BMW-ValVetronic全可变气门机构

热机原理

BMW-ValVetronic全可变气门机构

摘要：2004年投入市场的新BMW6缸直列式发动机为“高动态性能”建立了一座里程碑。Val-vetronic系统对此作出了决定性的贡献，它又有了多方面的新发展。除了机构力学和基本结构外，对电子器件、控制技术和燃烧方式也作了重要的改进。着重介绍了多学科交叉系统处理方法的创新部分。
　　关键词：气门机构可变气门机构发展
　　O前言
　　2000年，一种机械式全可变气门机构BMW-Valvetronic首次批量用于4缸发动机[1]，随后又用在BMW公司所有的8缸和12缸发动机上。2004年，推出了新BMW直列式6缸发动机，最终使BMW公司现有的发动机产品系列更完整了[2~4]，这种新发动机确立了比功率、燃油消耗率和比质量方面的新标准，它也装有Valvetronic系统。由于要求越来越高，整个Valvetronic系统作了进一步的发展和设计更新。这种设计理念使得作为BMW公司发动机系列中可满足所有燃油品质和排放要求的、最重要的新型直列式6缸发动机能在全球范围内得到广泛应用。
　　1Valvetronic系统的目标
　　新颖气门机构的系统目标来自于使新的直列式6缸发动机具有“高动态性能”而又不忽略经济性、可靠性和轻巧性的、始终不渝的方向，目标是：（1）使发动机转速从6500r/min提高到7000r/min；（2）提高气门加速度和增大气门升程，以得到足够的充量更换动态性能；（3）通过缩短部分负荷时的气门升程持续期来进一步减小充量更换的损失；（4）增强燃烧室内充量的运动，改善燃烧的稳定性；（5）提高负荷调节的效率、动态性能和调节精度；（6）改善各缸充量的均匀性；（7）减少控制器的数量。
　　这些目标不是通过零部件或软件功能各自的优化，而是通过整个系统的改进来实现的。重点是对所有机械的、电子的和控制的单元进行多学科的系统研究。图1表示新Valvetronic系统中系统目标与有关单元之间的联系。
　　2力学原理和结构设计
　　2.1新机构基本运动学
　　由于在第一代BMW-Valvetronic系统上所采用的中间杠杆已被证明是一种可靠性和经济性都好的结构[1]，它也被用在新系统上，不过采用了新的基本运动学（图2）。其最重要的特征是中间杠杆有一个固定的回转中心。气门开启侧或关闭侧的“过渡段”在中间杠杆的所谓“工作曲线”上，而不是在凸轮轴上。
　　因此，中间杠杆用来产生气门升程的运动过程特征是运动开始显然先于滚轮摇臂，换言之，运动只在滚轮摇臂停止以后才开始。在新Valvetronic系统中，中间杠杆朝上通过一个单独固定在气缸盖上的月牙板来支承，月牙板的圆弧导轨在基圆位置是以滚轮摇臂的滚轮轴线为中心的。此外，与原先的气门机构相似，有1根偏心轴，不过它已不再作为向上的支承件，此外还有1根凸轮轴。
　　2.2结构设计
　　对新型气门机构在动力学方面的要求是在新机构运动学情况下单个零件空间布置合理，运动质量小，刚度高。通过完全使用滚动轴承保证最小的摩擦和高的可靠性。考虑到对各缸气门升程均匀性的要求不断提高，结构设计要便于加工和装配。此外，注意尽可能减轻结构的质量，以符合整个发动机轻量化设计原则。
　　系统所有的零部件（月牙板、偏心轴、凸轮轴、液压气门间隙补偿器、步进电机、复位弹簧）都装在气缸盖上。Valvetronic系统中所有重要的修改都在这唯一的部件上实现。这样的理念有可能获得最好的结构刚度和工作精度，同时也有可能在良好的加工和装配过程中具有足够的几何自由度来修改机构运动学。基本的气门机构是以杆径5mm的气门、质量优化的钢制气门弹簧座、新的冲压成型的滚轮摇臂和优化的基本运动学规律为特征的。与第一代的可比气门机构相比，运动质量降低约20%。
　　滚轮摇臂具有很多级别。零件采用均质的材料制造，在需要时它也被用作各个气缸之间充量分配
　　均匀度的调节零件。
　　位于中部的中间杠杆是用MIM喷铸法制造的。由3个部分构成的上滚动支承在调节过程中是纯滚动摩擦，这样能进一步减小调节力，提高调节的动态性能。中间杠杆的工作曲线是铣削加工出来的，并采用专门的测量方法进行分级。
　　作为静态支承元件的月牙板采用低成本的粉末冶金法制造。这一高精度的零件烧结后不再进一步加工，但要经百分之百的检验。这样做很有必要，因为气门机构基本运动学性能的偏差超出允许范围就可能在气门升程快速调节时造成气门在基圆阶段被打开，结果对发动机功能和零部件的负荷产生不利的影响。
　　和以往一样，偏心轴是锻造的，经过高精度加工及随后的氮化处理，以获得良好的耐磨性。因为在新Valvetronic系统中取消了月牙板对偏心轴的支承，使零件的结构获得简化且精度提高。改进方案保留了步进电机的滚针轴承和蜗杆传动机构。凸轮轴不用组合结构，而用质量很轻的内部高压成型法制造，也对精度提出特殊的要求，给各缸气门升程的均匀性带来正面影响。
　　做成U型弹簧形状的复位弹簧布置在固定于气缸盖上的月牙板上方，用来确保气门机构各运动零件之间可靠的接触关系，特别是在部分气门升程时。
　　为了减轻质量，包括用于链传动的链轮在内的、调节范围为70°的进气凸轮轴相位调节装置全部采用铝合金制造。
　　3气门机构基本运动学和动力学
　　3.1气门机构基本运动学
　　采用全新的运动学是Valvetronic系统改进的重点。在选择气门机构运动学时要优先考虑在发动机功能（充量更换）、力学功能（作用力、压力）、气缸盖外形尺寸和制造（对公差的敏感性）等方面取得协调。它的基础是可以了解各种可能的运动学方案的全虚拟描画。首先，与机械辅助设计（CAD）、多体模拟（MKS）、有限元分析（FEM）和一维热力学模拟技术密切结合，可对大量的方案进行有效评估，并确定新Valvetronic系统的特性参数。在单缸试验台上的试验研究验证了这个设计，并为设计模型的调整提供了重要的数据。
　　没有一个能用于运动学设计的标准软件是一种特殊的挑战。所以通过将一个商品多体模拟工具软件与专门开发的、可生成函数轨迹和自动改变参数的程序相结合形成一个工具软件，借此可有效地进行力学设计。作为这种设计结果表示改动后的气门升程曲线族及其相应的气门加速度曲线族。
　　为使力学功能不受到限制，必须确保在整个气门升程-转速变化范围内气门机构传力件既不失去接触力，又没有超出允许范围的高负荷。此外，要实现液压气门间隙补偿器上的切向力在可忍受限度内，还要按照耐磨性的要求在扭转弹簧与气门杆端作用力很大的时刻，其相对运动尽可能小。
　　由于中间杠杆呈不对称运动，气门开启时的加速度相对于关闭时的明显升高了，所以不用过多考虑气门开启时临界气门弹簧动力学的问题。
　　力学设计与一维热力学模拟相耦合早就显示了扭矩的提高，由于部分负荷时气门升程的持续期大大缩短，与原来的系统相比部分负荷时效率提高了。由于气门升程曲线更丰满，在整个转速范围内实现了扭矩的明显增大。
　　3.2气门机构动力学
　　新Valvetronic系统以能在7000r/min转速下可靠运转为目标，所以要优化动力学性能。采用多体模拟能在试验装置建立之前弄清关于构件负荷的详细结果，而这些负荷几乎无法测量。所用的多体模拟模型由弹性接触、弹性的中间杠杆、1个多质量的气门弹簧和1个气门间隙补偿器的液压模型组成。借此可用FEM和CAD就刚度、应力和惯性质量等方面对结构件的几何参数进行优化。通过对接触位置的研究，确保纯传力的中间杠杆动力学特性的控制。
　　设计偏心轮的形状时，步进电机的负荷是考虑重点。与以前的交变扭矩不同，在整个转速?气门升程变化范围内获得了数值不大但比较均匀的偏心轴扭矩，从而能使各项系统性能，如能量消耗、调节精度、调节速度和声学特性得到改善。故不需要通过1根独立的弹簧进行扭矩的静态补偿。
　　4电气元件
　　对新Valvetronic系统的电气元件也进行了较大改进。为了偏心轴的转动，装了1只带有集流器的直流电机，这种电机已经在4缸、8缸和12缸发动机系统中得到了验证。然而，经重新设计的转子绕组耗电量明显下降。它不仅对能耗、而且对热负荷均有正面影响。此外，由于几何尺寸的改变，改善了将步进电机轴与偏心轴连接起来的单头蜗杆机构的效率。
　　为了确定偏心轴的位置，采用了无接触的磁阻式位置传感器。该传感器的原理是检出固定在偏心轴上的磁性轮的方位。已在第一代气门控制中得以成功应用。同样，从发动机负荷调节可靠性的角度出发，保留了传感器的冗余结构以及与发动机电控器连接的、数字的、抗干扰的接口。决定性的新发展在以下2个方面：（1）通过使用新的专用集成电路模块，改进了偏心轴旋转角度的检测精度，达到了o.1°，这样能实现发动机负荷的精确调控；（2）通过采用最先进的制造技术进一步简化了制造过程，由于成功地使用激光焊接导线架结构，完全取消了至今所必需的带表面组装器件的韧性膜。
　　为了确保修改过的Valvetronic系统构件的高可靠性，第一次采用了航空工业中熟知的高加速寿命试验和高加速应力筛选等品质控制方法，借助前者有可能针对性地进行薄弱部位分析，并通过后者进行补充。
　　5可控气门机构正时的功能
　　迄今为止，在BMW公司采用Valvetronic系统的发动机上获取的经验和对整个系统性能越来越高的要求已促使系统的控制与调节功能进一步发展。通过将Valvetronic系统的控制集成到发动机电控器中，使专用软件得到了发展，并在该公司的4缸和6缸发动机上得到应用。由于该公司不断进行软件的功能开发和编码改进，使不断增加的系统经验能有效、快速地转换为优化的软件。
　　功能的开发从一开始就集中在2方面：（1）位置调节的效率、动态性能和精度；（2）在所有的运行状态下确保最佳的平稳性（第7节）。
　　为了由Valvetronic系统承担负荷调节的全部任务，偏心轴的高精度定位绝对必要。尤其是在较低转速范围内。气门升程微小的改变就会使气缸充量明显变化，因而使扭矩变化。在怠速附近的最大气门升程在0.2～0.3mm的范围内，因此，0.1mm的偏差导致发动机停车或使每分钟转速升高数百转。
　　除了定位精度外，调节的动态性能也是重要的开发目标。由于进气管中的压力接近环境压力，提高气门升程会立即造成气缸充量增加。这就要求装有Valvetronic系统的发动机具有对油门踏板位置变化反应极快的-响应性能。为了充分利用这个特性，气门升程规定值的动态调整是必不可少的。新开发的位置调节器与迄今为止所用的调节器相比，有了明显的改进。尽管调节机构的动态性能改善了，但调节系统的功率消耗却下降了约30%。
　　图6为发动机电控器中的Valvetronic系统数字集成电路模块的功能结构。除了位置调节器本身，还开发了用来监控系统各种状态的观测器和内容广泛的诊断仪。
　　6燃烧方式
　　新颖气门控制的显著特征是明显缩短了部分气门升程的持续期。这样进气门能更早关闭，与原先的Valvetronic系统相比，导致换气损失功减少7%。此外，力求通过提高可运行的残余废气含量以达到提高效率的目的。对此，为了达到所要求的燃烧稳定性，必须采取措施加快充量运动。BMW公司的Valvetronic系统设计理念上的自由度有可能通过所谓“气门升程变异和屏蔽”之间的相互协调来实现这一目的。通过针对性地采用计算流体力学（CFD）方法，结合发动机试验和气道试验，可保证恰当的全负荷性能充量运动与可接受的制造成本之间的协调。
　　图7左侧为以气门升程“变异”描述1个气缸不同的进气门升程曲线。在低负荷范围内，1个进气门可长时间保持在小升程，而大部分新鲜充量将流经具有较大升程的第二个进气门。另外，通过燃烧室方面对第二个进气门的“屏蔽”形成很强的旋流和滚流。
　　在CFD模拟中，在火花塞附近区域湍流动能的升高是显而易见的。由此达到了明显较高的燃烧速度。在相同的转速下，点火提前角明显减小，燃烧持续时间大大缩短。所达到的湍流水平导致所期望的燃烧稳定性的改善，因此提高了对残留废气的容忍度，在催化器加热运行时改善了对排放物热流的可利用性。
　　这种燃烧方式的生命力也表现在可将“进气门升程变异和屏蔽”的原理用到2.5L的机型上。整套Valvetronic系统运动学可用于3L发动机，仅要在具有较小进气门的小燃烧室上进行适当的屏蔽加工。从图8右侧可以看出3.0L与2.5L发动机具有相似的燃烧速度。
　　由于Valvetronic发动机燃烧方式的改善，并结合优化的用途匹配和较少的传热，在新的欧洲行驶循环试验中得出燃油耗降低潜力为8.5%。这占了新6缸发动机与用在相同汽车上的原先发动机相比总改善量12%的大部分。其余3.5%的燃油耗降低来自整台发动机摩擦的减小，部分负荷运行时对气门升程的控制及新的热管理也起着决定性的作用。
　　7多学科交叉开发系统的实例??充量分配的均匀性
　　为了保证新Valvetronic系统重要的产品性能，参与各种专业合作是决定性因素。各气缸之间充量分配的均匀度优化可被视为范例。由于气门升程直接影响气缸的充量并由此影响运转的平稳性，借助于可变进气门升程的无节气门负荷调节对气门升程的均匀性提出了极高的要求。图9下部为均匀度超出限值后造成的影响。除了影响运转的平稳性外，由于气缸充量有了大的变化，点火提前角已不再适应，使燃烧效率下降，燃油消耗率也明显增加了。为了达到充量控制所要求的精度，不仅要在结构设计和制造技术上，还要在软件功能上采取措施。
　　借助多体运动学模型，对包括气门机构和气缸盖在内的整个系统就构件公差进行敏感性分析，以实现构件公差的优化。与所研究公差预期加工能力相结合就有可能提前看到气门升程偏差的统计结果。上部为最大气门升程偏差的频率分布。频率分布很强的渐进性显现出构件批量生产质量稳定的重要性。
　　为了达到优化的气门升程均匀性，构件的公差被限制在批量生产的限值内。在采取软件功能措施之前所允许的充量偏差限值在规定升程0.3mm时为8%（原先为15%），对应的升程偏差仅为24μm。
　　同以往的Valvetronic系统那样，在发动机装配中进行百分之百的充量检验时要对较大的偏差进行修正（要求所有发动机＜1%）。此外，系统对充量分配均匀性的影响，如由于拧紧螺栓引起的气缸盖变形或者链条力的作用，则借助于气门机构的弹性多体动力学模型予以确认，再对个别气缸凸轮升程设计进行修正。
　　即使构件尺寸的公差已控制在界限内，在激起谐振的摩托阶数不利的情况下，还是会损害怠速舒适性，为此提供了丰富的软件功能用于平衡各气缸之间剩余的充量差异和由此引起的扭矩差异。在根据发动机转速信息计算出激起谐振的摩托阶数后进行按需要的调节干预。主观感受的转速不均匀性和汽车特定的传递性能可通过对各摩托阶数的限值界定加以考虑。
　　除了有选择地对某一气缸的喷油与点火进行干预外，在BMW6缸发动机的Valvetronic系统中首次具备对气缸的气门升程变化历程进行个别调整的可能性。
　　图10为1个在怠速工况下各摩托阶数激振和所采取的软件功能措施的实例。3个彼此挨着的气缸气门升程曲线图表明目标气缸气门升程短时间的升高对相邻气缸没有产生负面的影响。在怠速工况下通过气缸的个别调整，按需要对1个气缸充量的修正量即使达到10%也不会导致可测出的燃油耗增加。
　　通过在结构设计、制造技术和软件功能上采取措施，确保了在所有工况下的平稳运行，而没有必要在其他发展目标上作出妥协。图10右侧表示通过软件功能的干预，最终可几乎完全消除摩托阶数超
　　过阈值的汽车。
　　8结论
　　借助于BMW公司Valvetronic系统持续不断而内容广泛的优化，使发动机功率与转速的潜力、油耗、响应性和经济性都取得了实质性的进展。新的气门控制是以新的基本运动学、整套气门机构的全新设计、优化的电子器件、新的软件功能、新的调节器、新的燃烧方式以及新的发动机电控器为特征的。
　　依靠这些得到进一步发展的Valvetronic系统对目前BMW直列式6缸机出色的发动机性能起了决定性的作用。此外，相对于以往的发动机，在升功率提高到63kW/L时，燃油消耗率下降了约12%因
　　此，新Valvetronic系统代表了一种也可用于今后BMW发动机的、有前途的技术。
　　2力学原理和结构设计
　　2.1新机构基本运动学
　　由于在第一代BMW-Valvetronic系统上所采用的中间杠杆已被证明是一种可靠性和经济性都好的结构[1]，它也被用在新系统上，不过采用了新的基本运动学（图2）。其最重要的特征是中间杠杆有一个固定的回转中心。气门开启侧或关闭侧的“过渡段”在中间杠杆的所谓“工作曲线”上，而不是在凸轮轴上。
　　 因此，中间杠杆用来产生气门升程的运动过程特征是运动开始显然先于滚轮摇臂，换言之，运动只在滚轮摇臂停止以后才开始。在新Valvetronic系统中，中间杠杆朝上通过一个单独固定在气缸盖上的月牙板来支承，月牙板的圆弧导轨在基圆位置是以滚轮摇臂的滚轮轴线为中心的。此外，与原先的气门机构相似，有1根偏心轴，不过它已不再作为向上的支承件，此外还有1根凸轮轴。
　　2.2结构设计
　　对新型气门机构在动力学方面的要求是在新机构运动学情况下单个零件空间布置合理，运动质量小，刚度高。通过完全使用滚动轴承保证最小的摩擦和高的可靠性。考虑到对各缸气门升程均匀性的要求不断提高，结构设计要便于加工和装配。此外，注意尽可能减轻结构的质量，以符合整个发动机轻量化设计原则。
　　系统所有的零部件（月牙板、偏心轴、凸轮轴、液压气门间隙补偿器、步进电机、复位弹簧）都装在气缸盖上Valvetronic系统中所有重要的修改都在这唯一的部件上实现。这样的理念有可能获得最好的结构刚度和工作精度，同时也有可能在良好的加工和装配过程中具有足够的几何自由度来修改机构运动学。
　　基本的气门机构是以杆径5mm的气门、质量优化的钢制气门弹簧座、新的冲压成型的滚轮摇臂和优化的基本运动学规律为特征的。与第一代的可比气门机构相比，运动质量降低约20%。
　　滚轮摇臂具有很多级别。零件采用均质的材料制造，在需要时它也被用作各个气缸之间充量分配
　　均匀度的调节零件。
　　位于中部的中间杠杆是用MIM喷铸法制造的。由3个部分构成的上滚动支承在调节过程中是纯滚动摩擦，这样能进一步减小调节力，提高调节的动态性能。中间杠杆的工作曲线是铣削加工出来的，并采用专门的测量方法进行分级。
　　作为静态支承元件的月牙板采用低成本的粉末冶金法制造。这一高精度的零件烧结后不再进一步加工，但要经百分之百的检验。这样做很有必要，因为气门机构基本运动学性能的偏差超出允许范围就可能在气门升程快速调节时造成气门在基圆阶段被打开，结果对发动机功能和零部件的负荷产生不利的影响。
　　和以往一样，偏心轴是锻造的，经过高精度加工及随后的氮化处理，以获得良好的耐磨性。因为在新Valvetronic系统中取消了月牙板对偏心轴的支承，使零件的结构获得简化且精度提高。改进方案保留了步进电机的滚针轴承和蜗杆传动机构。凸轮轴不用组合结构，而用质量很轻的内部高压成型法制造，也对精度提出特殊的要求，给各缸气门升程的均匀性带来正面影响。
　　做成U型弹簧形状的复位弹簧布置在固定于气缸盖上的月牙板上方，用来确保气门机构各运动零件之间可靠的接触关系，特别是在部分气门升程时。
　　为了减轻质量，包括用于链传动的链轮在内的、调节范围为70°的进气凸轮轴相位调节装置全部采用铝合金制造。
　　3气门机构基本运动学和动力学
　　3.1气门机构基本运动学
　　采用全新的运动学是Valvetronic系统改进的重点。在选择气门机构运动学时要优先考虑在发动机功能（充量更换）、力学功能（作用力、压力）、气缸盖外形尺寸和制造（对公差的敏感性）等方面取得协调。它的基础是可以了解各种可能的运动学方案的全虚拟描画。首先，与机械辅助设计（CAD）、多体模拟（MKS）、有限元分析（FEM）和一维热力学模拟技术密切结合，可对大量的方案进行有效评估，并确定新Valvetronic系统的特性参数。在单缸试验台上的试验研究验证了这个设计，并为设计模型的调整提供了重要的数据。
　　没有一个能用于运动学设计的标准软件是一种特殊的挑战。所以通过将一个商品多体模拟工具软件与专门开发的、可生成函数轨迹和自动改变参数的程序相结合形成一个工具软件，借此可有效地进行力学设计（图3）。作为这种设计结果，图3（a）表示改动后的气门升程曲线族及其相应的气门加速度曲线族。
　　为使力学功能不受到限制，必须确保在整个气门升程-转速变化范围内气门机构传力件既不失去接触力，又没有超出允许范围的高负荷。此外，要实现液压气门间隙补偿器上的切向力在可忍受限度内，还要按照耐磨性的要求在扭转弹簧与气门杆端作用力很大的时刻，其相对运动尽可能小。
　　由于中间杠杆呈不对称运动，气门开启时的加速度相对于关闭时的明显升高了，所以不用过多考虑气门开启时临界气门弹簧动力学的问题（图3（c））。
　　力学设计与一维热力学模拟相耦合早就显示了扭矩的提高，由于部分负荷时气门升程的持续期大大缩短，与原来的系统相比部分负荷时效率提高了（图3（b））。由于气门升程曲线更丰满，在整个转速范围内实现了扭矩的明显增大（图3（d））。
　　3.2气门机构动力学
　　新Valvetronic系统以能在7000r/min转速下可靠运转为目标，所以要优化动力学性能。采用多体模拟能在试验装置建立之前弄清关于构件负荷的详细结果，而这些负荷几乎无法测量。所用的多体模拟模型由弹性接触、弹性的中间杠杆、1个多质量的气门弹簧和1个气门间隙补偿器的液压模型组成。借此可用FEM和CAD就刚度、应力和惯性质量等方面对结构件的几何参数进行优化（图4右）。通过对接触位置的研究，确保纯传力的中间杠杆动力学特性的控制。
　　设计偏心轮的形状时，步进电机的负荷是考虑重点。与以前的交变扭矩不同，在整个转速?气门升程变化范围内获得了数值不大但比较均匀的偏心轴扭矩，从而能使各项系统性能，如能量消耗、调节精度、调节速度和声学特性得到改善（图4左）。故不需要通过1根独立的弹簧进行扭矩的静态补偿。
　　4电气元件
　　对新Valvetronic系统的电气元件（图5）也进行了较大改进。为了偏心轴的转动，装了1只带有集流器的直流电机，这种电机已经在4缸、8缸和12缸发动机系统中得到了验证。然而，经重新设计的转子绕组耗电量明显下降。它不仅对能耗、而且对热负荷均有正面影响。此外，由于几何尺寸的改变，改善了将步进电机轴与偏心轴连接起来的单头蜗杆机构的效率。
　　为了确定偏心轴的位置，采用了无接触的磁阻式位置传感器。该传感器的原理是检出固定在偏心轴上的磁性轮的方位。已在第一代气门控制中得以成功应用。同样，从发动机负荷调节可靠性的角度出发，保留了传感器的冗余结构以及与发动机电控器连接的、数字的、抗干扰的接口。决定性的新发展在以下2个方面：（1）通过使用新的专用集成电路模块，改进了偏心轴旋转角度的检测精度，达到了o.1°，这样能实现发动机负荷的精确调控；（2）通过采用最先进的制造技术进一步简化了制造过程，由于成功地使用激光焊接导线架结构，完全取消了至今所必需的带表面组装器件的韧性膜。
　　为了确保修改过的Valvetronic系统构件的高可靠性，第一次采用了航空工业中熟知的高加速寿命试验和高加速应力筛选等品质控制方法，借助前者有可能针对性地进行薄弱部位分析，并通过后者进行补充。
　　5可控气门机构正时的功能
　　迄今为止，在BMW公司采用Valvetronic系统的发动机上获取的经验和对整个系统性能越来越高的要求已促使系统的控制与调节功能进一步发展。通过将Valvetronic系统的控制集成到发动机电控器中，使专用软件得到了发展，并在该公司的4缸和6缸发动机上得到应用。由于该公司不断进行软件的功能开发和编码改进，使不断增加的系统经验能有效、快速地转换为优化的软件。
　　功能的开发从一开始就集中在2方面：（1）位置调节的效率、动态性能和精度；（2）在所有的运行状态下确保最佳的平稳性（第7节）。
　　为了由Valvetronic系统承担负荷调节的全部任务，偏心轴的高精度定位绝对必要。尤其是在较低转速范围内。气门升程微小的改变就会使气缸充量明显变化，因而使扭矩变化。在怠速附近的最大气门升程在0.2～0.3mm的范围内，因此，0.1mm的偏差导致发动机停车或使每分钟转速升高数百转。
　　除了定位精度外，调节的动态性能也是重要的开发目标。由于进气管中的压力接近环境压力，提高气门升程会立即造成气缸充量增加。这就要求装有Valvetronic系统的发动机具有对油门踏板位置变化反应极快的-响应性能。为了充分利用这个特性，气门升程规定值的动态调整是必不可少的。新开发的位置调节器与迄今为止所用的调节器相比，有了明显的改进。尽管调节机构的动态性能改善了，但调节系统的功率消耗却下降了约30%。
　　为发动机电控器中的Valvetronic系统数字集成电路模块的功能结构。除了位置调节器本身，还开发了用来监控系统各种状态的观测器和内容广泛的诊断仪。
　　 6燃烧方式
　　新颖气门控制的显著特征是明显缩短了部分气门升程的持续期。这样进气门能更早关闭，与原先的Valvetronic系统相比，导致换气损失功减少7%。此外，力求通过提高可运行的残余废气含量以达到提高效率的目的。对此，为了达到所要求的燃烧稳定性，必须采取措施加快充量运动。BMW公司的Valvetronic系统设计理念上的自由度有可能通过所谓“气门升程变异和屏蔽”之间的相互协调来实现这一目的。通过针对性地采用计算流体力学（CFD）方法，结合发动机试验和气道试验，可保证恰当的全负荷性能充量运动与可接受的制造成本之间的协调。
　　左侧为以气门升程“变异”描述1个气缸不同的进气门升程曲线。在低负荷范围内，1个进气门可长时间保持在小升程，而大部分新鲜充量将流经具有较大升程的第二个进气门。另外，通过燃烧室方面对第二个进气门的“屏蔽”形成很强的旋流和滚流（右）。
　　 在CFD模拟中，在火花塞附近区域湍流动能的升高是显而易见的。由此达到了明显较高的燃烧速度。在相同的转速下，点火提前角明显减小，燃烧持续时间大大缩短。所达到的湍流水平导致所期望的燃烧稳定性的改善，因此提高了对残留废气的容忍度，在催化器加热运行时改善了对排放物热流的可利用性。
　　 这种燃烧方式的生命力也表现在可将“进气门升程变异和屏蔽”的原理用到2.5L的机型上。整套Valvetronic系统运动学可用于3L发动机，仅要在具有较小进气门的小燃烧室上进行适当的屏蔽加工。从图8右侧可以看出3.0L与2.5L发动机具有相似的燃烧速度。
　　由于Valvetronic发动机燃烧方式的改善，并结合优化的用途匹配和较少的传热，在新的欧洲行驶循环试验中得出燃油耗降低潜力为8.5%。这占了新6缸发动机与用在相同汽车上的原先发动机相比总改善量12%的大部分。其余3.5%的燃油耗降低来自整台发动机摩擦的减小，部分负荷运行时对气门升程的控制及新的热管理也起着决定性的作用。
　　7多学科交叉开发系统的实例充量分配的均匀性
　　为了保证新Valvetronic系统重要的产品性能，参与各种专业合作是决定性因素。各气缸之间充量分配的均匀度优化可被视为范例。由于气门升程直接影响气缸的充量并由此影响运转的平稳性，借助于可变进气门升程的无节气门负荷调节对气门升程的均匀性提出了极高的要求。下部为均匀度超出限值后造成的影响。除了影响运转的平稳性外，由于气缸充量有了大的变化，点火提前角已不再适应，使燃烧效率下降，燃油消耗率也明显增加了。为了达到充量控制所要求的精度，不仅要在结构设计和制造技术上，还要在软件功能上采取措施。
　　借助多体运动学模型，对包括气门机构和气缸盖在内的整个系统就构件公差进行敏感性分析，以实现构件公差的优化。与所研究公差预期加工能力相结合就有可能提前看到气门升程偏差的统计结果。上部为最大气门升程偏差的频率分布。频率分布很强的渐进性显现出构件批量生产质量稳定的重要性。
　　 为了达到优化的气门升程均匀性，构件的公差被限制在批量生产的限值内。在采取软件功能措施之前所允许的充量偏差限值在规定升程0.3mm时为8%（原先为15%），对应的升程偏差仅为24μm。
　　同以往的Valvetronic系统那样，在发动机装配中进行百分之百的充量检验时要对较大的偏差进行修正（要求所有发动机＜1%）。此外，系统对充量分配均匀性的影响，如由于拧紧螺栓引起的气缸盖变形或者链条力的作用，则借助于气门机构的弹性多体动力学模型予以确认，再对个别气缸凸轮升程设计进行修正。
　　即使构件尺寸的公差已控制在界限内，在激起谐振的摩托阶数不利的情况下，还是会损害怠速舒适性，为此提供了丰富的软件功能用于平衡各气缸之间剩余的充量差异和由此引起的扭矩差异。在根据发动机转速信息计算出激起谐振的摩托阶数后进行按需要的调节干预。主观感受的转速不均匀性和汽车特定的传递性能可通过对各摩托阶数的限值界定加以考虑。
　　除了有选择地对某一气缸的喷油与点火进行干预外，在BMW6缸发动机的Valvetronic系统中首次具备对气缸的气门升程变化历程进行个别调整的可能性。
　　为1个在怠速工况下各摩托阶数激振和所采取的软件功能措施的实例。3个彼此挨着的气缸气门升程曲线图表明目标气缸气门升程短时间的升高对相邻气缸没有产生负面的影响。在怠速工况下通过气缸的个别调整，按需要对1个气缸充量的修正量即使达到10%也不会导致可测出的燃油耗增加。
　　通过在结构设计、制造技术和软件功能上采取措施，确保了在所有工况下的平稳运行，而没有必要在其他发展目标上作出妥协。右侧表示通过软件功能的干预，最终可几乎完全消除摩托阶数超
　　过阈值的汽车。
　　8结论
　　借助于BMW公司Valvetronic系统持续不断而内容广泛的优化，使发动机功率与转速的潜力、油耗、响应性和经济性都取得了实质性的进展。新的气门控制是以新的基本运动学、整套气门机构的全新设计、优化的电子器件、新的软件功能、新的调节器、新的燃烧方式以及新的发动机电控器为特征的。
　　依靠这些得到进一步发展的Valvetronic系统对目前BMW直列式6缸机出色的发动机性能起了决定性的作用。此外，相对于以往的发动机，在升功率提高到63kW/L时，燃油消耗率下降了约12%因此，新Valvetronic系统代表了一种也可用于今后BMW发动机的、有前途的技术。

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针对BMW的ValVetronic全可变气门机构，此机构为现代汽车发动机技术的一大创新。ValVetronic技术通过电子控制实现气门开度的精准调控，提升发动机效率与响应速度，同时优化燃油消耗与排放性能。此机构具备高度智能化与灵活性，能适应不同驾驶条件与需求。

具体而言，ValVetronic全可变气门机构能显著改善发动机的动力输出与燃油经济性，提供更为流畅与线性的加速感受。此外，其可变气门技术也有助于提升发动机的环保性能，符合现代汽车节能减排的发展趋势。