宝马可变气门正时控制机构VANOS系统研究

毕业设计论文 毕 业 设 计（论文）（_届）设计（论文）题目 宝马可变气门正时控制机构VANOS系统研究班 级 汽修 宝马可变气门正时控制机构VANOS系统研究摘要：汽油机可变气门技术作为一种性价比相当高的技术方案，得到了广泛的应用。特别是近几年由于油价的攀升和日趋严格的环保法规，加之技术的相对成熟和成本的降低，该技术在一些高档车上也开始采用。本论文针对采用现代轿车用汽油机最新技术-完全可变气门驱动机构VVA的宝马新款系列发动机进行结构、原理方面的技术分析，从而给出宝马新款系列发动机新技术特点的综合分析报告。主要研究内容包括：以完全可变气门技术为主要研究对象，对宝马完全可变气门技术的结构和工作原理进行分析，从而进一步的了解可变气门技术；其次，对宝马新款发动机上的其他新技术，如几何截面控制的DISA可变进气系统，汽油缸内直接喷射技术和混合气形成与燃烧的双模式控制策略，汽油机最新的排气后处理技术-NOx存储式催化转换装置的工作原理，汽油机EGR控制技术的工作原理，润滑系统和冷却系统采用的新技术等等，进行研究分析。此外，宝马新款系列发动机新技术还包括机体组件新材料、新工艺的应用。本文通过对宝马新款发动机的完全可变气门技术和发动机上其他新技术的研究分析，对这些技术的结构和工作原理充分的了解，进而了解未来发动机技术的发展趋势，了解发动机技术的研究方向。关键词： 发动机 可变气门技术 新技术Abstract:Recently gasoline engine adopting the variable valve timing mechanism as a effective technology has been a wide range of applications。 In particular， due to rising oil prices and increasingly stringent environmental regulations， coupled with relatively mature technologies and lower costs， the technology in a number of high-end vehicles have begun to be adopted。In this paper， aiming at modern cars with the latest technology in gasoline engine，Carrying on a technical analysis which is the structure and principle of the new series of BMW adopting the variable valve timing mechanism ，thus receive the comprehensive analysis of the report of the new BMW series engines technical characteristics。 The main research contents includes: take completely variable air valve technique as a main research object， carry on analysis to the structure and the work principle of BWM adopting the variable valve timing mechanism， further understanding of variable valve timing technology。 Secondly， conducting research and analysis to the other new technologies on the new BMW-engine ，such as DISA-controlled variable intake system， cylinder gasoline direct injection technology and the mixture formation and combustion of the dual-mode control strategy， the latest gasoline engine exhaust after-treatment technology-NOx storage-type catalytic converter of the working principle， gasoline engine EGR control the technology works ，the new technologies on lubrication system and cooling system ， etc。 In addition， the new BMW series of new technology engines， including the body components also new materials， new technology applications。Based on the new BMW- engine adopting the variable valve timing mechanism and other new technology research and analysis， the structure of these technologies and working principle of full understanding， then understand future the motor technical development trend， understanding motor technical research direction。Key words: engine variable valve timing technology new technology目录第一章 绪论41.1课题的提出和研究意义41.2国内外可变气门配气机构的现状和发展趋势51.2.1 可变配气机构分类51.2.2 可变气门技术的发展现状61.2.3 BMW发动机可变气门技术的发展过程61.3本论文的研究目的和工作内容8第二章 对可变气门宝马发动机新技术分析92.1全可变气门升程机构 Valvetronic II的工作原理92.2可变气门正时控制机构VANOS的工作原理112.3 全可变气门机构电子控制系统122.4 本章小结13参考文献14致谢15第一章 绪论1.1课题的提出和研究意义能源与环境问题是目前汽车工业所面临的两个问题。现代高科技的发展已将汽车发动机的节能、减排、低排放作为“节能-高效-环保”一体化课题进行综合研究和技术开发。为了同时提高汽油机的燃油经济性和动力性，满足越来越严格的排放法规要求，世界各大公司竟相采用新技术装备其生产的轿车。另一方面，随着生活水平的提高和产品的升级以及技术的发展，人们对汽车的动力性、舒适性的要求却在不断的提高。要求在满足公益目标的前提下，以低的成本获得快捷的交通便利，享受到驾驶乐趣。因此，二十一世纪符合市场需求的应当是节能、环保、高性能的汽车。针对这种现状，发动机可变气门技术作为一种性价比相当高的技术方案，近年来在对发动机的高效率化、降低油耗、提高性能和降低尾气排放的要求越来越高的情况下，作为手段之一的可变配气机构正逐步商业化。众所周知，传统发动机配气机构的气门运行参数（气门开启相位、气门开启持续角度和气门升程）是固定不变的，参数的确定取决于设计的工况点。因此，传统发动机，往往将气门正时设计成高速全负荷工况最为有利，以便求得最大的标定功率。近年来由于更注重油耗和排放，就必须考虑小负荷的工况，因为小负荷的工况对排放的影响最大。这样，这两个工况范围对气门运行参数的要求甚至是矛盾的，因此需要综合发动机的全部工况，采取一种折衷的处理方式来确定这些参数，长期以来，这些这衷可能被认为是可靠的，可行的，但是，随着“高效、低能耗、低排放”的要求不但提高，这种折衷明显不是长久之计，进而要求气门运行参数随发动机工况的改变而变化，从而在全工况范围内优化充量的更换。为了满足发动机全工况的要求，就需要设计可变的配气相位。可变气门技术就改变了传统发动机中配气相位固定不变的状态，在发动机运转工况范围内提供最佳的配气正时，较好地解决了高转速和低转速、大负荷和小负荷下动力性与经济性的矛盾，同时在一定程度上改善了废气排放。更一步的说，可变气门技术可以用来减小发动机泵气损失、加快进气速度、改善混合气质量、提高进气效率、最终改善发动机的燃烧过程，使动力性、经济性、排放性以及响应性能得到综合提高。对于汽油机而言，应用可变气门技术有以下几个优点：1. 提高发动机的动力性：低速时，提前关闭进气门减少进气回流;高速时，推迟关闭进气门，充分利用气流的惯性过后充气，提高充气效率。2. 改善部分负荷的燃油经济性：众所周知，部分负荷时汽油机燃油经济性低于柴油机的一个重要原因是节气门带来的泵吸损失。通过可变气门技术，在部分负荷时利用进气门早关，减少压缩始点缸内混合气的量，即可实现无节气门的负荷控制方式，减少泵吸损失，提高了燃油经济性。另外，也可以通过气门的升程来控制负荷。在小负荷时，利用较小的气门升程，控制进入缸内的混合气的量，同样可以实现无节气门的负荷控制方式。而且，由于气门升程较小，流过气门的气流速度较快，改善了燃油与空气的混合，进而可以改善燃烧过程。3. 改善怠速的稳定性和低速时的平稳性：怠速时，通过可变气门定时，减小气门重叠角，进而减小充量更换过程中进排气的相互影响，提高怠速和低速的稳定性，并可以降低怠速转速。4. 降低排放：利用可变气门技术，控制缸内EGR量，可以有效降低排放，特别是NOX的排放。1.2国内外可变气门配气机构的现状和发展趋势1.2.1 可变配气机构分类根据内燃机理论上对配气机构的要求，目前成为主流的可变配气机构按功能上可分为两大类：可变气门正时(Variable Valve Timing，VVT)，即气门开启与关闭时刻可变。（见图1.1）其原理是低速时，提前关闭进气门减少进气回流;高速时，推迟关闭进气门，充分利用气流的惯性过后充气，提高充气效率。最早是1983年由阿尔法罗密欧公司开始批量生产，现在已逐渐成为主流。可变气门升程(Variable Valve Lift，VVL)，即改变气门开启的最大升程。（见图1.2）其原理是在小负荷时，利用较小的气门升程，控制进入缸内的混合气的量，同样可以实现无节气门的负荷控制方式。而且，由于气门升程较小，流过气门的气流速度较快，改善了燃油与空气的混合，进而可以改善燃烧过程。这种机构1992年首次在本田的VTEC发动机上实现。另外，在这两大类的基础上，将和同时应用于汽油机（见图1.3）在一些高档车上应用逐渐多起来。 图1.1 配气相位可变 图1.2 气门开启角、气门升程可变 图1.3 配气相位可变+气门开启角、气门升程可变1.2.2 可变气门技术的发展现状与燃油控制技术相比，配气机构控制技术早期的研究进展比较缓慢，主要成果是在1985年以后取得的。20世纪90年代，国外对可变气门技术的研究成为热点，开发出了一系列基于凸轮轴的可变气门机构，并且应用于车用发动机，其中可变凸轮轴相位机构应用最广。2O世纪9O年代中后期，开始研究无凸轮气门机构。其中，FEV、Aura、BMW、Ford 等分别展开了电磁阀驱动式气门机构的研究；Ford、Lotus、Bosch 等分别展开了电液驱动式气门机构的研究。但是目前无凸轮的气门机构还处于研究阶段，未见到其大量应用于车用发动机的研究报道。我国从20世纪90年代逐步开始进行可变气门技术的研究。在90年代中期开发出了一种用谐波传动实现可变凸轮相位的机构，可实现小级差的多级调相。2000年后，吉林大学、上海交通大学与长春汽车研究所等设计了一种液压张紧器式可变配气相位机构，可将气门正时在小范围内变化(进气门：提前15CA，滞后13CA)；清华大学开展了电磁阀驱动式气门机构的研究；浙江大学对电磁阀驱动式气门机构进行了模型仿真研究。但与国外相比，可变气门技术只是局限于试验室研究，还没有形成具有自主知识产权、可以广泛应用于车用发动机的可变气门机构。1.2.3 BMW发动机可变气门技术的发展过程目前，大多数发动机还停留在可变气门正时的阶段。这项技术在10年前就已被采用，并不是什么新技术。这项技术在欧系车上称为“VVT”。 宝马在很早以前就发明了可连续改变进气和排气正时的双VANOS系统。现在就来谈下BWM发动机可变气门技术的发展过程。第一代：第一代调节系统的凸轮轴只能保持在两个相位(工况)上，称为两点式调节装置（图1.4）。第一代VANOS的机械结构，它是由调节柱塞、链轮轮毅和凸轮轴上的齿组成， 使凸轮轴相对于曲轴转过一个角度的调节，柱塞内外表面上的齿都是斜齿， 而且倾斜方向相反。所以， 在调节柱塞行程相同的情况下， 凸轮轴的转角可以更大一些。第一代VANOS系统最早用在宝马公司排量为2.0L和2.5L的四气门直列六缸汽油机上，对充量交换过程进行了深入细致的试验研究之后， 确定了这两种排量的发动机都采用25曲轴转角的调节范围。为了保持最大功率， 进气凸轮的开启持续时间选为228曲轴转角。第二代：第一代两点式调节装置系统只能将凸轮轴调节到两个终极位置。如果要使凸轮轴稳定地保持在中间位置上，也就是要实现无级调节，那么就要从第一代系统的调节柱塞的两端对调节柱塞施加机油压力，并利用液压比例阀改变调节柱塞两端的机油压力差，连续地控制调节柱塞的位置。这就成了第二代凸轮轴调节装置（图1.5），能够使发动机性能获得更大的改善。 第二代VANOS系统早年用于宝马公司3系列的2.0L、2.5L和2.8L排量的直列6缸汽油机。该机的进气凸轮轴和排气凸轮轴都采用了VANOS系统，所以称为双VANOS系统。双VANOS系统采用模块化结构， 由液压调节单元和调节传动部分组成。调节范围在进气侧为40 曲轴转角， 在排气侧为20曲轴转角。第三代：2000 年后出现的第三代VANOS系统跟第二代的最大区别在于调节装置从斜齿轴改成叶片式，是由德国Hydraulik-Ring公司按照摆转式原理设计的系统，称为VaneCAM(叶片型凸轮轴正时调节装置)（图1.6），调节范围在进气侧为70 曲轴转角，在排气侧为50曲轴转角。第三代VANOS系统其实是作为完全可变气门升程和正时的Valvetronic机械式控制系统的组成部分而出现的，Valvetronic系统保持凸轮的线型不变，通过改变凸轮轴与气门之间从动件的运动规律，可连续调节气门的最大升程。利用Valvetronic系统， 可实现汽油机无节气门的负荷调节， 降低了小节气门开度下的泵气损失，大幅度地提高了汽油机的燃油经济性。包括Valvetronic机构和双VANOS机构在内的宝马全可变气门控制系统最早应用在3系列的N42发动机上，并在新一代N系列发动机上得到了广泛的应用。 图1.4 第一代Vanos的机械结构 图1.5 第二代Vanos的机械结构图1.6 采用叶片式调节机构的第三代Vanos的机械结构1.3本论文的研究目的和工作内容本论文针对采用现代轿车用汽油机最新技术-完全可变气门驱动机构VVA的宝马新款系列发动机进行结构、原理方面的技术分析，从而给出宝马新款系列发动机新技术特点的综合分析报告。主要研究内容包括：1. BWM发动机现代完全可变气门技术，包括连续可变气门升程的Vlalvetronic双凸轮轴机构和在一定角度范围内可连续调节配气相位的双VANOS叶片型凸轮轴正时调节装置。2. 高、中、低三段发动机转速范围的可变进气歧管长度和几何截面控制的DISA可变进气系统。 3. 缸内高压汽油直接喷射技术。宝马第一代的缸内高压汽油直接喷射技术最早在 N73发动机上实现，但汽油是在缸内进气过程中直接喷射的，因此实现的是均匀混合气燃烧方式。由于燃油在进气过程中喷射雾化要吸收空气的气化潜热，因此降低了缸内空气温度，增加了缸内进气密度，大幅度增大了发动机输出功率。宝马最新的第二代缸内高压汽油直接喷射技术是指可在中小负荷工况下实现分层稀薄混合气燃烧控制而大负荷工况仍使用均匀混合气燃烧控制的燃油分层直接喷射技术，由于采用了压电式喷油嘴，可以实现分段喷射。4. 汽油机最新的排气后处理技术氮氧化物存储式催化转化器，这是分层稀薄混合气燃烧控制模式必须采用的排气后处理装置，对燃油中硫的成分敏感。正因为如此，宝马发动机基本上采用均匀混合气燃烧方式的缸内高压汽油直接喷射技术，因为可以采用传统技术成熟、对燃油中硫成分不敏感的三元催化转换装置。5. 可控制流量的润滑系统。为了保证VANOS凸轮轴相位调节器的准确运行，机油泵的机油输送必须比它的原型发动机大一些。如果采用如同迄今为止常用的在大多数工况下并非必要的机油并且放任自流地运行而不加控制的话将会使机油泵的驱动功率提高，机油温度升高而且机油中会产生许多泡沫。新开发的体积流量可变的摇摆滑阀式机油泵可以根据发动机机油压力改变滑阀的偏心度， 进而改变输送腔容积，最终改变实际的机油吸入量。此外宝马高转速的发动机要求VANOS调节装置高的响应速度，原来由润滑系统机油泵提供压力推动的系统在响应速度方面就显得捉襟见肘了。因此， 要求将液压系统的油压从原先的发动机机油压力提高到115bar，要求配备高压机油泵。6. 带电动冷却液泵的冷却系统，使冷却液输送量与发动机转速脱离了关系，实现冷却液流量按需调节，即使在高负荷低转速时也能得到很高的冷却功率。7. 宝马新型直列式6缸汽油机采用了全世界首创的镁铝合金组合曲轴箱，大幅度地降低了发动机重量，还包括其它新材料、新工艺的应用。总之，通过本论文的研究对这些技术的结构和工作原理充分的了解，进而了解未来发动机技术的发展趋势，了解发动机技术的研究方向。第二章 对可变气门宝马发动机新技术分析作为全球品牌轿车生产厂家BMW 公司，在新一代N系列发动机中，安装了全变量气门控制系统，使汽车油耗可以降低10%，功率增加20% ，废气排放性能得到极大改善。宝马N系列发动机免除传统的节气门的功能，实现气门特性的参数全部可以变化。电子控制机械式全可变进气门升程控制机构Valvetronic加上灵活的双可变凸轮轴控制机构D - VANOS，便构成了全可变电子气门控制系统。Valvetronic机构通过无级地调节进气门的升程，同时配合D - VANOS机构，连续地改变进、排气门的正时与持续期，可使进、排气门在最有利的重叠角范围内工作，使气缸的充气量保持在最佳状态。这样就可以不通过节气门进行量的调节，实现发动机的无节气负荷控制。如此可减少泵气损失，达到节能目的。2.1全可变气门升程机构 Valvetronic II的工作原理可变气门升程控制机构保持凸轮的线型不变，通过改变凸轮轴与气门之间从动件的运动规律，实现气门升程的改变。按照从动件的运动类型可以分为液压式和机械式。BMW 发动机机械式全可变气门升程机构Valvetronic的结构如图2.1所示，该机构在进气凸轮轴和摇臂之间增加了中间摇杆，并且在缸盖上增加了一根偏心轴，在偏心轴上有与中间摇杆对应数目的偏心凸轮。中间摇杆通过其顶部的滚轮依靠在偏心凸轮上，其中部通过滚轮支撑在进气凸轮上，其足部的弧线工作区域与摇臂的滚轮接触(通过滚轮接触，可以减少摩擦) 。止动弹簧一端固定在缸盖上，另一端则固定在中间摇杆的足部，使得中间摇杆始终与偏心凸轮和进气凸轮接触，因此中间摇杆的运动由偏心凸轮和进气凸轮共同控制。气门液压挺柱将中间摇杆足部的弧线区域与摇臂滚轮的接触保持在零间隙。在偏心轴中部装有扇形齿轮，该齿轮与伺服马达的齿杆组成一对蜗杆蜗轮机构。伺服马达是步进电机，通过驱动扇形齿轮，使偏心轴可在0 - 170 CA范围内连续地转动。1、 伺服电机2、蜗杆轴3、回味弹簧4、槽板5、进气凸轮轴6、调节板7、进气HVA8、进气门9、排气门10、排气滚子式摇臂11、排气HVA12、进气滚子式气门摇臂13、中间推杆14、偏心轴15、涡轮16、排气凸轮轴图2.1Valvetronic机构当偏心轴不动时，中间摇杆的顶部滚轮支撑在偏心凸轮上，中部滚轮在进气凸轮的驱动下，使得中间摇杆围绕某个中心旋转，则中间摇杆足部的弧线区域的某一部分驱动随动摇臂的滚轮，完成进气门的开启与关闭。假如当进气凸轮轴固定不动时，中间摇臂支撑在进气凸轮上，偏心轴旋转一定的角度，则中间摇杆的足部跟摇臂的滚轮接触弧线工作区域发生变化。偏心轴旋转的角度不同，则中间摇杆的旋转中心发生变化，导致工作区域不同，气门的升程发生改变，如图3所示。如果偏心轴旋转角度越大，则中间摇杆旋转的幅度越大，进气门的升程也越大。当偏心轴旋转到初始位置0 CA时，进气凸轮转动到凸顶跟中间摇杆接触时，此时气门升程达到最小为0. 20 mm。当偏心轴旋转到极端位置170 CA时，进气凸轮转动到凸顶跟中间摇杆接触，此时气门升程达到最大为9. 90 mm。（图2.2）。因此，步进电机根据DME的信号，调节偏心轴的旋转角度，改变中间摇臂的旋转幅度，改变足部的弧线工作区域，进而改变进气门的升程，使其升程可在09. 9 mm之间连续变化。利用这样的传动机构，气门升程可以在300 ms以内从怠速调节到全负荷。怠速时， 八个进气门的气门升程至多相差5%，这就是说，在安装状态时气门传动机构的零部件所有公差的总和不得超过0. 02 mm。这种精度在今天的发动机制造行业中是不多见的。图2.2可变气门升程和定时62.2可变气门正时控制机构VANOS的工作原理VANOS在德文中的意思是“可变凸轮轴控制”，宝马公司早期的VANOS机构采用的是螺旋齿套式凸轮轴相位调节装置，现在则采用是按照摆转式原理设计的叶片式凸轮轴相位无级调节装置，如图2.3所示。转子通过螺栓与凸轮轴固定在一起，壳体通过链条与曲轴相连。停机时，定位销以无压力的方式嵌入凹口锁止槽中，保证每次启动时凸轮轴随壳体一起转动，以便凸轮轴有确定的初始相位。调节相位时，润滑油首先进入凹口槽中，将定位销压回壳体并释放转子。机油腔内充斥着由发动机润滑系统提供压力的机油，转子上的叶片将机油腔分为气门正时提前室和滞后室。通过改变凸轮轴机油控制阀阀芯位置，控制供油和泻油的方向，便可以改变转子叶片两个侧面上的机油压力，使凸轮轴相对于曲轴发生转动，则可在一定的曲轴转角范围内连续地调节凸轮轴的相位。凸轮轴机油控制阀是一个三位四通电磁阀，所谓三位，就是阀芯有三个位置(如图2.4所示) :左右两个位置分别对应两个相反的机油流动方向，通过油道与调节装置的转子叶片两侧相连;当阀芯在中间位置时，机油油路被封闭，则气门正时处于保持的位置。图2.3VANOS控制器结构11图2.4凸轮轴正时控制阀11DOUBLE - VANOS是双可变凸轮轴控制机构，一个VANOS控制器可以在相对曲轴转角0 70CA范围内连续调节进气凸轮轴的相位;另一个VANOS控制器则可以在相对曲轴转角050 CA范围内连续调节排气凸轮轴的相位。VANOS进气凸轮调整装置是可变电子气门系统的一个重要机构，VANOS机构决定着进气门的开启和关闭时间，并和可调气门升程机构一起控制进气量。另一方面， VANOS控制器还可以通过控制排气门的相位，从而对汽车的废气排放和扭矩施加重要的影响。譬如，在发动机低转速的时候，较早地关闭排气门意味着较多的剩余气体残留在气缸中，这些剩余气体和新吸入的可燃混合气完全混合，增加了缸内气体充量的比热容，降低了缸内最高燃气温度，从而产生很低的NOx废气排放。如果驾驶者从低速开始加速且需要最大的扭矩， VANOS控制器就会延迟排气门的关闭时间，剩余废气就会完全排出，由于发动机吸入的是新鲜的油气混合物，从而提高发动机的动力性。叶片式凸轮轴相位无级调节装置是目前国内外车用发动机应用最广泛的可变气门机构，例如Toyota的VVT - i， Honda的i - VTEC， Ford的VCT， Delphi的VCP等，只是叶片的结构与数量发生改变。2.3 全可变气门机构电子控制系统.发动机电子数字管理系统DME，根据加速踏板位置传感器和曲轴位置传感器的输入信号，首先计算出进、排气门的基本正时量和进气门的升程量;然后根据冷却液温度、空气流量以及进气温度等信号，对基本量进行修正;最后再按凸轮轴位置传感器和偏心轴位置传感器的信号进行反馈修正，确定最佳的正时量和升程量。由D - VANOS机构执行进、排气门正时的调节，而Valvetronic机构完成进气门升程的调节。值得注意的是，Valvetronic机构在改变进气门升程的同时，也改变了进气门的正时和持续期，必须由VANOS机构调节凸轮轴的相位。因此，气门的全可变是由