奔馳M282發(fā)動機技術解讀

文：劉勁松、趙月

一、奔馳M282發(fā)動機

自2018年5月起，奔馳推出了一款新的小型4缸發(fā)動機，型號名稱為M282，主要用在A級車型上（圖1）。橫向安裝的直列式4缸發(fā)動機，采用直接噴射，裝配增壓裝置。此款發(fā)動機安裝于前部橫向支架上，排量為1.4 L，氣缸行程為85 mm。該發(fā)動機有3個輸出等級，分別為80 kW、100 kW和120 kW。該發(fā)動機可有效降低油耗，并在微粒排放指令和高負荷駕駛循環(huán)要求下，整體改善發(fā)動機的燃燒和噴射效果。120 kW的M282發(fā)動機，使用奔馳的直列式4缸火花點火型發(fā)動機的停缸技術，2號和3號氣缸可在發(fā)動機低負荷和轉速范圍內關閉。

圖1 奔馳M282發(fā)動機

該發(fā)動機采用壓鑄鋁曲軸箱和三角緊湊型氣缸蓋設計，排氣歧管部分集成在氣缸蓋中，這樣可以有效降低車輛的整體質量，并增強車輛動態(tài)性能。渦輪增壓器可以更加靈活、快速且精確地對增壓壓力進行電動調節(jié)，特別是在部分負荷范圍情況下。

電磁閥噴油器設計在中央位置。風冷式增壓空氣冷卻器，可以增加空氣密度并因此增加發(fā)動機的輸出功率。采用NANOSUOEO技術的復合涂層系統(tǒng)（鐵與碳），使得潤滑更接近理想狀態(tài)?！邦愩@炭（非常耐磨且是一種優(yōu)良的導熱體）”（DLC）活塞環(huán)，可以通過石墨/碳纖維構成的抗磨涂層保護活塞。

曲軸和連桿由鍛鋼構成，在高負荷區(qū)域更具穩(wěn)定性。120 kW型號的發(fā)動機配有可變氣門升程系統(tǒng)（CAMTRONIC）和氣缸停用技術（CSO）。

M282發(fā)動機使用了全新的“NVH”措施（噪聲、振動、聲振粗糙度），與舊款的M270發(fā)動機相比，噪聲和振動舒適性得到更大的提升（圖2）。

圖2 “NVH”措施

二、曲軸箱和曲軸總成

該發(fā)動機的曲軸箱采用“缸頂外漏”設計，使用壓鑄鋁工藝（GD-AISi9Cu3）制造（圖3）。M282連續(xù)減阻部件是基于雙絲電弧噴涂涂層工藝的氣缸涂層，除了減少摩擦外，輕量化也是創(chuàng)新氣缸技術的優(yōu)勢。

因為使用了該技術，并配合排量減小了約16%，所以與舊款M270發(fā)動機相比，曲軸箱的質量減少了約5 kg。同時使用了低摩擦系數(shù)的油液，使得發(fā)動機的CO2排放量也得到了降低。

圖3 曲軸箱

曲軸和連桿由鍛鋼制成，主軸承為42 mm，連桿軸承為40 mm。活塞由鋁鑄造工藝制成，活塞環(huán)的“DLC”涂層會降低摩擦系數(shù)。由于輸出提高，活塞頂部的熱負荷和機械負荷增加，為減少熱負荷并降低活塞頂?shù)臏囟?，使用了噴油嘴冷卻活塞?；钊鋮s裝置集成在機油回路的熱量管理系統(tǒng)中（圖4）。

圖4 帶鏈條傳動的曲軸總成

三、氣缸蓋和氣門機構

該發(fā)動機采用了全新的“三角形”氣缸蓋設計，該設計使整個氣缸蓋更加輕量化和緊湊（圖5）。由于氣缸蓋的特殊形式，因此使用了緊湊型和高度集成的子系統(tǒng)，例如進氣模塊。與長方體氣缸蓋相比，其具有自由碰撞縱向空間，廢氣再處理裝置的安裝空間和蓋輪廓方面的優(yōu)勢。

除了功能和安裝空間的優(yōu)勢外，其還可以在三角形的中央?yún)^(qū)域實現(xiàn)較高剛度，以提高整個氣缸蓋的剛度和強度，同時還能顯著降低質量。對于未加工部分，與常規(guī)氣缸蓋相比，可節(jié)省約3 kg的質量（圖6）。

圖5 三角形氣缸蓋的緊湊型結構

圖6 三角形氣缸蓋

四、氣缸停用（CSO）

120 kW的M282發(fā)動機具有氣缸停用功能，可在低負荷和轉速范圍下關閉4個氣缸中的2個，并繼續(xù)提供充足的動力輸出。根據(jù)實際的發(fā)動機轉速和發(fā)動機扭矩，2號和3號氣缸會停用噴油器和點火裝置，并將進氣和排氣門上“氣門升程”調整至和關閉行程（圖7）。因此，通過增加規(guī)定氣缸負荷來降低油耗。

對于進氣凸輪軸和排氣凸輪軸，通過可以軸向移動的凸輪襯套，使2個氣缸的不同凸輪行程進行切換。CSO工作時，切換至“零升程”凸輪，滾子搖臂在此位置通過360°基圓運行且氣門保持關閉。第2個升程位置是常規(guī)的“全升程”凸輪，工作情況與普通發(fā)動機類似。

停用和啟用CSO時，各促動器銷移至凸輪襯套的換擋槽中。凸輪軸旋轉期間，在各氣門凸輪的基圓區(qū)域中逐漸進行換擋。換擋槽位于可移動的凸輪襯套之間的中央位置。這使得每個凸輪軸上僅有一個促動器可以促動CSO。如表1所示為CSO啟用和停用的使用條件，如圖8所示為CSO部件。

圖7 氣缸停用（CSO）的概述

圖8 氣缸停用（CSO）部件

表1 氣缸停用（CSO）啟用和停用的使用條件

五、燃燒系統(tǒng)

三角形氣缸蓋一方面改善了燃燒室的冷卻，另一方面快速燃燒可確保較高抗爆震能力。通過對進氣道進行精細調節(jié)來縮短火花持續(xù)時間，即使壓縮比高達10.6，也可以在較高的負荷范圍內優(yōu)化調節(jié)點火時間。

使用帶電力控制進氣閥的單活塞高壓泵，可產(chǎn)生高達25 MPa的燃油壓力，并允許調節(jié)流量，從而適用于泵活塞的各個行程。通過排氣凸輪軸上的4個凸輪驅動高壓泵，并由滾輪式挺桿將運動傳送至連接在進氣側的高壓泵活塞上。因此，每個工作循環(huán)會產(chǎn)生一個高壓泵行程，行程的角度位置被設計為產(chǎn)生鏈條傳動的最低負荷。噴油器位于燃燒室的中央，并采用6孔式設計（圖9）。

控制功能可以對噴射時間進行調節(jié)和控制，從而平衡生產(chǎn)公差以及對溫度和壓力的依賴。通過活性炭過濾器實現(xiàn)燃油箱通風，并在一些“多灰塵國家”，將濾塵器安裝到活性炭過濾器周圍的空氣管路上。

圖9 燃油高壓系統(tǒng)

六、進氣系統(tǒng)與渦輪增壓

M282發(fā)動機的進氣系統(tǒng)可以將增壓空氣進行分配，氣缸蓋罩和機油分離系統(tǒng)的功能被集成在一個緊湊型的部件中，通過彈性密封件來實現(xiàn)對機油的密封。進氣道和增壓空氣分配器包括2個塑料半殼，其通過熱氣焊接方法連接到氣缸蓋罩上（圖10）。半殼還包括節(jié)氣門凸緣，在所有車輛型號中通用。

在氣缸蓋罩中集成有曲軸箱竄氣的機油分離系統(tǒng)。在機油分離器的下游，使用用于協(xié)調曲軸箱壓力的調壓閥。內部結構非常緊湊，隔板及止回閥等部件被合理地規(guī)劃到其中，大大減少了外部管路的復雜性。

圖10 空氣導管

M282發(fā)動機具有“單渦管”渦輪增壓器和電動控制增壓限制閥。在速度和閉環(huán)控制的精度方面，電動促動器與氣動閉環(huán)控制相比，具有很大的優(yōu)勢。為減小增壓壓力，通過打開增壓壓力控制閥，使得用于驅動渦輪的廢氣流，通過旁路被轉移（圖11）。

渦輪增壓器通過螺栓擰緊到氣缸蓋上，歧管和渦輪外殼設計為一片式鑄造件。作為部分集成歧管的結果，其結構設計非常緊湊并且其有廢氣管較短的特性，改善了廢氣流，從而在響應時間和組件上產(chǎn)生了優(yōu)勢，該結構還省略了附加支架。渦輪增壓器的廢氣溫度設計為950℃，電氣旁通閥被集成在壓縮機葉輪的外殼中。

圖11 渦輪增壓器

七、排氣處理和汽油微粒濾清器

M282發(fā)動機的排氣系統(tǒng)包括“兩塊式”系統(tǒng)?？杖急瓤刂仆ㄟ^催化轉換器上游的直列式氧傳感器，和位于2個催化轉換器之間的平面式傳感器進行。陶瓷截體是由數(shù)千個細小通道的陶瓷體構成，陶瓷體由耐高溫的硅酸鎂鋁制成。對應力極度敏感的載體被嵌在由高合金鋼絲制成的彈性鋼絲網(wǎng)中，并安裝在雙層不銹鋼外殼中（圖12）。

圖12 排氣系統(tǒng)

陶瓷載體的基層（中間層）由鋁氧化物（AI2O3）制成，將催化轉換器的活性表面積增加約7 000倍。用在載體上的活性催化基底涂層中，主要包括鉑和銠，用于三元催化轉換器。鉑加速碳氮化合物和一氧化碳（CO）的氧化；而銠加速氮氧化合物（NOX）的還原。

汽油微粒濾清器的工作原理與柴油車輛中采用的技術相類型，廢氣流穿過安裝于車輛底部的汽油微粒濾清器系統(tǒng)。該濾清器為蜂房式結構，可交替關閉進氣和排氣通道，以此推動廢氣流入多孔式濾清器中，從而分離炭黑，使濾清器可通過相應的行駛條件持續(xù)再生。

與依賴于耐熱堇青石的汽油微粒濾清器技術相比，采用了碳化硅制成的汽油微粒濾清器，優(yōu)化了背壓設計，具有高過濾效果且免保養(yǎng)，還可自動調節(jié)。

汽油微粒濾清器的再生功能（炭煙燃燒），是當車輛處于常規(guī)駕駛模式下運行，或者處于超速運轉模式下，一旦汽油微粒濾清器中出現(xiàn)氧氣，炭煙將直接燃燒。1 150℃的最高溫度出現(xiàn)在汽油微粒濾清器的中后部。在超速運轉模式下，汽油微粒濾清器的熱負荷主要取決于炭黑含量和汽油微粒濾清器上游的排氣溫度。如果炭煙燃燒過程中溫度過高，則會對整個汽油微粒濾清器造成損壞。

圖13 冷卻液回路示意圖

排氣溫度由汽油微粒濾清器上游的溫度傳感器進行檢測，炭黑含量通過汽油微粒濾清器壓差傳感器進行確定?？刂茊卧梢灾苯幼x取傳感器信號，并對其進行評估。如果測量值超過規(guī)定值，控制單元會對發(fā)動機正時進行適當?shù)母深A，并將授權服務中心相關的故障條目記錄在控制單元中。

八、冷卻系統(tǒng)

冷卻回路針對燃燒、排放、摩擦功率和安全工作要求進行設計。冷卻液通過冷卻回路中的冷卻泵進行傳送，其通過皮帶驅動裝置進行機械驅動。為了降低冷卻泵的功率消耗，整個冷卻系統(tǒng)的設計布局均發(fā)生了改變，從而降低能量的消耗。使用帶彈性元件的電動加熱雙盤節(jié)溫器來調節(jié)冷卻液，其通過溫度特性曲線圖進行控制（圖13）。

當發(fā)動機關閉時，后加熱階段中的渦輪增壓器進行的冷卻液循環(huán)，是由熱對流系統(tǒng)進行保證的，不再需要電氣部件的介入。

九、皮帶驅動裝置

使用扭轉減振器的可分離皮帶輪驅動裝置，可使皮帶具有低預緊力，從而有助于摩擦力的最小化。皮帶張緊器被安裝到發(fā)電機上，有助縮減裝配空間。皮帶驅動裝置驅動機械冷卻液泵、空調壓縮機和發(fā)電機。扭轉減振器包括1個扭轉減振器和1個彈性退藕，可有效減小皮帶拉力（圖14）。

圖14 皮帶驅動