◆文/福建 林宇清
2016年底梅賽德斯-奔馳發(fā)布了四款全新的汽柴油發(fā)動(dòng)機(jī),其中最強(qiáng)勁的是代號(hào)M176(圖1)的V8雙渦輪增壓引擎,用來(lái)取代目前非常成功的且依然是主流的M278發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)配備直接噴射系統(tǒng),采用雙渦輪擺放在V型夾角內(nèi)的設(shè)計(jì),在省油(約10%)和降低排氣量的同時(shí),增加了輸出功率,可提供345kW的最大功率和700Nm的峰值扭矩(圖2)。全新M176已搭載于S級(jí)車型上。
圖1 M176發(fā)動(dòng)機(jī)
圖2 M176發(fā)動(dòng)機(jī)性能圖
本文講解M176款發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)亮點(diǎn),即各系統(tǒng)及其功能。為便于了解,按發(fā)動(dòng)機(jī)的組成和工作原理,將其分為以下若干系統(tǒng)逐一介紹。
該系統(tǒng)主要包括了發(fā)動(dòng)機(jī)的兩大機(jī)構(gòu)(曲軸連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu))和其他機(jī)械部件,如汽缸蓋、曲軸箱等。
汽缸蓋(圖3)由鋯合金制成,采用氣流和噴油量?jī)?yōu)化式設(shè)計(jì),獲得了最高的溫度和熱傳導(dǎo)性。即使處于臨界范圍時(shí),也能確保發(fā)動(dòng)機(jī)獲得最高的性能。該汽缸蓋在進(jìn)氣和排氣側(cè)裝配了經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)節(jié)的凸輪軸,可使換氣過(guò)程快速響應(yīng)并得到優(yōu)化,以達(dá)到低燃油消耗和廢氣排放的目的。
圖3 汽缸蓋
每缸采用四氣門,兩個(gè)雙頂置凸輪軸(DOHC)設(shè)計(jì),進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)各安裝了一個(gè)凸輪軸調(diào)節(jié)器(圖4),允許凸輪軸持續(xù)調(diào)節(jié)最多40°曲軸轉(zhuǎn)角,進(jìn)氣門在上止點(diǎn)(TDC)前5°至TDC后35°曲軸轉(zhuǎn)角的范圍內(nèi)打開(kāi);排氣門在TDC前32°至TDC后8°曲軸轉(zhuǎn)角的范圍內(nèi)關(guān)閉。這樣,氣門重疊角可在較寬的限制范圍內(nèi)變化,可以獲得極快的響應(yīng)性,繼而獲得更經(jīng)濟(jì)的點(diǎn)火正時(shí),優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和改善排氣特性。
圖4 凸輪軸調(diào)節(jié)器
凸輪軸調(diào)節(jié)功能(圖5)由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ME)根據(jù)轉(zhuǎn)速和機(jī)油溫度啟用,機(jī)油溫度對(duì)凸輪軸調(diào)節(jié)所需的油壓(大于1.5bar,1bar=105Pa)有重要影響。ME通過(guò)PWM信號(hào)促動(dòng)凸輪軸電磁閥,然后推動(dòng)控制柱塞,這樣,來(lái)自凸輪軸油道內(nèi)的油壓就會(huì)進(jìn)入與凸輪軸相連的葉片型調(diào)節(jié)器,推動(dòng)調(diào)節(jié)器旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)凸輪軸調(diào)節(jié)(圖6)。凸輪軸位置由霍爾傳感器通過(guò)檢測(cè)凸輪軸前部脈沖輪的位置來(lái)識(shí)別, 并將信號(hào)傳送至ME分析。
汽缸切斷(CSO)的任務(wù)是通過(guò)凸輪隨動(dòng)件和凸輪軸中斷2、3、5和8缸的進(jìn)氣門和排氣門促動(dòng),以此降低部分負(fù)荷時(shí)的燃油消耗(圖7)。當(dāng)汽缸切斷啟用時(shí),噴油器和點(diǎn)火線圈也會(huì)關(guān)閉,它由ME根據(jù)特性圖進(jìn)行切斷。減少燃油消耗具體表現(xiàn)為:在較高載荷時(shí), 通過(guò)操作其他從動(dòng)缸的換檔點(diǎn)提高效率;通過(guò)關(guān)閉已切斷汽缸的氣門來(lái)降低汽油循環(huán)損失
圖5 凸輪軸調(diào)節(jié)
圖6 機(jī)油流向
圖7 汽缸切斷和點(diǎn)火順序
M176裝配有可變氣門升程系統(tǒng)(CAMTRONIC,圖8),即可變發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí),CAMTRONIC促動(dòng)器(圖9)由ME利用脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)促動(dòng)。在此過(guò)程中,促動(dòng)器中的線圈通電,氣門挺桿沿凸輪套筒上相應(yīng)的曲線軌道移動(dòng)。由于凸輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)及其曲線軌道的設(shè)計(jì)特點(diǎn),凸輪套筒軸向移動(dòng)到凸輪軸上,凸輪隨動(dòng)件從凸輪軸上退耦,且氣門彈簧的作用力使氣門保持關(guān)閉。曲線軌道的凸起可以使氣門挺桿返回至默認(rèn)位置。為復(fù)位凸輪套筒,將第二個(gè)氣門挺桿移入相應(yīng)的曲線軌道,隨后就會(huì)相應(yīng)地復(fù)位。氣門挺桿的位置由促動(dòng)器中集成式霍爾傳感器監(jiān)測(cè)。
圖8 CAMTRONIC結(jié)構(gòu)
圖9 CAMTRONIC促動(dòng)器
新款M176發(fā)動(dòng)機(jī)配備全新開(kāi)發(fā)的帶3根無(wú)聲傳動(dòng)鏈的兩級(jí)鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(圖10),采用此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的目的在于在總成要求、摩擦力、鏈條力最小化以及噪音振動(dòng)等要求之間獲得最佳的折中,這能夠明顯降低運(yùn)轉(zhuǎn)噪音。除此之外,出色的使用壽命屬性和鏈條摩擦性得到了進(jìn)一步優(yōu)化。
鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用雙級(jí)設(shè)計(jì):初級(jí)鏈條傳動(dòng)和次級(jí)鏈條傳動(dòng)。三根無(wú)聲傳動(dòng)鏈都通過(guò)液壓鏈條張緊器張緊。較低的張緊力和鏈條動(dòng)態(tài)性可提供穩(wěn)定的正時(shí)和卓越的聲學(xué)特性,與前款發(fā)動(dòng)機(jī)相比,具有減小摩擦力的優(yōu)點(diǎn)。
皮帶驅(qū)動(dòng)如圖11所示,曲軸的扭轉(zhuǎn)減振器使用帶四個(gè)槽的低維護(hù)V型皮帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī),并且使用另一根V型皮帶單獨(dú)驅(qū)動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)。皮帶的張緊力由兩個(gè)單獨(dú)的張緊器通過(guò)張緊輪自動(dòng)傳遞。
圖10 鏈條傳動(dòng)
圖11 皮帶驅(qū)動(dòng)
曲軸箱(圖12)由冷鑄鋁制成,采用封閉式平臺(tái)設(shè)計(jì),與傳統(tǒng)鑄鐵汽缸襯套相比,由于優(yōu)化了NANOSLIDE?雙絲電弧噴涂(動(dòng)W底級(jí))卻涂層,因此提高了汽缸套的硬度。此外,若干條橫向和縱向支柱使其獲得了極高的剛性。
圖12 曲軸箱
出于強(qiáng)度原因,曲軸采用鍛造方式制成,并且配備8個(gè)以上的平衡塊(圖13);鋁制粘滯減振器在可用的非常有限的安裝空間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)必要的減震效果;軸承蓋由球墨鑄鐵制成?;钊设T鐵制成,鑄鐵活塞的凹槽已根據(jù)燃燒系統(tǒng)和噴油器排列進(jìn)行了調(diào)整,該設(shè)計(jì)使點(diǎn)火壓力負(fù)荷可以達(dá)到最高120bar。
油底殼(圖14)由壓鑄鋁制成,采用加筋設(shè)計(jì),降低了輻射噪聲,同時(shí)主總成上的螺紋連接獲得了必要的強(qiáng)度。機(jī)油過(guò)濾器濾芯在此處通過(guò)濾清器殼蓋用螺栓固定到油底殼上。
圖13 曲軸總成
圖14 油底殼(未裝配四輪驅(qū)動(dòng))
當(dāng)駕駛員操作啟動(dòng)/停止按鈕(S2/3)時(shí), ME通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)接收來(lái)自點(diǎn)火開(kāi)關(guān)的啟動(dòng)信號(hào),即回路50信號(hào),然后通過(guò)回路50繼電器促動(dòng)啟動(dòng)機(jī),在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到400~700 r/min或經(jīng)過(guò)5~40s的啟動(dòng)時(shí)間(取決于冷卻液溫度) 后,ME中斷對(duì)繼電器的激活, 從而結(jié)束啟動(dòng). 在啟動(dòng)過(guò)程中, ME根據(jù)來(lái)自曲軸霍爾傳感器和凸輪軸霍爾傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)噴射和點(diǎn)火順序,控制對(duì)啟動(dòng)機(jī)進(jìn)行促動(dòng)和切斷。
機(jī)油泵由曲軸通過(guò)套筒鏈驅(qū)動(dòng),為各潤(rùn)滑點(diǎn)提供機(jī)油。機(jī)油泵帶有一個(gè)由ME控制的調(diào)節(jié)閥,能夠根據(jù)需要在2~4bar之間調(diào)節(jié)機(jī)油壓力,這確保機(jī)油供給與需求完美匹配;同時(shí)還可以降低機(jī)油泵中的驅(qū)動(dòng)力,以及降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失。機(jī)油液位由油底殼中的機(jī)油傳感器監(jiān)測(cè),相應(yīng)的信號(hào)傳送至ME評(píng)估,然后通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)顯示在儀表盤上,機(jī)油回路如圖15所示。
圖15 機(jī)油回路
M176每個(gè)汽缸裝配一個(gè)點(diǎn)火線圈,但每2個(gè)相互獨(dú)立的帶內(nèi)置點(diǎn)火輸出級(jí)的點(diǎn)火線圈(圖16)組合在一個(gè)線圈殼體中,在所有條件下,點(diǎn)火線圈始終提供足夠的引爆能量。
圖16 點(diǎn)火線圈