自制课件-宝马可变配气相位
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可变配气相位
可变配气相位发动机的转速变化范围较大固定的配气相位和气门升程不能将发动机的性能发挥到最佳。
这就要求发动机具有可变配气机构，而各种的可变气门技术原理是一致的无非是气门正时可变或气门升程可变两种。
各自的特点无非就是实现的机构不同有的是机械式的、有的是液压式、有的是电子式的辅以液压类构件。
可变配气相位气门驱动可变正时气门是通过使凸轮轴和曲轴相位改变一个角度来实现的，各种正时气门机构的主要差异在于实现凸轮轴调相的方式不同。
（1）液压驱动方式发动机曲轴正时齿正时齿轮之间采用齿形带轮与凸轮轴传动，机构需要用张紧轮张紧，在张紧轮基础上，外加一个调整惰轮。
通过调整惰轮，可以改变`齿形带两端的长度。
当一边变长而另一边变短时，会使凸轮轴相对曲轴发生角位移，实现配气相位的改变。
该机构的优点是结构较为简单，对原发动机的改动小。
目前国内外已有个别发动机配气机构采用了液压张紧器，如德国奥迪和大众公司已将液压张紧器可变配气相位机构用于其实际产品中。
（2）电子驱动方式另外一种典型的凸轮轴调相机构是通过谐波传动实现。
谐波传动调相机构主要有刚轮、柔轮和波发生器3个构件，柔轮是易变形的薄壁外齿圈，刚轮是刚性内齿轮，波发生器由椭圆盘和柔性轴承组成。
3个构件中任何一,个都可作为主动件，其余两个一个为固定件，一个为从动件；亦可以任意两个为主动件，其余一个从动。
它通过使波发生器转动，使柔轮及凸轮轴相对于刚轮及正时皮带轮转过一定角度，而达到调相的目的。
Nelson／Elrod和清华大学都进行过这种凸轮轴调相机构的研究。
可变升程气门驱动为一种通过改变摇臂比而可变气门驱动机构示意图。
这种机构通过改变摇臂绞接点的位置来改变摇臂比，仅可改变气门升程，而不能改变气门正时和开启持续期。
本机构的优点是结构简单，缺点是气门正时未得到优化。
变配气相位和升程气门驱动配气相位可变气门驱动机构能提高中低速转矩，改善低速稳定性，但由于最大气门升程仍保持不变，所以燃油经济性的改善很小。
第6节发动机可变配气相位技术
三、可变配气相位的工作原理
发动机的配气相位机构负责向 气缸提供汽油燃烧做功所必 须的新鲜空气，并将燃烧后 的废气排出，这一套动作可 以看做是人体吸气和呼气的 过程。从工作原理上讲，配 气相位机构的主要功能是按 照一定的时限来开启和关闭 各气缸的进、排气门，从而 实现发动机气缸换气补给的 整个过程。
（2）BMW的Valvetronic系统工作原理
BMW的Valvetronic技术已经覆盖了旗下的多款发动机，包括目前 陆续推出的涡轮增压新动力。该技术能够让发动机对驾驶者的意图 做出更迅捷的反馈，同时通过发动机管理系统对气门升程的精确控 制，实现了车辆在各种工况和负荷下的最佳动力匹配。
（3）BMW的Double-VANOS系统工作原理
(4)奥迪的AVS系统工作原理
两个进气门无论是在普通凸轮还是高角度凸轮下的相位和升程是有差别的，也就 是说两个进气门开启和关闭的时间以及升程并不相同。这种不对称的进气设 计是为了让空气在流经两个进气门后，同时配合特殊造型的燃烧室和活塞头， 可以令混合气在气缸内实现翻转和紊流，进一步优化混合气的状态。 奥迪AVS可变气门升程系统在发动机700至4000转之间工作，当发动机处于中 间转速区域进行定速巡航时，AVS系统可以为车辆提供很好的节油效果。
二、可变配气相位的研究状况
Benz公司的500SL型车用V8发动机采用了可变气门正时，使用凸轮轴 两点调相法来改变气门正时。在进气门关闭角提前调整的工况，发动 机4000r/min全负荷工况下，转矩平均增加15~30Nm，提高了 5%~8%，在进气门关闭角之后调整时，标定功率增加15kW，提 高了约7%。 本田公司在1989年第一批装用VTEC（Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System）的1.6L发动机，其最大 输出功率从原88kW增加到118kW，而且可以达到8000r/min的 超高速。本田三段式VTEC式发动机，能在低、中、高3种不同的方 式工作，这种三段式机构使发动机油耗在与VTEC-E相同的情况下， 功率提高了40%，最大功率96kW（64kW/L）。
气门间隙调整和可变配气相位PPT课件
传统的配气相位机构上增加 了一根偏心轴，一个步进电机和中间 推杆等部件，该系统借由步进电机的 旋转，再在一系列机械传动后很巧妙 的改变了进气门升程的大小
当凸轮轴运转时，凸轮会驱动 中间推杆和摇臂来完成气门的开启和 关闭。当电机工作时，蜗轮蜗杆机构 会首先驱动偏心轴发生旋转，然后中 间推杆和摇臂会产生联动，偏心轴旋 转的角度不同，最终凸轮轴通过中间 推杆和摇臂顶动气门产生的升程也会 不同。
触面（或凸轮）之间的间隙。
第1页/共58页
2、气门间隙的作用
• 给气门杆受热留有膨胀伸长的余地，保证气门的密封。
第2页/共58页
3、气门间隙的大小
• 由厂家根据试验确定，进气门间隙一般为 0.25~0.3mm；排气门间隙一般为0.3~0.35mm。
• 气门间隙过小→气门关闭不严而漏气→发动机功率下降， 烧坏气门。
提前腔
VTC作动器
叶片
VTC机油控制电磁阀
发动机负荷
②
发动机转速
第32页/共58页
ECU
Vvt-i(提前⇔延迟)
延迟腔
VTC作动器
叶片
VTC机油控制电磁阀
发动机负荷
③
发动机转速
第33页/共58页
发动机停止时
壳体 叶片
第34页/共58页
发动机工作时
第35页/共58页
油压力
二、BMW的Valvetronic系统工作原理
第12页/共58页
6缸发动机的两次调整法（1-5-3-6-2-4）
第13页/共58页
4、找第1缸压缩上止点的方法
• （1）观察第1缸进、排气门的动作，对正缸1缸 上止点记号。
• （2）在第1缸火花塞孔中或喷油器孔中塞棉球 或用手指堵住火花塞孔或喷油器孔，对正1缸上 止点记号。
当凸轮轴运转时，凸轮会驱动 中间推杆和摇臂来完成气门的开启和 关闭。当电机工作时，蜗轮蜗杆机构 会首先驱动偏心轴发生旋转，然后中 间推杆和摇臂会产生联动，偏心轴旋 转的角度不同，最终凸轮轴通过中间 推杆和摇臂顶动气门产生的升程也会 不同。
触面（或凸轮）之间的间隙。
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2、气门间隙的作用
• 给气门杆受热留有膨胀伸长的余地，保证气门的密封。
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3、气门间隙的大小
• 由厂家根据试验确定，进气门间隙一般为 0.25~0.3mm；排气门间隙一般为0.3~0.35mm。
• 气门间隙过小→气门关闭不严而漏气→发动机功率下降， 烧坏气门。
提前腔
VTC作动器
叶片
VTC机油控制电磁阀
发动机负荷
②
发动机转速
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ECU
Vvt-i(提前⇔延迟)
延迟腔
VTC作动器
叶片
VTC机油控制电磁阀
发动机负荷
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发动机转速
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发动机停止时
壳体 叶片
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发动机工作时
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油压力
二、BMW的Valvetronic系统工作原理
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6缸发动机的两次调整法（1-5-3-6-2-4）
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4、找第1缸压缩上止点的方法
• （1）观察第1缸进、排气门的动作，对正缸1缸 上止点记号。
• （2）在第1缸火花塞孔中或喷油器孔中塞棉球 或用手指堵住火花塞孔或喷油器孔，对正1缸上 止点记号。
BMW可变配气系统
Valvetronic工作原理
Valvetronic的优越性
• 提高进气效率和燃油经济性：传统进气系统中喷油量主要 有节气门开度决定，也就是说当节气阀打得愈开时，流入 燃烧室的空气也就愈多。在较轻的节气门时，节气阀部分 甚至接近关闭。在活塞仍在运转时，部分的空气进入进气 歧管，这时在燃烧室与节气门之间的进气歧管存在部分的 真空，吸力与泵浦抵抗的活塞，浪费能量，工程师将这个 现象称为“泵浦流失”（Pumping loss），当怠速运转， 节气门只开启一部分，因此有更多的能量损失（此部分能 量高达7%，可以使发动机燃油经济性提高10%）。由于 没有了节气门的阻碍，新鲜空气进入也更为顺畅，使燃烧 更加充分，废气排放更少。这种进气门升程功能可以控制 吸入发动机的空气量，将功率损失保持在极低的水平。 Valvetronic技术的引用大大提高了进气效率和燃油经济性。
• 可变配气机构优点：根据发动机的不同转速工况，对发动 机的进排气门实现开闭和不同行程的气门升程，使发动机 在任何工况下都能够有最优的配气过程、使发动机在任何 工况下满足动力和燃油经济性的要求。 • 可变气门正时和升程技术就是为了让发动机在各种负荷和 转速下自由调整“呼吸”，从而提升动力表现，提高燃烧 效率。
传统动力车型以及高性能 M系列高性能改进至今valvetronic已经发展至第三代， 连续十年获得世界十佳发动机大奖。近年来并配合涡轮增 压和缸内直喷技术衍生出了一系列带有DoubleVANOS/Valvetronic技术的更加高效更加清洁的发动机以 满足各类车辆的需求。
传统配气机构的缺点
• 传统配气机构的缺点：对于没有可变气门正时技术的普通 发动机而言，进、排气们开闭的时间都是固定的，但是这 种固定不变的气门正时却很难顾及到发动机在不同转速和 工况时的需要。前面说过发动机进、排气的过程犹如人体 的呼吸，不过固定不变的“呼吸”节奏却阻碍了发动机效 率的提升。
【宝马BMW】3-VANOS
特性曲线主要考虑以下参数：
• 发动机转速
负荷
• 节气门位置（负荷要求）
• 冷却液温度。
DME
凸轮轴 位置
VANOS 电磁阀
电气控制 VANOS系统电气控制
– 发动机停机时
进气凸轮轴—“延迟”位置 排气凸轮轴—“提前”位置
– 应急运行模式时，电磁阀不通电
进气凸轮轴处于“延迟”位置，排气凸轮轴处于“提前”位置。
索引 1 2 3 4 5 6 7 8
说明 锁盖 锁销 锁止弹簧 管状部件 机油通道 锁盖 机油通道 VANOS中央阀
N20 VANOS单元
VANOS系统 摆动转子式VANOS单元
N20 进气VANOS 中央阀
索引 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
说明 过滤器 钢球 弹簧 活塞 套管 壳体 活塞上的开口 从主机油通道供给机油 连接VANOS内机油通道的开孔（提前调节） 连接VANOS内机油通道的开孔(延迟调节)
Aftersales Training VANOS
概述 汽油发动机配气相位图
A 进气 B 压缩 C 作功 D 排气 1 上止点（TDC） 2 下止点（BDC） 3 进气门打开 4 进气门关闭 5 点火时刻 6 排气门打开 7 排气门关闭 8 气门重叠
概述 VANOS系统主要功能
➢ 提高功率
➢ 提高扭矩
➢ 内部废气再循环
➢ 减少排放量
➢ 降低耗油量
概述 VANOS在BMW汽车上的应用
➢黑/白进气VANOS（M50TU/M52）
➢无级进气VANOS（M62TU） ➢无级双VANOS（M52TU/M54 N40，N42，N45，N46，N52
N20, N55,N62，N62TU，N73） ➢无级高压进气 VANOS（S50，S50TU） ➢无级高压双 VANOS（S50B32，S52，S54，S62，S85)
配气相位及可变气门正时控制系统
情景二 可变气门正时控制系统
四、可变气门正时及升程控制系统 发动机可变气门正时技术（VVT， Variable Valve Timing）是近些
年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中的一种，发动机采用可变气门 正时技术可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率可 以得到进一步的提高。
可变气门正时技术调整了发动机的进气和排气时间，但是并没有改 变进气通道的大小。就像是人体跑步时，没有大口大口的呼吸，而是通 过延长鼻子吸气的时间增加吸氧量。为了让发动机更顺畅的呼吸，可以 增大进气通道的技术——可变气门升程控制系统应运而生。
当发动机处于低负荷时，电磁驱动器使凸轮轴向左移动，切换到低角度凸轮， 以减少气门的升程。
情景二 可变气门正时控制系统
宝马可变气门升程系统
宝马可变气门升程系统，主要是通过在 其配气机构上增加偏心轴、伺服电机和中间 推杆等部件来改变气门升程。当电动机工作 时，蜗轮蜗杆机构会驱动偏心轴发生旋转， 再通过中间推杆和摇臂推动气门。从而实现 对气门升程的控制。（图中红色为高速区域）
配气相位是指进、排气 门的实际开闭时刻，通常用 相对于曲轴上下止点曲拐位 置的曲轴转角来表示。
情景二 可变气门正时控制系统
2、配气相位对发动机性能的影响 在进、排气门开、闭的四个阶段中，进气门迟闭角和进、排气门重
叠角对充气效率均有较大的影响。
1）进气门迟闭角 设置进气门迟闭角的目的是利用进气气
流的过后充气现象来增加气缸循环充量。此 外，合适的进气门迟闭角还能获得良好的燃 烧室扫气，降低高温零部件的热负荷，使发 动机运行可靠。
三、可变进气相位结构与工作原理 1、可变进气相位控制系统的结构
目前发动机上采用了双顶置凸轮轴相位可变（气门正时可变）的配气机 构（VVT 系统）。发动机每列气缸的汽缸盖上，排气凸轮轴安装在外侧，进 气凸轮轴安装在内侧。曲轴通过齿形皮带驱动排气凸轮轴，排气凸轮轴通过 链条驱动进气凸轮轴。其中的排气凸轮轴由发动机曲轴通过传动皮带直接驱 动，其相位不可改变。排气凸轮轴通过凸轮轴调整器（包括链条和链条张紧 器）驱动进气凸轮轴，当链条张紧器的高度变化时，进气凸轮轴的相位随之 变化，也就改变了进气门的气门正时。
可变配气相位课件
02
03
减少排放
优化后的进气、排气过程有助于 减少燃烧不完全产物的生成，降 低尾气排放。
04
02
可变配气相位的类型
连续可变配气相位
定义
连续可变配气相位是指发动机在 运转过程中，进、排气门的开启 和关闭时刻可以连续地调整，以 适应不同转速和负荷下的需求。
实现方式
通过配备可变气门正时机构或连 续可变气门升程机构来实现。
04
可变配气相位的控制技术
传感器技术
01
02
03
凸轮轴位置传感器
用于检测凸轮轴的位置和 转速，向控制单元提供准 确的数据，是实现可变配 气相位控制的基础。
气门位置传感器
检测气门的开闭状态，确 保气门在正确的时机进行 开启和关闭，保证发动机 的运行效率和性能。
温度传感器
监测发动机温度，根据不 同温度调整配气相位，以 适应不同运行条件下的最 佳性能。
THANKS
控制单元技术
微处理器技术
采用高性能微处理器，对传感器数据进行快速、准确的处理，确 保控制系统实时响应。
控制策略
根据发动机运行工况、负荷、转速等因素，制定合适的控制策略， 调整配气相位以达到最佳性能。
故障诊断与容错技术
实现对控制系统故障诊断，并在出现故障时启动容错机制，确保发 动机在故障状态下仍能安全运行。
保养三
检查控制系统。定期检查控制系统 的电路和芯片，确保系统工作正常， 及时修复或更换故障部件。
维修案例分享
案例一
传感器故障导致配气相位不准。一辆汽车出现动力不足、油耗增加的症状，经检 查发现是氧传感器故障导致的配气相位不准。更换氧传感器后，故障排除，汽车 恢复正常。
案例二
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升程的连续无极调整
电动马达 中间杠杆 凸轮推杆
止动弹簧
偏心轴 凸轮轴
偏心轴
偏心轴
最小升程
最大升程
偏心轴由一个12v的伺服电机驱动。 伺服电机的蜗杆嵌入安装在偏心轴上的蜗轮，通过蜗杆传动 位置处时气门行程（9.9 mm）到在怠速位置处时气门行程 （0.18 mm ）偏心轴在此过程中扭转 170°整个运行过程 只需要0.3s 伺服电机该电机由 DME 通过一个独立的电子气门控制单元 控制，DME根据车辆的运行工况对电机实行适时控制 DME
可变进气系统
主讲人：陈明
可变进气岐管
可变进气系统
可变配气正时
可变气门升程
VALVETRONIC
全变量气 门升程控 制
可变配气 正时控制
全变量气门升程控制装置只安装在进气侧，它借助于一个电动马达，偏 心轴，凸轮轴，止动弹黄，凸轮推杆和一个中间杠杆实现。工作时中间 杠杆的止动弹黄压中间杠杆在偏心轴凸轮轴和凸轮推杆上，通过偏心轴 转动来调节中间杠杆改凸轮轴与凸轮推杆之间的传动比，从而实现气门
凸轮推杆和中间杠杆为精密偶件配合只能成 套更换，在拆卸维修时一定要成对摆放并要 做好标记，以免发生混装或错装
在偏心轴的顶端有一个位置传感器，它 将偏心轴的精确位置信号传递给ECU。 ECU通过这个信号可以计算出当前气门 的升程，从而对气门实行监控和调节
1 磁轮 2 非磁性固定螺栓 3 偏心轴传感器
优点
左侧不带 Valvetronic，右侧带 Valvetronic
盈 余 损失
盈 余
损失
名称为“盈余”的上部区域就是燃油燃烧时获得的功率。名称为“损 失”的下部区域是气缸换气功。为了使燃烧后的废气从气缸中排出并 将新鲜空气吸入气缸内，这是必须消耗的能量。 在 Valvetronic 发动机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实现。与通过节气门控制负荷的普通发动机相 比，其进气装置内不产生真空，就是说不需要为产生真空而消耗能量。 通过降低进气过程中的功率损失可提高效率。
采用全可变气门机构的免节气负荷控制在 降低耗油量的潜力方面接近采用直接喷射 的汽油发动机。 但是没有直接喷射在排气性能方面的缺 点。
注意：该系统的换气优势将随着负荷的增大 而不断的降低 。