豐田VVT-i發(fā)動機正時齒輪技術(shù)

1、VVT-i是Variable Valve Timing-intelligent的縮寫，它代表的含義就是智能正時可變氣門控制系統(tǒng)。這一裝置提高了進(jìn)氣效率，實現(xiàn)了低、中轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)扭矩的充分輸出，保證了各個工況下都能得到足夠的動力表現(xiàn)。另一個先進(jìn)之處在于全鋁合金缸體帶來的輕量化，不僅減小了質(zhì)量，也降低了發(fā)動機的噪聲?？勺兣錃庹龝r 可變配氣正時控制機構(gòu)的主要目的是在維持發(fā)動機怠速性能情況下，改善全負(fù)荷性能。這種機構(gòu)是保持進(jìn)氣門開啟持續(xù)角不變，改變進(jìn)氣門開閉時刻來增加充氣量。 （1）凌志LS400汽車可變配氣正時控制機構(gòu)(VVT-i) VVT-i系統(tǒng)用于控制進(jìn)氣門凸輪軸在50°范圍內(nèi)調(diào)整凸輪軸

2、轉(zhuǎn)角，使配氣正時滿足優(yōu)化控制發(fā)動機工作狀態(tài)的要求，從而提高發(fā)動機在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和降低尾氣的排放。 VVT-i系統(tǒng)由VVT-i控制器、凸輪軸正時機油控制閥和傳感器三部分組成，如下圖所示。其中傳感器有曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器和VVT傳感器。 LS400汽車的發(fā)動機是8缸V型排列4氣門式的，有兩根進(jìn)氣凸輪軸和兩根排氣凸輪軸。在工作過程中，排氣凸輪軸由凸輪軸齒形帶輪驅(qū)動，其相對于齒形帶輪的轉(zhuǎn)角不變。曲軸位置傳感器測量曲軸轉(zhuǎn)角，向ECU提供發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號；凸輪軸位置傳感器測量齒形帶輪轉(zhuǎn)角；VVT傳感器測量進(jìn)氣凸輪軸相對于齒形帶輪的轉(zhuǎn)角。它們的信號輸入ECU，ECU根據(jù)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷

3、的要求控制進(jìn)氣凸輪軸正時控制閥，控制器根據(jù)指令使進(jìn)氣凸輪軸相對于齒形帶旋轉(zhuǎn)一個角度，達(dá)到進(jìn)氣門延遲開閉的目的，用以增大高速時的進(jìn)氣遲后角，從而提高充氣效率。 1)結(jié)構(gòu) VVT-i控制器的結(jié)構(gòu)如下圖所示，它包括由正時帶驅(qū)動的外齒輪和與進(jìn)氣凸輪軸剛性連接的內(nèi)齒輪，以及一個內(nèi)齒輪、外齒輪之間的可動活塞?；钊膬?nèi)、外表面上有螺旋形花鍵?；钊剌S向的移動，會改變內(nèi)、外齒輪的相對位置，從而產(chǎn)生配氣相位的連續(xù)改變。 VVT外殼通過安裝在其后部的剪式齒輪驅(qū)動排氣門凸輪軸。 凸輪軸正時控制閥根據(jù)ECU的指令控制閥軸的位置，從而將油壓施加給凸輪軸正時帶輪以提前或推遲配氣正時。發(fā)動機停機時，凸輪軸正時控制閥處于最延

4、遲的位置，如下圖（b）所示。 2)工作原理 根據(jù)發(fā)動機ECU的指令，當(dāng)凸輪軸正時控制閥位于圖（a）所示時，機油壓力施加在活塞的左側(cè)，使得活塞向右移動。由于活塞上的旋轉(zhuǎn)花鍵的作用，進(jìn)氣凸輪軸相對于凸輪軸正時帶輪提前某一角度。 當(dāng)凸輪軸正時控制閥位于圖（b）位置時，活塞向左移動，并向延遲的方向旋轉(zhuǎn)。進(jìn)而，凸輪軸正時控制閥關(guān)閉油道，保持活塞兩側(cè)的壓力平衡，從而保持配氣相位，由此得到理想的配氣正時。 提高充氣效率是提高發(fā)動機動力性能的重要措施。除了增壓以外，合理選擇配氣相位且能隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速不同而變化，以及利用進(jìn)氣的慣性及諧振效應(yīng)是提高充氣效率的重要途徑。 進(jìn)氣慣性及諧振效應(yīng)是隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣管長度

5、及管徑大小的變化而變化。在不同轉(zhuǎn)速下，進(jìn)氣管長度應(yīng)有所不同，方能獲得良好的進(jìn)氣慣性效應(yīng)。并且，只有采用可變配氣相位，可變進(jìn)氣系統(tǒng)才能適應(yīng)不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的要求，才能較全面地提高發(fā)動機性能。 可變進(jìn)氣系及配氣相位改善發(fā)動機的性能，主要體現(xiàn)在以下幾方面： 能兼顧高速及低速不同工況，提高發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟(jì)性； 降低發(fā)動機的排放； 改善發(fā)動機怠速及低速時的性能及穩(wěn)定性。 這里首先介紹可變進(jìn)氣系統(tǒng)，至于可變配氣相位以后會以不同的方式再作介紹。 可變進(jìn)氣系統(tǒng)分為兩類：(1)多氣門分別投入工作；(2)可變進(jìn)氣道系統(tǒng)。其目的都是為了改變進(jìn)氣渦流強度、提高充氣效率；或者為了形成諧振及進(jìn)氣脈沖慣性效應(yīng)，以適應(yīng)低

6、速及中高速工況都能提高性能的需要。 1多氣門分別投入工作 實現(xiàn)多氣門分別投入工作的結(jié)構(gòu)方案有如下兩種：第一，通過凸輪或搖臂控制氣門按時開或關(guān)；第二，在氣道中設(shè)置旋轉(zhuǎn)閥門，按需要打開或關(guān)閉該氣門的進(jìn)氣通道，其結(jié)構(gòu)如圖3-94a)所示，這種結(jié)構(gòu)比用凸輪、搖臂控制簡單。 a)渦輪控制閥示意圖 b)低速、小負(fù)荷工況 c)高速、大負(fù)荷工況 圖3-94 多氣門分別投入工作示意圖 當(dāng)發(fā)動機在節(jié)氣門部分開度工作時，渦流控制閥關(guān)閉(見圖3-94b)，混合氣通過主要螺旋進(jìn)氣道進(jìn)入氣缸。節(jié)流的氣道促進(jìn)混合加速，并沿著切線方向進(jìn)入氣缸，這樣可以形成較強的進(jìn)氣渦流，對于低速工況及燃燒稀混合氣是有利的。 當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速及負(fù)

7、荷增加時，僅由主氣道進(jìn)入氣缸的混合氣不能滿足發(fā)動機的需要，于是副進(jìn)氣道中的閥門開啟，增加進(jìn)入缸內(nèi)的混合氣(見圖3-94c)，而且抑制了進(jìn)氣道中進(jìn)氣渦流強度，這對于提高發(fā)動機高速工況時的容積效率及燃燒效率、減少能量損失是有利的。 2可變進(jìn)氣道系統(tǒng) 可變進(jìn)氣道系統(tǒng)是根據(jù)發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速，使用不同長度及容積的進(jìn)氣管向氣缸內(nèi)充氣，以便能形成慣性充氣效應(yīng)及諧振脈沖波效應(yīng)，從而提高充氣效率及發(fā)動機動力性能。 (1)雙脈沖進(jìn)氣系統(tǒng) 雙脈沖進(jìn)氣系統(tǒng)由空氣室及兩根脈沖進(jìn)氣管組成，如圖3-95所示?？諝馐业娜肟谔幵O(shè)置節(jié)氣門，并與兩根直徑較大的進(jìn)氣管相連接，其目的在于防止兩組(每組三缸)進(jìn)氣管中諧振空氣柱的互相干擾。

8、每根脈沖管子成為形成諧振空氣波的通道，分別連接兩組氣缸。 將六缸機的進(jìn)氣道分成前后兩組，這就相當(dāng)于兩個三缸機的進(jìn)氣管，每個氣缸有240°的進(jìn)氣沖程，各氣缸之間不會有進(jìn)氣脈沖波的互相干擾。上述可變進(jìn)氣系統(tǒng)的效果在于：每個氣缸都會產(chǎn)生空氣諧振波的動力效應(yīng)，而直徑較大的空氣室、中間的產(chǎn)生諧振空氣波的通道同支管一起，形成脈沖波諧振循環(huán)系統(tǒng)。 圖3-95 雙脈沖進(jìn)氣系統(tǒng)示意圖 a)低速段（n4400r/min）；b)高速段（n4400r/min） 當(dāng)進(jìn)氣管中動力閥關(guān)閉時(見圖3-95a)，可變進(jìn)氣管容積及總長大約為70cm的進(jìn)氣管，能在發(fā)動機轉(zhuǎn)速n3300r/min時，形成諧振進(jìn)氣壓力波，提高

9、了充氣效率，使轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于4000r/min時，進(jìn)氣管中便不能形成有效的進(jìn)氣壓力波，于是動力閥門打開(見圖3-95b)，兩個中間進(jìn)氣通道便連接成一體。優(yōu)化選擇在每個氣缸與總管連接的支管容積后，能形成高速(如：n4400r/min)下諧振進(jìn)氣脈沖波，使轉(zhuǎn)矩值達(dá)到較高值。于是在n15005000r/min的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩曲線變化平緩，如圖3-96所示。 圖3-96 采用可變進(jìn)氣系統(tǒng)后的轉(zhuǎn)矩特性（六缸發(fā)動機） (2)四氣門二階段進(jìn)氣系統(tǒng) 該進(jìn)氣系統(tǒng)由彎曲的長進(jìn)氣管和短的直進(jìn)氣管與空氣室相連接，并分別連接到缸蓋的兩個進(jìn)氣門上，如圖3-97所示。在發(fā)動機低、中速工況時由長的彎曲管向發(fā)動

10、機供氣；而在高速時，短進(jìn)氣管也同時供氣(動力閥打開)，提高了發(fā)動機功率。 在發(fā)動機低、中速工況(n3800r/min)，動力閥關(guān)閉短進(jìn)氣管的通道(見圖3-97a)?？諝馔ㄟ^長的彎曲氣道，使氣流速度增加，并且形成較強的渦流，促進(jìn)良好混合氣的形成。此外，進(jìn)氣管的長度能夠在進(jìn)氣門即將關(guān)閉時，形成較強的反射壓力波峰，使進(jìn)入氣缸的空氣增加。這都有助于提高發(fā)動機低速時的轉(zhuǎn)矩。 在發(fā)動機高速工況(n3800rmin)，動力閥打開(見圖3-97b)，額外的空氣從空氣室經(jīng)過短進(jìn)氣管進(jìn)入氣缸，改善了容積效率，并且由另一氣門進(jìn)入氣缸的這股氣流，將低、中速工況形成的渦流改變成滾流運動，更能滿足高速高負(fù)荷時改善燃燒的需

11、要。 圖3-97 四氣門二階段進(jìn)氣系統(tǒng) a)低速段；b)高速段 (3)三階段進(jìn)氣系統(tǒng) 該進(jìn)氣系統(tǒng)由末端連在一起的兩根空氣室管組成，并布置在V形夾角之間。每根空氣室通過3根單獨的脈沖管連接到左側(cè)或者右側(cè)的氣缸上。每一側(cè)氣缸形成獨立的三缸機，各缸的進(jìn)氣沖程相位為均勻隔開的240°。兩根空氣室的人口處有各自的節(jié)流閥，在兩根空氣室中部有用閥門控制的連接通道，在空氣室末端U形連接管處布置有兩個蝶式閥門，如圖3-98所示。 圖3-98 三階段進(jìn)氣系統(tǒng) a)低速（n4000r/min）；b)中速（n4000r/min）；c)高速（n5000r/min） 在發(fā)動機低速工況(n4000r/min)(見

12、圖3-98a)，兩空氣室管之間的閥及高速工況用閥關(guān)閉。每根空氣室管及與其相連接的3根脈沖進(jìn)氣管形成完整的諧振系統(tǒng)，將在一定轉(zhuǎn)速工況下(如：n3500r/min)，將慣性及波動效應(yīng)綜合在一起，從而使充氣效率及轉(zhuǎn)矩達(dá)到峰值。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于3500r/min時，諧振壓力波的波幅值變小，因此可變系統(tǒng)的效果也變差，相應(yīng)地每個氣缸的充氣效率也變小。 當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速處于40005000r/min之間，即中速工況時(見圖3-98b)，連接兩根空氣室的閥門打開，因此部分損壞了低速工況諧振壓力波頻率，然而卻在轉(zhuǎn)速為4500r/min的工況下，形成新的諧振壓力波峰，從而使更多的空氣或混合氣進(jìn)入氣缸。 當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，如：達(dá)