动力总成工程师探秘宝马发动机 Valvetronic 系统

大家好，我是您身边的汽车专家天马行空，喜欢的点赞关注哦~

在汽油内燃机领域，气、油、点火是三大核心要素，所有汽油发动机的进化都会围绕着这三点展开。其中，进气方式和进气量又决定了性能和油耗的上限。因此各大整车厂各显神通，都在气门上做各种文章，诞生了液压可变气门、电动可变气门、可变气门时刻、可变气门升程等等技术。

上古时代，本田VTEC称雄，一鸣惊人。如今更是百花齐放，保时捷CPS，丰田VVTL-i，奥迪的AVS，奔驰的CAMTRONIC，通用的IVLC等等，几乎各大品牌都有着独门绝技，其机构应用，设计思路，工作原理都不相同，但是都实现了提高发动机热效率，提高性能扭矩，降低机械损失等设计目标。

今天我们聊一聊宝马引以为傲的Valvetronic技术，该技术也是宝马一代神技。从2001年发布以来，目前已经升级到第四代，N42为第一代Valvetronic（2001年~2004年），N46、N52、N62为第二代Valvetronic（2001年~2010年），N55、N20等为第三代Valvetronic（2010年~2015年），而B48、B58等新一代的发动机才用的是第四代Valvetronic（2015年~至今）。

本文技术难度较高，按需观看。

1 宝马为何要搞Valvetronic？

众所周知，传统发动机是通过节气门机构控制负荷，如果不使用涡轮的话，想要在该机构上大幅提高发动机功率很难，因为进气首先需要通过进气管，空滤，节气门，进气门，然后才能到燃烧室中，在这么多部件中，进气的泵气损失会很大。如下图所示，OT是燃烧室活塞上止点，UT是燃烧室活塞下止点，1-进气门打开，2-排气门关闭，3-进气门关闭，4-排气门打开，5-点火时刻，真正参与燃烧做工的是A段（发动机做工行程），泵气损失的能量是B（进气行程和压缩），如果能够降低进气行程的阻力和损失，那么发动机热效率就可以提高，性能也就能更强了。

图 普通四冲程发动机压力循环

因此这是宝马研究Valvetronic技术的初衷，Valvetronic技术称为电子气门技术，是具有全可变进气门升程控制功能的气门驱动系统，它替代了传统的节气门机构，发动机动力输出由全可变进气门升程控制。

如图所示，在发动机进气过程中让节气门保持一直开启，通过控制Valvetronic系统的进气门关闭时刻（图中点3）来控制进气流量，与传统通过节气门控制负荷的发动机相比，进气装置内不会出现真空状态，就是说不会在进气过程中产生负压而消耗能量，图中的B区域面积变小，损耗降低。

图 宝马Valvetronic系统四冲程发动机压力循环

宝马应用Valvetronic技术的发动机也是世界上第一台可以不需要节气门的发动机。

2 Valvetronic结构是什么样的？

在第一代和第二代产品中，发动机管理系统控制气门行程，但是其还有一个附加气门行程控制单元，这个控制单元主要控制伺服电机，从而调节偏心轴，为了获得理想的动态性能，需要很高的电流强度。伺服电机带有整流器的直流电机负责调节偏心轴，偏心轴上有传感器测量偏心轴转角，从而识别目前的角度。在第三代产品上把普通直流电机变为新型无刷三相直流电机，并且集成了偏心轴传感器，偏心轴传感器采用了霍尔传感器。第四代产品上最明显的特征式可以从外部看到伺服电机，且对性能参数有相应调整。比如气门调节范围由190° （N55）提高至253° （B58）；蜗杆传动机构传动比改为37:1;滑块更细更轻，仅需一个螺栓即可连接；回位弹簧不再采用螺栓连接，而是采用插接的方式紧固；取消了用于润滑蜗杆传动机构的机油喷嘴；伺服电机更小、更强劲。

图 Valvetronic电子气门结构

3 Valvetronic系统的原理？

伺服电机布置在凸轮轴上方，用于调节偏心轴。伺服电机的蜗杆嵌入安装在偏心轴上的蜗轮内。进行调节后无需特别锁止偏心轴，因为蜗杆传动机构具有足够的自锁能力。

图 通过伺服电机调整偏心轴，从而控制气门行程

偏心轴扭转可使固定架上的中间推杆朝进气凸轮轴方向移动。但由于中间推杆也靠在进气凸轮轴上，因此滚子式气门压杆相对中间推杆的位置会发生变化。中间推杆的斜台朝排气凸轮轴方向移动。凸轮轴旋转和凸轮向中间推杆移动使中间推杆上的斜台发挥作用，斜台推动滚子式气 门压杆，从而使进气门继续向下移动，进气门因此继续开启。中间推杆改变凸轮轴与滚子式气门压杆之间的传动比。

在全负荷位置时（如下图），气门行程和持续开启时间达到最大值，此时气门行程为9.9mm（第一代9.7mm）。在怠速位置时，气门行程和持续开启时间达到最小值，此时气门行程为0.2mm（第一代0.3mm）。从最大到最小行程相差38.8倍，而从最小开启深度变到最大开启深度所需要的反应时间只要0.3s。这套机构非常敏感。

图 最小气门升程和最大气门升程位置图

详细的Valvetronic系统进行控制调节的内容可以参照这个视频。

这套系统由发动机管理系统控制，主要控制气门行程的特性曲线，通过当前驾驶员加速踏板的负荷要求，根据气缸需要额定进气量，目前环境温度，发动机水温，机油温度等信号，换算为气门行程和气门正时，从而得到进气门的关闭时刻，驱动伺服电机。

图 Valvetronic 系统和VANOS能够实现的相位调节（第一代）

其中，为了实现最佳燃烧效果所需的残余气体量，也会对排气凸轮轴（排气VANOS）的相位进行调节，实现内部EGR循环，提高燃油经济性。

虽然 Valvetronic 系统可以通过进气门和偏心轴传感器精确控制进气量，但宝马从可靠性考虑，发动机仍然保留了节气门。节气门主要保证以下工况下的负压要求：燃油箱通风和曲轴箱通风，了确保燃油箱通风和曲轴箱通风正常，必须通过节气门调节至大约进气管低压，进气管内也保留一个压力传感器进行监控。

此外当遇到Valvetronic 系统故障时，会强行让Valvetronic 系统保持在最大气门行程，通过调整节气门大小也能够应急运行，不至于出现危险。

4 Valvetronic系统有什么优势？

进气门（气门行程和气门关闭时刻）通过Valvetronic系统来控制，从而使“进气门关闭”时燃烧室内达到理想的混合气。在进一步的膨胀和压缩过程几乎不会产生能量损耗，在中低负荷下能够降低油耗。在小负荷下，气门开启时刻非常短，气门间隙处的进气速度能够从50m/s提高至300m/s，从而极大的提高了滚流比，利于均质燃烧。由于进气速度非常高且气门间隙内的压差非常大，油滴尺寸减小，可以达到很好的混合气形成效果，并减小HC 和 NOx 排放。

除这些优势外，混合气形成过程也非常稳定，即使在最低温度下，也能用普通发动机一半燃油量进行冷起动。尤其在负荷较低时，效果非常明显，耗油量最多可减少20%。当然，这套系统随着负荷升高，节油潜力下降。在理论空燃比（λ=1）工况运行时，平均可节省燃油大约10%。

Valvetronic系统在中低负荷效果显著，高负荷效果下降全负荷时 Valvetronic 没有优势， 因为满负荷时多会达到最大气门行程，与传统发动机的进气门相同。

此外，与通过节气门进行控制不同，由于节气门全开，空气不必先进入进气歧管和进气管，而是通过Valvetronic 系统在没有任何延迟的情况下直接进入气缸，因此发动机响应性明显提高，加速性会凌驾于市面上的绝大多数发动机。

图 Valvetronic系统加速响应性提高明显

5 Valvetronic系统会不会出故障？

部分拥有老款宝马的土豪会遇到一个奇特的故障码，如下图所示。它是黄色的，表示车还能开，发动机处于一半一半的状态。这个故障码下车辆比较肉，油门踩下去几乎没有反应，进入了“陂行模式”，地板油下车速最多40km/h。一般这样就是Valvetronic system error了。

图 Valvetronic system error的故障灯

在第一代~第三代的Valvetronic系统上，由于材料技术、制造工艺和积碳的问题，很小部分车辆在冷启动时，气门的初次运动会出现卡滞。当系统点火自检的时候，用一个小电流进行相位角度确认时，遇到卡滞导致气门升程无法正常调整，行车电脑就认为伺服电机或者是气门出现故障了。一般可能是轴承、偏心轴等零件出现磨损，或者是气门出现积碳。全新的伺服电机内阻较小，同等电流下驱动力较大问题还好，部分老旧车型电机性能下降了容易出现问题。此时需要更换一个伺服电机+偏心轴等零件的话，价格大概3万元，真心不便宜。

图 常见故障，伺服电机老化性能下降

由于此问题属于加工工艺和产品一致性问题，随着气门加工和装配工艺的提高，发动机控制系统的优化，以及伺服电机的耐老化性能提升，在如今第四代产品上已经很少出现该问题了，大家可以放心。

小结

2001年-至今，Valvetronic电子气门的推出使宝马发动机的效率进一步提高，凭借着专利机械结构，宝马实现了燃油经济性、性能、响应性的三者兼顾；尤其经过了四代发展，其可靠性也得到市场的广泛认可，实属神技。