丰田VVT-i技术发展概览

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VVT-i
可变气门正时
丰田发动机技术
Variable Valve Timing with Intelligent
VVT



VVT-i是Variable Valve Timing with Intelligent的缩写,中文的译名为“智能型可变汽门正时系统”。该系统由丰田汽车公司研发,1995年8月正式投入使用,首装车型是Crown JZS155上的那台2JZ-GE引擎。而VVT-i系统的前作是1991年推出的VVT系统,两者最大的分别在于相位控制能力,VVT只具备两级液压控制、而VVT-i在通过凸轮轴驱动装置,实现无级控制。



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图:对于玩老车的车迷,应该对这台车和这台引擎都不陌生,而且可以说,VVT-i是最早在国内车坛上出现的可变气门正时系统,没有之一。



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图:这张图不用介绍来自哪里了吧?丰田VVT系统的首装车就是这台俗称“廿哗佬”或者“银盘”的4A-GE引擎。VVT系统的可变角度为30°。然而有某些车友为了让机器在高转区间有更好的响应性,会选择把该功能给后期去除掉。这样做虽然能提升发动机在高转时的动力输出,但对低扭输出的影响相当大。



VVT-i的控制装置在进气侧凸轮轴处,以电脑连续控制进气凸轮轴的转动角度形成“时间差”,从而实现调整气门启闭的时间。这一组安装在引擎的进气侧凸轮轴的机构,在凸轮轴与传动链轮之间具有油压离合装置,让进气门凸轮轴与链轮之间转动的相位差可以改变。而控制的油压机构,则与引擎的机油系统连结,并以电磁阀门及控制回路调整。



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图:第一代VVT-i的机械硬件核心装置是液压活塞和螺旋花键。



在引擎运转中,气门开启的时机,被称为气门正时。当引擎处于不同的转速时,凸轮轴与链轮之间亦有着不同的角度,进而让进气门在不同的时机时开启与闭合,达到连续可变汽门正时的目的,而我们正是需要有不同的气门正时来控制引擎的工作状况如:“低速时,需减少油耗;一般车速时,需节省燃油和降低废气的排放;高速时,则大幅提升马力及扭力的输出。由此达成高效率、低污染、更省油和更安静的优异性能。VVT-i使引擎不论在任何状况下,皆能充份发挥最大效益。



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每个新技术都会有诞生和发展历程,VVT-i的工作原理并不复杂,如果通俗理解就是“通过电脑、在凸轮轴位置实现调整火位”的效果。至于工作原理、甚至学术理论,我们并不会为车友们写出一篇论文来,毫无意义的文章,你看三五行就像关窗了。咱们还是用发展来介绍吧。


1998年,也就是VVT-i推出三年后,丰田推出了第二代技术、即Dual VVT-i双VVT-i技术,并首先使用在Altezza RS200的3S-GE引擎上,后来有陆续出现在2GR-FE、UR、AR、LR、NR等发动机上。所谓的双VVT-i就是在进排气侧凸轮轴前都拥有可调整装置,进排气门均能实现气门开启时间以0°为中心的±角度调整。



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图:双VVT-i技术的难点,在当时而言并不是机械设计和布局问题,而是考验ECU的计算速度,如果没记错的话,1990年代末的汽车单片机普遍还是8 bit、稍先进的是16 bit而已。



1999年,第三代VVT-i紧接着Dual VVT-i面世,这就是VVTL-i,并首装于Celica上的2ZZ-GE引擎上。多了“L”,即Lift气门升程控制,将可变气门正时与可变气门升程两种技术合二为一。而作为可变气门升程技术的鼻祖级车企之一的本田,也在2001年推出了同类系统,名为i-VTEC。只不过,丰田的增加气门延伸装置的原理跟本田的不同。



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图:VVTL-i原本属于VVT-i的一代,但到了2007年时,另外发展出一个叫Valvematic的连续可变系统,并在3ZR-FAE引擎上首装,而本田的AVTEC则没有发展下去。



第四代系统于2006年9月首次出现在LS460的1UR-FSE发动机上,系统名为VVT-iE,“E”的意思是Electric motor电动马达,顾名思义了,(进气侧)凸轮轴头的执行器从液压装置升级为伺服马达。工作时,马达与凸轮轴一起旋转,当需要提前凸轮正时之际,电动马达会转快一点,实现提前打开进气门;反之亦然,要延后就转慢一些。使用了电动马达后,原本依靠油压作动的执行器的可靠性和效率都有提高。除了V8的UR引擎使用外,2014年4月开始,该系统开始下放到一些小排量引擎,例如NR系列发动机上使用。



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图:VVT-iE其实就是用伺服马达替换了液压和花键机构。进气侧可变幅度为40°,排气侧为35°。(图中1就是执行器、2是电机、9为进气凸轮轴)



第五代VVT-i诞生于2014年,名为VVT-iW,最后的“W”意思是Wide,意思就是提供更大的气门启闭时间宽度,可变范围可以达到75~80°,用以应对在同一台引擎内的奥托循环和阿特金森循环之间的切换能力,至于目的嘛,依然是那句已经听到耳朵起茧的“在节能与性能之间获得平衡”。首装车是Lexus NX上的8AR-FTS引擎。



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看完了关于VVT-i技术的简介,相信对于各位车友、车迷、车民而言已经足够了解该系统的原理和发展史了,至于那些以罗列数据、公式型的文章,别说普通人了,笔者从业汽车媒体都快20年了,你让我去看这类貌似很专业的文体,我宁愿睡个觉了。如果还执着此类高度专业技术类文章的车友,可以到科技书店找找,那个更详细。




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