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长城2.0发动机拆解.pdf

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长城 20 发动机 拆解
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长城2.0T 发动机拆解 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。 此前我们已经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,我们首先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。 ● 燃油高压共轨直喷系统 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非常关键。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。 『高压共轨系统主要组成部件』 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。这套高压共轨系统可以提供最高 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 高压油泵的作用是供给柴油机在正常运转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,这与喷油系统和发动机的工况有关,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进行更精确的控制,实现燃油燃烧的高效率。 『4D20 所用高压油泵』 『油泵的驱动轴由皮带带动』 『油泵的回油接管(上)和进油接管(下)』 『油泵上也有多个传感器和电控部件,图中绿色接头为温度传感器』 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。供油行程结束后,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 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,能够保证瞬间燃油压力相 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进行控制,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, 锻造工艺的优点在于强度更高, 可以承受更大压力, 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』 『高压油轨上端接口为轨压传感器,监测油轨内的油压』 ● 喷油器 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。 『喷油器位于燃烧室顶中部位置,并由电磁阀实现对喷油的控制』 『喷油器喷嘴特写,每只喷油器有7 个喷油孔』 『由于单独标定匹配,每只喷油器拆除后都需标号,并加装黄色保护帽』 4D20的高压共轨系统选用的是改良的电控喷油器,可以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也有利于排除带入的微粒杂质。 不过消费者也要尽量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,它的主要 作用是修正燃油系统在工作较长时间之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。爆震传感器将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。 ● 启动、正时与润滑机构 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,工作时间越长。 『GW4D20柴油机上采用的发电机』 『起动机安装孔位于飞轮齿盘侧上方』 『起动机带动飞轮,凭借飞轮的惯性,曲轴开始转动,由此实现压燃和启动』 『预热塞布置在缸盖燃烧室中部,以确保柴油机在寒冷环境下的启动性能。』 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主要因素, 它在缸体外的部件主要包括皮带 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 过程中不需要额外调整。 正时皮带噪音较小, 不过需要定期检查, 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,这个周期还是可以接受的。 『4D20柴油机的正时系统采用了正时齿带』 『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)』 『正时系统的装配同样需要严格的校正』 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和发动机冷却 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,转子式的结构简单紧凑,供油量大,在中小排量的 柴油机上有着广泛的应用,相对齿轮式机油泵,前者可以达到更高的工作转速,提供更有效的润滑。 『由于机油容量较大,机滤的个头也不小』 『机油冷却器既有冷却之用,又起着机滤接口的作用』 『缸体内的机油集滤器还有过滤较大碎屑的作用』 『转子式机油泵和缸体结合为一体,使发动机结构更为紧凑』 结语: 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。 ● VGT 可变截面涡轮增压器 『VGT可变截面涡轮增压器』 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? 『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』 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,它的原理其实非常简单,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 是我们经常说 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,但角度可以根据发动机工况进行调整,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。 『利用调节杆推动内部可变舌片的角度,从而实现调节导流叶片的开启/关闭』 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,从而可以更容易推动 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,从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? 『左图:位置反馈装置,右图:真空调节器』 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, 从而实现可变截面技术 。 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。其二是需要及时更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。 ● 电控 EGR 阀 EGR阀全称为排气再循环控制阀, 其主要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,从而减少 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。 『电控 EGR 阀』 『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? 『电机转动上图中的齿轮,开启/关闭 EGR阀门』 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,从而实现废气循环系统 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, 而由于积碳可能会导致 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。 ● 长城 2.0VGT 柴油发动机缸体材质 『发动机缸体以铸铁铸造(中部黑色部分)』 发动机缸体材质主要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。 缸体采用平分式结构,加工便捷结构紧凑 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。而优点在于缸体的高度小,重量轻,结构紧 凑,而且便于加工和拆卸。 活塞配备内冷油道设计,并依靠上缸体的机油喷嘴进行有效冷却作用 长城2.0VGT柴油机的活塞采用铝合金材质制造,而从图中不难发现,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很好的导流作用,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。 『冷却机油喷嘴为活塞起到冷却作用』 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,并能够保证活塞与缸套在工作时具有合适的配合间隙,使其正常运转。 ● 双顶置凸轮轴 『2.0VGT柴油机采用双顶置凸轮轴,其安置在汽缸盖上方』 『左图:进气门开启,右图:排气门开启』 凸轮轴是负责发动机进/排气门开启与关闭的关键部件,其安装在发动机气缸盖之上。目前,顶置凸轮轴 主要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。 而缺点是其结构复杂, 维修难度大, 成本和加工工艺较高。 总结: 虽然柴油机没有汽油发动机结构复杂,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,长城已经达到优良水平。 在之后,我们还将对其他品牌发动机做持续的拆解文章,敬请大家期待。
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