Tech Gear汽车诊断学院 戈华飞

如图1所示，传统发动机进排气门的打开和关闭由凸轮的凸缘形状决定，当凸轮处于基圆时，气门在气门弹簧的作用下处于关闭状态；当凸轮处于工作段时，气门挺杆沿着凸轮的外延移动，气门处于打开状态。

图1 传统发动机的气门驱动方式

所谓的可变气门正时（VVT），其实就是通过凸轮轴的旋转，使凸轮轴上的凸轮工作段的时间提前到达或滞后到达，但整体的工作时间不会改变。而为了实现可变气门升程（VVL），不同汽车厂家采用了不同的方法，如奥迪AVS系统（图2）和本田VTEC系统均使用了大小2个凸轮，保时捷Variocam系统（图3）在液压挺柱上做了机关，总之，这2种方法是改变了凸轮的工作段或直接更换了工作段，从而实现气门的开度变化，整体的工作时间也发生了改变。在各大汽车厂家中，有几家开发了独特的气门打开方式，如宝马的Valvetronic系统、英菲尼迪的VVEL系统、菲亚特的Multiair系统和观致的QamFree系统，后两者是彻底将气门用电磁阀来替代，而前两者还是使用机械机构来打开气门，实现的方式非常巧妙。本文将重点介绍宝马Valvetronic系统的工作原理，希望能让广大读者对该系统有全新的认识。。

图2 奥迪AVS系统

图3 保时捷Variocam系统

宝马Valvetronic系统其实是2套机构的合成，一个是气门正时控制机构（称为VANOS机构），另一个是气门升程控制机构。如图4所示，Valvetronic系统并不是通过凸轮的形状来打开气门，而是通过一个平移的部件来打开气门，这个部件叫做中间推杆。中间推杆的底部大部分是平整的，只在末端会有个翘起的部分。中间推杆上端固定，凸轮推动中间推杆中间部分，使中间推杆做圆弧运动（图5），因为位移很小，所以可以近似平移运动。随着中间推杆的平移，当中间推杆底部翘起部分作用到摇臂上时，摇臂被推动，气门被打开。

那气门升程是怎么控制的呢？首先，要对中间推杆进行分析。如图6所示，中间推杆底部的平整部分其实对气门打开没有任何作用，为非工作段，类似于凸轮的基圆。如图7所示，当凸轮轴旋转，凸轮的形状不改变，其凸轮的工作段是固定的，顶开中间推杆的距离是固定的，所以中间推杆所产生的位移距离是不变的。那想要在一定的距离内，让气门打开的大，可以通过改变中间推杆位移的初始位置来实现。

图4 宝马Valvetronic系统

图5 凸轮推动中间推杆做圆弧运动

图6 中间推杆底部的结构

图7 中间推杆所产生的位移距离不变

图8 气门升程的调节过程示意

如图8所示，中间推杆的上端连接了1个半圆齿轮，该齿轮的旋转能带动中间推杆进行偏转。这个半圆齿轮所在的机构称为偏心轴，控制这个偏心轴旋转的是一个电动机，称为偏心轴电动机。当偏心轴电动机工作，半圆齿轮旋转，可以使中间推杆有个预先的位移，所以中间推杆与摇臂接触的初始位置可以通过偏心轴电动机进行控制，从而可以控制中间推杆位移的起始点，使中间推杆底部的翘起工作部分作用的时间发生改变，以此改变气门打开持续的时间和升程。当中间推杆位移一定时，处于翘起段工作区的时间少，气门打开持续的时间短，气门的升程小；当中间推杆位移一定时，处于翘起段工作区的时间多，气门打开持续的时间长，气门的升程大；当气门升程控制断开（如断开偏心轴电动机导线连接器）时，气门以最大升程工作。气门升程的调节范围如图9所示。

那气门正时是怎么控制的呢？VANOS机构通过凸轮轴上的凸轮旋转来调整气门正时，原理与传统气门正时调节一致。当凸轮轴顺时针旋转，凸轮的工作段提前到达中间推杆轴承，气门提前打开；当凸轮轴逆时针旋转，凸轮的工作段滞后到达中间推杆轴承，气门滞后打开。气门正时的调节范围如图10所示。

图9 气门升程的调节范围

图10 气门正时的调节范围

了解Valvetronic系统调节气门升程和气门正时的工作原理之后，再来看看二者之间的组合控制。如图11可知，黄色区域为气门正时调节范围，蓝色区域为气门升程调节范围，当气门升程变小时，气门正时也会相应提前，以保证气门的打开时间一致。

测量并分析配备宝马 Valvetronic系统发动机的气缸压力波形，如图12所示，发动机正常怠速时，气门升程处于小升程，气门正时处于提前位置，这是为了确保气门小升程打开的点和气门大升程打开的点一致；如图13所示，当把气门正时控制断开，保留气门升程控制时，气门升程处于小升程，进气门正时处于初始位置，气缸压力变化的点发生变化；如图14所示，当把气门升程控制断开，保留气门正时控制，气门升程处于最大升程，气门正时还可以调节。

图11 Valvetronic系统的调节范围

图12 发动机正常怠速时的气缸压力波形（截屏）

图13 断开气门正时控制时的气缸压力波形（截屏）

图14 断开气门升程控制时的气缸压力波形（截屏）