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3GR-FE的3.0升V6发动机燃油系统

3GR-FE的3.0升V6发动机点火系统

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3GR-FE的3.0升V6发动机配气机构

 

1.3 配气机构
3GR-FE发动机使用3条正时链驱动各气缸组进、排气凸轮轴,正时链条与凸轮轴结构如图3所示。在进、排气凸轮轴上均装有VVT-i控制器,可连续调节进、排气门的开启与关闭时刻,此技术即为双VVT-i技术。

3GR-FE发动机还采用液压气门间隙调节器,其结构如图4所示。利用机油压力和弹簧弹力保持气门间隙恒定为“0”,消除了配气机构的间隙,减小了各零件的冲击载荷和噪声,从而提高了发动机的高速性能。

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3GR-FE的3.0升V6发动机润滑系统

3GR-FE的3.0升V6发动机进气和排气系统

 

1.4 进气歧管
3GR-FE发动机采用的是无框架的空气滤清器,进气歧管由塑料制成,减轻了重量和来自气缸盖的热量,因此降低了进气温度,提高了充气效率。并且使用旋转电磁阀式ACIS控制阀,在进气过程中形成惯性充气效应及谐振脉动效应,从而提高了充气效率,进而提高了动力性能。3GR-FE发动机进气歧管如图5所示。

3GR-FE的3.0升V6发动机充电系统

3GR-FE的3.0升V6发动机控制系统

(4)大负荷加浓。在大负荷情况下,如爬陡峭山路时,很难使吸进的空气和喷射的燃油充分混合。燃烧时,进入的空气并非全部使用,一些空气被残留。因此,燃烧过程中需喷射比理论空燃比多的燃油以使空气充分燃烧而增加功率。大负荷是由节气门位置传感器的开启、发动机转速和进气量来确定的。进气量越高或发动机转速越高,混合气浓度的增加量越大。此外,当节气门的开启角度等于或大于预定值时该量还会增加。
2.1.3 空燃比反馈校正
发动机预热后以恒定速度行驶时,使用氧传感器进行反馈控制。发动机ECU控制决定了燃油基本喷射时间能够达到理论上的空燃比值,但要与发动机的实时工作条件保持一致,便可能出现实际空燃比稍微偏离理论值的情况。因此,还要根据氧传感器所探测的排气中氧气浓度值来判断燃油喷射时间是否达到理论空燃比值。如果发动机ECU从氧传感器的信号中断定空燃比低于理论值,它会减少喷射时间以产生较稀的空气燃油混合气;如果发动机ECU从氧传感器的信号中断定空燃比高于理论值,它会增加喷射时间以产生较浓的空气燃油混合气。反馈控制通过重复进行较小的喷油校正,使空燃比保持在理论值附近,这一过程也称为喷油闭环控制,其原理如图7所示。

2.1.4 断油控制
断油控制是指ECU在一些特殊工况下暂时中断燃油喷射,以满足发动机运转中的特殊要求。断油控制工况如下:
(1)超速断油控制。超速断油是在发动机转速超过允许最高转速时,由ECU自动中断喷油,以防发动机超速运转,造成机件损坏,也有利于减小燃油消耗量,减少有害排放物。ECU将转速传感器测得的发动机实际转速与控制程序中设定的发动机最高极限转速(一般为6000～7000 r/min)相比较,当实际转速超过极限转速时,ECU切断送给喷油器的喷油脉冲,使喷油器停止喷油,从而限制发动机转速进一步升高;当断油后发动机转速下降至低于极限转速约100 r/min时,断油控制结束,恢复喷油。
(2)减速断油控制。汽车在高速行驶中突然松开油门踏板减速时,发动机仍在汽车惯性的带动下高速旋转。由于节气门已关闭,进入气缸的混合气数量很少,在高速运转下燃烧不完全,使废气中的有害排放物增多。减速断油控制就是当发动机在高转速中突然减速时,由ECU自动中断燃油喷射,直至发动机转速下降到设定的低转速时再恢复喷油。其目的是控制急减速时有害物的排放,减少燃油消耗量,促使发动机转速尽快下降,使汽车减速。
2.2 点火正时控制
在点火提前角控制系统中,根据有关传感器送来的信号,ECU计算出最佳点火正时,输出点火正时信号,控制电子点火器实现点火。在发动机起动时,不经ECU计算,点火信号直接由一个固定的初始点火提前角产生。当发动机转速达到一定值时,自动转换为由点火正时信号控制。
2.2.1 点火提前角的计算
发动机工作时,ECU根据进气量和发动机转速从存储器储存的数据中找到相应的基本点火提前角(如图8所示),再根据相关传感器的信号加以修正,以便得到实际的点火提前角。实际点火提前角的计算公式如下:
实际点火提前角=初始点火提前角+基本点火提前角+修正点火提前角

 

图8 进气量和发动机转速确定基本点火提前角

2.2.2 点火正时的控制
点火正时控制包括两项基本控制:一是起动时点火控制,即发动机起动时,以固定的初始点火提前角点火,与发动机的工况无关;二是起动后发动机正常工作期间的点火提前角控制,即正常工作中,点火时间由进气量和发动机转速确定基本点火提前角,并根据有关传感器的信号加以修正。
2.3 VVT-i控制
皇冠3GR-FE发动机的VVT-i系统由MRE(Magnetic Resistance Element)磁阻式VV T传感器、ECU和凸轮轴液压控制阀等组成,其中传感器包括曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器和VVT传感器。VVT传感器安装位置如图9所示。
皇冠3GR-FE发动机为V型六缸四气门式,有2根进气凸轮轴和2根排气凸轮轴。曲轴位置传感器测量曲轴转角,向ECU提供发动机转速信号;凸轮轴位置传感器测量齿形带轮转角;磁阻式VVT传感器测量进、排气凸轮轴相对于齿形带轮的转角,并将信号输入ECU。ECU根据转速和负荷的要求控制进、排气凸轮轴正时控制阀,从而控制进、排气凸轮轴相对于齿形带旋转一个角度,改变气门正时。

发动机在各种工况下的控制方式如下:
(1)怠速、轻载、低温、起动工况。当发动机处于怠速、轻负荷工况时,ECU控制机油槽阀(凸轮轴正时控制阀)的位置,将进气门和排气门同时打开的时间缩短(减小气门叠开角),并减少回流到进气侧的气体,使怠速稳定,提高燃油经济性。该工况下的气门正时如图10所示。

2 3GR-FE发动机的工作原理
2.1 燃油喷射控制
3GR-FE发动机电子燃油喷射控制系统(即EFI系统)以ECU为控制中心,利用安装在发动机不同部位上的各种传感器测得发动机的工作参数,按照在ECU中设定的控制程序,通过控制喷油器精确控制喷油量,使发动机在各种工况下都能获得最佳浓度的混合气。此外,通过ECU中的控制程序,还能实现起动加浓、暖机加浓、加速加浓、全负荷加浓、减速调稀、强制断油和自动怠速控制等功能,满足发动机特殊工况对混合气的要求,在使发动机获得良好燃料经济性和排放性能的同时,提高汽车的使用性能。
2.1.1 起动喷油控制
起动时,发动机由起动马达带动运转。由于转速很低,转速的波动也很大,这时空气流量传感器所测得的进气量信号有较大的误差。基于这个原因,在发动机起动时,ECU不以空气流量传感器的信号作为喷油量的计算依据,而以冷却液温度来决定。
冷却液温度由水温传感器来检测。水温越低,燃油的雾化性能越差,需增加喷射时间来得到较浓混合气。因此,发动机ECU中设定:当发动机转速小于或等于200 r/min时,才能起动发动机。
在起动喷油控制程序中,ECU按发动机水温、进气温度、起动转速计算出一个固定的喷油量,这一喷油量能使发动机获得顺利起动所需的浓混合气。
冷车起动时,发动机温度很低,喷入进气道的燃油不易蒸发。为了能产生足够的燃油蒸气,形成足够浓度的可燃混合气,保证发动机在低温下也能正常起动,必须进一步增大喷油量。由ECU控制,通过增加各缸喷油器的喷油持续时间来增加喷油量,所增加的喷油量完全由ECU根据发动机水温传感器测得的温度高低来决定。发动机水温愈低,喷油量愈大,加浓的持续时间也就愈长。
2.1.2 运转喷油控制
在发动机运转过程中,ECU主要根据进气量和发动机转速来计算喷油量。此外,ECU参考节气门开度、发动机水温、进气温度、海拔高度及怠速工况、加速工况、全负荷工况等运转参数来修正喷油量,以提高控制精度。
(1)起动后加浓。发动机冷车起动后,由于低温下混合气形成不良,造成混合气变稀,在起动后一段时间内必须增加喷油量,以加浓混合气,保证发动机稳定运转而不熄火。起动后加浓比的大小取决于起动时发动机的温度,并随发动机运转时间的增长而逐渐减小。
(2)暖机加浓。在冷车起动结束后的暖机运转过程中,发动机的温度一般不高。在这样较低的温度下,喷入进气歧管的燃油与空气的混合较差,容易使一部分较大的燃油液滴凝结在冷的进气管道及气缸壁面上,造成气缸内的混合气变稀。因此,在暖机过程中必须增加喷油量。暖机加浓比的大小取决于水温传感器所测得的发动机温度,并随着发动机温度的升高而逐渐减小,直至温度升高至80℃时,暖机加浓结束。
(3)加速加浓。踩下加速器踏板时开始加速过程,这时会出现燃料供应滞后于进入气缸内空气快速变化量的现象。因此,需要延长燃料喷射时间,根据进入的空气量来增加喷油量,以防空气和燃料混合气偏稀而影响正常行驶。加速加浓比的大小取决于节气门开启角度的变化速度。通常加速校正在加速开始时会大量增加,增加到上限值后又会逐渐减小。此外,加速越快,燃料喷射量的增加越大。加速对喷油时间的影响如图6所示。
图6 加速对喷油时间的影响

(2)中等负荷工况。此工况时,ECU控制机油槽阀的位置,增加进气门和排气门同时打开的时间(增大气门叠开角),改善内部废气再循环性能,减少废气损失,改善发动机燃油经济性和排放性能。中等负荷工况下的气门正时如图11所示。

(3)中低转速、大负荷工况。此工况下,ECU控制机油槽阀,使进气门关闭正时提前(减小进气门迟闭角)、排气门开启正时延迟(减小排气门提前角),提高充气效率,并充分利用燃烧压力,改善发动机的功率和扭矩。中低转速、大负荷工况下的气门正时如图12所示。

(4)高速、重载工况。此工况时,ECU控制机油槽阀,使进气门关闭正时滞后(增大进气门迟闭角)、排气门开启正时提前(增大排气门提前角),从而减少泵气损失并提高充气效率,使发动机的功率得到提升。该工况下的气门正时如图13所示。

3 结 语
综上所述,丰田皇冠3GR-FE发动机无论在机械结构还是在电子控制方面都达到领先水平,尤其是其双VVT-i控制系统可对发动机各种复杂工况进行精确控制,不但能提高输出功率,而且能改善燃料消耗率和减少废气排放。在提倡节能、减排的今天,丰田VVT控制系统将越来越被其他发动机厂商所效仿。

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