卡羅拉VVT的原理及故障檢修

1、戸羅拉可變氣門正時(shí)系統(tǒng)的原理及故障診斷 刖言 缸排量，頂置雙凸輪軸（D0HC16氣門、 a * 1ZR-FE發(fā)動(dòng)機(jī)是豐田汽車公司新開發(fā)的機(jī)型，直列4缸1.6升的氣 Dual VVT-i, DIS和ETSC-i電控系統(tǒng)，最大 功率為90kw。Dual VVT-i （智能可變氣門 正時(shí)）技術(shù)是這一款車的一大技術(shù)亮點(diǎn)。 我們知道，發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣正時(shí)對(duì)其動(dòng) 力性、經(jīng)濟(jì)性及排氣污染都有重要的影響。 最佳的配氣正時(shí)應(yīng)使發(fā)動(dòng)機(jī)在很短的換氣時(shí)間內(nèi)充入最多的新鮮空 氣（可燃混合氣），并使排氣阻力最小，廢氣殘留量最少。廢氣殘留 量最少，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，由于氣流的速度和進(jìn)排氣門早開遲閉絕 對(duì)時(shí)間都發(fā)生了變化，因此，

2、其最佳的配氣相位角也應(yīng)隨之變化。而 眾所周知，一般的四行程發(fā)動(dòng)機(jī)它的氣門開閉由固定加工成型的凸輪 軸啟動(dòng)，進(jìn)排氣門的開閉角度固定不變。亦即意味著該型發(fā)動(dòng)機(jī)從設(shè) 計(jì)開始就宣布了它只能在某一轉(zhuǎn)速范圍下處于最佳狀的配氣相位，獲 得最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和最少的排放污染。（而其他轉(zhuǎn)速范圍 內(nèi)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放污染都不是最佳狀態(tài)） 而無(wú)法兼顧低轉(zhuǎn)速 與高轉(zhuǎn)速時(shí)動(dòng)力的需求。 豐田可變氣門正時(shí)系統(tǒng)Dual VVT-i正是為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在多種 工況對(duì)配氣的需要及滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在各種轉(zhuǎn)速工況下均能平順地輸出 強(qiáng)勁的動(dòng)力要求。它通過(guò)電控系統(tǒng)對(duì)進(jìn)排氣門的開啟時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié), 通過(guò)在不同轉(zhuǎn)速下為車輛匹配更合理的氣門開

3、啟或關(guān)閉，來(lái)增加車輛 扭矩輸出的均衡性，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率并降低車輛的油耗。 在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 速不同時(shí)，讓凸輪軸與鏈輪之間亦有著不同的角度， 進(jìn)而讓進(jìn)排氣門 在不同的時(shí)機(jī)開啟關(guān)閉，達(dá)到可變氣門正時(shí)的目的。 進(jìn)而可讓發(fā)動(dòng)機(jī) 在各轉(zhuǎn)速區(qū)域時(shí)，均能有充足而適當(dāng)?shù)幕旌蠚夤?yīng), 以輸出充沛的動(dòng) 力。從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性，降低 尾氣的排放。 一、配氣相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響 四行發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中，吸入新鮮空氣排出高溫廢氣。一般的 車用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。以3000r/min為例，每一個(gè)工作循環(huán)的進(jìn)排氣過(guò)程 只有0.01s,在這極短的時(shí)間內(nèi)，被吸入的混合氣愈多，廢氣排放愈 干凈徹底。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)

4、力性和經(jīng)濟(jì)性就會(huì)下降，由此可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的 功率和扭矩主要取決于吸入的空氣量的多少和換氣質(zhì)量的好壞。 塞一到下止點(diǎn)進(jìn)氣門就迅速全關(guān)閉， 排氣門迅速全打開的方波形工作 方式。因此，一般發(fā)動(dòng)機(jī)都會(huì)采用如圖 1 所示的配氣相位，進(jìn)排氣都 提前開啟和滯后關(guān)閉。 力求達(dá)到進(jìn)入最多的新鮮空氣和徹底排出燃燒 后的廢氣。 普通的發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中， 配氣定時(shí)是不能改變的， 充氣效率 在某一轉(zhuǎn)速下達(dá)到最大值。 我們可以通過(guò)改變進(jìn)氣門的遲閉角以改變 沖氣效率隨轉(zhuǎn)速變化的趨勢(shì)。 用來(lái)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性， 以滿足不同 的使用要求。 從配氣相位圖中可以看出，存在一個(gè)進(jìn)氣門和排氣門同時(shí)打開的 時(shí)刻，即“氣門重疊” 。這樣就

5、有可能造成廢氣倒流。這種現(xiàn)象在發(fā) 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于 1000r/min 的怠速工況最明顯，有研究表明。怠速工作 下的“重疊階段” 時(shí)間是中等速度工作條件的 7 倍。這容易造成怠速 工作不順暢。振動(dòng)過(guò)大，功率下降等現(xiàn)象。尤其是采用四氣門的發(fā)動(dòng) 機(jī)，由于“簾區(qū)”值大，“重疊階段 ”更容易造成怠速運(yùn)轉(zhuǎn)不暢順的現(xiàn)象。 而且采用 Dual VVT-i 這種機(jī)構(gòu)之后， 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)就沒(méi)有必要 了，因?yàn)樗梢赃M(jìn)行內(nèi)部排氣再循環(huán)控制。 二、Dual VVT-i結(jié)構(gòu)組成 該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖 2所示。機(jī)械部分主要由進(jìn)排氣 VVT-i 執(zhí)行器構(gòu) 成，電氣部分則由進(jìn)排氣凸輪軸傳感器和進(jìn)排氣氣門正時(shí)機(jī)油控制閥 組成。V

6、VT-i控制器可調(diào)整凸輪軸轉(zhuǎn)角氣門正時(shí)，凸輪軸正時(shí)機(jī)油控 制閥是控制油壓的。正時(shí)鏈驅(qū)動(dòng) VVT-i 控制器外殼的鏈輪。 反 WT-i -ffltr訕輪軸祁采用：rwTJ -ym %凸輪軸兒采用2個(gè)MRE型 WT ft感器 圖2卡羅拉Dual VVT-i 發(fā)動(dòng)機(jī)基本構(gòu)成 OCV- MRE恨性黑 （出門 WT盤V琴 WT :上匚鬲 ciri） OCV （逍咒 1. VVT-i控制器 VVT-i控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由控制器外殼、葉輪、 鎖止銷、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)

7、是由氣門正時(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，也就改變了氣門的配氣相位。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。回位彈簧的作用（如 圖3右所示）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

8、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，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)。 BT 圖3 WT-i控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2.凸輪軸正時(shí)機(jī)油控制閥（OCV）如右圖 凸輪軸正時(shí)機(jī)油控制閥（OCV ）是 連接器 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU輸出的占空比電流 量，控制滑閥的位置和分配用于vvt-i 控制器流到提前側(cè)或延遲側(cè)的油壓 柱塞 與通道，VVT-i控制器則應(yīng)用油壓使 凸輪軸旋轉(zhuǎn)到提前、延遲或保持氣門正時(shí)所該處的位置。 三、豐田Dual VVT-i工作原理 H “-件辱： 務(wù):煤整鯉瑟葺莎性農(nóng)価燈仝住嚟 :,金八 r IfF 圖4Dual WT-i控制系統(tǒng)組成 Dual VVT-i控制系統(tǒng)組成如圖4所示

9、，雙VVT-i有兩個(gè)凸輪 軸位置傳感器和兩個(gè)凸輪軸正時(shí)液壓控制閥。 發(fā)動(dòng)機(jī)ECU儲(chǔ)存了最佳 氣門正時(shí)參數(shù)值，依據(jù)曲軸位置傳感器、空氣流量計(jì)和節(jié)氣門位置傳 感器的信號(hào)與預(yù)定參數(shù)值進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，計(jì)算出修正參數(shù)并發(fā)出指令 到控制凸輪軸正時(shí)液壓控制閥（如圖 5），控制閥根據(jù)ECU指令控制 機(jī)油槽閥的位置，也就是改變液壓流量，把提前、滯后、保持不變等 信號(hào)指令選擇輸送至 VVT- i控制器的不同油道上。壓力油在滑閥的 控制下有兩個(gè)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?。ㄈ鐖D6中紅色箭頭方向），另一個(gè)方向是提前室容積減小、 滯后室容積增加（如圖6中藍(lán)色箭頭方向），前者配氣相位提早，后 者

10、配氣相位推遲。當(dāng)ECU判斷不需要調(diào)整配氣相位時(shí)，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 5),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。 ECM 圖5 Dual VVT-i系統(tǒng)控制原理圖 圖6Dual VVT-

11、i系統(tǒng)液壓控制原理圖 五、故障實(shí)例: 故障1： 一輛2007年款一汽豐田卡羅拉 GL轎車，配備1ZR-FE 發(fā)動(dòng)機(jī)，行使了 4.6萬(wàn)公里。據(jù)用戶反映，該車最近一個(gè)月來(lái)頻繁出 現(xiàn)著車?yán)щy的故障，早上要打好幾次馬達(dá)才能著車，即使能著車，怠 速也很不穩(wěn)定，抖動(dòng)得很厲害，最近還出現(xiàn)了熱車熄了車馬上再著車， 轉(zhuǎn)速會(huì)慢慢提高到2800r/min,降不下來(lái)，得熄火等個(gè)10多分鐘后再 著車。 檢查分析：接車后,車間維修人員首先進(jìn)行故障現(xiàn)象檢驗(yàn),確實(shí)如 用戶反映的那樣, 要打好幾次馬達(dá)才能著車, 而且發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)得非常 厲害,象要熄火,廢氣也很難聞, 嗆眼嗆鼻。檢查發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈（ MIL ） 在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能熄滅

12、。在詢問(wèn)確認(rèn)用戶還沒(méi)有做過(guò)油電路保養(yǎng)后, 修理工對(duì)該車進(jìn)行了油電路保養(yǎng),清洗了節(jié)氣門、噴油嘴,更換了汽 油濾清器,但是故障依舊。 引起發(fā)動(dòng)機(jī)難著車的可能故障原因包括：水溫傳感器信號(hào)不良, 汽油噴射壓力不足、噴油嘴泄露,電子節(jié)氣門電機(jī)控制不良,進(jìn)氣門 積炭過(guò)多等。本著從易到難的程序,對(duì)該車進(jìn)行故障排查： 1）把水溫傳感器從車上拆下，測(cè)量室溫（約25 C ）時(shí)，阻值為 2.4K Q。把水溫傳感器泡到開水里進(jìn)一步 溫度約93 C時(shí)，阻 值為220Q,并且在水溫下降的過(guò)程中，測(cè)得傳感器阻值逐漸上升, 說(shuō)明水溫傳感器元件正常。進(jìn)一步測(cè)量水溫傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī) ECU 端 子THW和ETHW之間的連接線阻值，

13、兩根導(dǎo)線的阻值都小于 1 Q, 也正常,至此可以排除水溫傳感器的故障。 2）在燃油管接上燃油壓力表,打馬達(dá)著車,油壓能迅速建立到 280Kpa,熄車10分鐘后再檢查，還能保持在240Kpa,大于標(biāo)準(zhǔn)要求 的220Kpa。油泵和燃油壓力也沒(méi)有問(wèn)題了。這么新的汽車，噴油嘴 出現(xiàn)泄露的可能性也不大。 3）現(xiàn)在國(guó)家的汽油出廠標(biāo)準(zhǔn)提高了， 根據(jù)我對(duì)其他發(fā)動(dòng)機(jī)大修的拆 檢經(jīng)驗(yàn)，電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門積炭在行使了 15萬(wàn)Km到20萬(wàn)Km時(shí), 也僅有23mm厚，甚至更少。對(duì)于才行使了 4.6萬(wàn)Km的1ZR-FE 電噴發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，氣門積炭也不會(huì)多到引起發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難的程度。 4）經(jīng)過(guò)初步的排查，重點(diǎn)放到了電子節(jié)氣門單

14、元上。由于前期已經(jīng) 對(duì)節(jié)氣門單元進(jìn)行了清洗，重點(diǎn)對(duì)電子節(jié)氣門單元與發(fā)動(dòng)機(jī) ECU 之 間的連接線進(jìn)行測(cè)量，阻值都小于1Q,符合標(biāo)準(zhǔn)。最后，把電子節(jié) 氣門單元接上接插頭， 讓一同事在駕駛室內(nèi)打開鑰匙， 慢踩油門踏板， 觀察到節(jié)氣門活葉轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，反應(yīng)靈敏，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常。 般常見(jiàn)的會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難的原因已經(jīng)排查了一遍， 都未 能發(fā)現(xiàn)異常。還會(huì)是什么原因引起的呢？ 這時(shí)，車間里的一臺(tái)配置 5S-FE發(fā)動(dòng)機(jī)的97款佳美轎車引起了 我的注意。該車剛大修完，正在著車調(diào)試，但開始時(shí)無(wú)論怎么調(diào)試， 發(fā)動(dòng)機(jī)都是非常抖動(dòng)， 最后檢查正時(shí)，發(fā)現(xiàn)正時(shí)皮帶錯(cuò)裝了兩個(gè)齒位。 筆者眼前一亮，莫非這卡羅拉的問(wèn)題也出現(xiàn)在正時(shí)

15、上？ 該車使用正時(shí)鏈條驅(qū)動(dòng)凸輪軸，新車至今還沒(méi)有拆換過(guò)正時(shí)鏈 條，出現(xiàn)跳齒的可能幾乎為零。但是該車采用了豐田的 Dual VVT-i 可變氣門正時(shí)技術(shù)， 又使得氣門正時(shí)產(chǎn)生變化變得非?？赡?。 1ZR-FE 發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣相位如下圖： BTD匚 560 . TOC BTDCATDC 眇 fl Aaoc 65 機(jī)油控制閥和VVT-i控制器。把進(jìn)氣側(cè) 氣門正時(shí)機(jī)油控制閥拆下來(lái)檢查，測(cè)量 鑫6 暮動(dòng) ATOC 430 I z 排氣門打開是在5111 BBDC ,關(guān)閉是3 43 ATDC。也就是進(jìn)氣凸輪軸可以在66的范圍內(nèi)變化，排氣凸輪 軸也可以在54范圍內(nèi)變化。如此大的變化范圍可以相當(dāng)于正時(shí)跳 動(dòng)了 5

16、6個(gè)齒了。 控制氣門正時(shí)變化的是氣門正時(shí) 兩端子之間的電阻為7.2Q,在6.9Q 7.9Q之間，正常，按右圖所示方法給 控制閥通電，發(fā)現(xiàn)閥芯被機(jī)油積炭卡住不能自由移動(dòng)。 問(wèn)題應(yīng)該就是 出現(xiàn)在這里了。用清洗劑把閥芯清洗干凈，用機(jī)油潤(rùn)滑，再通電檢查, 閥芯可以自由移動(dòng)，恢復(fù)正常。把排氣側(cè)的氣門正時(shí)機(jī)油控制閥也拆 下來(lái)檢查，發(fā)現(xiàn)也有輕度的積炭滯塞，同樣用清洗劑清潔潤(rùn)滑后，通 電檢查都恢復(fù)正常。把兩個(gè)氣門正時(shí)機(jī)油控制閥裝復(fù)，試車，故障排 除。 六、結(jié)束語(yǔ) VVT - i是一項(xiàng)新技術(shù)，我們的維修經(jīng)驗(yàn)還不多。而現(xiàn)在越來(lái)越 多的發(fā)動(dòng)機(jī)在應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，雖然每個(gè)生產(chǎn)廠都會(huì)有別于他人，控 制技術(shù)各不相同，但基本工作原理是相同的。只要我們掌握了可變 氣門正時(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理， 還有驗(yàn)證分析的檢測(cè)方法和手段， 那我們的工作效率就會(huì)提高很多。本文通過(guò)本人在實(shí)際修理中碰到 的故障實(shí)例，分析