长城国六发动机GW4C20B技术亮点解读

随着国六排放标准在全国各地陆续开始实施,汽车厂商们也在对发动机技术进行更新升级。今天我们以长城GW4C20B发动机为例,讲解一下这些技术改进主要体现在那些方面 。该发动机是长城历时3年打造的,采用了热量管理系统、GPF颗粒物捕集器、燃油蒸发控制系统、电控涡轮增压器、缸内直喷以及集成排气歧管等技术(图1),具有一定的代表性。

发动机在长时间高速运转时,燃烧室内的温度很高。如果不能对其采取适当的降温措施,将有可能导致发动机高温而烧毁。现代汽车采用的是水冷的方式,通过冷却液的流动带走发动机的热量,使发动机保持在一个适宜的温度范围内。不同的车型发动机的最佳工作温度也有差异,发动机在最佳工作温度范围内工作,不仅能够节省燃油,延长发动机的寿命,还能够减少有害气体的排放。如何能够让发动机工作时迅速进入并保持在最佳工作温度范围是很多厂家不断研究的课题。C20B发动机采用了创新型热量管理系统。

创新型热量管理系统采用了全新的电控旋转阀组件。当发动机在冷起动时,可以快速升温,更快达到最佳工作温度(90~110℃),从而减少了发动机在低温工况下的高磨损与高排放。发动机热管理系统通过ECU控制热管理模块的执行电机驱动其内部的旋转滑阀,控制冷却液的流动方向,从而在各工作条件下实现快速暖机、降低摩擦、降低油耗等作用,提升发动机性能。创新型热量管理单元如图3所示。

配有涡轮增压器的发动机,涡轮增压器一般采用双冷却方式,即水冷(冷却液冷却)和油冷(机油冷却)。有些车的机油冷却也通过冷却液进行散热,C20B发动机的机油就是通过冷却液进行散热的。C20B发动机各阶段主要冷却管路工作情况,如图4所示。

汽车尾气中含有颗粒物,颗粒物就是大家近几年才熟悉的PM,这种颗粒物主要是在发动机燃烧过程中,当油气混合物结合不均匀时,就会出现燃烧不充分,这样很容易产生颗粒物。它对环境的危害很大,在国六排放标准中限定了PM颗粒的质量和数量。虽然发动机的技术在不断进步,但是随着人们环保意识的增强和排放法规的日益严苛,仅靠原有的尾气处理装置很难达到标准,汽油机也需要增加汽油颗粒捕集器GPF(Gasoline Particulate Filter)来降低颗粒物的排放。

GPF是一种安装在汽油发动机排气系统中的装置,用来捕捉尾气中的颗粒物,从而降低发动机尾气中颗粒物的排放。C20B发动机排气后处理装置包括前催化转化器、高温传感器、压差传感器以及GPF(图5)。

高温传感器用于发动机排气系统,测量排气温度,然后将排气温度的信号传递给发动机控制单元,为发动机控制系统标定模型提供数据支持,从而保证排气净化装置有效工作(图6)。

压差传感器的高压端和低压端通过软管分别与GPF的上游和下游相连,从而测得GPF前后的废气压差(图7)。压差传感器将测得的数据传递给发动机控制单元,发动机控制单元根据此信号判断GPF是否堵塞,控制GPF再生。

GPF一般有3种布置形式:与三元催化器集成在一起安装,离排气歧管较近;安装在三元催化器下游;直接将GPF涂在三元催化器上。GPF是由传统的流通式三元催化器载体演变而成,但又有所不同:三元催化器的内部结构是直通的,而GPF的是交错通过的(图8)。发动机排出的气体经过GPF,颗粒物会被捕捉,从而减少尾气中颗粒物的排放。

发动机控制单元分析压差传感器、高温传感器的信号,控制点火时刻、喷油量以及GPF再生,不断调节发动机的工作状况,控制原理如图9所示。

GPF长时间使用后,颗粒物会积聚在内部捕集器的表面形成PM层,PM层会提高过滤效率,但是排气阻力会增大,导致发动机出现动力不足、油耗增加等,此时应进行更换或者再生处理。排气后处理技术可能失效的原因有:人为造成GPF移除;压差传感器测量管路断路;GPF堵塞;GPF再生故障。

针对国六排放标准,C20B发动机燃油蒸发控制系统应用了几项新技术:为了避免渗透泄漏,对燃油系统的硬件进行技术升级,如材质改变;为了减少油气蒸发,需要采用ORVR(车载加油油气回收)系统,它能够收集加油过程中从油箱中挥发出来的燃油蒸气;为了减少燃油蒸发泄漏,采用油箱压力传感器,通过检测油箱的绝对压力,对泄漏量进行检测;为了监控脱附流量,在文丘里管设置了高负荷脱附管路压力传感器,在进行检测时将炭罐电磁阀打开、炭罐截止阀关闭,诊断管道压力传感器的负压状态进行判定。C20B发动机燃油蒸发控制系统如图10所示。

油箱压力传感器安装在靠近炭罐的燃油蒸气吸附管路上(图11),用来采集油箱压力,分析油箱(蒸发)系统是否存在泄漏。

检查方法:若油箱压力传感器输出电压读数在4.0~4.2V,即为正常,超出此电压范围即为异常。

炭罐电磁阀由电磁线圈、衔铁和阀等组成(图12),ECU根据发动机负荷、温度、转速等信号,控制电脉冲的持续时间和频率(即占空比),来控制炭罐清洗气流的流量。

检查方法:拆卸炭罐电磁阀,测量1和2号端子间的阻值,常温阻值为18~24Ω。

炭罐截止阀由电磁线圈、衔铁和阀等组成(图13),当此阀关闭的时候,油箱和炭罐通往大气的通道就会被关闭。此时油箱内的压力应为负压。

检查方法:拆卸截止电磁阀,测量1和2号端子间的阻值,常温阻值为19.8~21.8Ω。

高负荷脱附管路压力传感器设置在文丘里管(图14),在进行检测时将炭罐电磁阀打开,炭罐截止阀关闭,诊断管道压力传感器的负压状态进行判定。高负荷脱附管路压力传感器在发动机上的位置,如图15所示。

检查方法:若管路压力传感器输出电压读数在4.0~4.2V,即为正常,超出此电压范围即为异常。

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