新型Mercedes-Benz 4缸渦輪增壓直噴汽油機

【德】 M.Mürwald R.Kemmler A.Waltner F.Kreitmann

1 橫置式和縱置式4缸發(fā)動機系列

2011年11月底，在市場首次推出全新的Mercedes-Benz 4缸發(fā)動機系列，其內(nèi)部型號為M270和M274（圖1），分別為橫置式和縱置式結(jié)構(gòu)，并采用壓電式燃油直噴技術(shù)。安裝方位的可變性使該發(fā)動機系列能適用于所有車型，并能通過1.6L和2.0L2種排量變型覆蓋寬廣的功率型譜。

4缸發(fā)動機系列沿用多項6缸和8缸Blue-Direct發(fā)動機的技術(shù)功能模塊（圖2）［1］。Mercedes-Benz缸內(nèi)直噴技術(shù)與壓電式噴油器、最佳的增壓器渦輪設(shè)計和摩擦損失不斷降低的基礎(chǔ)發(fā)動機相結(jié)合，滿足了對靈活性、舒適性和燃油耗的最高要求。為了滿足公司內(nèi)部苛刻的CO2排放目標，根據(jù)市場的特定條件，在這些基礎(chǔ)技術(shù)功能模塊上，又補充了3種能發(fā)揮不同作用的燃油耗降低技術(shù)。

Camtronic可變凸輪機構(gòu)和分層稀燃過程可降低燃油耗，已被應(yīng)用于量產(chǎn)的4缸發(fā)動機系列，而采用天然氣驅(qū)動（NGD）的E級車型在2013年底已開始量產(chǎn)。應(yīng)用可靈活使用的創(chuàng)新技術(shù)功能模塊，在滿足全球不同市場和法規(guī)要求的同時，確立持續(xù)降低燃油耗的目標，確保新發(fā)動機系列具有滿足未來要求的工作能力，同時也為動力總成不受限制地達到最高效率和工作能力奠定了基礎(chǔ)。

2 發(fā)動機設(shè)計和機械結(jié)構(gòu)

鋁壓鑄氣缸體曲軸箱和曲柄連桿機構(gòu)的開發(fā)目標包括大幅減輕質(zhì)量、進一步降低曲柄連桿機構(gòu)摩擦，以及采用新型橫流式冷卻。與老機型相比，M270和M274發(fā)動機系列的摩擦已明顯降低，曲柄連桿機構(gòu)的摩擦降低16%，鏈傳動機構(gòu)的摩擦降低9%［1］。

在新發(fā)動機系列的2種機型上，廢氣渦輪增壓器針對低轉(zhuǎn)速工作能力（低速扭矩）的設(shè)計是非常成功的。2.0L發(fā)動機在轉(zhuǎn)速1 200r／min時就已達到最大扭矩350N·m，但在低負荷高扭矩時，必須注意發(fā)動機在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的噪聲。為了改善噪聲-振動-平順性性能，采用極為緊湊的蘭徹斯特平衡模塊，以平衡二階慣性力（圖3）。無須修改基礎(chǔ)發(fā)動機，這種平衡模塊作為1個完整的單元被螺栓緊固在主軸承座上。為了避免油底殼中的攪動損失，該模塊被完全封閉在機殼內(nèi)。

為了滿足苛刻的燃油耗目標要求，蘭徹斯特平衡模塊完全采用滾動軸承支承，并首次在量產(chǎn)中同時采用滾柱軸承徑向支承和推力球軸承軸向支承，從而在熱機運行狀態(tài)下，使平衡模塊的摩擦功率損失比老機型降低46%。

3 燃燒過程

Mercedes-Benz的BlueDirect燃燒過程于2006年應(yīng)用于CLS350轎車并投放市場，自2012年起，BlueDirect燃燒過程在Mercedes-Benz的所有新汽油機上成為標準配置，其主要特點是壓電式噴油器布置在燃燒室中央，并具有向外打開的噴油嘴，火花塞位于排氣門方向，與其相隔一定距離（圖4）。壓電噴油器的噴油嘴針閥開關(guān)極其迅速，可用于每循環(huán)最小噴油量的多次噴射，而A型噴油嘴能以20MPa的燃油壓力獲得非常良好的混合氣準備，以及極為線性的噴油量特性和較大的穩(wěn)態(tài)流量，從而擺脫所有汽油機只使用一種噴油器型式的局面。這些性能與多火花點火相結(jié)合，為低顆粒排放燃燒、良好的冷起動性能（即使使用高乙醇含量的燃油）、最佳燃油耗的催化轉(zhuǎn)化器加熱，以及其他優(yōu)勢奠定了基礎(chǔ)。

4 降低CO2排放的技術(shù)

BlueDirect燃燒過程和基礎(chǔ)技術(shù)功能模塊的組合是達到最低燃油耗的基礎(chǔ)。隨著M274發(fā)動機的問世，開發(fā)了3種降低燃油耗和CO2排放的技術(shù)（圖5），可根據(jù)市場特定條件或用戶需求來選用。借助于Camtronic可變凸輪機構(gòu)變換氣門升程的技術(shù)僅用于降低換氣損失，而采用分層燃燒還能明顯改善高壓效率，從而在燃用汽油運行時幾乎達到其極限潛力。壓縮天然氣（CNG）發(fā)動機通過改變?nèi)剂系幕瘜W(xué)成分，就能獲得巨大的CO2排放降低潛力。由于CNG具備良好的抗爆震性能，因此是用于增壓汽油機的理想燃料。

采用Camtronic可變凸輪機構(gòu)，降低CO2排放的潛力可達到3%～5%，而采用CNG運行可使其潛力增加到20%以上。如圖5所示，各種技術(shù)降低CO2排放的潛力逐步提高，但這些技術(shù)的附加設(shè)施在全球市場上的可用性卻逐漸降低。目前，使用低硫燃油降低CO2排放的分層燃燒過程只有在日本和歐洲市場才有可能實現(xiàn)，因為只有那里的加油站普遍供應(yīng)低硫燃油，而美國要到中期才能提供低硫燃油［2］。天然氣在全球市場上的可用性極佳，但與汽油相比，天然氣作為燃料使用所需的附加設(shè)施成本較高，目前暫時只能起到次要作用。由于新發(fā)動機系列采用模塊化結(jié)構(gòu)型式，因而能輕松適應(yīng)市場狀況的變化。

5 利用可變氣門升程機構(gòu)降低CO2排放

應(yīng)用Camtronic可變凸輪機構(gòu)進行氣門升程轉(zhuǎn)換是全球通用的燃油耗降低技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)可獲得3%～5%的節(jié)油潛力或CO2減排潛力。進氣凸輪軸的結(jié)構(gòu)型式允許從適用于高負荷高轉(zhuǎn)速范圍的標準凸輪轉(zhuǎn)換到適用于部分負荷范圍的小凸輪。圖6示出了Camtronic可變凸輪機構(gòu)的機械工作原理。最大氣門升程3.8mm的小凸輪除摩擦損失較小外，主要優(yōu)點是降低了換氣損失。較早結(jié)束進氣，在相對較大的發(fā)動機特性曲線場范圍內(nèi)幾乎無節(jié)流運行，只通過連續(xù)工作的凸輪軸相位調(diào)節(jié)器進行負荷調(diào)節(jié)，但從小凸輪轉(zhuǎn)換到大凸輪或相反的轉(zhuǎn)換是很大的挑戰(zhàn)。除了舒適性要求極高外，首先要考慮轉(zhuǎn)換時的廢氣排放和燃油耗。在這方面，BlueDirect燃燒過程的技術(shù)組合允許噴油時間和多火花點火有很大的自由度，在凸輪軸相位調(diào)節(jié)器、節(jié)氣門和增壓壓力調(diào)節(jié)的共同作用下，完全能滿足上述要求［4］。

6 利用分層燃燒過程降低CO2排放

首次將分層燃燒過程與廢氣渦輪增壓組合用于4缸發(fā)動機系列。應(yīng)用這種燃燒過程能在低負荷時獲得最大的熱力學(xué)燃油耗潛力，但目前分層燃燒過程的應(yīng)用僅局限于日本和歐洲市場，希望隨著低硫燃油的普遍推廣，這種技術(shù)能擴展到更多的市場［2］。

分層燃燒過程是在壓縮行程中有節(jié)奏地噴油，該行程中最后1次噴射位于點火前不久，可以形成穩(wěn)定的混合氣和渦流，在點火火花范圍內(nèi)形成穩(wěn)定的接近化學(xué)計量比的混合氣。因此，分層燃燒過程與多火花點火相結(jié)合，能在所有負荷和轉(zhuǎn)速條件下獲得最佳的著火條件。分層運行范圍包括從怠速到3 500r／min、平均有效壓力0.5MPa的發(fā)動機特性曲線場范圍，相當于自然吸氣發(fā)動機全負荷的50%。

在平均有效壓力0.5MPa以上的負荷范圍內(nèi)，應(yīng)用專門為增壓4缸發(fā)動機開發(fā)的均質(zhì)分層燃燒運行方式，其中，組合應(yīng)用進氣行程噴射與較晚的壓縮行程噴射，并與增壓相結(jié)合，將稀薄運行范圍擴展到進氣全負荷工況，而更高的負荷范圍則采用化學(xué)計量比混合氣運行，因為此時節(jié)氣門已全部打開。

在應(yīng)用分層燃燒過程時，行駛循環(huán)中的廢氣溫度較低，因此，對排氣后處理系統(tǒng)和催化轉(zhuǎn)化器的工作能力提出很大挑戰(zhàn)。為此，為新型4缸BlueDirect廢氣渦輪增壓發(fā)動機開發(fā)了單通道排氣管廢氣裝置（圖7（a））。通過持續(xù)開發(fā)近發(fā)動機布置的催化轉(zhuǎn)化器，并在量產(chǎn)中采用三效氮氧化物吸附式催化轉(zhuǎn)化器（TWNSC），除了具有三效催化轉(zhuǎn)化功能外，還能在稀氣條件下進行氮氧化物（NOx）吸附式催化轉(zhuǎn)化，支持在發(fā)動機低負荷及低廢氣溫度下稀薄運行時的NOx管理（圖7（b））。此外，在低廢氣溫度下，TWNSC還具有較高的降低碳氫化合物排放的潛力。通過進一步開發(fā)布置在車身下的NOx吸附式催化轉(zhuǎn)化器（NSC），能改善低廢氣溫度下的脫硫能力，同時進一步拓寬NOx吸附窗口。除了改善NOx轉(zhuǎn)化效率外，還能比目前量產(chǎn)的NSC減少30%貴金屬使用量，從根本上降低系統(tǒng)成本。

7 燃用CNG降低CO2排放

除了采用Camtronic可變凸輪機構(gòu)和分層燃燒過程降低CO2排放外，新發(fā)動機系列還在擴展使用CNG方面進行開發(fā)。這種環(huán)保型天然氣發(fā)動機在Mercedes-Benz E級轎車上已有成功的先例，特別是對于出租車和其他運輸車輛而言，燃氣車具有較低的運行成本，同時因附帶汽油運行模塊而具有極長的行駛里程。這種可使用2種燃料運行的天然氣發(fā)動機能高效轉(zhuǎn)換到以BlueDirect發(fā)動機標準模塊運行。

8 發(fā)動機零部件與CNG運行的匹配

燃用CNG運行必須對動力總成進行下列修改：（1）匹配廢氣渦輪增壓器；（2）提高活塞壓縮比，并使用帶涂層的活塞環(huán)槽鑲?cè)Γ唬?）修改氣缸蓋氣門座圈和氣門材料。為了噴射天然氣，要在增壓空氣分配器進氣歧管安裝天然氣噴嘴的部位進行修改，并配備相應(yīng)的噴嘴座（圖8（a））。天然氣噴嘴在短時間內(nèi)以高達6A的電流強度（峰值-保持電流波形控制）工作，其優(yōu)點是即使在溫度低至-25℃時也能可靠起動，但為了保護壓力調(diào)節(jié)器等其他部件，規(guī)定只用天然氣起動的最低溫度為-15℃，如低于該溫度，則根據(jù)冷卻水和天然氣溫度自動切斷天然氣運行，改用汽油起動。

9 發(fā)動機電控單元和CNG部件的網(wǎng)絡(luò)連接

M270和M274發(fā)動機采用Bosch公司MED17.7型電控單元，因BlueDirect發(fā)動機采用模塊化部件組合，因此，電控單元還帶有可供使用的輸入和輸出接口，但沒有控制天然氣瓶開關(guān)閥、壓力調(diào)節(jié)器和天然氣噴嘴等所有CNG部件的接口位置。此外，為集成控制天然氣噴嘴的輸出級，對發(fā)動機電控單元的硬件進行根本性的結(jié)構(gòu)匹配。

采用Mercedes-Benz輕型貨車和轎車領(lǐng)域天然氣車型通常應(yīng)用的硬件布局方法，添加1個接口盒，起接口擴展器的作用，使現(xiàn)有汽油車電控單元的硬件能作為通用部件繼續(xù)使用（圖9）。

為了滿足對性能和固有安全性提出的高要求，Continental公司開發(fā)了32Bit結(jié)構(gòu)并帶自行控制級的接口盒。未來的工作能力以可拆卸的6通道薄板設(shè)計形式并通過優(yōu)化裝備來考慮。

包括2種運行方式各自獨立的故障存儲器管理在內(nèi)的所有天然氣功能完全集成在電控單元中，而用于包括電子壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)回路控制在內(nèi)的所有天然氣部件則由接口盒進行管理。天然氣部件的所有電子診斷都在接口盒中進行。通過合適的CAN，將可能的故障記錄及發(fā)動機控制的傳感器值作為原始數(shù)據(jù)傳輸，而發(fā)動機電控單元則通知CNG開通，以及調(diào)節(jié)規(guī)定的天然氣壓力額定值。通過4個附加的控制通道，將控制天然氣噴嘴的發(fā)動機控制數(shù)字信號發(fā)送到接口盒。同樣，用于汽油直噴的壓電式噴油器由發(fā)動機電控單元直接控制。

即使壓縮比從9.8提高到11.0，抗爆震燃料天然氣仍能在整個特性曲線場以理想的燃燒重心位置（8～10°CA ATDC）運行，燃燒較早結(jié)束且膨脹行程延長致使廢氣溫度極低。此外，由于廢氣渦輪增壓器消耗熱量，全負荷時的廢氣溫度水平明顯低于催化轉(zhuǎn)化器的容許溫度，因而天然氣運行時最佳點的比油耗為195g／（kW·h），同時，因甲烷分子CH4具有有利的碳氫比，以及良好的燃燒性能，天然氣運行時的CO2排放明顯低于汽油運行時的排放量。因此，E級轎車的新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）百公里CO2排放量僅116g，獲得了A＋標簽的燃油耗認證證書。

在發(fā)動機和汽車上采取的所有措施使E級轎車在改善加速性的同時，燃油耗比老車型低22%，與競爭車型相比，這樣的燃油耗值明顯處于分布帶的下端（圖10）［3］。

10 結(jié)語

4缸M270和M274發(fā)動機系列應(yīng)用Camtronic可變凸輪機構(gòu)和分層燃燒過程等技術(shù)，并具備使用天然氣運行的能力。鑒于未來全球收緊的CO2排放法規(guī)，Mercedes-Benz謀求以下具有戰(zhàn)略性的突破方向：（1）力爭在更寬廣的市場推廣應(yīng)用分層燃燒過程和CNG技術(shù)［2］，這些基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方面的挑戰(zhàn)只有在燃料具有足夠可用性的情況下才能得以實現(xiàn)；（2）在CO2排放法規(guī)不斷收緊的情況下，傳統(tǒng)4缸汽油機系列必須通過動力總成的混合動力化予以進一步優(yōu)化。

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［3］Wunderlich K，Waltner A，Merdes N，u.a.Die neue CNG-motorengeneration von Mercedes-Benz aus der M270／M274-Blue-Direct-motorenfamilie［C］.22.Aachener Kolloquium Fahrzeugund Motorentechnik，2013.

［4］Merdes N，P?tzold R，Ramsperger N，u.a.Die neuen R4-ottomotoren M270mit turboaufladung［J］.ATZextra，2012，7（4）：58-63.

［5］Vent G，Enderle C，Merdes N，et al.The New 2.0-L turbo engine from the Mercedes-Benz 4-cylinder engine family［C］.21.Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik，2012.

［6］Lückert P，Doll G，Walthner A，u.a.BlueDirect—das innovative technologiekonzept der ottomotoren bei Mercedes-Benz［C］.11.Internationales Stuttgarter Symposium Automobil und Motorentechnik，2011.

［7］Wunsch R，Sch?n C，Vent G，et al.Exhaust gas aftertreatment for BlueDirect gasoline engines with lean combustion—potential for future applications［C］.21.Aachener Kolloquium Fahreugund Motorentechnik，2012.