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新动力探源 长城绿静20VGT柴油机拆解

发表时间:2024-02-28 15:42:26 来源:亿百体育手机版/发动机件

  [汽车之家 拆解] 作为第三次发动机拆解的主角,长城2.0VGT柴油机终于粉墨登场了。此前我们已对发动机生产环节进行了参观,而此时就要对这台2.0排量的新柴油机进行正式拆解了,为了大家阅读的方便,我们第一步介绍的是柴油机的高压共轨系统与附件部分,而进排气和缸体部分将随后奉上。

  与汽油机点燃燃料混合气不同,柴油机是通过将进气压缩加温,再与柴油喷雾混合,压燃燃烧的,因此一套行之有效的燃油喷射系统对于柴油机来说最重要。由于柴油机的压缩比大(与一般汽油10-11的压缩比相比,GW4D20柴油机的压缩比达到了16.7),汽缸内的压力非常大,要形成均匀的油雾,也就需要很高的喷油压力,而现在主流的柴油机则是电控的高压共轨喷射,通过高压油泵加压,ECU采集传感器信号,控制带电磁阀的喷嘴改变喷油时机和喷油量,实现燃油喷射的精确控制。

  GW4D20柴油机目前所用的这套高压共轨燃油喷射系统由德尔福提供,主要由高压油泵、油轨、高压油管、喷油嘴、各种传感器、ECU等组成。这套高压共轨系统能提供最高1800bar的喷油压力,这个压力在国内乘用车柴油机中也算较高的(如VM 2.5排量柴油机的喷射压力为1350bar)。

  高压油泵的作用是供给柴油机在正常运作时的足够的高压燃油,同时保证柴油机迅速启动所需要的额外供油量和压力要求。GW4D20柴油机采用的是德尔福提供的高压油泵,该油泵采用将扇叶式输油泵与高压油泵制成一体的形式,双柱塞式设计,整体结构更为紧凑可靠,也能承受更高的工作所承受的压力。

  油泵采用皮带驱动,最高压力可达1800bar,值得一提的是,这个压力与上下文所提到的喷油系统、油轨、喷油器的最大压力/工作压力并不完全一致,这与喷油系统与发动机的工况有关,多数时刻高压共轨系统并不一定处于满负荷运转,这样能确保对喷油系统来进行更精确的控制,实现燃油燃烧的高效率。

  输油泵将经过燃油滤清器过滤之后的燃油泵吸到泵腔内,当供油压力超过安全阀的开启压力(50-150kPa)时,燃油经高压油泵进油阀进入柱塞腔并被压缩,油压的升高一旦达到高压油轨的油压,出油阀被打开,被压缩的燃油就进入了高压循环。供程结束后,柱塞腔内压力减小,出油阀关闭,当柱塞腔内压力又低于输油泵的供油压力时,进油阀又开启,吸油过程又开始。

  『高压油泵结构示意图:1.泵体,2.入油阀,3.出油阀,4.弹簧固定器,5.驱动轴,6.轴衬,7.输油泵,8.泵体,9.挺柱,10.滚动浮子,11.喉管,12.前端板,13.燃油比例控制阀,14.温度传感器。』

  高压油轨的功用是将被高压油泵压缩的燃油储存在油轨中,在每个工作循环时,能确保瞬间燃油压力相对恒定,在提升燃油压力的同时,又降低了燃油压力的波动,保证了燃油的充分雾化,又使得发动机工作更加平稳,而整个燃油喷射过程由ECU来控制,各电控元件的响应时间也大大缩短。

  『4D20采用德尔福锻造油轨,锻造工艺的优点是强度更高,能承受更大压力,油轨的最大轨压为1800bar,最左侧为进油口,其余四个为通向喷油器的出油口』

  燃油经过加压之后,通过油轨,最终通过喷油器喷射到燃烧室内。由于柴油机没有火花塞,因此喷油器布置在燃烧室中心附近,结合7孔喷油嘴,有利于更为均匀地喷射油雾,有利于燃料充分燃烧,从而提升发动机的动力性能和燃油经济性。

  4D20的高压共轨系统选用的是改良的电控喷油器,能轻松实现短喷射时间间隔(低于0.2毫秒)前提下的多次喷射(每缸最多5次),通常采取两次预喷射加主喷射的方式(正常工作喷射压力为1200bar),从而使主喷射油束在预喷射油束的引导下按照设计方向合理流动,便于在燃烧室内形成均匀的油雾,提高燃烧效率,起到提升动力和燃油经济性的双重效果。

  网友疑问:国内的柴油油品不是很理想,那么对于高压共轨这样精密的喷射系统,在柴油的使用上面是不是会出现一些问题呢?

  对于国内的油品问题,确实存在着油品参差不齐的问题。4D20柴油机采用了带油水分离器的柴油滤清器,这样燃油中的杂质和水分都可以最大限度分离,不使之进入高压共轨系统。由于系统的工作所承受的压力很大,能通过滤清器的过滤、尺寸更小的杂质也很难堵塞喷油嘴(汽油电喷车型就较化油器车型更难堵塞,而柴油喷射系统的工作所承受的压力还要比一般的电喷高至少一个数量级),同时柴油较高的燃烧效率更有助于排除带入的微粒杂质。不过消费者也要尽可能地选择正规的加油站点,以确保基本的燃油质量。

  此外,高压共轨系统还包括高压油管、ECU、各类传感器等部件,其中ECU主要起控制发动机、与其他ECU(如ABS系统)交换数据的作用,而且GW4D20还装备了爆震传感器,这是柴油机上面不多见的,它的最大的作用是修正燃油系统在工作较长时间以后因为磨损而造成的各缸工作的不均衡性,减少发动机后期维护的工作量。爆震传感器把发动机各个汽缸间工作不均衡引发的振动变为电信号,传到ECU,ECU处理之后通过改变喷油量,从而对振动进行抑制。

  发电机是汽车必不可少的配件,作为发动机的附件之一,它通过皮带驱动,为车辆提供电力,长城GQ2.0VGT柴油机配备了发电电压为14伏的直流发电机。相应的,除了发电机,还有起动机带动飞轮实现发动机的启动。由于柴油机在低温下往往面临启动困难的问题,因此4D20柴油机还特意加装了预热塞,可以在接通电源之后对发动机进行预热,提高燃烧室内混合气在启动时的温度,从而大大改善发动机的低温启动性能——根据厂家在寒区实地测试的情况,2.0VGT在零下30℃左右启动时间大约3-4秒,预热塞在一般在发动机冷却水温低于50℃起作用,作用时间与大气压力以及冷却水冷有关,水温越低,上班时间越长。

  一套行之有效的正时系统显然是确保发动机各部件协调工作的重要的因素,它在缸体外的部件最重要的包含皮带轮,皮带,张紧器和张紧轮等,4D20柴油机的正时系统采用正时齿带带动,并引入了自动张紧设计,在使用的过程中不需要额外调整。正时皮带噪音较小,不过需要按时进行检查,并在到达8-10万公里里程时更换正时皮带,对于普通用户来说,这个周期还是可接受的。

  『张紧器可以自动调整,便于发动机在不同工况下的运转(图为正时张紧轮结构)』

  为了确保发动机的热效率和平稳工作,还需要对其进行冷却和润滑,这就是我们熟悉的机油与发动机冷却液循环系统。GW4D20的机油容量为6升,较一般2.0排量的汽油机大一些,机滤的更换周期为5000公里,与市面上的大多数车型相同。4D20的机油泵通过皮带驱动,转子式的结构相对比较简单紧凑,供油量大,在中小排量的柴油机上存在广泛的应用,相对齿轮式机油泵,前者能够达到更高的工作转速,提供更有效的润滑。

  高压喷油系统对于现代柴油机是必不可少的,而有了强有力的供油系统,2.0VGT柴油机还需要一套高效的进气系统来与之匹配,同时还需要缸体、曲轴等部件来支撑整个燃烧和动力输出过程,2.0VGT与一般的增压机型在使用上有何区别?它能达到怎样的排放标准?这样一些问题我们将会在拆解文章的下篇为大家一一解答,敬请期待。

  在之前的拆解文章中,我们已对长城2.0VGT柴油机的高压共轨系统与附件部分进行了介绍,而在本篇文章中,将为大家介绍这款发动机的进排气以及缸体部分,这其中就包括该引擎核心部件VGT可变截面涡轮增压器,以及电控EGR阀等。下面就让我们拧开它锁紧的螺丝,揭开这款自主柴油机的秘密。

  在长城自主研发的GW4D20型2.0VGT柴油发动机当中,最大的亮点莫过于VGT可变截面涡轮增压器了,它与传统的放气阀式涡轮增压器不同,其采用可变截面技术,该技术可保证发动机在高/低转速时,都可获得通过增压器为其带来的充足进气能量,使发动机的动力输出更加平缓。那么该技术具体原理是什么?内部结构又是怎样呢?

  相信大多数网友对涡轮增压技术也不会陌生,但考虑到让读者更清晰的了解这项技术,编辑还需在这里多啰嗦几句。目前,涡轮增压技术已属于发动机上常见的技术之一,它的原理其实格外的简单,是由发动机做工燃烧过程中排出的废气带动涡轮,涡轮再带动叶轮对空气进行增压,从而有效增大进气量,提升发动机动力。

  『发动机燃烧室排出的废气吹动涡轮(右侧黑色),然后带动叶轮(左侧银色)对空气进行增压』

  但传统的放气阀式涡轮增压器也有弊端,就是当发动机转速较低时,由于排气量较小,此时涡轮增压器就会由于驱动力不足而无法达到工作转速,在该工作状态时,动力表现甚至小于同排量的自然吸气发动机,这就是我们大家常常说 的“涡轮迟滞(turbo lag)”现象。

  『导流叶片的开启角度是通过调节喷嘴环上可变舌片倾斜或垂直的位置以带动喷嘴环,之后喷嘴环再联动内部的导流叶片,实现其开启/关闭的角度』

  而VGT可变截面涡轮增压器则有效解决了这个难题,其核心在于其内部增加可调涡流截面的导流叶片,其位置固定,但角度能够准确的通过发动机工况做调整,废气会顺着导流叶片送至涡轮叶片上,通过调整叶片角度,控制流过涡轮叶片的气体流量和流速,从而控制涡轮的转速,改变气体压力的大小。简单来说,其原理好比用软管的一端插入水龙头,当开启龙头后,水的压力比较平缓,但当挤压软管出水口的开口时,水压则会变大,而随着挤压面积增大,水的压力则逐渐加大。

  上述比喻的例子与可变截面涡轮增压技术相似,当发动机低转速排气压力较低的时候,导流叶片打开的角度较小。根据流体力学原理,此时导入涡轮处的空气流速就会加快,增大涡轮处的压强,从而能够更容易推动涡轮转动,有效减轻涡轮迟滞的现象,也改善了发动机低转速时的响应时间和加速能力。而在随着转速的提升和排气压力的增加,叶片也逐渐增大打开的角度,在发动机全负荷状态下,叶片则保持全开的状态,减小了排气背压,进而达到传统大涡轮的增压效果。那么导流叶片是怎样被调节的呢?

  控制导流叶面的开启角度是需要先参考一系列的发动机运行工况(例如气门开启,发动机转速,大气压力和水温等),发动机控制单元将计算最合适的涡轮增压器压力,之后通过位置反馈装置反馈给ECU,并计算目前增压器所需要的导流叶片截面积大小,之后由真空调节器通过真空度改变增压器内部调节杆位置,并推动喷嘴环上可变舌片倾斜或垂直的角度带动喷嘴环,之后喷嘴环再联动内部的导流叶片,调节其开启/关闭的角度,以此来实现可变截面技术 。

  网友疑问:可变截面涡轮增压发动机与传统的涡轮增压发动机在日常保养方面有何不同?

  因为两款涡轮增压器在工作原理上基本相同,所以它们在日常保养方面也不会有太大差异,首先消费者要注意缩短车辆机油更换周期,并运用耐高温、抗氧化好的优质油品。其二是需要按时换机油滤清器和空气滤清器,保持涡轮的清洁。最后在日常驾驶方面,消费者也要注意冷车时点火后,最好热车后在行驶,而熄火前,需等发动机怠速一段时间,增压器降温后再熄火,保证增压器寿命。

  EGR阀全称为排气再循环控制阀,其最大的作用是控制进气系统的废气再循环量,而废气再循环(Exhaust Gas Recirculation)是指在发动机燃烧过程中,将一部分废气引入进气管,与新鲜空气混合之后进入发动机气缸进行二次燃烧,由此减少NOx(氮氧化物)的排放量。

  但是过度的废气再循环将会影响发动机的正常工作,特别是在怠速以及在全负荷(节气门全开)要求发动机动力性时,再循环的废气将对发动机的性能产生一定的影响。因此,就需要一个设备来根据发动机的实际工况及工作条件的变化,自动调整并控制参与再循环的废气量。

  『左图:EGR阀冷却器,起到冷却废气作用,右图:电控EGR阀电机,运转带动齿轮调整阀门开度』

  而EGR阀则可以轻松又有效的控制废气进入进气管的量,从而解决过多的废气再循环量对发动机性能产生的影响。EGR阀安装在进气管和排气管之间,而传统的气动式EGR阀是通过化油器节气门上的取气孔吸取负压,当取气孔处负压达到EGR阀中弹簧预紧力时,其阀门则会开启,这样发动机进气管和排气管之间形成进气通道,排气管中的废气便经过此通道进入进气管,完成废气再循环工作。而长城2.0VGT配备的电控EGR阀又有怎样的特点呢?

  电控EGR阀优点是相比传统气动式EGR阀更加精确,并保证各工况下的状态。其内部装备了一台电机,在发动机工作时,ECU会根据传感器反馈的电子信号,了解发动机目前的工况状态。而当需要阀门开启或关闭时,ECU将向电控EGR阀中的电动机发出信号,电动机运转并通过内部的齿轮使阀门关闭,以此来实现废气循环系统启动和停止。

  另外,长城2.0VGT发动机配备的电控EGR阀还拥有自清洁功能,因为EGR阀长时间使用会产生积碳,自清洗功能在发动机熄火后,EUC不会立刻断电,在1-20秒之间,EGR阀会从全开至全部关闭反复3次,来可以清洁阀杆和阀座的积碳,避免积碳过多影像EGR阀正式工作。此外,其还具有自学习功能,当发动机熄火后,阀门将会落座关闭,而由于积碳有几率会使ECU对阀门0点的初始位置计算误差,所以每次发动机熄火后,ECU都将重新记录阀门0点初始位置,避免之后出现电控EGR阀关闭的0点位置误差。

  发动机缸体材质大致上可以分为铸铁和铸造铝合金,考虑到柴油机的燃烧方式的特性,铸铁缸体的高强度和高耐磨性,更符合柴油发动机的特点,而铝合金缸体虽然拥有轻量化的优势,但是想要达到和铸铁同等强度,就必须付出高昂的制造成本。考虑到这两点因素,目前多数柴油机基本都采用铸铁缸体,长城自主研发的2.0VGT自然也不例外。

  长城2.0VGT柴油机缸体使用了无缸套结构,而曲轴箱采用了平分式结构,以曲轴轴线为中心,分为上、下缸体两个部分,而下缸体则与主轴承盖形成一个整体,此种结构设计相对于龙门式缸体及隧道式缸体来说,这种设计汽缸体强度和刚度较差,更适合使用在小排量发动机上。而优点是缸体的高度小,重量轻,结构紧密相连,而且便于加工和拆卸。

  长城2.0VGT柴油机的活塞采用铝合金材质制造,而从图中显而易见,其活塞头中部采用凹槽式设计,与多数汽油机活塞平面设计不同。这种凹槽式设计可以在进气和压缩行程时起到非常好的导流作用,让燃烧室内的混合气形成涡流,从而使燃油更好的和空气混合,提高燃烧效率,而这样的活塞设计在目前主流的柴油机上都在运用。

  值得一提的是,2.0VGT柴油机活塞头部采用了内冷油道进行强制冷却,并在活塞头部配备环形冷却油道,增强冷却活塞的作用。此外,在上缸体部分还安装了冷却机油喷嘴,可以对高速运转的活塞进行强制冷却,防止活塞过热,并能确保活塞与缸套在工作时具有合适的配合间隙,使其正常运转。

  凸轮轴是负责发动机进/排气门开启与关闭的核心部件,其安装在发动机气缸盖之上。目前,顶置凸轮轴大致上可以分为单顶置和双顶置两种结构,长城2.0VGT则装备DOHC双顶置凸轮轴(目前主流发动机基本采用了双顶置凸轮轴结构)。相比SOHC单顶置凸轮轴,从字面上就能很容易分清两者本质区别,双顶置凸轮轴是在缸盖上装有两根凸轮轴,其进气门与排气门分列排列在两根凸轮轴上(单顶置是进气门和排气门混合排列在一根凸轮轴),双顶置结构进/排气门由单独凸轮轴驱动,并可改变气门的重叠角,从而使配气更准确,燃油的利用率更高,此外,双顶置还更容易采用一缸多气门结构,使功率有一定提升。而缺点是其结构较为复杂,维修难度大,成本和加工工艺较高。

  虽然柴油机没有汽油发动机结构较为复杂,但长城这款2.0VGT柴油机已将核心技术运用到点上,可变截面增压器保证引擎输出的平顺性,电控EGR阀则保证了废气再循环的精确性,而之前文章谈到的高压共轨直喷系统也保证了引擎做工时的充分燃烧,可以说,作为一款自主研发的柴油机来说,长城已达到优良水平。在之后,车168还将对另外的品牌发动机做持续的拆解文章,敬请大家期待。

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