Фазы газораспределения двигателя тойота
Схема условного 3-го поколения — ременный привод ГРМ с шестеренной передачей между распредвалами, механизм изменения фаз с лопастным ротором в передней части выпускного распредвала или в задней части впускного распредвала. Применялась на двигателях 1MZ-FE тип’97, 3MZ-FE, 3S-FSE, 1JZ-FSE, 2JZ-FSE, 1G-FE тип’98, 1UZ-FE тип’97, 2UZ-FE тип’05, 3UZ-FE.
Система VVT-i (Variable Valve Timing intelligent) позволяет плавно изменять фазы газораспределения в соответствии с условиями работы двигателя. Это достигается путем поворота распределительного вала впускных клапанов относительно шкива в диапазоне 40-60° (по углу поворота коленвала).
Привод ГРМ (серия MZ). 1 — датчик положения дроссельной заслонки, 2 — датчик положения распределительного вала, 3 — клапан VVT, 4 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 5 — датчик положения коленчатого вала. |
Привод ГРМ (1G-FE тип’98). 1 — клапан VVT, 2 — датчик положения распределительного вала, 3 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 4 — датчик положения коленчатого вала. |
Привод ГРМ (серия UZ). 1 — клапан VVT, 2 — датчик положения распределительного вала, 3 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 4 — датчик положения коленчатого вала. |
Привод VVT
Привод VVT с лопастным ротором установлен в передней или задней части одного из распредвалов. При заглушенном двигателе фиксатор удерживает распредвал в положении максимальной задержки для обеспечения нормального запуска.
Источник статьи: http://www.toyota-club.net/files/faq/16-01-01_faq_vvt_3.htm
Система регулирования фаз газораспределения (VVT)
1 Система регулирования фаз газораспределения изменяет установку фаз распределения впускного распредвала посредством изменения давления масла в узле звездочка/исполнительный механизм впускного распредвала, заставляя его работать с опережением либо запаздыванием. Изменение фаз распределения впускного распредвала при определенных режимах работы двигателя обеспечивает повышение мощности, экономию топлива и снижение токсичности выхлопа.
2 Система включает в себя модуль электронного управления двигателем (ЕСМ), регулирующий клапан давления масла (QCV) и узел звездочка/исполнительный механизм впускного распредвала (см. рис. 5.2,а,б).
Рис. 5.2,а. Масляный клапан системы регулирования фаз газораспределения находится в задней части головки блока цилиндров
Рис. 5.2,б. Узел исполнительного механизма системы регулирования фаз газораспределения впускного распредвала виден только при снятой клапанной крышке
3 Перед тем как подать команду на открытие или закрытие регулирующего клапана, модуль электронного управления двигателем обрабатывает сигналы от следующих датчиков:
а) Датчик скорости автомобиля (VSS).
б) Датчик положения дроссельной заслонки (TPS).
в) Датчик массового расхода воздуха (MAF).
г) Датчик температуры охлаждающей жидкости (ЕСТ).
4 Получив команду от модуля электронного управления двигателем, регулирующий клапан приводится в действие, регулируя давление масла, поступающего из системы смазки двигателя, для достижения опережения или запаздывания в работе узла исполнительного механизма впускного распредвала
5 Ступица исполнительного механизма системы установлена на носке впускного распредвала. На этой ступице жестко закреплены лопасти. Чем выше давление масла (интенсивнее поток) в узле исполнительного механизма распредвала, тем сильнее он воздействует на лопастную ступицу, разворачивая распредвал относительно корпуса исполнительного механизма, приводимого цепью ГРМ.
6 Если поток масла направлен на фронтальные поверхности лопастей, лопастная ступица может развернуть впускной распредвал на угол до 21 ° по часовой стрелке относительно корпуса — получим «опережение». Если поток масла направлен на тыльные поверхности лопастей, лопастная ступица разворачивает распредвал против часовой стрелки, задерживая его вращение, возвращая опережение фазы впуска до 0°, что соответствует исходному положению исполнительного механизма в режиме работы двигателя без нагрузки или на холостом ходу. Модуль управления двигателем может также выдать сигнал на закрытие обоих (задерживающего и опережающего) каналов регулирующего клапана, чтобы сохранить существующее опережение.
7 При малых нагрузках на двигатель система регулирования задерживает вращение впускного распредвала, при этом фаза перекрытия клапанов сокращается, а работа двигателя стабилизируется. При средних нагрузках система регулирования ускоряет вращение впускного распредвала, фаза перекрытия клапанов растягивается; при этом улучшается топливная экономичность и снижается токсичность выхлопных газов. При высоких нагрузках на малых оборотах двигателя система также ускоряет вращение впускного распредвала, закрывая впускные клапаны раньше, что обеспечивает увеличение крутящего момента на малых и средних оборотах. При высоких нагрузках на больших оборотах двигателя система регулирования задерживает вращение впускного распредвала, задерживая закрытие впускных клапанов, что способствует увеличению мощности двигателя.
Источник статьи: http://avto-remont-toyota.ru/sistema-regulirovaniya-faz-gazoraspredeleniya-vvt.html
Фазы газораспределения двигателя тойота
Двигатели Toyota серии ZZ. Без права на ошибку
Eugenio,77
1ZZ-FE (1.8 EFI VVT) — поперечного расположения, с распределенным впрыском, для исходно-переднеприводных легковых автомобилей. Запущен в серию с 1997 г, снят с производства во второй половине 2000-х. Применение: Allion/Premio 240, Celica 230, Corolla 110U..130..140, Corolla/Fielder/Runx/Allex/Spacio 120, Isis, Lotus Elise, Matrix 130, MR2 30, MR-S, Opa, Pontiac Vibe, RAV4 20, Vista 50, Voltz, Will VS, Wish 10.
Механическая часть В двигателе применяется алюминиевый (легкосплавный) блок цилиндров, изготовленный методом литья под давлением, с тонкостенными чугунными гильзами. Это стало вторым, после серии MZ, опытом Toyota по внедрению массовых «легкосплавных двигателей». Гильзы вплавлены в материал блока, а их специальная неровная внешняя поверхность способствует максимально прочному соединению и улучшенному теплоотводу. Безусловным преимуществом стало снижение массы двигателя ( 130 кг у предшественников того же рабочего объема). Отличительная особенность моторов нового поколения — открытая сверху рубашка охлаждения, негативным образом сказывается на жесткости блока, но дает технологическую возможность изготавливать блок в пресс-формах. Традиционные блоки с закрытыми рубашками охлаждения прочнее и надежнее, но более трудоемки на стадии подготовки разовых форм, имеют бóльшие допуски и требуют, соответственно, бóльшего объема последующей механической обработки прилегающих поверхностей и постелей подшипников. Другая особенность блока цилиндров — массивный картер, объединяющий опоры коленчатого вала. Линия разъема блока и картера проходит по оси коленвала. Алюминиевый (точнее, легкосплавный) картер выполнен как одно целое с залитыми в него стальными крышками коренных подшипников и сам по себе дополнительно увеличивает жесткость блока цилиндров. Двигатель 1ZZ-FE относится к «длинноходным» моторам — диаметр цилиндра 79 мм, ход поршня 91,5 мм. Это способствует лучшей тяге на низах, уменьшает тепловые потери через стенки более компактной камеры сгорания. С другой стороны, высокая средняя скорость движения поршня ухудшает условия маслосъема и повышает требования к кольцам — на практике это проявилось особенно ярко. При проектировании двигателя идея снижения трения и максимальной компактности стала преобладающей, что выразилось и в уменьшении диаметра и длины шеек коленчатого вала — соответственно, выросли удельные нагрузки и износ. Для снижения потерь при значительном рабочем ходе была уменьшена юбка поршня, что не лучшим образом сказалось на его охлаждении. Кроме того, Т-образные в проекции поршни на свежих тойотах начинали стучать при перекладке значительно раньше, чем их классические предшественники родом из 90-х. Поршни соединяются с шатунами полностью плавающими пальцами. Крышки шатунов крепятся болтами без использования гаек. Огромным недостатком всех новых тойотовских моторов стала их «одноразовость». Капитальный ремонт двигателя производителем не предусматривается, перегильзовать блок «по-заводскому» невозможно в принципе (хотя от безысходности и эти моторы кустарно гильзуются, с использованием неоригинальных запчастей или подходящих аналогов от других марок). Даже с ремонтным размером вкладышей коленвала возникают серьезные проблемы. Головка блока цилиндров легкосплавная. Камеры сгорания — конического типа (при подходе поршня к верхней мертвой точке, рабочая смесь направляется к центру камеры и формирует в районе свечи зажигания вихрь, способствуя наиболее быстрому и полному сгоранию топлива). Компактный размер камеры и кольцевой выступ днища поршня (улучшающий наполнение и по-своему формирующий потоки смеси в пристеночной области — на ранней стадии сгорания давление нарастает равномернее, а на поздней — увеличивается скорость горения) способствовали снижению вероятности детонации. Интересна конструкция седел клапанов. Вместо традиционных стальных запрессовываемых, на 1ZZ-FE применены т.н. «лазерно-напыляемые» седла. Они в несколько раз тоньше обычных и способствуют лучшему охлаждению клапанов, позволяя отдавать тепло в тело головки блока не только через стержень, но и в значительной степени через тарелку клапана. Также их применение позволило, несмотря на небольшой диаметр камеры сгорания, увеличить диаметр впускных и выпускных портов, что вместе с уменьшением диаметра стержня клапана (до 5,5 мм) улучшило течение воздуха через порт. Естественно, что эта конструкция также получилась абсолютно неремонтопригодной. Газораспределительный механизм — 16-клапанный DOHC. Снижение массы клапана позволило уменьшить усилие клапанных пружин, небольшая ширина кулачков распределительного вала (менее 15 мм) означала снижение потерь на трение. Кроме того, Toyota отказалась от регулировки зазора в клапанах с помощью шайб в пользу, если можно так сказать, «регулировочных толкателей» различной толщины, стаканчики которых совмещают функции прежнего толкателя и шайбы (это имело бы смысл только для высокооборотистого форсированного движка, но в данном случае просто сделало регулировку зазора максимально сложной и дорогой процедурой, которой владельцы стали просто пренебрегать). Очередным радикальным для массовых тойотовских двигателей новшеством стал привод ГРМ с помощью однорядной роликовой цепи малого шага (8 мм) с выносным гидронатяжителем (снабженным храповым механизмом и пружиной преднатяга) и форсункой для смазки. В теории это означает более высокую надежность по сравнению с ременным приводом и отсутствие необходимости относительно частых замен. Но на практике. О повышенной шумности работы двигателя говорить даже излишне. У цепи обязательно появляется гидронатяжитель, который даже на тойотах не отличается большим ресурсом. Появляются подверженные износу успокоитель и башмак натяжителя (пусть и не производства ЗМЗ, но принципы работы и износа у них общие). А главная проблема — «удлинение», тем большее, чем длиннее сама цепь. У нижневального мотора с короткой цепью это не доставило бы проблем, но в обычном DOHC приходится использовать длинные цепи. Часть производителей борется с этим, вводя промежуточную звездочку и делая две относительно короткие цепи, заодно этим удается уменьшить диаметр ведомых звездочек — при приводе обоих валов единой цепью расстояние между ними и ширина головки могут получиться довольно большими — хотя возникают и свои проблемы с повышенной шумностью, увеличением количества элементов, надежностью крепления дополнительной звездочки. Впрочем, у ZZ цепь простая и откровенно длинная. Хотя применение цепи и подразумевало уменьшение затрат на техобслуживание, но на деле произошло скорее обратное. Иногда цепь не требует замен и после 200 т.км пробега, но куда чаще критически удлиняется уже к 150 т. км (что проявляется шумом в работе, а то и ошибками по фазам газораспределения из-за рассинхронизации коленчатого и распределительного валов). При ее замене целесообразно было бы одновременно заменить и все прочие элементы привода (звездочки, натяжитель, направляющую), поскольку бывшие в эксплуатации элементы способствуют быстрому «старению» и новой цепи, но поскольку звездочка впускного распредвала идет в сборе с приводом VVT, то ее обычно оставляют без внимания. Самый первый вариант 1ZZ-FE внешнего рынка (тип ’97, для ZZE110 до 08.1999) имел фиксированные фазы, но уже тип ’98 получил систему VVT-i (изменения фаз газораспределения). Звездочка с приводом VVT установлена на распределительном валу впускных клапанов, предел изменения фаз — 40°. Отдельное описание принципов работы Toyota VVT-i приведено по ссылке. Как средство достижения баланса между тягой на низах и мощностью на верхах, наличие VVT можно только привествовать, не забывая про состояние масла и проходимость масляных каналов на пожилых машинах. Масляный насос циклоидного типа установлен на крышке цепи привода ГРМ и приводится непосредственно от коленчатого вала. Масляный фильтр расположен вертикально под двигателем, отверстием вверх (что отчасти решает традиционные проблемы с давлением масла сразу после запуска). Охлаждение Поток охлаждающей жидкости проходит через блок по U-образному маршруту, охватывая цилиндры с обеих сторон и улучшая охлаждение. Привод помпы осуществляется от общего ремня привода навесных агрегатов, термостат — механический «холодный» (80-84°C), для предотвращения обмерзания к корпусу дроссельной заслонки подведена линия обогрева.
Впуск и выпуск В сравнении с классическими моторами сразу заметно новое расположение коллекторов — впуск спереди, выпуск сзади. В значительной степени это диктовалось «экологическими» пожеланиями — максимально ускорить прогрев нейтрализатора после запуска, разместив его максимально близко к двигателю. Но для компактного подкапотного пространства машин младших классов такое раскаленное соседство было не лучшим, поэтому катализатор ушел за двигатель и под днище. Длинный впускной тракт способствует увеличению отдачи на низких и средних оборотах, однако при переднем расположении впускного коллектора сделать его достаточно протяженным затруднительно. Поэтому вместо традиционного цельнолитого коллектора с «параллельными» патрубками, на первых 1ZZ-FE (тип ’97 и ’98) появился «паук», похожий на выпускной, с четырьмя алюминиевыми трубчатыми воздуховодами равной длины, ввареными в общий литой фланец. Плюс — изготовливемые прокатом воздуховоды имеют намного более гладкую поверхность, чем литые, минус — не всегда безупречная сварка фланца и труб. Впрочем, начиная с тип ’00 японцы упростили конструкцию, заменив сложный металлический коллектор обыкновенным пластиковым. Во-первых — для экономии цветного металла и упрощение технологии, во-вторых — ради снижения нагрева воздуха на впуске из-за меньшей теплопроводности пластмассы. Система впрыска топлива Система управления — «L-type SFI», с датчиком массового расхода воздуха (MAF) типа «hot wire», который совмещен с датчиком температуры воздуха на впуске.
Впрыск топлива — традиционный распределенный, в нормальных условиях — секвентальный. Впрыск может быть синхронизированным (один раз за цикл, при одном и том же положении коленчатого вала, с коррекцией продолжительности впрыска) или несинхронизированным (одновременно всеми форсунками). В топливной системе тоже произошли заметные изменения. Чтобы уменьшить нагрев и испарение топлива, Toyota отказалась от схемы с линией возврата топлива и вакуумным регулятором. Теперь регулятор давления устанавливается в узел погружного топливного насоса, объединенного с топливным фильтром. Соединения линий стали «быстроразъемными». Демпфер пульсаций давления установлен на топливном коллекторе. Форсунки с многоточечным распылителем оптимизированы для мелкодисперсного рассеивания топлива. Они устанавливаются уже не в коллектор, а в саму головку блока цилиндров. Привод дроссельной заслонки на тип ’98/00 — механический, управление холостым ходом — классическим регулятором типа «rotary solenoid».
На моноприводных моделях, запускавшихся в производство после 2004-го, появилась дроссельная заслонка с электронным управлением (ETCS): привод двигателем постоянного тока, бесконтактный двухканальный датчик на эффекте Холла, плюс отдельный датчик положения педали акселератора. ETCS выполняет и функции управления частотой вращения холостого хода (ISC) и, на более поздних моделях, VSC.
В первой половине 2000-х был внедрен плоский широкополосный пьезоэлектрический датчик детонации, в отличие от старых датчиков резонансного типа, регистрирующий более широкий диапазон частот вибраций.
Варианты установки кислородных датчиков (89465) — или перед нейтрализатором (внутренний рынок), или до и после нейтрализатора (внешний рынок). На версиях с ETCS внутреннего и североамериканского рынка в определенный момент передний кислородник заменили датчиком AFS (89467).
В системе зажигания на тип ’97 и ’98 использовалась бестрамблерная схема DIS-2 (одна катушка на две свечи), однако c ’00 все двигатели получили схему DIS-4 — отдельные катушки зажигания для каждого цилиндра, выполненные в виде свечных наконечников. Плюсы — точность определения момента подачи искры, отсутствие высоковольтных линий и механических вращающихся деталей (не считая роторов датчиков), меньшее количество циклов работы каждой отдельной катушки. Минусы — катушки (да еще и совмещенные с коммутаторами) в колодцах головки блока заметно нагреваются, момент зажигания невозможно подрегулировать, выше чувствительность к состоянию свечей. На практике, при традиционной трамблерной системе катушка (особенно выносная) практически не фигурировала среди выходящих из строя деталей, но в DIS любого производителя их замена (не говоря уж об особых случаях, вроде «модулей зажигания») стала обычным делом. Свечи зажигания — стандартные, на ранних типах с DIS-2 — с двумя боковыми электродами (Denso K16TR11), с DIS-4 — самые обычные Denso K16R-U11/NGK BKR5EYA11. Привод навесных агрегатов (генератор, компрессор кондиционера, насос охлаждающей жидкости, насос ГУР) осуществляется единым ремнем. Плюс — компактность (один шкив на коленвалу), минус — надежность (больше нагрузка на ремень, невысокий ресурс натяжителя, из-за насоса системы охлаждения нельзя в крайнем случае сбросить ремень заклинившего устройства).
Резюме (1ZZ) Так что же в итоге? Тойотовцы создали современный для своих лет, мощный и достаточно экономичный двигатель. Но история с маслом получилась настолько громкой, что заслуженно подпортила репутацию всех тойотовских двигателей нового поколения. Хорошо еще, что «плановый» угар масла хотя бы не обездвиживает автомобиль в самый неподходящий момент, поэтому в канонической тройке тойотовских моторов третьей волны ZZ занимают некое промежуточное положение — между удачными NZ и срывающими головки AZ. Борьба между технологичностью и надежностью, в которой Toyota раньше практически всегда стояла на стороне потребителя, все же закончилась не в пользу долговечности. И жаль, что альтернативы двигателям новых поколений больше нет.
По сравнению с 1ZZ-FE заметны совсем небольшие отличия: С 2004-го 3ZZ-FE получил электронную дроссельную заслонку (ETCS).
С переходом к двигателям нового поколения перед тойотовцами встал вопрос о новом заряженном моторе для переднеприводных моделей, на замену 4A-GE и 3S-GE. Во-первых, он должен был иметь такие же габариты, что и 1ZZ-FE, во-вторых — литровую отдачу «на уровне лучших мировых аналогов», в-третьих — максимально облегченную конструкцию. Само собой, форсировать нужно было по оборотам, а не при помощи наддува, и при этом совместить высокую мощность на максимальных оборотах с нормальной тягой на низах. Первый 2ZZ-GE, созданный при традиционном участии мотористов Yamaha, появился на внешнем рынке вместе с новой Celica 230 в конце 1999 года. 2ZZ-GE имеет ряд радикальных отличий от остальных двигателей серии. Главной гордостью мотористов стал новый алюминиевый блок на основе MMC (это не «мицубиси моторс», а «композит» с алюмо-силикатными волокнами и включениями). Дело в том, что 1ZZ представляет собой весьма длинноходный движок, поэтому и дальше форсировать его по оборотам при неизменном соотношении диаметра цилиндра и хода поршня было невозможно. В результате диаметр вырос до предела, а толщина перемычки между цилиндрами уменьшилась до 5,5 мм. Тоньше уже нельзя — иначе прокладка вообще не будет уплотнять газовый стык. Даже если в это расстояние и можно было бы вставить стальную гильзу, то все равно температура на перемычке превысила все допустимые пределы — поэтому тойотовцам пришлось применить своеобразную композитную гильзу. Основные проблемы такой конструкции возникают при литье и, ввиду отсутствия традиционной чугунной гильзы, никак не выводятся: С литьевыми дефектами тойотовцы борются сильным предварительным нагревом формы, ламинарным заполнением ее жидким металлом, вакуумированием форм и т.п. Невелика у MMC и стойкость к задирам — как известно, стальная гильза или чугунный блок сохраняют следы хона очень долго, а вот в случае алюминиевой гильзы происходит даже не «срезание», а «смятие» сетки хона (поверхность пластически деформируется). Победить этот момент невозможно, поэтому стойкость максимально сбалансировали составом композита — и объявили ее просто «достаточной». Поршень для этого двигателя изготавливается по той же технологии MMC с алюмо-силиктными волокнами, а снаружи на юбку дополнительно наносится железо- и фосфорсодержащее покрытие для увеличения твердости. Довольно долго пришлось подгонять друг у другу т.н. «гильзы» и поршневые кольца, чтобы износ все-таки шел в основном за счет колец, а не заведомо слабого в этом отношении цилиндра. Вторым революционным для тойоты нововведением стала система VVTL-i (Variable Valve Timing and Lift — изменяемые фазы газораспределения и высота подъема клапанов). Традиционная VVT-i, аналогичная 1ZZ, отвечает за улучшение тяги на низких оборотах, а дополнительная часть — за максимальную мощность и максимальный момент, «подбрасывая угля» при частоте вращения более 6000 об/мин (высота подъема клапанов увеличивается с 7,6 мм до 10,0/11,2 мм). Сам по себе механизм VVTL-i устроен достаточно просто. Для каждой пары клапанов на распредвале имеется два кулачка с разным профилем («спокойным» и «агрессивным»), а на рокере — два разных толкателя (соответственно, роликовый и скользящий). В нормальном режиме рокер (и клапан) приводится от кулачка со спокойным профилем через роликовый толкатель, а подпружиненный скользящий толкатель работает вхолостую, перемещаясь в рокере. При переходе в форсированный режим давлением масла перемещается стопорный штифт, который подпирает шток скользящего толкателя, жестко соединяя его с рокером. Когда давление жидкости снимается, пружина отжимает штифт и скользящий толкатель вновь освобождается. Изощренная схема с разными толкателями объясняется тем, что роликовый (на игольчатом подшипнике) дает меньшие потери на трение, но, при равной высоте профиля кулачка, обеспечивает меньшее наполнение (мм*град), а на высоких оборотах потери на трение почти выравниваются, так что с точки зрения получения максимальной отдачи становится выгоднее скользящий. Роликовый толкатель изготовлен из закаленной стали, а скользящий, хоть и использует ферросплав с повышенными противозадирными свойствами, все равно потребовал применения особой схемы орошения маслом, установленной в головке блока.
Самой ненадежной частью схемы стал стопорный штифт. Он не может за один оборот распредвала встать в рабочее положение, поэтому неизбежно происходит соударение штока со штифтом при их частичном перекрытии, от чего износ обоих деталей только прогрессирует. В конце концов он достигает такой величины, что штифт постоянно будет отжиматься штоком в исходное положение и не сможет зафиксировать его, поэтому постоянно будет работать только кулачок низких оборотов. С этой особенностью боролись тщательной обработкой поверхностей, уменьшением веса штифта, увеличением давления в магистрали, но до конца победить ее не смогли. А на практике по-прежнему случаются поломки оси и штифтов этого хитроумного рокера. Второй распространенный дефект — срезается болт крепления оси коромысел, после чего та начинает свободно вращаться, подвод масла к рокерам прекращается, и VVTL-i в принципе не выходит в форсированный режим, не говоря уж о нарушении смазки всего узла. Остальные доработки можно считать только сопутствующими. Потрудились инженеры над масляным поддоном, чтобы при перегрузках насос не захватывал воздух. Установили впускной коллектор с крупным резонатором, а на выпуске вставили перегородку, призванную снижать потери тепла и быстрее разогревать катализатор. С нормальной звукоизоляцией моторного отсека при плотной компоновке возникли проблемы, поэтому борьба с шумом начинается уже в самом движке, с резиновых проставок между впускным коллектором и головкой. В активе у Toyot’ы появился новый, технологичный, довольно компактный, легкий и мощный двигатель. Причем, в отличие от предыдущих форсированных моторов, он в достаточной степени эластичен и может нормально тянуть на низких и средних оборотах, а на максимале — и поддать копоти. В пассиве, кроме особенностей обычного 1ZZ:
|