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、DualVVT-i，DIS和ETSC-i电控系统，最大功率为90kw。DualVVT-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DualVVT-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DualVVT-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、DualVVT-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DualVVT-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3VVT-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DualVVT-i工作原理图4DualVVT-i控制系统组成DualVVT-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5DualVVT-i系统控制原理图图6DualVVT-i系统液压控制原理图五、故障实例：故障1：一辆2007年款一汽丰田卡罗拉GL轿车，配备1ZR-FE发动机，行使了4.6万公里。据用户反映，该车最近一个月来频繁出现着车困难的故障，早上要打好几次马达才能着车，即使能着车，怠速也很不稳定，抖动得很厉害，最近还出现了热车熄了车马上再着车，转速会慢慢提高到2800r/min，降不下来，得熄火等个10多分钟后再着车。检查分析：接车后，车间维修人员首先进行故障现象检验，确实如用户反映的那样，要打好几次马达才能着车，而且发动机抖动得非常厉害，象要熄火，废气也很难闻，呛眼呛鼻。检查发动机故障灯（MIL）在发动机运转时能熄灭。在询问确认用户还没有做过油电路保养后，修理工对该车进行了油电路保养，清洗了节气门、喷油嘴，更换了汽油滤清器，但是故障依旧。引起发动机难着车的可能故障原因包括：水温传感器信号不良，汽油喷射压力不足、喷油嘴泄露，电子节气门电机控制不良，进气门积炭过多等。本着从易到难的程序，对该车进行故障排查：1）把水温传感器从车上拆下，测量室温（约25℃）时，阻值为2.4KΩ。把水温传感器泡到开水里进一步测量，温度约93℃时，阻值为220Ω，并且在水温下降的过程中，测得传感器阻值逐渐上升，说明水温传感器元件正常。进一步测量水温传感器与发动机ECU端子THW和ETHW之间的连接线阻值，两根导线的阻值都小于1Ω，也正常，至此可以排除水温传感器的故障。2）在燃油管接上燃油压力表，打马达着车，油压能迅速建立到280Kpa，熄车10分钟后再检查，还能保持在240Kpa，大于要求的220Kpa。油泵和燃油压力也没有问题了。这么新的汽车，喷油嘴出现泄露的可能性也不大。3）现在国家的汽油出厂标准提高了，根据我对其他发动机大修的拆检经验，电喷发动机的气门积炭在行使了15万Km到20万Km时，也仅有2～3mm厚，甚至更少。对于才行使了4.6万Km的1ZR-FE电喷发动机来说，气门积炭也不会多到引起发动机起动困难的程度。4）经过初步的排查，重点放到了电子节气门单元上。由于前期已经对节气门单元进行了清洗，重点对电子节气门单元与发动机ECU之间的连接线进行测量，阻值都小于1Ω，符合标准。最后，把电子节气门单元接上接插头，让一同事在驾驶室内打开钥匙，慢踩油门踏板，观察到节气门活叶转动灵活，反应灵敏，没有发现异常。一般常见的会引起发动机起动困难的原因已经排查了一遍，都未能发现异常。还会是什么原因引起的呢？这时，车间里的一台配置5S-FE发动机的97款佳美轿车引起了我的注意。该车刚大修完，正在着车调试，但开始时无论怎么调试，发动机都是非常抖动，最后检查正时，发现正时皮带错装了两个齿位。笔者眼前一亮，莫非这卡罗拉的问题也出现在正时上？该车使用正时链条驱动凸轮轴，新车至今还没有拆换过正时链条，出现跳齿的可能几乎为零。但是该车采用了丰田的DualVVT-i可变气门正时技术，又使得气门正时产生变化变得非常可能。1ZR-FE发动机的配气相位如下图：从上图中可以看出，进气门打开是在1°～56°BTDC，关闭是65°～10°ABDC；排气门打开是在51°～11°BBDC，关闭是3°～43°ATDC。也就是进气凸轮轴可以在66°的范围内变化，排气凸轮轴也可以在54°范围内变化。如此大的变化范围可以相当于正时跳动了5～6个齿了。控制气门正时变化的是气门正时机油控制阀和VVT-i控制器。把进气侧气门正时机油控制阀拆下来检查，测量两端子之间的电阻为7.2Ω，在6.9Ω～7.9Ω之间，正常，按右图所示方法给控制阀通电，发现阀芯被机油积炭卡住不能自由移动。问题应该就是出现在这里了。用清洗剂把阀芯清洗干净，用机油润滑，再通电检查，阀芯可以自由移动，恢复正常。把排气侧的气门正时机油控制阀也拆下来检查，发现也有轻度的积炭滞塞，同样用清洗剂清洁润滑后，通电检查都恢复正常。把两个气门正时机油控制阀装复，试车，故障排除。六、结束语VVT－i是一项新技术，我们的维修经验还不多。而现在越来越多的发动机在应用该项技术，虽然每个生产厂都会有别于他人，控制技术各不相同，但基本工作原理是相同的。只要我们掌握了可变气门正时系统的结构和工作原理，还有验证分析的检测方法和手段，那我们的工作效率就会提高很多。本文通过本人在实际修理中碰到的故障实例，分析出VVT－i出现故障的现象，大部分都与发动机怠速抖动和高速性能下降，油耗增加有关。当然还可能与发动机的其他系统相关，但作为一项新技术，我们只有多了解它，认识它，才能有助于我们解决实际碰到的问题。七、致谢本文在写作过程中得到各位老师帮助，在此表示衷心的感谢。同时由于本人写作水平有限，文中难免有一些错漏的地方，恳请各位专家批评指正，本人不胜感激！参考文献：1.江苏科学技术出版社《可变气门正时系统结构原理与维修》主编：屠卫星2.一汽丰田《卡罗拉新技术培训》3.一汽丰田《卡罗拉维修手册》