段很短的时间，其目的是保证发动机关闭后，电子气门停留在最大的位置上，以便下次启动时有足够的新鲜空气进入发动机。

图9 DME系统电路图

图10 DME内部控制电路简图