卡罗拉VVT的原理及故障检修

卡罗拉可变气门正时系统的原理及故障诊断

前言

1ZR-FE发动机是丰田汽车公司新开发的机型，直列4缸1.6升的气缸排量，顶置双凸轮轴（DOHC）16气门、

Dual VVT-i，DIS和ETSC-i电控系统，最大

功率为90kw。Dual VVT-i（智能可变气门

正时）技术是这一款车的一大技术亮点。

我们知道，发动机的配气正时对其动

力性、经济性及排气污染都有重要的影响。

最佳的配气正时应使发动机在很短的换气时间内充入最多的新鲜空气（可燃混合气），并使排气阻力最小，废气残留量最少。废气残留量最少，发动机转速变化时，由于气流的速度和进排气门早开迟闭绝对时间都发生了变化，因此，其最佳的配气相位角也应随之变化。而众所周知，一般的四行程发动机它的气门开闭由固定加工成型的凸轮轴启动，进排气门的开闭角度固定不变。亦即意味着该型发动机从设计开始就宣布了它只能在某一转速范围下处于最佳状的配气相位，获得最佳的燃油经济性、动力性和最少的排放污染。（而其他转速范围内的动力性、经济性和排放污染都不是最佳状态）而无法兼顾低转速与高转速时动力的需求。

丰田可变气门正时系统Dual VVT-i正是为了满足发动机在多种工况对配气的需要及满足发动机在各种转速工况下均能平顺地输出强劲的动力要求。它通过电控系统对进排气门的开启时间进行调节，

通过在不同转速下为车辆匹配更合理的气门开启或关闭，来增加车辆扭矩输出的均衡性，提高发动机功率并降低车辆的油耗。在发动机转速不同时，让凸轮轴与链轮之间亦有着不同的角度，进而让进排气门在不同的时机开启关闭，达到可变气门正时的目的。进而可让发动机在各转速区域时，均能有充足而适当的混合气供应，以输出充沛的动力。从而提高发动机在所有转速范围内的动力性、燃油经济性，降低尾气的排放。

一、配气相位对发动机性能的影响

四行发动机在工作过程中，吸入新鲜空气排出高温废气。一般的车用汽油发动机。以3000r/min为例，每一个工作循环的进排气过程只有0.01s，在这极短的时间内，被吸入的混合气愈多，废气排放愈干净彻底。发动机的动力性和经济性就会下降，由此可见，发动机的功率和扭矩主要取决于吸入的空气量的多少和换气质量的好坏。

众所周知空气具有质

量，也具有一定的惯性。进

排气门的打开与关闭，受结

构材料与机械运动的影响，

只能以平滑曲线的运动方

式打开和关闭，而不可能实

现理想状态下的在活塞一

到上止点进气门就迅速全

开，排气门则迅速全关和活图1：配气相位图

塞一到下止点进气门就迅速全关闭，排气门迅速全打开的方波形工作方式。因此，一般发动机都会采用如图1所示的配气相位，进排气都提前开启和滞后关闭。力求达到进入最多的新鲜空气和彻底排出燃烧后的废气。

普通的发动机在使用过程中，配气定时是不能改变的，充气效率在某一转速下达到最大值。我们可以通过改变进气门的迟闭角以改变冲气效率随转速变化的趋势。用来调整发动机转矩特性，以满足不同的使用要求。

从配气相位图中可以看出，存在一个进气门和排气门同时打开的时刻，即“气门重叠”。这样就有可能造成废气倒流。这种现象在发动机转速低于1000r/min的怠速工况最明显，有研究表明。怠速工作下的“重叠阶段”时间是中等速度工作条件的7倍。这容易造成怠速工作不顺畅。振动过大，功率下降等现象。尤其是采用四气门的发动机，由于“帘区”值大，“重叠阶段”更容易造成怠速运转不畅顺的现象。

而且采用Dual VVT-i这种机构之后，废气再循环系统就没有必要了，因为它可以进行内部排气再循环控制。

二、Dual VVT-i结构组成

该系统的结构组成如图2所示。机械部分主要由进排气VVT-i执行器构成，电气部分则由进排气凸轮轴传感器和进排气气门正时机油控制阀组成。VVT-i控制器可调整凸轮轴转角气门正时，凸轮轴正时机油控制阀是控制油压的。正时链驱动VVT-i控制器外壳的链轮。

图2 卡罗拉Dual VVT-i发动机基本构成

1.VVT-i控制器

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。

图3 VVT-i控制器的内部结构简图

2.凸轮轴正时机油控制阀（OCV）如右图

凸轮轴正时机油控制阀（OCV）是

根据发动机ECU输出的占空比电流

量，控制滑阀的位置和分配用于vvt-i

控制器流到提前侧或延迟侧的油压

与通道，VVT-i控制器则应用油压使

凸轮轴旋转到提前、延迟或保持气门正时所该处的位置。

三、丰田Dual VVT-i工作原理

图4Dual 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储存了最佳气门正时参数值，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与预定参数值进行对比计算，计算出修正参数并发出指令到控制凸轮轴正时液压控制阀（如图5），控制阀根据ECU指令控制机油槽阀的位置，也就是改变液压流量，把提前、滞后、保持不变等信号指令选择输送至VVT－i控制器的不同油道上。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