丰田花冠发动机的结构组成和工作原理分析

第二节丰田花冠发动机的结构组成和工作原理分析2.1丰田花冠发动机的结构组成发动机的结构如图（2-1）：图2-1图2-2此发动机在设计时将发动机活塞的行程设计的很长，是一台长行程发动机，此类发动机在中低速扭力充沛，驾驶性良好，燃烧也完全，能降低HC的污染，也能节省燃油，曲轴采用偏心放置，相对于曲轴中心来说，缸孔中心向进气侧偏移8mm（图2-2左）。从而在最大压力作用时侧压力减小，同时也能改善燃油经济性。凸轮轴采用正时链条来驱动（图2-2右）。正时链条的寿命长，在正常的使用状况下，发动机用到报废都不需要调整与更换，可靠度比正时皮带高很多。气门采用新的技术，不使用气门调隙片，而以直接选配的方法来控制气门间隙，轻量化使得此发动机使用弹簧系数较低的气门弹簧，进而降低摩擦损失，行驶起来更加省油。2.1.1进气系统:图2-3此发动机气门采用较小的气门夹角，且没有采用传统的气门座，而是以激光在汽缸头镀上一层较薄的耐磨耗合金来取代气门座（图2-3），使得整个汽缸盖的体积显得特别的紧凑、燃烧室空间增大，从而能够使用较大的气门，让进排气量更大，高速性能得以充分提高。图2-4图2-5气缸盖采用垂直的进气道，以增加进气效率。喷油器安装在气缸盖上，防止燃油附在进气道壁上，同时减少废气排放量。气缸盖上水套通路使冷却性能最优，此外，冷却水旁通道设置在进气道下面，以减少部件数量，同时达到减轻重量的目的。进气门和排气门的角度小并设置在29度，以获得一紧凑型气缸盖。采用锥形挤压式燃烧室，使发动机抗爆燃性和燃油利用率得到提高（图2-4）。液压间隙调节器位于滚针式摇臂的支点，主要由柱塞、柱塞弹簧、单向球和单向球弹簧组成，通过气缸盖和内置弹簧提供的发动机机油使液压间隙调节器工作。机油压力和弹簧力作用在柱塞上，推动滚针式摇臂抵住凸轮，以调整开启和关闭气门期间产生的气门间隙，从而降低了配气机构的工作噪音（图2-5）。最关键的VVT-I系统是通过凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感、节气门位置传感器、空气流量计和水温传感器将信号传给发动机ECU，再由发动机ECU控制凸轮轴正时机油控制阀来实现系统的正常工作。下面我们来详细的了解一下它的控制]1[。图2-6VVT-I正时控制器的内部结构VVT-I系统控制器与进气凸轮轴耦合的叶片和从动正时链的壳体组成。与进气凸轮轴上的提前或滞后油路传送机油压力，使VVT-I控制器实行控制。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（图2-6）的内部结构主要由控制器外壳、叶轮、锁销、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。当发动机停止时进气凸轮轴多处在滞后状态，以确保启动性。图2-7如果液压没有传递至VVT-I控制器紧接着就启动发动机，这时候会对发动机VVT-I系统造成损坏。因此，就必须有一个控制元件来对系统进行保护，这就是锁销（图2-7），锁销就相当于一个单向阀，在发动机某种情况下不需要VVT-I系统工作时，就锁止叶片。而在发动机需要系统工作时，则要开启锁销，使叶片能自由转动。回位弹簧的作用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，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，以实现对凸轮轴相位进行实时智能调节，发动机的工作状态大致分为4个区域（如图2-8右所示），VVT-I系统根据不同的区域（如图所示的A、B、C及D区域）可以完全实现对配气相位进行智能调整]1[。图2-8气门在不同工作状态下实现的正时功能：图2-9A区域工况（图2-9）：怠速、轻载、低温和启动时，发动机转速低，进气量少，为防止出现缸内新鲜充量向进气管内的倒流，VVT-I控制进气门相位滞后，排气门相位提前，即减少了进排气门的叠开角，以便稳定燃烧，增加低速转矩，提高燃油经济性和环保性。图2-10B区域工况（图2-10）：中等载荷，发动机属于正常工况，为了降低NOx排放，VVT-I控制提早进气门开启角，推迟排气门关闭角，其目的是让部分废气倒流入进气管，降低了进入到汽缸的氧含量和混合气的燃烧温度，起到提高内部EGR率的效果，从而降低NOx的排放；另一方面，这一配气相位的好处也能降低泵气损失，改善燃油经济性。图2-11C区域工况（图2-11）：高速、重载，由于发动机转速较高，相当于发动机的换气时间缩短，因此，VVT-I控制排气门开启角度提前，同时应推迟进气门迟闭角，以最大程度低利用高转速时的气流惯性，充分进行过后充气，提高充气效率，满足发动机高速时动力性的要求。图2-12D区域工况（图2-12）：低中转速、大负荷VVT-I控制排气相位，使之适当推迟，即排气门开启角推迟，同时控制进气门相位提前，即减小进气门迟闭角，这样可提高充气效率，减小进气损失，使发动机获得最大转矩]2[。2.1.2燃油系统:图2-13采用了无回油系统，以减少燃油蒸气排放量，与燃油泵合为一体的燃油滤清器、压力调节器、燃油油位传感器和燃油切断阀，可以断开发动机部件的回油，并能防止燃油箱内部温度升高，见图（2-13）。燃油泵使用快速连接器连接带燃油软管的燃油管，以提高维护的方便性，喷油器为12孔型，以提高燃油雾化程度。2.1.3点火系统:图2-14采用了直接点火系统（DIS）,DIS能提高点火正时精度，减少高压损失（见图2-14）。取消了分电器，增强了点火系统的可靠性，DIS是一个独立的点火系统，每个汽缸有一个点火线圈（带点火器）。DIS共提供4个点火线圈，每个汽缸一个点火线圈，与点火线圈一体的火花塞帽与火花塞相接触。同时，点火器是封装的，以简化系统。2.1.4发动机缸体:汽缸体图（2-15）采用轻质铝合金制造，薄的铸铁衬套和汽缸体作为一个部件压制而成，衬套较薄，汽缸体的汽缸孔间相距7mm,因此不能镗缸，缸套有刺状突起，大面积的不规则铸件外表面可加强缸套和铝缸体间的附着力，利于散热、降低整体温度及减小气缸孔热变形。在汽缸体上设置了水泵涡流室和进气道，进气道孔设置图2-15在汽缸体曲轴轴瓦区域，因此，空气在汽缸体底部平稳流过，脉动损失减少，发动机输出性能得到改善，曲轴轴瓦盖采用梯形架结构，以提高刚性，降低噪声，汽缸体的后部加工成圆锥形，以改善与变速驱动桥的连接刚性。2.1.5冷却系图2-16冷却系统（图2-16）为全封闭、强制循环型。带旁通阀的节温器位于进水软管上，以保持冷却系统温度分配适当。采用铝散热芯，以减轻重量。在汽缸体上发动机冷却液采用U形回流，以确保发动机冷却液平稳流动。此外，汽缸盖和汽缸体上的旁通道是封闭的。热水由发动机送到节气门以防止结冰。散热器储液罐和风扇护罩被组合成型，以减少部件数量。单冷却风扇（图2-17）维持冷却系统和空调两者的运转性能。图2-172.1.6控制系统:图2-18图2-19发动机控制系统（图2-18）包括以下部分：电子燃油喷射系统、智能节气门电控系统、ESA电子点火提前角、双VVT-I智能可变气门正时、燃油泵控制、加热型氧传感器和空燃比传感器加热器控制、燃油蒸汽排放、发动机停机系统、冷却风扇控制。燃油泵控制系统接收来自SRS传感器的信号，当汽车发生正面碰撞气囊展开时，采用燃油切断控制停止燃油泵。发动机ECU检测到来自气囊传感器总成的气囊展开信号，并关闭电路断路继电器。激活燃油切断控制后，将点火开关从OFF切换至ON可取消燃油切断控制，并可重新启动发动机。如图2-19中气囊传感器总成与发动机ECU之间采用CAN总线进行通讯]1[。2.2丰田花冠发动机工作原理分析2.2.1工作原理图2-20图2-21VVT-I包含凸轮轴位置传感器和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2-20）。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，另一个方向是提前室容积减小、滞后室容积增加，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，发出保持信号，使滑阀处于中间状态，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2-21），以根据发动机工作状态实时地对正时相位进行调整]3[。(1)提前状态根据来自发动机ECU的提前信号，凸轮轴在提前位置，总油压作用到正时提前侧叶片室，使凸轮轴向正时提前方向转动（如图2-22）。图2-22凸轮轴正时机油控制阀（提前状态）(2)滞后状态根据来自发动机ECU的滞后信号处在滞后位置，总油压作用在正时滞后侧叶片室，使凸轮轴向正时滞后方向转动（如图2-23）。图2-22凸轮轴正时机油控制阀（滞后状态）(3)保持状态发动机ECU根据移动状况计算出预定的正时角，预定正时被设定后，使凸轮轴正时机油控制阀在空挡位置，保持气门正时直到移动状况改变。调整气门正时在预期目标位置，防止发动机机油在不必要时流出。凸轮轴正时机油控制阀位置处在保持位置（如图2-24）。图2-22凸轮轴正时机油控制阀（保持状态）VVT-I工作范围