豐田花冠發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理分析

1、第二節(jié)豐田花冠發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理分析2.1豐田花冠發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖（2-1）：圖2-1圖2-2此發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的行程設(shè)計(jì)的很長(zhǎng)，是一臺(tái)長(zhǎng)行程發(fā)動(dòng)機(jī)，此類發(fā)動(dòng)機(jī)在中低速扭力充沛，駕駛性良好，燃燒也完全，能降低HC的污染，也能節(jié)省燃油，曲軸采用偏心放置，相對(duì)于曲軸中心來(lái)說(shuō)，缸孔中心向進(jìn)氣側(cè)偏移8mm（圖2-2左）。從而在最大壓力作用時(shí)側(cè)壓力減小，同時(shí)也能改善燃油經(jīng)濟(jì)性。凸輪軸采用正時(shí)鏈條來(lái)驅(qū)動(dòng)（圖2-2右）。正時(shí)鏈條的壽命長(zhǎng)，在正常的使用狀況下，發(fā)動(dòng)機(jī)用到報(bào)廢都不需要調(diào)整與更換，可靠度比正時(shí)皮帶高很多。氣門(mén)采用新的技術(shù)，不使用氣門(mén)調(diào)隙片，而以直接選配的方法來(lái)控制

2、氣門(mén)間隙，輕量化使得此發(fā)動(dòng)機(jī)使用彈簧系數(shù)較低的氣門(mén)彈簧，進(jìn)而降低摩擦損失，行駛起來(lái)更加省油。進(jìn)氣系統(tǒng): 圖2-3此發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)采用較小的氣門(mén)夾角，且沒(méi)有采用傳統(tǒng)的氣門(mén)座，而是以激光在汽缸頭鍍上一層較薄的耐磨耗合金來(lái)取代氣門(mén)座（圖2-3），使得整個(gè)汽缸蓋的體積顯得特別的緊湊、燃燒室空間增大，從而能夠使用較大的氣門(mén)，讓進(jìn)排氣量更大，高速性能得以充分提高。圖2-4圖2-5氣缸蓋采用垂直的進(jìn)氣道，以增加進(jìn)氣效率。噴油器安裝在氣缸蓋上，防止燃油附在進(jìn)氣道壁上，同時(shí)減少?gòu)U氣排放量。氣缸蓋上水套通路使冷卻性能最優(yōu)，此外，冷卻水旁通道設(shè)置在進(jìn)氣道下面，以減少部件數(shù)量，同時(shí)達(dá)到減輕重量的目的。進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)的角度

3、小并設(shè)置在29度，以獲得一緊湊型氣缸蓋。采用錐形擠壓式燃燒室，使發(fā)動(dòng)機(jī)抗爆燃性和燃油利用率得到提高（圖2-4）。液壓間隙調(diào)節(jié)器位于滾針式搖臂的支點(diǎn)，主要由柱塞、柱塞彈簧、單向球和單向球彈簧組成，通過(guò)氣缸蓋和內(nèi)置彈簧提供的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油使液壓間隙調(diào)節(jié)器工作。機(jī)油壓力和彈簧力作用在柱塞上，推動(dòng)滾針式搖臂抵住凸輪，以調(diào)整開(kāi)啟和關(guān)閉氣門(mén)期間產(chǎn)生的氣門(mén)間隙，從而降低了配氣機(jī)構(gòu)的工作噪音（圖2-5）。最關(guān)鍵的VVT-I系統(tǒng)是通過(guò)凸輪軸位置傳感器、曲軸位置傳感、節(jié)氣門(mén)位置傳感器、空氣流量計(jì)和水溫傳感器將信號(hào)傳給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，再由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU控制凸輪軸正時(shí)機(jī)油控制閥來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常工作。下面我們來(lái)詳細(xì)的了解一下它

4、的控制。圖2-6 VVT-I正時(shí)控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)VVT-I系統(tǒng)控制器與進(jìn)氣凸輪軸耦合的葉片和從動(dòng)正時(shí)鏈的殼體組成。與進(jìn)氣凸輪軸上的提前或滯后油路傳送機(jī)油壓力，使VVT-I控制器實(shí)行控制。主正時(shí)鏈驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣側(cè)的VVT-I控制器外殼的鏈輪，外殼上的另一鏈輪驅(qū)動(dòng)副正時(shí)鏈，并同時(shí)驅(qū)動(dòng)排氣側(cè)VVT-I控制器外殼。VVT-I控制器（圖2-6）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由控制器外殼、葉輪、鎖銷、葉輪回位彈簧、端蓋及螺栓等組成。葉輪與凸輪軸是固定的，即為“硬連接”，而控制器外殼與葉輪之間不是硬連接，它們之間可以有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這一相對(duì)運(yùn)動(dòng)是由氣門(mén)正時(shí)提前室和滯后室的容積決定，顯然容積改變即改變了葉輪與控制器外殼之間的相對(duì)角度，

5、也就改變了氣門(mén)的配氣相位。因此，當(dāng)提前室容積增大，滯后室容積減小，葉輪相對(duì)于控制器外殼的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與外殼的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，則凸輪軸的相位也就提早，反之亦然。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)進(jìn)氣凸輪軸多處在滯后狀態(tài)，以確保啟動(dòng)性。圖2-7如果液壓沒(méi)有傳遞至VVT-I控制器緊接著就啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，這時(shí)候會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)VVT-I系統(tǒng)造成損壞。因此，就必須有一個(gè)控制元件來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，這就是鎖銷（圖2-7），鎖銷就相當(dāng)于一個(gè)單向閥，在發(fā)動(dòng)機(jī)某種情況下不需要VVT-I系統(tǒng)工作時(shí)，就鎖止葉片。而在發(fā)動(dòng)機(jī)需要系統(tǒng)工作時(shí)，則要開(kāi)啟鎖銷，使葉片能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。 回位彈簧的作用是使葉輪回到最滯后的位置，這一位置是發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)位置，此時(shí)提前室容

6、積最小，鎖止銷在彈簧力作用下被推入控制器外殼的銷孔內(nèi)，于是外殼與葉輪處于“硬連接”，這有利于發(fā)動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，由于系統(tǒng)建立了油壓，鎖止銷在油壓的作用下使彈簧被壓縮，隨之鎖止銷從控制器外殼銷孔內(nèi)脫出，于是外殼與葉輪之間就可以有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)提前室和滯后室容積的控制，能同時(shí)對(duì)進(jìn)、排氣門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉正時(shí)進(jìn)行控制，也就是能控制進(jìn)、排氣門(mén)打開(kāi)和關(guān)閉的最大提前角和最大遲閉角。這一系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同的工作狀態(tài)，連續(xù)地調(diào)節(jié)進(jìn)、排氣門(mén)的閉合角度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)凸輪軸相位進(jìn)行實(shí)時(shí)智能調(diào)節(jié)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)大致分為4個(gè)區(qū)域（如圖2-8右所示），VVT-I系統(tǒng)根據(jù)不同的區(qū)域（如圖所示的A、B、C及D區(qū)域

7、）可以完全實(shí)現(xiàn)對(duì)配氣相位進(jìn)行智能調(diào)整。圖2-8氣門(mén)在不同工作狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)的正時(shí)功能：圖2-9A區(qū)域工況（圖2-9）：怠速、輕載、低溫和啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低，進(jìn)氣量少，為防止出現(xiàn)缸內(nèi)新鮮充量向進(jìn)氣管內(nèi)的倒流，VVT-I控制進(jìn)氣門(mén)相位滯后，排氣門(mén)相位提前，即減少了進(jìn)排氣門(mén)的疊開(kāi)角，以便穩(wěn)定燃燒，增加低速轉(zhuǎn)矩，提高燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。圖2-10B區(qū)域工況（圖2-10）：中等載荷，發(fā)動(dòng)機(jī)屬于正常工況，為了降低NOx排放，VVT-I控制提早進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟角，推遲排氣門(mén)關(guān)閉角，其目的是讓部分廢氣倒流入進(jìn)氣管，降低了進(jìn)入到汽缸的氧含量和混合氣的燃燒溫度，起到提高內(nèi)部EGR率的效果，從而降低NOx的排放；另一方面，

8、這一配氣相位的好處也能降低泵氣損失，改善燃油經(jīng)濟(jì)性。圖2-11C區(qū)域工況（圖2-11）：高速、重載，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣時(shí)間縮短，因此，VVT-I控制排氣門(mén)開(kāi)啟角度提前，同時(shí)應(yīng)推遲進(jìn)氣門(mén)遲閉角，以最大程度低利用高轉(zhuǎn)速時(shí)的氣流慣性，充分進(jìn)行過(guò)后充氣，提高充氣效率，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)動(dòng)力性的要求。圖2-12D區(qū)域工況（圖2-12）：低中轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷VVT-I控制排氣相位，使之適當(dāng)推遲，即排氣門(mén)開(kāi)啟角推遲，同時(shí)控制進(jìn)氣門(mén)相位提前，即減小進(jìn)氣門(mén)遲閉角，這樣可提高充氣效率，減小進(jìn)氣損失，使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得最大轉(zhuǎn)矩。2.1.2燃油系統(tǒng): 圖2-13采用了無(wú)回油系統(tǒng)，以減少燃油蒸氣排放量，與燃油泵

9、合為一體的燃油濾清器、壓力調(diào)節(jié)器、燃油油位傳感器和燃油切斷閥，可以斷開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的回油，并能防止燃油箱內(nèi)部溫度升高，見(jiàn)圖（2-13）。燃油泵使用快速連接器連接帶燃油軟管的燃油管，以提高維護(hù)的方便性，噴油器為12孔型，以提高燃油霧化程度。2.1.3點(diǎn)火系統(tǒng):圖2-14采用了直接點(diǎn)火系統(tǒng)（DIS）,DIS能提高點(diǎn)火正時(shí)精度，減少高壓損失（見(jiàn)圖2-14）。取消了分電器，增強(qiáng)了點(diǎn)火系統(tǒng)的可靠性，DIS是一個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)火系統(tǒng)，每個(gè)汽缸有一個(gè)點(diǎn)火線圈（帶點(diǎn)火器）。DIS共提供4個(gè)點(diǎn)火線圈，每個(gè)汽缸一個(gè)點(diǎn)火線圈，與點(diǎn)火線圈一體的火花塞帽與火花塞相接觸。同時(shí)，點(diǎn)火器是封裝的，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)。2.1.4 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體:

10、汽缸體圖（2-15）采用輕質(zhì)鋁合金制造，薄的鑄鐵襯套和汽缸體作為一個(gè)部件壓制而成，襯套較薄，汽缸體的汽缸孔間相距7mm,因此不能鏜缸，缸套有刺狀突起，大面積的不規(guī)則鑄件外表面可加強(qiáng)缸套和鋁缸體間的附著力，利于散熱、降低整體溫度及減小氣缸孔熱變形。在汽缸體上設(shè)置了水泵渦流室和進(jìn)氣道，進(jìn)氣道孔設(shè)置圖2-15在汽缸體曲軸軸瓦區(qū)域，因此，空氣在汽缸體底部平穩(wěn)流過(guò)，脈動(dòng)損失減少，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出性能得到改善，曲軸軸瓦蓋采用梯形架結(jié)構(gòu)，以提高剛性，降低噪聲，汽缸體的后部加工成圓錐形，以改善與變速驅(qū)動(dòng)橋的連接剛性。 冷卻系圖2-16冷卻系統(tǒng)（圖2-16）為全封閉、強(qiáng)制循環(huán)型。帶旁通閥的節(jié)溫器位于進(jìn)水軟管上，以保持

11、冷卻系統(tǒng)溫度分配適當(dāng)。采用鋁散熱芯，以減輕重量。在汽缸體上發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液采用U形回流，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液平穩(wěn)流動(dòng)。此外，汽缸蓋和汽缸體上的旁通道是封閉的。熱水由發(fā)動(dòng)機(jī)送到節(jié)氣門(mén)以防止結(jié)冰。散熱器儲(chǔ)液罐和風(fēng)扇護(hù)罩被組合成型，以減少部件數(shù)量。單冷卻風(fēng)扇（圖2-17）維持冷卻系統(tǒng)和空調(diào)兩者的運(yùn)轉(zhuǎn)性能。圖2-172.1.6 控制系統(tǒng):圖2-18圖2-19發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)（圖2-18）包括以下部分：電子燃油噴射系統(tǒng)、智能節(jié)氣門(mén)電控系統(tǒng)、ESA電子點(diǎn)火提前角、雙VVT-I智能可變氣門(mén)正時(shí)、燃油泵控制、加熱型氧傳感器和空燃比傳感器加熱器控制、燃油蒸汽排放、發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)系統(tǒng)、冷卻風(fēng)扇控制。燃油泵控制系統(tǒng)接收來(lái)自SR

12、S傳感器的信號(hào)，當(dāng)汽車發(fā)生正面碰撞氣囊展開(kāi)時(shí)，采用燃油切斷控制停止燃油泵。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU檢測(cè)到來(lái)自氣囊傳感器總成的氣囊展開(kāi)信號(hào)，并關(guān)閉電路斷路繼電器。激活燃油切斷控制后，將點(diǎn)火開(kāi)關(guān)從OFF切換至ON可取消燃油切斷控制，并可重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。如圖2-19中氣囊傳感器總成與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU之間采用CAN總線進(jìn)行通訊。2.2豐田花冠發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理分析工作原理圖2-20圖2-21VVT-I包含凸輪軸位置傳感器和凸輪軸正時(shí)液壓控制閥。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU依據(jù)曲軸位置傳感器、空氣流量計(jì)和節(jié)氣門(mén)位置傳感器的信號(hào)確定對(duì)葉輪正時(shí)的控制指令，液壓控制電磁閥根據(jù)ECU來(lái)的控制信號(hào)推動(dòng)滑閥（如圖2-20）。壓力油在滑閥的控制下有兩個(gè)

13、方向的流動(dòng)，一個(gè)方向是使提前室容積增加、滯后室容積減小，另一個(gè)方向是提前室容積減小、滯后室容積增加，前者配氣相位提早，后者配氣相位推遲。當(dāng)ECU判斷不需要調(diào)整配氣相位時(shí)，發(fā)出保持信號(hào)，使滑閥處于中間狀態(tài)，即壓力油不流動(dòng)，提前室與滯后室容積不變，凸輪軸相位也不變。由于各種原因，VVT-I控制器對(duì)凸輪軸的控制不一定準(zhǔn)確地把凸輪軸位置調(diào)整到與氣門(mén)相應(yīng)的理想位置。因此，凸輪軸位置傳感器的作用就是檢測(cè)凸輪軸的實(shí)際位置，并把這一位置信號(hào)反饋給ECU，對(duì)目標(biāo)葉輪正時(shí)進(jìn)行控制，使凸輪軸的位置精確地處于理想的相位。與此同時(shí)，ECU還把水溫傳感器和車速傳感器信號(hào)作為修正信號(hào)，也對(duì)目標(biāo)葉輪進(jìn)行修正控制（如圖2-21），以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)地對(duì)正時(shí)相位進(jìn)行調(diào)整。(1)提前狀態(tài)根據(jù)來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的提前信號(hào)，凸輪軸在提前位置，總油壓作用到正時(shí)提前側(cè)葉片室，使凸輪軸向正時(shí)提前方向轉(zhuǎn)動(dòng)（如圖2-22）。圖2-22 凸輪軸正時(shí)機(jī)油控制閥（提前狀態(tài)）(2)滯后狀態(tài)根據(jù)來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的滯后信號(hào)處在滯后位置，總油壓作