奔馳轎車3.5L-V6汽油機解析(一)

◆文/江蘇 范明強

奔馳轎車3.5L-V6汽油機解析(一)

◆文/江蘇 范明強

范明強

(本刊專家委員會委員)

教授級高級工程師，參加過陜西汽車制造總廠的籌建工作，主管柴油機的產(chǎn)品開發(fā)，1984年調(diào)往機械工業(yè)部無錫油泵油嘴研究所，曾任一汽無錫柴油機廠、第一汽車集團公司無錫研究所高級技術(shù)顧問、湖南奔騰動力科技有限公司總工程師。

一、M272 KE 35 V6進氣道噴射汽油機

2004年奔馳公司將內(nèi)部型號為M272 KE 35 V6的3.5L-V6進氣道噴射汽油機搭載于新款SLK轎車推向市場，它是新汽油機系列的基本機型。在隨后的幾年中，這種新型90°-V6四氣門自然吸氣進氣道噴射汽油機系列就逐步替代了久經(jīng)考驗的M112-V型汽油機系列在全球應(yīng)用。這種機型的特點是低行駛?cè)加拖暮偷蛷U氣排放值以及良好的聲學(xué)特性，其中發(fā)動機對不同車型的專門匹配起到了非常重要的作用。

針對SLK系列轎車所需的頂級動力性能的要求，除了高舒適性要求和低燃油消耗之外，這種新機型達到了所要求的升功率指標(biāo)，具有C級直至S級轎車所需的頂級機動性以及良好的整車噪聲特性等方面運動型轎車發(fā)動機應(yīng)有的特點，并具備達到特超低排放車輛(SULEV)要求的能力。

這種新機型繼承了老機型M112-V型汽油機系列可靠的結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)組合部件和零件，并進行了必要的適應(yīng)性改進，其中有缸心距和90°V形夾角、帶有鋁硅合金汽缸套的汽缸體曲軸箱和優(yōu)化運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性的平衡軸機構(gòu)，其他所有零件和結(jié)構(gòu)組合件直至發(fā)動機電控系統(tǒng)和廢氣裝置總體布置基本上都全新設(shè)計了，整機質(zhì)量僅為165kg。

面臨越來越嚴(yán)厲的燃油消耗和廢氣排放法規(guī)要求以及全球多樣化的使用條件，動力裝置的性能越來越取決于可用技術(shù)的模塊化。

圖1示出了所采取的技術(shù)措施對發(fā)動機性能效果非常簡要的關(guān)系表，它在根據(jù)要求選擇所采用的技術(shù)及其滿足用戶需求的決策過程中起著重要作用。因此，這種新機型具備應(yīng)用盡可能多的技術(shù)組合部件和驅(qū)動方案的模塊化基礎(chǔ)，可組織柔性生產(chǎn)。

在確定任何機型結(jié)構(gòu)設(shè)計方案時，從一開始就必須注意到，“一流的噪聲-振動-剛性特性”和“高效能的基礎(chǔ)發(fā)動機”對進一步的結(jié)構(gòu)考量具有決定性的意義。因此，以下重點介紹基礎(chǔ)發(fā)動機結(jié)構(gòu)及其換氣裝置和冷卻方案。圖2～4分別示出了M272 KE 35 V6進氣道噴射汽油機的外形圖、立體剖視圖和縱橫剖視圖。

1.曲柄連桿機構(gòu)和汽缸體曲軸箱

曲柄連桿機構(gòu)的核心部件是四道軸承支承的模鍛鋼曲軸，它有6個平衡塊，主軸頸和連桿軸頸感應(yīng)淬硬，它們既具有非常高的抗彎強度和抗扭轉(zhuǎn)強度，而且結(jié)構(gòu)輕型，確保具有高的固有頻率。同時，為了在顯著提高發(fā)動機升功率的情況下，達到在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得極好運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性的要求，除了前面已經(jīng)提及的繼承原有M112-V型汽油機系列的平衡軸(布置在V形夾角內(nèi)并與曲軸旋轉(zhuǎn)方向相反的空心軸，其軸端帶有平衡塊)之外，還采用了雙質(zhì)量扭振減振器。

連桿被設(shè)計成模鍛漲裂連桿(圖5)，并銑削去重以獲得最佳的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，同時其開發(fā)的重要目標(biāo)是要獲得盡可能最輕的總質(zhì)量，為此采取了以下措施：①采用70MnVS4高強度合金鋼材料；②采用帶有上部導(dǎo)向的梯形連桿小頭設(shè)計，這不僅減輕了連桿質(zhì)量，而且還對減輕活塞和活塞銷質(zhì)量起到有利的作用，同時能在減少材料使用的情況下使連桿小頭剛度提高2倍；③優(yōu)化夾緊方案，使得連桿加工時定位更精確，從而能進一步減小連桿的基本截面，而不會減小允差后的最小壁厚。經(jīng)過優(yōu)化強度的仔細設(shè)計后，連桿的質(zhì)量達到485g，這相當(dāng)于比同類競爭機型平均減輕了15%～20%。

活塞和活塞環(huán)組的開發(fā)目標(biāo)是減輕質(zhì)量和減少摩擦功率。通過采用新的鑄造設(shè)備，使活塞質(zhì)量減輕了12%。其整體幾何形狀的優(yōu)化也與連桿上部導(dǎo)向有關(guān)，獲得了非常短而輕的活塞銷。為了能實現(xiàn)對噪聲有重大影響的最小配缸間隙，并改善其抗粘結(jié)能力，重力鑄造活塞采用合成材料涂層，其中含有鐵微粒作為工作表面點陣。為了減少活塞環(huán)槽的磨損，穩(wěn)定發(fā)動機性能指標(biāo)，活塞環(huán)槽采用了鋁陽極處理法硬化。

汽缸體曲軸箱適應(yīng)性改進的重點目標(biāo)是提高汽缸體曲軸箱(圖6)的結(jié)構(gòu)剛度。為此，采取了主軸承蓋用通常的橫向螺栓與曲軸箱拉緊、加寬主軸承寬度、發(fā)動機支架在Z軸(垂直軸)方向緊固以及汽缸體曲軸箱有針對性地設(shè)置加強筋等加強剛度的措施，從而在全負荷運行要求提高的情況下進一步改善了汽缸體曲軸箱的噪聲-振動-剛性特性。

與原有M112-V型汽油機系列一樣，壓鑄鋁汽缸體曲軸箱采用裙型結(jié)構(gòu)，并帶有噴鑄鋁硅汽缸套，它是在壓鑄過程中被直接噴鑄而成的，因此除了具有非常良好的熱傳導(dǎo)和較小的變形之外，這種結(jié)構(gòu)型式為非常輕型的汽缸體曲軸箱方案奠定了基礎(chǔ)。此外，為了加寬主軸承和加強灰鑄鐵主軸承蓋，用橫向螺栓將所有主軸承蓋與汽缸體曲軸箱拉緊。另外，發(fā)動機支架法蘭被設(shè)計成正方形截面，這樣就能使所有方向上的固有頻率呈現(xiàn)相對較高的階次，從而確保動態(tài)剛度提高了一個數(shù)量級，能非常好地隔離固體傳聲。

2.汽缸蓋和配氣機構(gòu)

M272汽油機仍選用在許多奔馳轎車汽油發(fā)動機上，已被證實可靠的雙頂置凸輪軸和氣門相位調(diào)節(jié)器以及火花塞中央布置的四氣門方案，作為進一步創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ)。圖7示出了設(shè)計緊湊的燃燒室形狀，它與較小的28.5°氣門夾角相配合實現(xiàn)了ε=10.7的壓縮比。圖8詳細地示出了氣門機構(gòu)的布置狀況。為了滿足氣門傳動機構(gòu)低驅(qū)動功率、最小運動質(zhì)量以及便于維修保養(yǎng)的要求，采用滾輪搖臂和固定式液壓氣門間隙補償挺柱來實現(xiàn)氣門升程的傳遞。進氣門閥盤直徑39.5mm，排氣門閥盤直徑30.0mm，所有氣門桿直徑均為6mm。每列汽缸排兩根凸輪軸的上軸承蓋直接與鋁汽缸蓋罩壓鑄成一體，這樣就能夠獲得剛度非常高而又緊湊的結(jié)構(gòu)型式。

進排氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)器被分別用螺栓緊固在凸輪軸前端法蘭上。圖9示出了葉片式凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)裝配關(guān)系。由于在這種結(jié)構(gòu)型式中是由集成在中心螺栓中的液壓閥來調(diào)節(jié)機油壓力水平的，因此結(jié)構(gòu)型式非常緊湊，能夠?qū)γ總€凸輪軸相位調(diào)節(jié)器各自分別進行位置調(diào)節(jié)。為了能獲得有效和耐久的密封方案，其徑向密封條設(shè)計得具有非常小的泄漏和摩擦。

由于凸輪軸相位調(diào)節(jié)器采用葉片式結(jié)構(gòu)型式，因此能在寬廣的調(diào)節(jié)范圍(總調(diào)節(jié)范圍為40°曲軸轉(zhuǎn)角)內(nèi)實現(xiàn)快速無級的配氣定時調(diào)節(jié)，充分挖掘低轉(zhuǎn)速大扭矩和高升功率的潛力。特別是添加了排氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)功能，能實施更精確的排氣定時控制，因此能夠根據(jù)發(fā)動機特性曲線場獲得所需要的高機內(nèi)廢氣再循環(huán)率，從而能拓寬發(fā)動機特性曲線場中低燃油消耗的運行范圍，并在較小的氣門重疊下獲得非常好的怠速運轉(zhuǎn)品質(zhì)。

凸輪軸由兩個進氣凸輪軸上的8mm雙列套筒鏈傳動，而排氣凸輪軸則是經(jīng)過一對彈簧張緊連接的低噪聲齒輪偶件由各自的進氣凸輪軸驅(qū)動的，從而實現(xiàn)了緊湊的配氣正時傳動機構(gòu)。出于噪聲考慮，機油泵被設(shè)計成內(nèi)齒輪泵，并由一條8mm節(jié)距的滾子鏈驅(qū)動。整個鏈傳動機構(gòu)示于圖10。

裝配式凸輪軸采用內(nèi)高壓液壓成型原理制造。如圖11所示，在液壓裝配時凸輪片被套在心軸管上的相應(yīng)位置，心軸管中的液壓油被一直加載到高達260MPa的高壓，心軸管在凸輪片的部位即發(fā)生擴張變形(圖中的最大擴張量)，當(dāng)液壓壓力釋放后即留下永久變形(圖中的永久擴張量)，凸輪片就被緊緊漲緊在心軸管上。

3.冷卻液循環(huán)回路和熱管理

在大多數(shù)現(xiàn)代發(fā)動機中已采用合適的熱管理，對采暖舒適性、廢氣排放水平和燃油消耗實現(xiàn)全面優(yōu)化策略，因此這種新機型除了將汽缸蓋冷卻液循環(huán)回路設(shè)計成橫流式冷卻的基本方案之外，還借助于電控三閥盤節(jié)溫器實現(xiàn)根據(jù)特性曲線場調(diào)節(jié)冷卻液流動的暖機運行(圖12)。

為了能使發(fā)動機始終在最佳溫度狀態(tài)下運行，確定了如圖13所示的熱管理運行調(diào)節(jié)策略。為了實現(xiàn)如此的運行調(diào)節(jié)方式，應(yīng)用了一個電控調(diào)節(jié)的三閥盤節(jié)溫器，其工作原理如圖14所示。

暖機階段冷卻液不流動能使燃燒室迅速熱起來，直至能夠根據(jù)運行狀況和環(huán)境條件自由調(diào)節(jié)冷卻液溫度，而且這種調(diào)節(jié)功能還能根據(jù)需求將熱量傳遞給采暖系統(tǒng)的熱交換器。

4.空氣管路、充量更換和燃燒

對M272汽油機燃燒設(shè)計提出的最主要的要求是為了在扭矩和功率、非常低的燃油消耗值、低噪聲、滿足歐洲和美國現(xiàn)行的廢氣排放法規(guī)，以及未來滿足CO2和超低排放汽車限值等方面都能達到頂級的水平。因此，火花塞中央布置的四氣門技術(shù)、進排氣凸輪軸相位的連續(xù)調(diào)節(jié)、可調(diào)式進氣管、進氣道滾流閥以及高效的廢氣后處理技術(shù)等形成了達到目標(biāo)要求的技術(shù)基礎(chǔ)，這些方面都將在下文進行詳細的討論。

為了能夠達到超過57kW/L的高升功率，空氣管路是按照達到盡可能最大的空氣質(zhì)量流量來設(shè)計的。原始空氣進氣管可使用編織軟管來降低噪聲(噪聲-振動-剛性方案)而不會對流動產(chǎn)生不利的影響。同樣，在空氣濾清器中集成了諧振管，以降低進氣噪聲的共振。

從方案設(shè)計階段直至確定具體的細部結(jié)構(gòu)都通過進氣管路和其他所有的空氣引導(dǎo)零部件，進行換氣計算和3D模擬流動計算予以優(yōu)化(圖15)，同時還首次應(yīng)用了可全部下沉到進氣道壁面中而不會干擾流動的滾流閥板。(未完待續(xù))