透视丰田全新卡罗拉双VVT-i发动机技术 图

所属类目:汽车发动机维修 - 发布时间:2017-06-13

随着一汽丰田卡罗拉(COROLLA)正式上市,这款世界同步车型也逐渐走进了我们的眼帘。全新卡罗拉为丰田汽车公司的第10代“COROLLA”车型,在动力系统方面,最引人注目的是搭载了配有双VVT-i(Dual VVT-i)技术的新型发动机(图1)。其实,丰田公司应用可变气门正时VVT技术可追溯到1991年,那是首次运用于4A-GE 20V发动机上,该VVT仅能对进气门实现两阶段的液压控制正时调整;1996年推出了VVT-i技术,它是利用安装在进气凸轮轴上的执行器对进气门相位进行智能化调整;1998年丰田推出了Dual VVT-i技术,它是能同时智能化调整进、排气门正时相位的系统,并首次运用于3S-GE发动机上(装备于Toyota Celica等车型上)。其后,丰田公司把Dual VVT-i技术运用于新一代的3.5L 2GR-FE V6发动机上,大量装备在Avalon、RAV4、Camry等中高级的车型上。如今,丰田又把Dual VVT-i技术首次运用到了全新卡罗拉上,这无疑提高了该车系的技术含量和竞争力。

图1  全新卡罗拉Dual VVT-i发动机

1.Dual VVT-i发动机概述
    全新卡罗拉发动机有两款,即1.8L排量的2ZR-FE和1.6L排量的1ZR-FE,主要技术参数如表1所示,表中1ZZ-FE为上一代花冠的发动机代码。

    从表1可知,与上一代1ZZ-FE发动机相比,全新2ZR-FE在功率、转矩、燃油经济性和排放性方面都有显著提高,这主要得益于以下方面技术的采用:a.增加了排气门配气相位智能控制,即实现了比上一代发动机更先进的双 VVT-i技术,使发动机在不同工况的换气过程更加优化,同时运用了质量轻、成本低、内壁光滑及性能稳定的树脂材料作为进气管,降低了进气阻力,使发动机整个换气过程更趋于完美;b.为降低发动机工作时的机械损失,采用了更低摩擦阻力的 “滚子摇臂机构”来驱动气门,该机构带“液压自动补偿装置”,实现“0”气门间隙,降低了配气机构工作噪音,同时采用了低张紧力活塞环,减少了活塞环与缸套之间的摩擦力,还采用了“偏置曲轴",不仅减少了活塞的侧推力, 同时还改良了在低速、低负荷情况时的燃烧性能;c.对发动机前端的水泵、润滑油路、正时链传动机构等实现先进的模块化设计和制造,缩小了整机尺寸,使发动机更紧凑、质量更轻。

2.Dual VVT-i结构组成


图2  卡罗拉Dual VVT-i发动机基本构成

    该系统的结构组成如图2所示。主正时链驱动进气侧的VVT-i控制器外壳的链轮,外壳上的另一链轮驱动副正时链,并同时驱动排气侧VVT-i控制器外壳。VVT-i控制器的内部结构如图3所示,主要由控制器外壳、叶轮、锁止销、叶轮回位弹簧、端盖及螺栓等组成。叶轮与凸轮轴是固定的,即为“硬连接”,而控制器外壳与叶轮之间不是硬连接,它们之间可以有相对运动。这一相对运动是由气门正时提前室和滞后室的容积决定,显然容积改变即改变了叶轮与控制器外壳之间的相对角度,也就改变了气门的配气相位。因此,当提前室容积增大,滞后室容积减小,叶轮相对于控制器外壳的转动方向与外壳的转动方向相同,则凸轮轴的相位也就提早,反之亦然。回位弹簧的作用(如图3右所示)是使叶轮回到最滞后的位置,这一位置是发动机停止运转位置,此时提前室容积最小,锁止销在弹簧力作用下被推入控制器外壳的销孔内,于是外壳与叶轮处于“硬连接”,这有利于发动机正常启动;当发动机启动后,由于系统建立了油压,锁止销在油压的作用下使弹簧被压缩,随之锁止销从控制器外壳销孔内脱出,于是外壳与叶轮之间就可以有相对运动,从而实现对提前室和滞后室容积的控制,以实现对凸轮轴相位进行实时智能调节。

3.Dual VVT-i工作原理

图4  Dual VVT-i控制系统组成

    Dual VVT-i控制系统组成如图4所示,双VVT-i有两个凸轮轴位置传感器和两个凸轮轴正时液压控制阀。发动机ECU依据曲轴位置传感器、空气流量计和节气门位置传感器的信号确定对叶轮正时的控制指令,液压控制电磁阀根据ECU来的控制信号推动滑阀(如图5)。压力油在滑阀的控制下有两个方向的流动,一个方向是使提前室容积增加、滞后室容积减小(如图6中红色箭头方向),另一个方向是提前室容积减小、滞后室容积增加(如图6中蓝色箭头方向),前者配气相位提早,后者配气相位推迟。当ECU判断不需要调整配气相位时,滑阀处于中间状态,即压力油不流动,提前室与滞后室容积不变,凸轮轴相位也不变。由于各种原因,VVT-i控制器对凸轮轴的控制不一定准确地把凸轮轴位置调整到与气门相应的理想位置。因此,凸轮轴位置传感器的作用就是检测凸轮轴的实际位置,并把这一位置信号反馈给ECU,对目标叶轮正时进行控制,使凸轮轴的位置精确地处于理想的相位。与此同时,ECU还把水温传感器和车速传感器信号作为修正信号,也对目标叶轮进行修正控制(如图5),以根据发动机工作状态实时地对正时相位进行调整。

图5  Dual VVT-i系统控制原理图

图6  Dual VVT-i系统液压控制原理图

4.Dual VVT-i功能的实现
    双VVT-i的配气相位如图7所示,能同时对进、排气门的开启和关闭正时进行控制,也就是能控制进、排气门打开和关闭的最大提前角和最大迟闭角。这一系统根据发动机不同的工作状态,连续地调节进、排气门的闭合角度。发动机的工作状态大致分为4个区域(如图7右所示),双VVT-i系统根据不同的区域(如图7右所示的A、B、C及D区域)可以完全实现对配气相位进行智能调整。

    Dual VVT-i在不同工作状态下实现的正时功能如表2所示,气门正时功能图中顺时针箭头表示往相位滞后方向调整,反时针箭头为相位往提前方向调整。

    全新卡罗拉Dual VVT-i发动机与上一代相比增加了排气凸轮轴的VVT-i控制,使该发动机换气过程的进、排气相位的调整和优化更加灵活和精确,不仅实现了智能化调整,而且其功能也更加强大。加之如上所述的其它方面的改进,使该发动机既具有强大的动力输出,又具有优异的环保性、经济性,从而实现了最大功率比上一代提高约8%、燃油消耗降低5%,达到欧洲IV号排放标准。


图8  丰田公司下一代Valvematic Dual VVT-i发动机

    据悉,丰田公司正在开发下一代的Dual VVT-i发动机技术(如图8所示),它的最大特点是在配气机构中增加了全新的气门升程连续可变系统(丰田公司将这一系统命名为Valvematic ),使新一代发动机的性能有更大提升。

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