丰田皇冠3GR-FE发动机的结构特点与原理

2024年3月20日发(作者：日产楼兰为什么不保值)

Ｈｉｇｈｗａｙｓ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　

公　路　与　汽　运　

２２　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　第２期　

２０１０年３月　

丰田皇冠３ＧＲ　ＦＥ发动机的结构特点与原理　

蒋浩丰　

（南京交通职业技术学院汽车工程系，江苏南京２１１１８８）　

摘要：从发动机缸体、气缸盖、配气机构、进气歧管等部件入手说明了丰田皇冠３ＧＲ—ＦＥ　

发动机的结构特点；分别概述了该发动机燃油喷射控制、点火正时控制与双ｖｖＴ—ｉ控制的工作　

原理，总结了其优点。　

关键词：汽车；３ＧＲ—ＦＥ发动机；燃油喷射控制；ＶＶＴ—ｉ控制；点火正时控制　

中图分类号：Ｕ４６４．１　文献标志码：Ｂ　文章编号：１６７１—２６６８（２０１０）Ｏ２一ＯＯ２２一Ｏ５　

丰田第一代皇冠于１９５５年１月１日在日本下　

１．１发动机缸体　

线，到现在已经是第十二代车型，２００５年在中国天　

３ＧＲ—ＦＥ发动机采用铝制拉模铸造缸体，以减　

津一汽丰田投产。国产的新皇冠全部搭载３．０　Ｌ双　

轻重量；在水套中加装水套隔板，优化了气缸壁温　

ＶＶＴ—ｉ发动机，配备手自一体式六速自动变速箱，　

度，气缸壁中低部得以保持适当的温度，以降低发动　

采用ＦＲ（前置后驱）平台，使流畅的操纵性与充沛　

机机油黏度，减小摩擦力；缸套为多刺状，增大了与　

的驱动力兼收并蓄。　

冷却液的接触面积，从而提高了冷却性能。皇冠　

１　３ＧＲ—ＦＥ发动机的结构特点　

３ＧＲ—ＦＥ发动机气缸体如图１所示。　

１．２气缸盖　

新皇冠配备３．０　Ｌ　Ｖ型六缸顶置双凸轮轴电喷　

使用凸轮轴架来简化缸盖结构是该发动机的一　

２４气门（双ＶＶＴ—ｉ）３ＧＲ—ＦＥ发动机，其最大功率　

个技术亮点，并采用垂直的进气道增加进气效率。　

为１７０　ｋＷ、６　２００　ｒ／ｍｉｎ，最大扭矩为３００　Ｎ?ｍ、　

它的喷油器安装在气缸盖上，既防止了燃油附在进　

４　４００　ｒ／ｍｉｎ，压缩比为１０．５，缸径×行程为８７．５　

气道壁上，同时减少了废气排放量。进、排气凸轮轴　

ｍｍ×８３．０　ｍｍ。此发动机是丰田汽车公司的旗舰　轴承盖制成一体，简化结构的同时增强了其强度。　

之作，体现了丰田最高规格的先进技术。　

左侧气缸盖构造如图２所示。　

４　结　语　

在水温传感器正常工作的情况下，发动机暖机　

时，随着发动机温度的增大，发动机转速下降到正常　

转速。但是水温传感器输送低温伪信号时，与正常　

暖机工况相比，发动机转速、油耗、ＣＯ和ＨＣ排放　

发动机温度／￣Ｃ　

增加，ＮＯ　排放减小。　

图６温度信号对ＨＣ排放的影响　

发动机暖机时，若水温传感器有故障，输给喷油　

模块伪温度信号，装配丰田５Ｓ型发动机的汽车的自　

ｇ　

诊断系统故障灯不亮。　

挺　

Ｃ『　

Ｚ　

参考文献：　

Ｅ１］　汪立亮．现代汽车电器设备原理与检修［Ｍ］．北京：电　

子工业出版社，２００６．　

发动机温度，℃　

图７温度信号对ＮＯｘ排放的影晌　

收稿日期：２００９—１２一Ｏ２　

公　路　与　汽　运　

总第１３７期　

Ｈｉｇｈｗａｙｓ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　２３　

图１　３ＧＲ－－ＦＥ发动机气缸体　

进、排气凸轮轴　

轴承盖制成一体　

凸轮轴架　

图２左侧气缸盖构造　

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。　

图３正肘链条与凸轮轴驱动结构　

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。　

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。　

图４液压气门间隙调节器　

旋转电磁阀式　

ＡＣＩＳ控制阀　

图５　３ＧＲ－－ＦＥ发动机进气歧管的结构　

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　

２４　

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对喷油时间的影响如图６所示。　

第２期　

２ＯｌＯ年３月　

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／ｒａｉｎ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。　

大　

校正量　

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　

』　

，Ｊ、　

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。一，在这样较低的温　

度下，喷人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８Ｏ℃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　

时间　

图６加速对喷油时间的影响　

（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　

公　路　与　汽　运　

总第１３７期　

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…４　

稀　ｉ麓　１　ｉ　　

机　

碰　

反馈修正　

图７顷油闭环控制示薏图　

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６　０００～７　０００　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：　

／

／　

皿商　

／　●　●　●　●　●７　

●　●　●　●　●　●　●　●　●　●　●Ｉ　

ｇ　

●　●　●　●　●　●　●　●　●　●　●｜　

●　●　１２　ｌ８　●　●　●　●　●　●　●Ｊ　

辞　

●　●　ｌ６　２０　２３　●　●　●　●　●　

：卧　

●　●　ｌ８　２２　２５　●　●　●　●　●　‘　

●　●　●　●　●　●　●　●　●　●　●＼　

●　●　●　●　●　●　●　●　●　●　●，　

Ｏ　

发动机转速　

图中数值为点火提前角（。）。　

图８进气量和发动机转速确定基本点火提前角　

实际点火提前角一初始点火提前角＋基本点火　

提前角＋修正点火提前角　

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Ｖｖ１、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。　

图９　ＶＶＴ传感器与凸轮轴相对位置　

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：　

公　

２６　

与　汽　运　第２期

２０１　０…－？－”３月　Ｈ　ｉｇｈｗａｙｓ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　

（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　

得到提升。该工况下的气门正时如图１３所示。　

ＴＤＣ　

气门正时如图１Ｏ所示。　

ＢＤＣ　

从上止点（ＴＤＣ）附近到下止点（ＢＤＣ）附近的粗箭头表示进气　

门打开：从下止点附近到上止点附近的粗箭头表示排气门打　

开；小箭头表示各自的变化趋势。下同。　

图１Ｏ怠速、轻载、低温、起动工况下的气门正时　

（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ｌ１所示。　

图ｌｌ　中等负荷工况下的气门正时　

（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　

’　

ＢＤＣ　

图１２　中低转速、大负荷工况下的气门正时　

ＴＤＣ　

ＢＵＬ二　

图ｌ３高速、重载工况下的气门正时　

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。　

参考文献：　

［１］丰田汽车公司．丰田汽车维修手册ＥＭ］．北京：高等教　

育出版社，２００６．　

［２］于洪水．发动机与汽车原理［Ｍ］．北京：北京大学出版　

社，２００５．　

１－３］吴基安，吴洋．汽车电子新技术［Ｍ］．北京：电子工业出　

版社，２００６．　

Ｅ４３　陈琨，刘春梅．丰田３ｓ—ＧＥ发动机双ＶＶＴ—ｉ系统分　

析ＥＪ］．公路与汽运，２００８（２）．　

Ｅ５－１蒋浩丰．奥迪轿车ＦＳＩ发动机的结构特点与工作原理　

［Ｊ］．公路与汽运，２００８（５）．　

收稿日期：２００９—１ｌ一２９