详解宝马车系N20发动机气门控制系统

    一、气门机构
    1．概述
    气门机构由全变量气门升程控制装置（电子气门控制系统）和可调式凸轮轴控制装置（双凸轮可变正时控制系统）组成，因此能够自由选择进气门的关闭时刻。气门升程控制只在进气侧进行，凸轮轴控制在进气侧和排气侧进行。只有当下列参数都可控制时，才能进行无须节气门的负荷控制：进气门的气门升程、进气和排气凸轮轴的凸轮轴调整装置。


    气门机构如图1所示。

   （1）凸轮轴原始值进气
    只使用轻型结构凸轮轴。排气凸轮轴带有轴承环，并封闭在一个凸轮轴箱中。通过凸轮轴箱可降低运行中的机汕起泡。
   （2）进气门和排气门
气门机构配备了用于进气门和排气门的可调式凸轮轴控制装置（双凸轮可变正时控制系统）。利用VANOS能够推迟进气门和排气门的打开时间。
   （3）进气凸轮轴传感器和排气凸轮轴传感器
    这两个凸轮轴传感器检测凸轮轴的位置。为此在凸轮轴上固定了一个增量轮（凸轮轴传感器齿盘）。凸轮轴传感器根据霍尔效应工作。供电通过数字式发动机电子伺控系统（DME）用5V电压进行。此传感器通过信号线向数字式发动机电子伺控系统（DME）提供一个数字信号。进气凸轮轴传感器固定在汽缸盖罩上。在曲轴传感器失灵时，数字式发动机电子伺控系统（DME）据此计算出发动机转速。进气凸轮轴传感器连同曲轴传感器一起，是全顺序喷射装置所必需的（每个汽缸的燃油喷射都在最佳点火时刻）。数字式发动机电子伺控系统（DME）可以通过进气凸轮轴传感器识别第1缸处在压缩阶段还是换气阶段。另外传感器向传感器提供凸轮轴位置的反馈信号，用于调节变量凸轮轴（VANOS）。进气凸轮轴传感器是作为无接触霍尔传感器安装的。凸轮轴传感器齿盘有6个不同的齿面距离。霍尔传感器探测这些齿面距离。数字式发动机电子伺控系统（DME）据此计算出：凸轮轴转速、凸轮轴的调整速度、凸轮轴的确切位置。
凸轮轴位置传感器如图2所示。

   （4）同步
    为启动发动机，数字式发动机电子伺控系统（DME）检查下列条件是否满足：曲轴传感器发出的信号没有错误，信号都必须按规定的时间顺序识别到。
    这一步骤称为同步过程，并仅在车辆启动时执行。首先，同步使数字式发动机电子伺控系统（DME）能够正确控制燃油喷射。不同步时不能启动车辆。在加上电压时，便可识别出该传感器是否处于一个齿的位置，还是处于一个缺口的位置。数字式发动机电子伺控系统（DME）读取传感器信号，并将信号与保存的样本进行比较。于是可识别凸轮轴的准确位置。
   （5）进气VANOS磁性激励器和排气VANOS磁性激励器
可调式凸轮轴控制装置改善低速和中等转速范围内的扭矩。同时为怠速和最大功率设置最合理的气门配气相位。通过较小的气门重叠可在怠速下产生数量较少的剩余气体。通过部分负荷区的内部废气再循环降低氮氧化物。此外还可达到下列效果：废气触媒转换器的加热更快、冷机启动后的有害物质的排放更少、减小燃油消耗。
    进气VANOS磁性激励器和排气VANOS磁性激励器如图3所示。

    VANOS磁性激励器用于控制VANOS调整装置，从发动机转速和负荷信号计算出所需的进气凸轮轴及排气凸轮轴位置（根据进气温度和冷却液温度）。数字式发动机电子伺控系统（DME）通过VANOS磁性激励器控制VANOS调整装置。VANOS中央阀门固定具有凸轮轴的VANOS调整装置。同时，通过该VANOS中央阀门还能控制VANOS调整装置内的机油流量。VANOS电磁执行器移动VANOS中央阀门。此时，VANOS电磁执行器的活塞压在VANOS中央阀门的活塞上。
    VANOS中央阀门结构如图4所示。

    ①怠速：在怠速下调整凸轮轴要保证，产生一个对油耗和运行平稳性来说最佳的较小气门重叠。达到最小的气门重叠时，伴随着的是很大的进气角度和排气角度，甚至到了最大。VANOS电磁阀这时不通电。即使在关闭发动机的情况下，仍占据该凸轮轴位置。在这种状态下调整装置自动锁定，因此在下次发动机启动时存在一个稳定的凸轮轴调整。当油泵还没有为凸轮轴调整建立足够的油压时，也可达到这个稳定的凸轮轴调整。在第一次要求调整时，流入的机油将调整装置重新解锁。
    ②功率：为了在低发动机转速时获得高扭矩，排气门被滞后打开。这样，燃烧延长到柱塞上。在高发动机转速时，通过较大的气门重叠（排气门提前打开和排气门滞后打开）获得较高的功率。为了实现较高的扭矩，必须达到一个较高的汽缸进气度。根据进气管压力（增压压力）和废气压力，进气门或排气门必须提前或滞后打开或关闭。带VANOS的发动机可以在宽的转速范围内用优化的汽缸进气来描述。为获得同样的充气（对应于扭矩），带VANOS的发动机需要的增压压力比具有刚性凸轮轴位置的发动机需要的增压压力低。
    ③原因：新鲜气体退回进气管以及剩余气体倒流回汽缸都可避免。涡轮增压时扭矩升高对于涡轮增压发动机，在低发动机转速时在增压范围内通过大的气门重叠可实现“过扫气”，从而可获得明显更大的扭矩。
    ④效果：流经发动机的空气比用于燃烧所需要的更多。因此双涡流废气涡轮增压器不属于泵送范围。第二个效果：在汽缸中几乎没有剩余气体。部分负荷时的内部废气再循环与进气和排气凸轮轴的扭矩或功率最佳位置相比，在调节进气和排气凸轮轴时也可以强制获得高的废气再循环率。对于内部废气再循环量起决定作用的是：气门重叠大小以及排气歧管和进气管之间的压力差。内部废气再循环有下列特性：反应时间比外部废气再循环更快（使用内部废气再循环时在进气集气箱中没有剩余气体）；废气余热在汽缸中快速再循环（这些附加热量在发动机冷机时可改善混合气制备并因此降低碳氢化合物排放）；降低燃烧温度并因此减少氮氧化物排放量。
   （6）电子气门控制伺服电机
    第三代电子气门控制伺服电机也包含用于识别偏心轴位置的传感器。另一个特点是，电子气门控制伺服电机由发动机机油环流。喷油嘴确保偏心轴的蜗轮蜗杆传动机构得到润滑。带集成位置传感器的无刷直流电机将作为电子气门控制伺服电机投入使用。这种直流电机因其非接触转换方式而无须保养并且功能强劲（效率更好）。通过使用集成式电子模块，电子气门控制系统伺服电机可非常精确地控制。
    电子伺服电机如图5所示。

    电动气门控制伺服电机最大限制为40A。在超过200ms的时间段内有最大20A的电流可供使用。按脉冲宽度调制控制电子气门控制伺服电机。脉冲负载参数在5％～98％之间。电子气门控制系统伺服电机的供电由数字式发动机电子伺控系统（DME）用5V电压进行。数字式发动机电子控系统（DME）通过5个霍尔传感器接收信号。5个霍尔传感器用于3次粗略分割和2个细微部分。这样，便能测定7.5°以下的电子气门控制伺服电机转角。通过涡轮轴传动比能够非常精确和迅速地调节气门升程。

    2．系统概览（图6）

    3．系统功能
   （1）可调式凸轮轴控制装置VANOS
    具有独立VANOS电磁阀的传统VANOS已从结构上进行了修改。采用VANOS电磁执行器和机械式VANOS中央阀门减少汽缸盖中的油道。
    可调式凸轮轴控制装置正时控制系统用于在低转速和中等转速范围内提高扭矩。同时为怠速和最大功率设置最合理的气门配气相位。进气和排气凸轮轴可在它们的最大调整范围内可变调节。达到正确的凸轮轴位置时，VANOS电磁阀保持调节缸两个空腔内的油量恒定。因此可将凸轮轴保持在该位置上。为了进行调节，可调式凸轮轴控制装置需要一个有关凸轮轴当前位置的反馈信号。在进气和排气侧各有一个凸轮轴传感器检测凸轮轴的位置。在发动机启动时，进气凸轮轴在极限位置上（在“滞后”位置上）。在发动机启动时通过一个弹簧片预紧排气凸轮轴，并将其保持在“提前”位置。
   （2）电子气门控制系统Valvetronic
    通过一根电动可调式偏心轴，凸轮轴对凸轮推杆的影响可通过一根中间杠杆改变，由此产生一个可变气门升程。一个特点是，偏心轴传感器不再安装在偏心轴上，而是已集成到伺服电机中。电子气门控制系统3投入应用。电子气门控制系统3与电子气门控制系统2的区别在于电子气门控制伺服电机和传感器的布置。混合气的形成通过提前和掩蔽得到了优化。在压缩结束时，涡流的强度等级增大。通过这个充气运动可改善部分负荷运转中和废气触媒转换器加热运行中的燃烧。
    ①提前。提前在下部部分负荷区中在两个进气门之间产生一个最大1. 8mm的升程偏差。因此吸入的新鲜气体被搅动并旋转。
    ②掩蔽。掩蔽是气门座的一种造型。这个造型现在使流入的新鲜空气被校正，从而产生希望的充气运动。这些措施的优点是，例如燃烧延迟可减小约100 KW。燃烧速度更快，并且可以产生更大的气门重叠。因此能够明显降低氮氧化物排放。能够通过组合使用电子气门控制系统III、直接喷射和涡轮增压改善反应特性。直到自吸式发动机全负荷的反应特性像在带电子气门控制系统的自吸式发动机上一样缩短，因为取消了进气集气箱的加注过程。在废气涡轮增压器启动时接着建立扭矩，能够在低发动机转速时通过设置部分冲程而加速。这样有助于冲洗剩余气体，从而更快建立扭矩。使用一个新型无刷直流电机。此电子气门控制系统伺服电机具有下列特点：开放式概念（机油穿过）；偏心轴角度可根据发动机转速计算出；输入功率降低约50%；调节的动态性更高（例如有汽缸选择性的调节或怠速控制）；减小重量（约600g）。
    第三代电子气门控制伺服电机也包含用于识别偏心轴位置的传感器。另一个特点是，发动机机油穿过和环绕流过电子气门控制系统伺服电机。喷油嘴确保偏心轴的蜗轮蜗杆传动机构得到润滑。为降低燃油消耗而开发了电子气门控制系统。电子气门控制系统的控制现在已集成到数字式发动机电子伺控系统（DME）中。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动节气门调节器，而是通过进气门的可调式气门升程来一调整。装备电子气门控制系统时，为执行下列功能而控制电动节气门调节器：车辆启动（暖机过程）、怠速控制、满负荷运转、紧急运行。
    在所有其他运行状态下，节气门打开至只产生一个轻微的真空为止。这个真空例如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他参数计算出电子气门控制系统的相应位置。数字式发动机电子伺控系统（DME）控制汽缸盖卜的电子气门控制系统伺服电机。电子气门控制系统伺服电机通过一个蜗杆传动装置驱动汽缸盖油室中的偏心轴。数字式发动机电子伺控系统（DME）持续监控偏心轴传感器的两个信号。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，这些信号在测量范围之外。数字式发动机电子伺控系统（DME）持续检查，偏心轴的实际位置与标准位置是否相符。由此可看出机械机构是否动作灵活。发生故障时，阀门会被尽量打开。然后通过节气门调节空气输送。如果不能识别偏心轴的当前位置，则阀门会被不加调节地最大打开（受控的紧急运行）。为达到正确的阀门孔开启程度，必须通过调校补偿气门机构内的所有公差。在这个调校过程中，调节到偏心轴的机械限位，存储以此学习的位置。这些位置在各种情况下都用作计算当前气门升程的基础。调校过程自动进行。每次重新启动时将偏心轴位置与学习的数值相比较。如果例如在某次维修后识别到偏心轴的另一个位置，则执行调校过程。此外可以通过诊断系统调用调校。

    二、进气凸轮轴传感器
    1．概述
    进气凸轮轴传感器固定在汽缸盖罩上。进气凸轮轴传感器借助一个固定在凸轮轴上的增量轮（凸轮轴传感器齿盘）探测进气凸轮轴的位置。在曲轴传感器失灵时，发动机控制据此计算出发动机转速。进气凸轮轴传感器连同曲轴传感器一起，是全顺序喷射装置所必需的（每个汽缸的燃油喷射都在最佳点火时刻）。
    2．功能描述
    通过进气凸轮轴传感器，发动机控制可识别出第1个汽缸是在压缩阶段还是换气阶段。另外传感器向传感器提供凸轮轴位置的反馈信号，用于调节变量凸轮轴（VANOS）。进气凸轮轴传感器是作为无接触霍尔传感器安装的。凸轮轴传感器齿盘有6个不同的齿面。齿面距离由霍尔传感器进行记录。发动机控制系统将由此计算出：凸轮轴转速、凸轮轴速度、凸轮轴的确切位置。

    为启动车辆，发动机控制单元检查下列条件是否满足：曲轴传感器发出的信号没有错误；必须以规定的时间顺序对这两个信号进行识别。
    这一步骤称为同步过程，并仅在车辆启动时执行。只有在同步以后发动机控制器才能正确地控制燃油喷射。不同步时不能启动车辆。在加上电压时，便可识别出该传感器是否处于一个齿的位置，还是处于一个缺口的位置。
    3．结构及内部连接
    测量方法是以一个霍尔集成电路为基础的。输出信号通过齿面显示低状态，通过空隙显示高状态。进气凸轮轴传感器根据曲轴传感器原理工作。但是凸轮轴传感器齿盘也会有根本性区别。通过一块专用遮挡模板，可在曲轴传感器失效后进行紧急运行。但是凸轮轴传感器信号的分辨率太不准确，因此无法在正常运行下更换曲轴传感器，如图7所示。

    4．信号曲线及标准值
发动机控制器读入传感器信号并将信号与保存的样本进行比较。通过比较传感器信号和样本，可以识别出凸轮轴的正确位置或偏差，如图8所示。

    进气凸轮轴传感器的额定值见表1。

    5．诊断提示----部件失灵
    在进气凸轮轴传感器失效时，预计将出现以下情况：在发动机控制单元记录故障代码；以替代值紧急运行。
    对于进气凸轮轴传感器的诊断在以下条件下开始：数字式发动机电子伺控系统主继电器接通、发动机运行、发动机经过同步、未识别出发动机熄火、曲轴传感器发出的信号没有错误。

 

    三、排气凸轮轴传感器
    1．概述
    排气凸轮轴传感器固定在汽缸盖罩上，排气凸轮轴传感器借助一个固定在凸轮轴上的增量轮（凸轮轴传感器齿盘）探测排气凸轮轴的位置，排气凸轮轴传感器提供排气凸轮轴调整装置（VANOS）所需的反馈信号。
    2．功能描述
    为了进行调节，可调式凸轮轴控制装置需要一个有关凸轮轴当前位置的反馈信号，在进气和排气侧各有一个凸轮轴传感器检测凸轮轴的位置。排气凸轮轴传感器是作为无接触霍尔传感器安装的。凸轮轴传感器齿盘有6个不同的齿面。齿面距离由霍尔传感器进行记录。发动机控制系统将由此计算出：凸轮轴转速、凸轮轴速度、凸轮轴的确切位置。
    在两根进气和排气凸轮轴上各安装有一个调节过的VANOS调整装置。一个VANOS电磁阀用丁控制此VANOS调整装置。可根据发动机转速和负荷信号计算出需要的进气凸轮轴和排气凸轮轴位置（与进气温度和发动机温度有关）。DME控制单元相应地控制VANOS调整装置。进气和排气凸轮轴可在它们的最大调整范围内可变调节。在加上电压时，便可识别出该传感器是否处于一个齿的位置，还是处于一个缺口的位置。
    3．结构及内部连接
    测量方法是以一个霍尔集成电路为基础的。输出信号通过齿面显示低状态，通过空隙显示高状态。进气凸轮轴传感器根据曲轴传感器原理工作。但是凸轮轴传感器齿盘也会有根本性区别。通过一块专用遮挡模板，可在曲轴传感器失效后进行紧急运行。但是凸轮轴传感器信号的分辨率太不准确，因此无法在正常运行下更换曲轴传感器，如图9所示。

    4．信号曲线及标准值
    发动机控制器读入传感器信号并将信号与保存的样本进行比较。通过比较传感器信号和样本，可以识别出凸轮轴的正确位置或偏差，如图10所示。

排气凸轮轴传感器的额定值见表2。

    5．诊断提示—部件失灵
    在排气凸轮轴传感器失效时，预计将出现以下情况：在发动机控制单元记录故障代码以替代值紧急运行。
    对于排气凸轮轴传感器的诊断在以下条件下开始：数字式发动机电子伺控系统主继电器接通、发动机运行、发动机经过同步、未识别出发动机熄火、曲轴传感器发出的信号没有错误。

 

    四、进气和排气VANOS电磁执行器
    1．概述
    具有独立VANOS电磁阀的传统VANOS已从结构上进行了修改。采用VANOS电磁执行器和机械式VANOS中央阀门减少汽缸盖中的油道。可调式凸轮轴控制装置正时控制系统用于在低转速和中等转速范围内提高扭矩，同时为怠速和最大功率设置最合理的阀门配气相位。
    2．功能描述
    可调式凸轮轴控制装置改善低速和中等转速范围内的扭矩。通过较小的气门重叠可在怠速下产生数量较少的剩余气体。通过部分负荷区的内部废气再循环降低氮氧化物。此外还可达到下列效果：废气触媒转换器的加热更快、冷机启动后的有害物质的排放更少、降低燃油消耗。
    进气和排气VANOS电磁执行器如图11所示。

    VANOS中央阀门固定具有凸轮轴的VANOS调整装置。同时通过该VANOS中央阀门也可以控制流向VANOS调整装置的油流。VANOS电磁执行器移动VANOS中央阀门。此时，VANOS电磁执行器的活塞压在VANOS中央阀门的活塞上。
    3．结构及内部连接
    VANOS电磁阀门通过一个2芯插头连接进行连接，VANOS电磁执行器是一个电磁线圈。VANOS电磁执行器通过总线端15N供电，通过发动机控制系统进行控制，如图12所示。

    4．配气相位和标准值图表
   （1）怠速：在怠速时，凸轮轴被调节到只有很小的气门重叠，甚至是没有气门重叠。很少的剩余气量将使得燃烧更加稳定，怠速也因此稳定。达到最小的气门重叠时，伴随着的是很大的进气角度和排气角度，甚至到了最大。VANOS电磁执行器这时不通电。即使在关闭发动机的情况下，仍占据该凸轮轴位置。
   （2）功率：为了在高转速时达到良好的功率，排气门较晚打开。这样，燃烧延长到柱塞上。进气阀在上死点后打开，在下死点后较晚关闭。流入空气的动态再增压效果因此可以用于提高功率。
   （3）扭矩和功率：为了实现较高的扭矩，必须达到一个较高的汽缸进气度。根据气门升程的相位，进气门或排气门必须提前或延迟打开或关闭。根据进气管长度，不带可变凸轮轴正时控制系统（VANOS）的发动机具有准确的最佳汽缸进气转速。带VANOS的发动机可以在宽的转速范围内用优化的汽缸进气来描述。原因：既可以避免新鲜气体被推回进气管，又可以避免剩余气体回流到汽缸。涡轮增压时扭矩升高涡轮发动机转速较低时，在增压区域扫气压力差为正，气门重叠角较大，因此可以充分扫气并获得明显更大的扭矩。
   （4）效果：流经发动机的空气比用于燃烧所需要的更多，这样压缩机就不会处于喘振限上。第二个效果：汽缸中几乎不再有剩余气体。部分负荷时的内部废气再循环与扭矩和功率最优化的VANOS位置不同，在调整进气和排气凸轮轴时也可能会造成很高的废气再循环量。对于内部废气再循环量起决定作用的是：气门重叠大小以及排气歧管和进气管之间的压力差。内部废气再循环有下列特性：反应时间比外部废气再循环更快（使用内部废气再循环时在进气集气箱中没有剩余气体）；废气热量快速回流到汽缸中（附加的热量在发动机冷状态时有助于达到更佳的混合气制备效果并由此减少碳氢化合物排放）；减小燃烧最高温度并因此减小氮氧化物排放量。
    配气相位如图13所示。

    VANOS电磁执行器的标准值见表3。

    5．诊断提示—部件失灵
    VANOS电磁执行器失灵时会出现下面的情况：在发动机控制单元记录故障代码、紧急运行。
 

来源:网络