關(guān)于Mercedes-AMG公司4缸2.0L高功率直噴式汽油機(jī)性能分析

為了進(jìn)入緊湊型轎車領(lǐng)域，Mercedes-AMG公司在Mercedes-Benz-BlueDirect系列4缸直噴式汽油機(jī)模塊化組件基礎(chǔ)上開發(fā)了一種新型4缸2.0 L直噴式汽油機(jī)。為了達(dá)到133 kW/L的高升功率，必須在基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)、空氣管路、增壓系統(tǒng)以及排氣裝置等方面進(jìn)行改進(jìn)。

1高功率低油耗

Mercedes-AMG公司在Mercedes-Benz-A級轎車基礎(chǔ)上首次推出了一種Mercedes-AMG-A45緊湊型轎車，目的是要在該車型領(lǐng)域內(nèi)開發(fā)出功率高、燃油耗低的動(dòng)力裝置，同時(shí)為了使該機(jī)型能在全球范圍內(nèi)使用，必須滿足包括歐6在內(nèi)的所有廢氣排放法規(guī)。為了達(dá)到目標(biāo)，選擇了4缸2.0 L增壓機(jī)型動(dòng)力總成為基礎(chǔ)并與BlueDirect技術(shù)的基礎(chǔ)部件相結(jié)合[1]。

這種機(jī)型內(nèi)部型號為M133的A45直噴式汽油機(jī)是在批產(chǎn)的M270前端橫置式機(jī)型的基礎(chǔ)上開發(fā)而成的，是Mercedes-Benz公司4缸BlueDirect直噴式汽油機(jī)系列中功率最大的機(jī)型[2]。為了能達(dá)到133 kW/L升功率，其曲柄連桿機(jī)構(gòu)按照爆發(fā)壓力15 MPa重新設(shè)計(jì)，同時(shí)增壓裝置和廢氣裝置都以批產(chǎn)要求進(jìn)行改進(jìn)，還應(yīng)預(yù)估所產(chǎn)生的熱量，有效地控制熱負(fù)荷，盡可能保持與基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)的連接不變，使主要的外形尺寸、相鄰部件的接口以及汽車專用部件保持不變。圖1和表1示出了發(fā)動(dòng)機(jī)主要的特性曲線和性能參數(shù)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格

2氣缸體曲軸箱

對選擇鑄造工藝方法具有決定性作用的因素有重量、熱傳導(dǎo)性和材料的延伸率及高溫強(qiáng)度。采用EN-AC-AlSi7Mg鋁合金材料并選擇金屬模翻箱鑄造工藝方法[3]，使?jié)沧⒉牧夏軌蚩煽厍覠o擾動(dòng)地充滿型腔，并能控制其凝固過程，在軸承座范圍內(nèi)，經(jīng)過T7.3兩級熱處理，能夠?qū)⒗鞆?qiáng)度Rm提高到300 N/mm2以上。

由于采用了這種鑄造工藝，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較大的自由度，如氣缸體曲軸箱可采用封閉式頂面，可消除頂部密封支承面強(qiáng)度和氣缸工作表面形狀穩(wěn)定性受限因素，特別是可以采取中心支架珩磨穩(wěn)定氣缸工作表面形狀，同時(shí)通過型芯造型來設(shè)計(jì)氣缸蓋螺栓與主軸承蓋螺栓之間力的傳遞

GJS700球墨鑄鐵主軸承蓋與M10主軸承螺栓共同確保了主軸承連結(jié)的剛性。借助有限元法（FEM）的薄弱環(huán)節(jié)分析來識(shí)別必需修改的范圍，并不斷優(yōu)化。這種設(shè)計(jì)還被應(yīng)用于熱量分配上，使冷卻水套水平分成兩部分；下半部水套中的冷卻水縱向流動(dòng)；上半部水套中的冷卻水垂直流動(dòng)，并通過有針對性地分配曲軸箱至氣缸蓋的冷卻水流量來促使冷卻水流動(dòng)。

3曲柄連桿機(jī)構(gòu)

曲柄連桿機(jī)構(gòu)要承受高達(dá)15 MPa爆發(fā)壓力，因此采用了5道主軸承支承,軸頸工作表面采用感應(yīng)淬硬的44MnSiVS6合金鋼模鍛曲軸和桿身橫截面積170 mm2的連桿，同時(shí)應(yīng)用了重量優(yōu)化的賽車用鍛造鋁合金活塞和直徑為22 mm的16MnCr5合金鋼活塞銷。

為了與電弧金屬線材噴涂（LDS）氣缸套工作表面（毫微米級滑動(dòng)表面）相結(jié)合獲得最佳的摩擦功率、燃油耗和機(jī)油耗，開發(fā)了物理汽相沉積涂層（PVD）活塞環(huán)組。通過應(yīng)用帶有整體式離心力配重的雙質(zhì)量飛輪，消除了因取消質(zhì)量平衡機(jī)構(gòu)和使用雙作用離合器變速器在低轉(zhuǎn)速時(shí)所產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī)二階慣性激勵(lì)。

4氣缸蓋

提高的氣缸蓋負(fù)荷對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了2項(xiàng)挑戰(zhàn)：（1）氣缸蓋不應(yīng)對達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)生的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷限制；（2）應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化基礎(chǔ)零部件批量制造和裝配工藝的成本。通過摻入鋯石（AlSi10MgZr）改變合金材料的成分，使導(dǎo)熱率改善8%，通過廣泛的模擬計(jì)算優(yōu)化氣缸蓋冷卻水套的設(shè)計(jì)（圖3）不僅能減少熱量的吸入，還能提高熱傳導(dǎo)能力（圖4）。

5冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在這種高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)上冷卻系統(tǒng)與基本機(jī)型相比其每缸所吸收的能量明顯增多。通過廣泛的模擬計(jì)算，獲得有效的冷卻系統(tǒng)，確保在整個(gè)特性曲線場范圍內(nèi)和所有的氣候條件下都能保持冷卻水溫度低于110℃。

由于升功率較高，半軸流式冷卻水泵的泵水量需提高15%，因此冷卻水泵的工作葉輪和導(dǎo)向輪都必須重新設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化進(jìn)水管接頭能改善穴蝕傾向，而水泵殼和節(jié)溫器仍可繼續(xù)使用。

發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓空氣冷卻器的冷卻水循環(huán)回路完全分開，從而獲得高效的增壓空氣冷卻效果，使得增壓空氣溫度最多高出25 K。同時(shí)變速器機(jī)油熱交換器被集成在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的高溫冷卻回路中，而安裝在變速器側(cè)的冷卻水泵則用于發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后渦輪增壓器的后續(xù)冷卻。通過這種復(fù)雜的錯(cuò)接方式，能夠使冷卻系統(tǒng)高效工作，取消發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的后續(xù)冷卻。

6機(jī)油循環(huán)回路

采用一個(gè)電子-機(jī)械調(diào)節(jié)的兩級葉片式機(jī)油泵供應(yīng)機(jī)油，按M133機(jī)型的要求進(jìn)行了改進(jìn)，機(jī)油壓力根據(jù)特性曲線場要求調(diào)節(jié)在0.2 MPa和0.4 MPa 2種壓力水平上，降低了機(jī)油泵的驅(qū)動(dòng)功率。機(jī)油壓力水平低于活塞機(jī)油冷卻噴嘴的開啟壓力，能減小機(jī)油泵流量，從而進(jìn)一步降低機(jī)油泵的功率消耗。機(jī)油冷卻采用機(jī)油-水熱交換器，集成在機(jī)油濾清器模塊中。

AMG公司的所有發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品中，注重發(fā)動(dòng)機(jī)橫置和縱置的車輛動(dòng)態(tài)運(yùn)行，因此M133機(jī)型重新設(shè)計(jì)了包括帶有整體式吸油管的塑料機(jī)油集濾器在內(nèi)的整個(gè)油底殼下半部分。

7空氣管路

與M270基本機(jī)型相比，M133空氣管路已修改（圖5）。增壓空氣由分開式低溫冷卻循環(huán)回路進(jìn)行間接冷卻。開發(fā)過程中為了盡可能消除空氣管路中的節(jié)流，在廢氣渦輪增壓器（ATL）進(jìn)口前設(shè)置了一個(gè)非對稱的前置容積，可使特性曲線場中的壓氣機(jī)運(yùn)行極限向上移動(dòng)。從原始空氣進(jìn)口直至氣缸蓋進(jìn)氣道的整段空氣管路被設(shè)計(jì)得非常短，不超過1200 mm。從壓氣機(jī)到進(jìn)氣門的空氣容積小于6 L，而節(jié)氣門至進(jìn)氣門的空氣容積只有1.3 L，提升了突發(fā)性加速響應(yīng)性能。

8增壓系統(tǒng)

對于廢氣渦輪增壓器而言，除了使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到目標(biāo)功率之外，要確保其低轉(zhuǎn)速范圍的性能，因此采用了雙渦道廢氣渦輪增壓器，其雙渦道渦輪殼通過將排氣流按缸分開（圖6）使得加速響應(yīng)特性得到優(yōu)化。同時(shí)根據(jù)渦輪的最低壓力（p3）盡可能調(diào)整最小的渦輪和壓氣機(jī)尺寸排確定廢氣渦輪尺寸時(shí)要使發(fā)動(dòng)機(jī)最高廢氣背壓限制在0.32 MPa。這關(guān)系到殘余廢氣和總體效率，可在保持渦輪其余尺寸不變和在非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)具有相同的增壓能力，通過擴(kuò)大增壓器中間軸頸橫截面積5%，使其降低0.02 MPa。

9排氣歧管和廢氣裝置

排氣歧管被設(shè)計(jì)成無中空絕熱層的單壁排氣管道，能最大程度地利用排氣門開啟時(shí)的氣體脈沖。為了得到最佳換氣效果使各缸排氣流始終按缸分開并使排氣管道長度都為280 mm，管道直徑為42 mm。排氣總管由精密鑄造而成，滿足熱應(yīng)力、重量、流入廢氣渦輪增壓器以及與廢氣引導(dǎo)管道連接等方面的高要求。排氣歧管結(jié)合面上的圓柱形凸肩，如第1和第4氣缸處的定位套筒，重量最輕且具有較好剛性。為了適應(yīng)既定的結(jié)構(gòu)空間并滿足批量生產(chǎn)，采用楔形螺栓緊固替代傳統(tǒng)的凸肩螺栓緊固。

排氣歧管的隔熱護(hù)罩的為厚度0.5 mm有襯里的不銹鋼薄板結(jié)構(gòu)件，以避免熱輻射。并為行駛運(yùn)行和停車時(shí)風(fēng)扇后續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)提供盡可能大的熱交換表面。

為了有效地降低廢氣渦輪增壓器的高溫，其上方的隔熱罩設(shè)計(jì)成有一定通風(fēng)空間的三層薄板件。為禁止熱空氣流從排氣歧管流經(jīng)點(diǎn)火線圈，排氣歧管隔熱護(hù)罩和點(diǎn)火線圈隔熱護(hù)罩設(shè)計(jì)成整體結(jié)構(gòu)組件（圖7）。

10燃燒

Mercedes-Benz燃燒過程由第3代汽油缸內(nèi)直噴、油束導(dǎo)向燃燒方法、多火花點(diǎn)火（MSI）以及輔助設(shè)備集成管理和整機(jī)熱管理系統(tǒng)所組成。這種燃燒過程被命名為BlueDirect，近幾年已在Mercedes-Benz汽油機(jī)產(chǎn)品中逐步推廣應(yīng)用[4,5]。噴油器和火花塞的位置、進(jìn)氣道幾何形狀以及屋頂形燃燒室都繼承了基本型M270機(jī)型（圖8）

M133機(jī)型應(yīng)用的外啟壓電噴油器與Mercedes-Benz直噴式汽油機(jī)相同，這樣Mercedes-Benz和Mercedes-AMG公司排量在1.6～5.5 L的4、6和8缸直噴式汽油機(jī)機(jī)型都使用結(jié)構(gòu)相同的噴油器。這種噴油器噴油量跨度大（1～150 mg），還具備良好的混合氣準(zhǔn)備性能和高噴霧穩(wěn)定性，對于達(dá)到的發(fā)動(dòng)機(jī)功率具有決定性意義。噴油系統(tǒng)的柔性性能夠根據(jù)運(yùn)行工況點(diǎn)的需求獲得最佳的混合氣準(zhǔn)備、廢氣排放水平并達(dá)到全負(fù)荷功率，噴油過程中的噴油次數(shù)、噴油量分配以及時(shí)間定位都能符合各個(gè)負(fù)荷/轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)的具體需求（圖9）。在發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)運(yùn)行時(shí)每個(gè)工作循環(huán)最多噴射3次，其中進(jìn)行第2次噴射是為了在壓縮行程期間獲得良好的混合氣準(zhǔn)備，此外還通過局部提高火花塞附近充量的擾動(dòng)來改善著火燃燒性能。

在發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)運(yùn)行期間，為了避免燃油潤濕而產(chǎn)生顆粒排放，采用多次短暫噴射運(yùn)行（“Homogen-Split Betriet”）,此時(shí)每個(gè)工作循環(huán)多達(dá)5次噴射。降低顆粒排放基于噴油量和噴油時(shí)刻的匹配以及將子噴射油量特別是著火噴油量減少到1 mg以下。

這種燃燒過程的優(yōu)點(diǎn)對降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗起到有利作用。為了達(dá)到所必需的平均有效壓力必須將壓縮比調(diào)整到ε=8.6。在實(shí)際行駛運(yùn)行中用戶能在較大的特性曲線場范圍內(nèi)獲得be＜240 g/kWh的有效比燃油耗，而在動(dòng)態(tài)行駛時(shí)燃油耗也能保持在非常低的水平，特性曲線場中的最低燃油耗為234 g/kWh，同時(shí)通過部分負(fù)荷的優(yōu)化也能達(dá)到非常好的燃油耗水平，在轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min和平均有效壓力pm=0.2 MPa的性能比較特征工況點(diǎn)的有效比燃油耗為be=368 g/kWh。

該直噴式汽油機(jī)的最大平均有效壓力超過了2.8 MPa，這不僅為汽車等級樹立了新標(biāo)桿，其最大扭矩達(dá)到450 N?m(2 250～5 000 r/min)，額定功率為265 kW(6000 r/min)，這相當(dāng)于升功率達(dá)到了133 kW/L、升扭矩226 N?m/L，與同類競爭機(jī)型相比處于FEV分布帶上端。

使用這種新機(jī)型要滿足未來廢氣排放法規(guī)的要求。M133機(jī)型的廢氣排放水平可通過有針對性的使用性匹配來達(dá)到北美市場ULEV70超低排放汽車標(biāo)準(zhǔn)。由于歐洲市場的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)已要求達(dá)到歐6第二階段廢氣排放值，所以該機(jī)型也適用于歐洲市場。從2017年起生效的廢氣排放基線是低顆粒數(shù)排放限值，該機(jī)型采用中央布置壓電噴油器和20 MPa噴油壓力的燃燒過程有助于達(dá)到排放要求，技術(shù)重點(diǎn)在于噴射時(shí)刻和噴油量分配的燃油噴射管理，在暖機(jī)運(yùn)行期間避免燃油潤濕燃燒室壁面，從而達(dá)到較低的顆粒排放水平。

11行駛動(dòng)力性能

M133機(jī)型已借助空氣管路的優(yōu)化和雙渦道渦輪增壓器及軟件措施解決了高升功率與靈活機(jī)動(dòng)性之間的目標(biāo)沖突。渦輪增壓器部分負(fù)荷加速的響應(yīng)性能具有重要意義，通過凸輪相位的調(diào)節(jié)獲得較大的掃氣量，40°曲軸轉(zhuǎn)角較大相位角調(diào)節(jié)范圍的進(jìn)排氣凸輪軸組合是最合適的，使增壓器達(dá)到加速響應(yīng)，通過掃氣和不同軟件的優(yōu)化，進(jìn)一步改善發(fā)動(dòng)機(jī)的加速響應(yīng)性能。如通過采取所有的優(yōu)化措施，從恒速行駛（60 km/h時(shí)的部分負(fù)荷）開始負(fù)荷躍變值到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩450 N?m所需的時(shí)間可縮短25%，可使汽車具有可感的動(dòng)態(tài)加速度值，使靈活機(jī)動(dòng)性明顯改善。

12聲學(xué)性能

為了使駕駛者也能感覺到這種優(yōu)良的動(dòng)力性能，AMG公司開發(fā)了一種能發(fā)出聲響的運(yùn)動(dòng)型廢氣裝置。這種裝置具有較大橫截面積的排氣管和自動(dòng)控制廢氣閥并運(yùn)用在SLK 55 AMG轎車，解決了優(yōu)異動(dòng)力性能與高舒適性之間的目標(biāo)沖突[6]。這種自動(dòng)控制廢氣閥按照駕駛者所期望的功率，由發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元根據(jù)所選的行駛程序的負(fù)荷狀況和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行操縱，其中有一個(gè)重要的調(diào)整桿用于發(fā)出聲響和顯示各種不同行駛程序。此外，在“S”和“M”行駛程序中，換低速檔時(shí)節(jié)氣門部分開啟功能及在全負(fù)荷下?lián)Q高速檔時(shí)點(diǎn)火和噴油時(shí)會(huì)引起短暫的聲響，這通常只有4缸以上的動(dòng)力總成才能發(fā)出的聲響。

12噪聲-振動(dòng)-剛性（NVH）特性的開發(fā)

出于外形尺寸和重量的原因必須取消質(zhì)量平衡機(jī)構(gòu)，并在早期開發(fā)階段解決了機(jī)械構(gòu)件較大的振動(dòng)負(fù)荷對車內(nèi)噪聲的不利影響。通過在汽車方面采取的隔音措施和電控廢氣閥能將車內(nèi)第2階發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲降到較低水平，還可針對行駛動(dòng)力性能的要求來調(diào)整動(dòng)力總成的支承，以達(dá)到優(yōu)異的振動(dòng)性能。

為了有效地隔離扭轉(zhuǎn)振動(dòng)傳入全輪驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系中，應(yīng)用了帶有離心力配重的雙質(zhì)量飛輪，因此在汽車方面再采取其它阻止低速脈動(dòng)的措施，與汽車行駛動(dòng)力性能方面的要求沒有目標(biāo)沖突。

13結(jié)語

Mercedes-AMG公司為了使其發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)入緊湊型轎車領(lǐng)域開發(fā)了一種新型的4缸2.0 L直噴式汽油機(jī)，以Mercedes-Benz-

BlueDirect系列的4缸動(dòng)力總成的模塊化組合部件為基礎(chǔ)開發(fā)而成的。

M133直噴式汽油機(jī)的功率為265 kW，搭載于A45 AMG轎車的新歐洲行駛循環(huán)（NEFZ），燃油耗僅6.9 L/100km，能滿足包括歐6在內(nèi)的全球所有廢氣排放法規(guī)的要求。

M133為達(dá)到133 kW/L高升功率必須在基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)、空氣管路、增壓系統(tǒng)以及廢氣裝置等方面進(jìn)行廣泛的修改，同時(shí)冷卻系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)也必須進(jìn)行改進(jìn)，但是仍然盡可能多地繼承BlueDirect系列組合部件中的零部件以及氣缸體曲軸箱和氣缸蓋等重要零部件，能夠適應(yīng)生產(chǎn)線上制造等方面的開發(fā)目標(biāo)，在Mercedes緊湊型轎車平臺(tái)上的裝配狀況受到限制。

M133直噴式汽油機(jī)在A45 AMG轎車上，與換擋時(shí)間短的雙作用離合器變速器相組合充分發(fā)揮了效用，并以AMG公司典型的排氣聲響以及按功率能力設(shè)計(jì)的全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而令人關(guān)注。