丰田卡罗拉轿车发动机
智能可变气门正时系统的结构原理及故障检修
摘要：我校有多辆丰田卡罗拉实训轿车，其发动机均采用智能可变正时系统，该系统可以有效地提升汽车发动机的动力，同时可以使汽油燃烧更加充分，使发动机有害气体的排放进一步降低。文章结合本人的教学实践及维修资料阐述丰田卡罗拉轿车发动机智能可变气门正时系统的结构原理及检修方法，以供广大教师教学参考之用。
关键词：VVT-i  结构原理检修
1 引言
合理选择气门正时，保证最好的充气效率，是改变发动机性能极为重要的技术问题。根据内燃机的工作原理可知，在进、排气门开闭的四个时期中，进气门迟闭角的改变对充气效率影响最大。通过改变进气门迟闭角可以改变充气效率随转速变化的趋向，以调整发动机的转矩，满足不同的使用要求。不过，更确切地说，加大进气门迟闭角，高转速时充气效率的增加有利于发动机最大功率的提高，但对低速和中速性能则不利；减小进气门迟闭角，能够防止气体被推回进气管，有利于提高最大转矩，但降低了最大功率。因此，理想的气门正时应当是根据发动机的工作情况及时作出调整，应具有一定程度的灵活性。
显然，对于传统的凸轮挺杆式气门机构来说，由于在工作中无法作出相应的调整，也就难以达到上述要求，因而限制了发动机性能的进一步提高。可变气门正时技术就是让气门正时能够随着发动机工况进行相应的调整，在发动机运转工况范围内提供最佳的配气正时，提高了充气系数，较好地解决了高转速与低转速、大负荷与小负荷下动力性与经济性的矛盾，在一定程度上改善了尾气排放、怠速稳定性和低速平稳性，降低了怠速转速。智能可变气门正时系统是丰田独有的发动机技术，它的英文是Variable Valve Timing-intelligent，缩写为VVT-i，该系统的最大特点是可根据发动机的状态控制进气凸轮轴，通过调整凸轮轴转角对配气正时进行优化，以获得最佳的配气正时，从而提高发动机在所有转速范围内的动力性、燃油经济性，降低废气排放。
2 丰田卡罗拉轿车发动机VVT-i系统的结构及工作原理
丰田卡罗拉轿车发动机采用的是双VVT-i技术，也就是在原有VVT-i对进气门进行控制的基础上，对排气门也进行控制。控制单元根据发动机转速、节气门的开度，对开闭双方的
气门进行连续的调节，可以在全转速范围内提高进排气效率和提高扭矩。
2.1 VVT-i系统的结构
图1 丰田卡罗拉轿车发动机VVT-i系统组成示意图
如图1所示 ，丰田卡罗拉轿车发动机VVT-i系统主要由曲轴位置传感器、空气流量计、节气门位置传感器、进气凸轮轴位置传感器、排气凸轮轴位置传感器、水温传感器、车速传感器、ECU、进气凸轮轴正时机油控制阀、排气凸轮轴正时机油控制阀和进、排气VVT-i控制器等组成。
2.2 VVT-i系统的工作原理
卡罗拉轿车发动机VVT-i系统的控制电路原理如图2所示。ECU以曲轴位置传感器、空气
图2 VVT-i系统控制电路原理图图3 进气凸轮轴机油控制阀电路图
流量计和节气门位置传感器提供的信号为基础，结合发动机冷却液温度传感器和车速传感器信号，计算出各行驶条件下的最佳气门正时（目标气门正时），并向相应凸轮轴正时机油控制阀传送目标占空
比控制信号，控制正时机油控制阀动作，通过改变机油的流向、流量来驱动凸轮轴前端的控制器工作，从而实现配气正时的提前、滞后和保持不变。同时，发动机ECU还根
丰田bb
据凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器信号检测实际配气正时，与目标配气正时进行比较，通过反馈控制以达到目标配气正时。
进气凸轮轴机油正时控制阀电路如图3所示。正时机油控制阀的1号端子为占空比信号输入端，与ECU的B31插接器100号端子相连；2号端子为接地端，与ECU的B31插接器123号端子相连。排气凸轮轴正时机油控制阀电路与进气基本相同，只不过其正时机油控制阀的1号端子与ECU的B31插接器60号端子相连；2号端子与ECU的B31插接器61号端子相连。
2.3 VVT-i典型工作状态实现的正时功能
丰田卡罗拉轿车发动机VVT-i系统能同时对进、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，其在不同状态下实现的正时功能可分为5种模式。
（1）发动机停机、起动、低温、怠速时，最小气门重叠，如图4所示。这种模式中设定了进气门打开最大推迟角／排气门关闭最大提前角的最小气门重叠角9°，这种气门正时用于抑制进气回流，使发动
机运转稳定。低温时，可以减少燃油的增加量，稳定快怠速时转速，从而能设定更低的怠速转速。提供合适的混合比，使燃油经济性提高。
图4 发动机停机、起动、低温、怠速时图5 小负荷时图6 中负荷时
（2）小负荷区域，气门重叠小，如图5所示。气门重叠角很小，目的是使进气回流小，发动机运转稳定，还能设定合适的空燃比。
（3）中负荷区域，气门重叠中，如图6所示。较大的气门重叠角使内部的废气再循环率提高，进气损失减小，NO和HC减少(进气管内负压降低)。
（4）高负荷中低速运转区域，最大气门重叠，如图7所示。进气侧的关闭时刻提前，排气侧的关闭时刻推迟，这是最大的气门重叠。可以在中低速运转区域提高充气效率，增大中低速扭矩。在气门连通(进／排气门都处于打开状态)状态下，能迅速排除燃烧后的废气，更早地提供新鲜空气，使充气效率提高、扭矩增大。
（5）高负荷高速运转区域，气门重叠中、大，如图8所示。随着发动机转速的升高，进气门的关闭时刻延迟(推迟进气侧打开)，目的是提高高速运转区域的充气效率。也就是说，控制进气门打开的提前角在中到稍大的幅度，起到提高充气效率的作用。排气门关闭保持在大到中等推迟角的程度，控制气门重叠在中和稍大之间。
图7 高负荷低速运转图8 高负荷高速运转
3 丰田卡罗拉轿车发动机VVT-i系统常见故障及其原因
3.1 常见故障
当VVT-i系统发生故障时，将导致发动机不能起动或起动困难；发动机怠速不良，运转不平稳，加速无力；汽车行驶中的动力性下降、油耗明显增加；车辆正常行驶中突然熄火；仪表板上发动机故障警告灯点亮。
3.2 故障原因
VVT-i系统发生故障的主要原因有：进排气凸轮轴正时机油控制阀的控制电路短路或断路；进排气凸轮轴正时机油控制阀阀芯卡滞或电磁线圈断路；机油控制阀滤清器堵塞；凸轮轴前端VVT-i控制器故障；正时链条跳齿或拉长；进排气凸轮轴位置传感器故障；ECU故障等。
4 丰田卡罗拉轿车发动机VVT-i系统的故障检修
VVT-i系统检测以仪器检测为主，辅以人工拆检。卡罗拉轿车发动机 ECU自诊断系统可自动记录故障发生时车辆的运行信息，使用故障诊断仪进行故障检测，读取故障代码后可依次进行下列操作。
4.1 使用故障诊断仪进行主动测试
测试前应先连接故障诊断仪器（如金德K81），打开空调、起动发动机，并打开检测仪。然后选择以下菜单项：Powertrain/Engine and ECT/Active Test/Control the VVT System (Bank 1)。当操作机油控制阀且发动机冷却液温度为50℃或更低时，使用诊断仪器检测发动
机转速。当执行机油控制阀关闭命令时应为正常发动机转速；若执行机油控制阀从关闭切换至打开后应立即出现发动机怠速不稳或失速现象，此时机油控制阀正常。否则，应检查凸轮轴正时机油控制阀总成。
4.2 凸轮轴正时机油控制阀总成检测
图9 凸轮轴机油控制阀电阻检测图10 凸轮轴机油控制阀工作情况检测
进气侧和排气侧的凸轮轴正时机油控制阀检测方法相同。
（1）电阻检测检查时先拆下凸轮轴机油控制阀总成，利用万用欧姆表，如图9所示检测其1-2端子之间电阻值，正常值为6.9～7.9Ω。
（2）工作情况检测如图10所示，将蓄电池正电压施加到端子1，负电压施加到端子2，正常情况下阀体应迅速移动，若不正常则应更换凸轮轴正时机油控制阀总成。若阀体正常则应检测阀体电压。
在检查完凸轮轴正时机油控制阀总成的工作情况之后一定要检查控制阀的滤清器，因为当发动机机油中的异物卡在系统的某些零件中时，将会输出故障代码并影响系统工作，如果滤网堵塞要检查机油状态，必要时更换机油并更换滤网。
4.3 阀体电压检测
点火开关关闭拔下凸轮轴正时机油控制阀的插头，点火开关打开测量线束侧插头端子1与发动机搭铁之间的电压，应为蓄电池电压。否则应检查线束和连接器。
4.4 线束和连接器的检查
断开凸轮轴正时机油控制阀和ECU连接器 ，测量它们之间连接导线的电阻，应小于1Ω，导线与车身搭铁之间的电阻应大于10KΩ。否则应更换线束和连接器，更换后应再次检测系统电源电压，如果不正常应更换ECU。
4.5 波形检测
确保前述检测都正常的情况下，可进行VVT传感器波形测试，其电路图如图11所示。方法是将发动机暖机后怠速运转，连接金德K81，波形如图12所示，波长随发动机转速增加而变短，如果波形不符合规定，则应更换相应的VVT传感器。