Mercedes-Benz B級轎車的新型4缸柴油機(jī)

【德】 Lückert P Schommers J Werner P Roth T

1 開發(fā)目標(biāo)

與原先的轎車相比，新型B 級轎車驅(qū)動理念的特征是，柴油機(jī)的設(shè)計(jì)不是在前橋定下之后，而是在其之前就作了考慮。內(nèi)部型號為OM 651的基本型柴油機(jī)在其總體設(shè)計(jì)時已作了原則性規(guī)定，因此，它能以低廉的配裝賈用橫置于緊湊型轎車中。該機(jī)組不僅十分重視降低二氧化碳（CO2）的排放，燃油耗要低于同級轎車，而且在行駛功率和噪聲-振動-平順性性能方面也取得了顯著的進(jìn)步[1]。根據(jù)上述邊界條件，設(shè)定了以下開發(fā)目標(biāo)：（1）降低燃油耗和CO2排放，與原先的柴油機(jī)相比，該柴油機(jī)的CO2排放降低20 g/km 以上；（2）提高比功率和比扭矩值，改善靈活性；（3）不用采取主動降低氮氧化物（NOx）排放的措施就能達(dá)到歐5排放標(biāo)準(zhǔn)，同時提前滿足未來全球排放法規(guī)的要求；（4）提高基本型柴油機(jī)的通用性，減少新增零部件；（5）左側(cè)駕駛和右側(cè)駕駛均使用相同的柴油機(jī)；（6）理念上接近于基本型柴油機(jī)，確保高品質(zhì)和可靠性。

2 基本型柴油機(jī)

原先的OM 651型柴油機(jī)在轎車和輕型貨車上均采用縱向布置方式，而現(xiàn)在模塊化設(shè)計(jì)的OM 651型柴油機(jī)則改為橫置。1.8 L 柴油機(jī)的行程為83 mm，其缸徑、缸心距等主要尺寸與排量2.2 L 的基本型柴油機(jī)相同（表1）。利用這種模塊化理念，基本型柴油機(jī)的大部分零部件均可繼續(xù)沿用。

3 發(fā)動機(jī)機(jī)體

為把這一柴油機(jī)用于B 級轎車，針對橫置安裝柴油機(jī)制造了一種專用機(jī)體，對其在安裝和結(jié)構(gòu)質(zhì)量方面進(jìn)行了優(yōu)化。相對于縱置柴油機(jī)系列，橫置柴油機(jī)改變了廢氣渦輪增壓器布置方式，故確定了一種專門的機(jī)油回流方案。曲軸軸承和蘭徹斯特平衡機(jī)構(gòu)軸承在這一柴油機(jī)布置方式下，沿用了單獨(dú)軸承蓋的結(jié)構(gòu)方案。此外，這種曲軸箱通過摒棄縱置柴油機(jī)特有的凸臺，可減輕質(zhì)量5%。

表1 B級轎車用OM 651型柴油機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格

4 曲柄連桿機(jī)構(gòu)

如前所述，為配裝排量1 769 m L 的柴油機(jī)，設(shè)計(jì)了1套新穎的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，主要涉及下列零部件：（1）行程83 mm 的曲軸；（2）與較小行程相匹配的連桿；（3）經(jīng)優(yōu)化的活塞，并配裝了張力較小的活塞環(huán)；（4）匹配的蘭徹斯特平衡機(jī)構(gòu)；（5）雙質(zhì)量飛輪及皮帶輪-解耦器。

曲軸帶有4個平衡塊，與用8個平衡塊的2.2 L基本型柴油機(jī)的曲軸相比，其質(zhì)量減輕了5.6 kg。由于第3道活塞環(huán)的張力較小，故在相同的氣缸竄氣性能下，按新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）運(yùn)行時，其CO2排放下降2 g/km。柴油機(jī)變速器側(cè)用同樣的齒輪傳動，通過蘭徹斯特平衡機(jī)構(gòu)徹底消除了二階慣性力（圖1）。

由于引人了起動-停車系統(tǒng)，在皮帶傳動中采用了堅(jiān)固的軸瓦和解耦器。解耦器可使皮帶傳動中的張緊力減小，從而降低CO2排放。由于功率需求從80 k W提高到了100 kW，應(yīng)用了質(zhì)量優(yōu)化的雙質(zhì)量飛輪。

在這一曲柄連桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，柴油機(jī)總質(zhì)量減輕了14 kg（按DIN70020-GZ）。在此柴油機(jī)設(shè)計(jì)理念中，已考慮到進(jìn)一步開發(fā)成歐6柴油機(jī)的可能性，通過運(yùn)用模塊化零部件能夠不斷促進(jìn)這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

5 氣缸蓋

由于1.8 L 柴油機(jī)的行程縮短了，氣缸蓋需要重新匹配，以提高由此減小的進(jìn)氣渦流。為了達(dá)到燃燒要求，改進(jìn)了切向進(jìn)氣道，并把螺旋進(jìn)氣道中的閉鎖閥行程從9 mm 縮小到7 mm。這樣可把下止點(diǎn)時的渦流比重新提高到所要求的2.7。

6 機(jī)油泵

為了達(dá)到較低的CO2排放量，已在基本型柴油機(jī)中采用流量可調(diào)的機(jī)油泵，并將機(jī)油壓力與柴油機(jī)的要求相匹配。柴油機(jī)在中等負(fù)荷以下的情況下，其零件的冷卻和潤滑只需較低的機(jī)油壓力。只有在高負(fù)荷下才需要最高的機(jī)油壓力，由此能使柴油機(jī)零件得到完全冷卻。為此，采用了兩級壓力和流量可調(diào)的葉片式機(jī)油泵（圖2）。

機(jī)油壓力調(diào)節(jié)功能通過1個3/2液壓換向閥實(shí)現(xiàn)，由它調(diào)節(jié)調(diào)壓活塞的反作用力：（1）在0.2 MPa的低壓力級，調(diào)壓活塞的反作用力只由彈簧力產(chǎn)生；（2）在0.5 MPa高壓力級，調(diào)壓活塞的反作用力由彈簧力加上機(jī)油壓力產(chǎn)生，而機(jī)油壓力由調(diào)壓活塞面積乘以控制壓力得出。由于設(shè)有故障保險(xiǎn)裝置，機(jī)油壓力換向閥工作時，可以始終保持高的機(jī)油壓力。

為了降低燃油耗，在機(jī)油循環(huán)系統(tǒng)中，采取的另一項(xiàng)技術(shù)措施是可開關(guān)的活塞冷卻。為了向活塞冷卻噴嘴供給機(jī)油，在曲軸箱中設(shè)計(jì)了單獨(dú)的機(jī)油通道，其機(jī)油供給由電動閥控制。這種活塞冷卻將根據(jù)運(yùn)行工況控制開關(guān)。

7 真空泵

真空泵是另一個重要的附件，是為柴油機(jī)盡可能減少CO2排放而進(jìn)一步開發(fā)的。其開發(fā)目標(biāo)是在不延遲抽氣時間的情況下，大大減小驅(qū)動功率。它是通過優(yōu)化泵中進(jìn)、排氣過程及改變?nèi)~片材料實(shí)現(xiàn)的。上述措施使真空泵驅(qū)動功率減小40%。

8 進(jìn)氣系統(tǒng)

進(jìn)氣系統(tǒng)中有1個固定在汽車上的阻尼濾清器（圖3）。較大的空氣容積和管道截面使流動損失減小。結(jié)合采用專門的聲學(xué)材料，使進(jìn)氣和流動噪聲得到很好的阻尼。將濾清器前后段進(jìn)氣管與阻尼濾清器進(jìn)行完美的匹配，使阻尼濾清器筒內(nèi)流動均勻，空氣質(zhì)量流量計(jì)和壓氣機(jī)的進(jìn)口流量不變。進(jìn)氣系統(tǒng)的其他部分，諸如增壓空氣管、進(jìn)氣節(jié)氣門、帶EGR 的增壓空氣歧管、EGR 引人管和帶進(jìn)氣道閉鎖閥的增壓空氣分配管等，均仍沿用現(xiàn)有量產(chǎn)發(fā)動機(jī)的。此外，還裝配了在縱置柴油機(jī)中經(jīng)受考驗(yàn)的帶前冷卻器的EGR 系統(tǒng)、電動EGR 閥、EGR 冷卻器和進(jìn)氣歧管中的再循環(huán)廢氣管。

9 增壓

由IHI Charging Systems International公司制造的RHV34型廢氣渦輪增壓器是在RHV3 型和RHV4型基礎(chǔ)上進(jìn)一步研發(fā)而成的。它有1個由電動調(diào)節(jié)器控制的幾何截面可變的渦輪，其具有以下特點(diǎn)：（1）設(shè)計(jì)的渦輪很小，以獲得良好的響應(yīng)特性；（2）渦輪泄漏損失小；（3）對渦輪葉片的繞流性能進(jìn)行了優(yōu)化。

氣動設(shè)計(jì)的重點(diǎn)主要在發(fā)動機(jī)特性曲線圖的左半部分，它對燃油耗具有重要的思義。葉輪的轉(zhuǎn)動慣量比原先OM 640 型柴油機(jī)的減小約14%。因此，廢氣渦輪增壓器具有卓越的瞬態(tài)性能。提高效率的措施降低了發(fā)動機(jī)特性曲線圖中大部分的換氣功。圖4表示與原先的OM 640 型柴油機(jī)相比，換氣功下降了0.1 MPa。

10 排氣歧管

為了達(dá)到排放限值，柴油機(jī)配裝了用空氣隙絕熱的排氣歧管。為確保柴油機(jī)橫置時具有緊湊的結(jié)構(gòu)及較低的安裝成本，歧管外壁和內(nèi)壁均做成深拉伸的瓦形結(jié)構(gòu)（圖5）。對運(yùn)行強(qiáng)度的要求是采用空氣隙絕熱的另一原因。為了易于安裝，將廢氣渦輪增壓器與排氣歧管分開，致使氣缸蓋方向的外瓦留有很大的空檔。為了保證在這一范圍內(nèi)具有抵御熱強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度的能力及剛度，運(yùn)用了雙層法蘭。渦輪增壓器總成的大部分質(zhì)量都支承在出口法蘭上，所以出口法蘭必須牢固地固定在下瓦上。利用剛性的整塊鍛造法蘭和外周焊縫，以確保此部位的熱強(qiáng)度和動力強(qiáng)度。這種構(gòu)造也可避免焊渣進(jìn)人廢氣流動區(qū)。

11 排氣系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)既要滿足目標(biāo)市場的法定要求，又要滿足用戶對Mercedes-Benz 品牌汽車在聲學(xué)舒適性、環(huán)保性及足夠耐久性方面的高期待。

為了滿足上述要求，在開發(fā)過程中做了以下幾項(xiàng)工作：（1）集成滿足歐5排放標(biāo)準(zhǔn)的排氣后處理系統(tǒng)；（2）提高使用壽命，同時減輕零件的質(zhì)量；（3）減小排氣系統(tǒng)的排氣背壓，以確保柴油機(jī)的效率；（4）降低排氣口的噪聲，提高舒適性，并盡可能減輕整車的振動；（5）機(jī)外噪聲達(dá)到目標(biāo)值。

新型B級轎車的排氣系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成一體式，然后，用由支架和4個橡膠掛件組成的解耦元件把渦流增壓器固定在汽車上。排氣系統(tǒng)完全由不銹鋼材料制成，內(nèi)有1個直徑15.748 cm 的組合箱和1個容積優(yōu)化的橫置后消聲器。

廢氣通過汽車排氣尾管排出，根據(jù)不同的車型配置，可提供帶或不帶排氣尾管飾板2 種。排氣系統(tǒng)的所有管路直徑均為65 mm，能實(shí)現(xiàn)較低的排氣背壓值。同時，消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)根據(jù)聲學(xué)要求進(jìn)行優(yōu)化，使其不會超過背壓目標(biāo)值。排氣系統(tǒng)在最初的構(gòu)造設(shè)計(jì)時就運(yùn)用了有限元計(jì)算。通過細(xì)微的優(yōu)化，可以降低構(gòu)件中可能出現(xiàn)的應(yīng)力，有限元法是一種減輕構(gòu)件質(zhì)量的有效方法。運(yùn)用運(yùn)行振動分析法對排氣系統(tǒng)的振動性能進(jìn)行分析，并作了改進(jìn)，以確保其耐久性。在開發(fā)初始階段，就運(yùn)用計(jì)算流體動力學(xué)的流動模擬確定及優(yōu)化了進(jìn)人催化器的情況。

按照下列步驟，進(jìn)行了排氣系統(tǒng)的聲學(xué)研發(fā)：（1）采用換氣計(jì)算，確定出口基準(zhǔn)聲級；（2）在聲學(xué)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺上進(jìn)行聲學(xué)測量；（3）平衡測量和計(jì)算，并通過計(jì)算進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化；（4）在汽車上進(jìn)行優(yōu)化方案的測定；（5）在汽車上進(jìn)行細(xì)微的優(yōu)化。結(jié)果顯示，適度的總聲壓級和諧波變化的發(fā)動機(jī)二階慣性力并沒有引發(fā)過多的干擾。這樣達(dá)到的聲音使駕駛員和乘客都有一種舒適的聲學(xué)感覺，這正是Mercedes-Benz轎車典型的汽車品質(zhì)體現(xiàn)。上述設(shè)計(jì)方案確保汽車能獲得現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。

12 外形尺寸和帶傳動

OM 651型柴油機(jī)的基本理念是通過外圍各邊角構(gòu)件的巧妙設(shè)計(jì)和布置來滿足各種安裝條件，特別是橫向安裝的特殊條件。在橫置OM 651型柴油機(jī)的外形布置時，應(yīng)盡可能考慮沿用原縱置柴油機(jī)的排氣系統(tǒng)部件。向柴油機(jī)排氣側(cè)傾斜15°安裝，使橫置方案也可完全沿用所謂的“冷側(cè)EGR 系統(tǒng)零部件”，包括可開關(guān)的EGR 冷卻器及進(jìn)氣道可閉鎖的增壓空氣分配管。

原則上，橫置柴油機(jī)的各附件均選用按摩擦功率優(yōu)化的5槽皮帶傳動機(jī)構(gòu)。一種特殊的元器件是指軸向配下置水泵的、可按工況調(diào)節(jié)的恒溫器，采取這種方式可使水循環(huán)短路直接進(jìn)人柴油機(jī)內(nèi)。所有附件，包括機(jī)械式帶張緊器，均安裝在橫置柴油機(jī)專用的附件架上。后者是一種復(fù)雜的鋁鑄件，用溶化泡沫模鑄造法制成，它還集成了從氣缸蓋出口到恒溫器前進(jìn)口的冷卻水總管。

13 噴油系統(tǒng)

B級轎車上配裝的柴油機(jī)采用具有下列特征的噴油系統(tǒng)：（1）最高噴油壓力180 MPa；（2）電磁閥驅(qū)動噴油器；（3）每循環(huán)最多可實(shí)現(xiàn)5次噴油；（4）采用吸油量調(diào)節(jié)的2柱塞高壓泵；（5）通過固體聲傳感器調(diào)節(jié)，補(bǔ)償噴油量的漂移；（6）根據(jù)需要，調(diào)節(jié)燃油加熱；（7）調(diào)節(jié)電動燃油泵的體積流量。橫置柴油機(jī)用噴油器是在原先縱置柴油機(jī)用噴油器的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而成的，其結(jié)構(gòu)緊湊，在噴油嘴附近有1個平衡壓力的伺服閥。噴油器的特點(diǎn)是燃油油路中的有害容積小，同時泄漏量被大大減少。通過優(yōu)化噴油器高壓區(qū)的容積，使高壓共軌壓力下先導(dǎo)噴油量的可調(diào)性得到改善，并減小了多次噴油量之間的分散度。

為了盡可能減少進(jìn)人燃油系統(tǒng)的熱量，應(yīng)用了一種吸油節(jié)流的高壓泵，從而可以不用單獨(dú)的燃油冷卻。根據(jù)需求，視燃油溫度控制燃油濾清器的電加熱，而且可以按凝凍度分別調(diào)節(jié)加熱功率。電動燃油泵的體積流量利用壓力傳感器按需調(diào)節(jié)。上述2項(xiàng)措施可以減小對電功率的需求，從而降低燃油耗。

14 功率和扭矩

為了達(dá)到更低的燃油耗，與基本型柴油機(jī)相比，排量減小了約10%，降至1.8 L。這時最大功率達(dá)到100 k W，最大扭矩保持300 N·m（圖6）。在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，80 k W 的柴油機(jī)與原先功率相同的柴油機(jī)相比，扭矩提高了16%，同時瞬態(tài)性能也明顯改善。為了達(dá)到這一目標(biāo)，需要對廢氣渦輪增壓和混合氣形成進(jìn)行大量改進(jìn)。所選用的渦輪增壓器比縱置的2.2 L 機(jī)組用的小，并運(yùn)用了最現(xiàn)代的空氣動力學(xué)設(shè)計(jì)方案。

相對于基本型柴油機(jī)，減小排量會影響混合氣的形成，但可通過改變氣缸蓋中的切向進(jìn)氣道和螺旋進(jìn)氣道中閉鎖閥的升程加以優(yōu)化。這樣，雖然排量相對于縱置柴油機(jī)縮小了，但功率和扭矩仍舊保持不變，同時，對于負(fù)荷從低轉(zhuǎn)速突增時的瞬態(tài)性能具有積極作用。

15 排放

為使排放值低于歐5限值，除了采取上述混合氣形成的措施以提高空氣利用率之外，還匹配了噴油嘴的幾何參數(shù)（例如：7個噴孔改為8個噴孔）。在部分負(fù)荷下，提高增壓度可以實(shí)現(xiàn)較高的EGR 率。尺寸較小的渦輪設(shè)計(jì)同樣能提高部分負(fù)荷時的增壓度。2.2 L基本型柴油機(jī)高效的EGR 回路降低了燃燒室溫度，從而減少了NOx排放。上述措施使排放-燃油耗之間的優(yōu)化得到折衷，確保柴油機(jī)原始排放低于歐5排放限值。這為欲開發(fā)歐6柴油機(jī)的燃燒系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)。

16 燃油耗

從發(fā)動機(jī)萬有特性曲線圖清晰可見，在寬廣的運(yùn)行工況范圍內(nèi)，新型1.8 L柴油機(jī)的燃油消耗率低于230 g/（k W·h）（圖7）。在與燃油耗有密切關(guān)系的低負(fù)荷特性曲線區(qū)內(nèi)可以看出，其燃油耗也很低。這種突出的優(yōu)點(diǎn)使得無論在低負(fù)荷運(yùn)行工況下，還是在部分高負(fù)荷運(yùn)行工況下，這種特性確保了燃油耗均比原先車型的低許多。對于80 k W 的柴油機(jī)而言，其CO2排放值達(dá)到了114 g/km，而100 k W 的柴油機(jī)達(dá)到了115 g/km（均按NEDC運(yùn)行，帶手動變速器），它們?yōu)檫@一等級的車型樹立了新標(biāo)桿（圖8）。

17 振動、噪聲及舒適性

由于前驅(qū)汽車用OM 651型柴油機(jī)的設(shè)計(jì)任務(wù)書中規(guī)定的指標(biāo)很高，對橫置柴油機(jī)在噪聲、振動及舒適性方面進(jìn)行了優(yōu)化。為此，運(yùn)用模擬仿真、發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)和整車測試對其進(jìn)行了聲學(xué)優(yōu)化。

重點(diǎn)放在優(yōu)化動力裝置機(jī)組支承的振動級。根據(jù)對柴油機(jī)舒適性的要求，1.8 L柴油機(jī)配裝了蘭徹斯特平衡機(jī)構(gòu)。為了優(yōu)化較高頻率區(qū)域的振動級，柴油機(jī)右支承和上擺動支承以較短的路徑與氣缸蓋剛性連接。下擺動支承集成在中間軸軸承箱中。機(jī)組支承的所有連接元件均借助于優(yōu)化程序并按優(yōu)化的質(zhì)量-剛度比進(jìn)行設(shè)計(jì)。

聲學(xué)開發(fā)的重點(diǎn)是降低流動噪聲。通過運(yùn)用編織軟管橫向吸氣，并優(yōu)化潔凈空氣用的波紋管。采用這種方案可補(bǔ)償外形尺寸制約空氣濾清器尺寸的缺陷。總之，新型柴油機(jī)通過改善總聲壓級及減小干擾噪聲，使其噪聲級比原先機(jī)組的明顯要低。無論在空氣噪聲級方面，還是在機(jī)組支承前固體聲方面，新OM 651型橫置柴油機(jī)滿足了汽車的主要要求，且噪聲處于同等功率柴油機(jī)分散帶的優(yōu)異區(qū)域。

18 結(jié)語

在現(xiàn)有Mercedes-Benz轎車用4缸柴油機(jī)的基礎(chǔ)上，為B 級轎車開發(fā)了1 款內(nèi)部型號為OM 651的新型柴油機(jī)，它在燃油耗、排放、行駛功率及舒適性等方面均優(yōu)于原先車用柴油機(jī)，并為在將來滿足更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和更低的燃油耗要求提供了可能性。同時，在這款柴油機(jī)的基礎(chǔ)上，還可為其他車型開發(fā)動力裝置。