關(guān)于Mercedes—Benz4缸渦輪增壓直噴汽油機(jī)性能分析

開(kāi)發(fā)了一種全新Mercedes-Benz 發(fā)動(dòng)機(jī)系列，分別是內(nèi)部型號(hào)為M270 和M274 的4缸BlueDirect 增壓直噴汽油機(jī)，其特點(diǎn)是具有最高的效率、動(dòng)態(tài)性能和可變性，并根據(jù)市場(chǎng)的特定條件，采取降低CO2排放的技術(shù)，確保了在不同基本配置情況下都能獲得最佳的燃油耗值。

1橫置式和縱置式4缸發(fā)動(dòng)機(jī)系列

2011年11月底，在市場(chǎng)首次推出全新的Mercedes-Benz 4缸發(fā)動(dòng)機(jī)系列，其內(nèi)部型號(hào)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(dòng)機(jī)系列能適用于所有車型，并能通過(guò)1.6L和2.0L 2種排量變型覆蓋寬廣的功率型譜。

4缸發(fā)動(dòng)機(jī)系列沿用多項(xiàng)6缸和8缸Blue-Direct發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)功能模塊(圖2)。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(jì)和摩擦損失不斷降低的基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合，滿足了對(duì)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(biāo)，根據(jù)市場(chǎng)的特定條件，在這些基礎(chǔ)技術(shù)功能模塊上，又補(bǔ)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(jī)構(gòu)和分層稀燃過(guò)程可降低燃油耗，已被應(yīng)用于量產(chǎn)的4缸發(fā)動(dòng)機(jī)系列，而采用天然氣驅(qū)動(dòng)(NGD)的E級(jí)車型在2013年底已開(kāi)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(chǎng)和法規(guī)要求的同時(shí)，確立持續(xù)降低燃油耗的目標(biāo)，確保新發(fā)動(dòng)機(jī)系列具有滿足未來(lái)要求的工作能力，同時(shí)也為動(dòng)力總成不受限制地達(dá)到最高效率和工作能力奠定了基礎(chǔ)。

2發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)

鋁壓鑄氣缸體曲軸箱和曲柄連桿機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)包括大幅減輕質(zhì)量、進(jìn)一步降低曲柄連桿機(jī)構(gòu)摩擦，以及采用新型橫流式冷卻。與老機(jī)型相比，M270和M274發(fā)動(dòng)機(jī)系列的摩擦已明顯降低，曲柄連桿機(jī)構(gòu)的摩擦降低16%，鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦降低9%。

在新發(fā)動(dòng)機(jī)系列的2種機(jī)型上，廢氣渦輪增壓器針對(duì)低轉(zhuǎn)速工作能力(低速扭矩)的設(shè)計(jì)是非常成功的。2.0L發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1200r/min時(shí)就已達(dá)到最大扭矩350N·m，但在低負(fù)荷高扭矩時(shí)，必須注意發(fā)動(dòng)機(jī)在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的噪聲。為了改善噪聲-振動(dòng)-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(wú)須修改基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)，這種平衡模塊作為1個(gè)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(dòng)損失，該模塊被完全封閉在機(jī)殼內(nèi)。

為了滿足苛刻的燃油耗目標(biāo)要求，蘭徹斯特平衡模塊完全采用滾動(dòng)軸承支承，并首次在量產(chǎn)中同時(shí)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(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，使平衡模塊的摩擦功率損失比老機(jī)型降低46%。

3燃燒過(guò)程

Mercedes-Benz的BlueDirect燃燒過(guò)程于2006年應(yīng)用于CLS350轎車并投放市場(chǎng)，自2012年起，BlueDirect燃燒過(guò)程在Mercedes-Benz的所有新汽油機(jī)上成為標(biāo)準(zhǔn)配置，其主要特點(diǎn)是壓電式噴油器布置在燃燒室中央，并具有向外打開(kāi)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(kāi)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(zhǔn)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(jī)只使用一種噴油器型式的局面。這些性能與多火花點(diǎn)火相結(jié)合，為低顆粒排放燃燒、良好的冷起動(dòng)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(shì)奠定了基礎(chǔ)。

4降低CO2排放的技術(shù)

BlueDirect燃燒過(guò)程和基礎(chǔ)技術(shù)功能模塊的組合是達(dá)到最低燃油耗的基礎(chǔ)。隨著M274發(fā)動(dòng)機(jī)的問(wèn)世，開(kāi)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(chǎng)特定條件或用戶需求來(lái)選用。借助于Camtronic可變凸輪機(jī)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(yùn)行時(shí)幾乎達(dá)到其極限潛力。壓縮天然氣(CNG)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)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(jī)的理想燃料。

采用Camtronic可變凸輪機(jī)構(gòu)，降低CO2排放的潛力可達(dá)到3%～5%，而采用CNG運(yùn)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(chǎng)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(guò)程只有在日本和歐洲市場(chǎng)才有可能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橹挥心抢锏募佑驼酒毡楣?yīng)低硫燃油，而美國(guó)要到中期才能提供低硫燃油。天然氣在全球市場(chǎng)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(shí)只能起到次要作用。由于新發(fā)動(dòng)機(jī)系列采用模塊化結(jié)構(gòu)型式，因而能輕松適應(yīng)市場(chǎng)狀況的變化。

5利用可變氣門升程機(jī)構(gòu)降低CO2排放

應(yīng)用Camtronic可變凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)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(jìn)氣凸輪軸的結(jié)構(gòu)型式允許從適用于高負(fù)荷高轉(zhuǎn)速范圍的標(biāo)準(zhǔn)凸輪轉(zhuǎn)換到適用于部分負(fù)荷范圍的小凸輪。圖6示出了Camtronic可變凸輪機(jī)構(gòu)的機(jī)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(diǎn)是降低了換氣損失。較早結(jié)束進(jìn)氣，在相對(duì)較大的發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)幾乎無(wú)節(jié)流運(yùn)行，只通過(guò)連續(xù)工作的凸輪軸相位調(diào)節(jié)器進(jìn)行負(fù)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(shí)的廢氣排放和燃油耗。在這方面，BlueDirect燃燒過(guò)程的技術(shù)組合允許噴油時(shí)間和多火花點(diǎn)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。

6利用分層燃燒過(guò)程降低CO2排放

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

分層燃燒過(guò)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(diǎn)火前不久，可以形成穩(wěn)定的混合氣和渦流，在點(diǎn)火火花范圍內(nèi)形成穩(wěn)定的接近化學(xué)計(jì)量比的混合氣。因此，分層燃燒過(guò)程與多火花點(diǎn)火相結(jié)合，能在所有負(fù)荷和轉(zhuǎn)速條件下獲得最佳的著火條件。分層運(yùn)行范圍包括從怠速到3500r/min、平均有效壓力0.5MPa的發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)范圍，相當(dāng)于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷的50%。

在平均有效壓力0.5MPa以上的負(fù)荷范圍內(nèi)，應(yīng)用專門為增壓4缸發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的均質(zhì)分層燃燒運(yùn)行方式，其中，組合應(yīng)用進(jìn)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(yùn)行范圍擴(kuò)展到進(jìn)氣全負(fù)荷工況，而更高的負(fù)荷范圍則采用化學(xué)計(jì)量比混合氣運(yùn)行，因?yàn)榇藭r(shí)節(jié)氣門已全部打開(kāi)。

在應(yīng)用分層燃燒過(guò)程時(shí)，行駛循環(huán)中的廢氣溫度較低，因此，對(duì)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(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)了單通道排氣管廢氣裝置(圖7(a))。通過(guò)持續(xù)開(kāi)發(fā)近發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行氮氧化物(NOx)吸附式催化轉(zhuǎn)化，支持在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷及低廢氣溫度下稀薄運(yùn)行時(shí)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?xì)浠衔锱欧诺臐摿?。通過(guò)進(jìn)一步開(kāi)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(shí)進(jìn)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(jī)構(gòu)和分層燃燒過(guò)程降低CO2排放外，新發(fā)動(dòng)機(jī)系列還在擴(kuò)展使用CNG方面進(jìn)行開(kāi)發(fā)。這種環(huán)保型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在Mercedes-Benz E級(jí)轎車上已有成功的先例，特別是對(duì)于出租車和其他運(yùn)輸車輛而言，燃?xì)廛嚲哂休^低的運(yùn)行成本，同時(shí)因附帶汽油運(yùn)行模塊而具有極長(zhǎng)的行駛里程。這種可使用2種燃料運(yùn)行的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)能高效轉(zhuǎn)換到以BlueDirect發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)模塊運(yùn)行。

8發(fā)動(dòng)機(jī)零部件與CNG運(yùn)行的匹配

燃用CNG運(yùn)行必須對(duì)動(dòng)力總成進(jìn)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?3)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(jìn)氣歧管安裝天然氣噴嘴的部位進(jìn)行修改，并配備相應(yīng)的噴嘴座(圖8(a))。天然氣噴嘴在短時(shí)間內(nèi)以高達(dá)6A的電流強(qiáng)度(峰值-保持電流波形控制)工作，其優(yōu)點(diǎn)是即使在溫度低至-25℃時(shí)也能可靠起動(dòng)，但為了保護(hù)壓力調(diào)節(jié)器等其他部件，規(guī)定只用天然氣起動(dòng)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(dòng)切斷天然氣運(yùn)行，改用汽油起動(dòng)。

9發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元和CNG部件的網(wǎng)絡(luò)連接

M270和M274發(fā)動(dòng)機(jī)采用Bosch公司MED17.7型電控單元，因BlueDirect發(fā)動(dòng)機(jī)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(méi)有控制天然氣瓶開(kāi)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(jí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元的硬件進(jìn)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(gè)接口盒，起接口擴(kuò)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(duì)性能和固有安全性提出的高要求，Continental公司開(kāi)發(fā)了32Bit結(jié)構(gòu)并帶自行控制級(jí)的接口盒。未來(lái)的工作能力以可拆卸的6通道薄板設(shè)計(jì)形式并通過(guò)優(yōu)化裝備來(lái)考慮。

包括2種運(yùn)行方式各自獨(dú)立的故障存儲(chǔ)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(jìn)行管理。天然氣部件的所有電子診斷都在接口盒中進(jìn)行。通過(guò)合適的CAN，將可能的故障記錄及發(fā)動(dòng)機(jī)控制的傳感器值作為原始數(shù)據(jù)傳輸，而發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元?jiǎng)t通知CNG開(kāi)通，以及調(diào)節(jié)規(guī)定的天然氣壓力額定值。通過(guò)4個(gè)附加的控制通道，將控制天然氣噴嘴的發(fā)動(dòng)機(jī)控制數(shù)字信號(hào)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(dòng)機(jī)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(gè)特性曲線場(chǎng)以理想的燃燒重心位置(8～10°CA ATDC)運(yùn)行，燃燒較早結(jié)束且膨脹行程延長(zhǎng)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(fù)荷時(shí)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(yùn)行時(shí)最佳點(diǎn)的比油耗為195g/(kW·h),同時(shí)，因甲烷分子CH4具有有利的碳?xì)浔龋约傲己玫娜紵阅?，天然氣運(yùn)行時(shí)的CO2排放明顯低于汽油運(yùn)行時(shí)的排放量。因此，E級(jí)轎車的新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)百公里CO2排放量?jī)H116g，獲得了A+標(biāo)簽的燃油耗認(rèn)證證書。

在發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車上采取的所有措施使E級(jí)轎車在改善加速性的同時(shí)，燃油耗比老車型低22%，與競(jìng)爭(zhēng)車型相比，這樣的燃油耗值明顯處于分布帶的下端(圖10)。

10結(jié)語(yǔ)

4缸M270和M274發(fā)動(dòng)機(jī)系列應(yīng)用Camtronic 可變凸輪機(jī)構(gòu)和分層燃燒過(guò)程等技術(shù)，并具備使用天然氣運(yùn)行的能力。鑒于未來(lái)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(zhēng)在更寬廣的市場(chǎng)推廣應(yīng)用分層燃燒過(guò)程和CNG技術(shù)，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(shí)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(jī)系列必須通過(guò)動(dòng)力總成的混合動(dòng)力化予以進(jìn)一步優(yōu)化。