關于Mercedes-Benz公司4缸增壓直噴式汽油機性能分析

開發(fā)了一種全新Mercedes-Benz發(fā)動機系列，分別是內部型號為M270和M274的4缸BlueDirect增壓直噴式汽油機，其特點是達到了最大限度的效率、動態(tài)性能和可變性，并根據(jù)市場的特定條件，動力總成系統(tǒng)所采取的降低CO2排放的技術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)動機系列

2011年11月底，在市場上首次推出了全新Mercedes-Benz4缸發(fā)動機系列，其內部型號為M270和M274（圖1），分別為橫置式和縱置式結構，并采用壓電直接噴射。安裝方位的可變性使該發(fā)動機系列能適用于所有汽車車型，并能通過1.6 L和2.0 L兩種排量變型覆蓋寬廣的功率型譜。

4缸發(fā)動機系列沿用了諸多6缸和8缸BlueDirect發(fā)動機的技術功能模塊[1]（圖2）。Mercedes-Benz缸內直噴技術與壓電噴油器、最佳的增壓器渦輪設計和摩擦損失不斷降低的基礎發(fā)動機相結合滿足了對靈活性、舒適性和燃油耗的最高要求。為了滿足自行提出的嚴苛的CO2排放目標，根據(jù)市場的特定條件，在這些具有高工作能力的基礎技術功能模塊上又補充了3種發(fā)揮不同作用降低燃油耗的技術。

Camtronic可變凸輪機構和分層稀薄燃燒過程這兩種降低燃油耗的技術已被應用于這種量產(chǎn)發(fā)動機系列，而采用天然氣變型（NGD），即天然氣驅動，則是第3個重要里程碑，自2013年底開始量產(chǎn)E級NGD車型。

應用可靈活使用的創(chuàng)新技術功能模塊，并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，確保這種新發(fā)動機系列具有能滿足未來要求的工作能力，同時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。

2發(fā)動機設計和機械結構

鋁壓鑄氣缸體曲軸箱和曲柄連桿機構的開發(fā)目標包括顯著減輕質量、進一步降低曲柄連桿機構摩擦，以及采用新型橫流式冷卻。與M270和M274發(fā)動機系列的老機型相比，其曲柄連桿機構和鏈傳動的摩擦已明顯降低，前者降低了16%，而后者降低了9%[1]。

在該發(fā)動機系列的2種排量變型機上，廢氣渦輪增壓器針對低轉速工作能力（低速扭矩）的設計是非常成功的。2.0L發(fā)動機在轉速1 200 r/min時就已達到最大扭矩350 N·m，但在低負荷高扭矩時，必須注意發(fā)動機在這一轉速范圍內的噪聲。為了降低噪聲-振動-平順性（NVH）水平，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）。無須修改基礎發(fā)動機，這種平衡模塊作為1個完整的單元用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1個機殼內。

為了滿足嚴苛的燃油耗目標要求，蘭徹斯特平衡模塊完全采用滾動軸承支承，并在量產(chǎn)中首次既采用滾柱軸承徑向支承，又采用推力球軸承軸向支承，從而在熱機運行狀態(tài)下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年搭載于CLS350轎車投放市場，以后被逐漸推廣應用，自2012年起，BlueDirect燃燒過程在Mercedes-Benz所有新汽油機上屬于標準配置，其主要特點是布置在燃燒室中央的壓電噴油器及其向外打開的噴油嘴，以及火花塞位于排氣門方向，與其相隔一定的距離（圖4）。壓電噴油器的噴油嘴針閥開關極其迅速，可用于每工作循環(huán)最小噴油量的多次噴射，而A型噴油嘴以20 MPa的燃油壓力能獲得非常良好的混合氣準備，以及極為線性的噴油量特性線和較大的穩(wěn)態(tài)流量，從而擺脫了所有汽油機僅使用一種噴油器型式的局面。這些性能與多火花點火相結合，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）、燃油耗最佳的催化轉化器加熱，以及其他方面的優(yōu)點奠定了基礎。

4根據(jù)市場特定條件采取3種降低CO2排放的技術

BlueDirect燃燒過程和已實施的基礎技術功能組合模塊是達到最低燃油耗的基礎。隨著M274發(fā)動機的問世，開發(fā)了3種降低燃油耗或CO2排放的技術（圖5），根據(jù)市場特定條件或用戶需求來選用。借助于Camtronic可變凸輪機構變換氣門升程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，從而在使用汽油運行時幾乎能達到汽油機的極限潛力。壓縮天然氣（CNG）僅通過改變燃料的化學成分就能獲得巨大的降低CO2排放潛力。由于CNG具備有利的抗爆震性能，因此是用于增壓汽油機的理想燃料。

采用Camtronic可變凸輪機構, 使降低CO2排放的潛力達到約3%～5%，直到采用CNG運行增加到20%以上。如圖5所示，各種技術降低CO2排放的潛力逐步提高，但這些技術的附加設施在全球市場上的可用性卻逐漸降低。使用低硫燃油降低CO2排放的分層燃燒過程，但迄今僅在歐洲和日本的加油站才普遍存在這種燃油，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，當然，與汽油相比，天然氣作為燃料使用所需的附加設施較貴，目前暫時只能起到次要作用。由于該發(fā)動機系列采用了模塊化結構型式，因此易于適應市場狀況的變化。

5可變氣門升程機構降低CO2排放

應用Camtronic可變凸輪機構進行氣門升程轉換是可全球應用的降低燃油耗技術，應用該技術可獲得3%～5%的節(jié)油潛力或CO2排放潛力。進氣凸輪軸的結構型式允許從適用于高負荷/轉速范圍的標準凸輪轉換到適用于部分負荷范圍的小凸輪。圖6示出了Camtronic可變凸輪機構的機械工作原理。最大氣門升程3.8 mm的小凸輪除了摩擦損失較小外，主要優(yōu)點在于降低了換氣損失。較早結束進氣致使在相對較大的發(fā)動機特性曲線場范圍內幾乎無節(jié)流地運行，而負荷調節(jié)僅通過連續(xù)工作的凸輪軸相位調節(jié)器進行，但從小凸輪轉換到大凸輪或相反轉換卻是1個很大的挑戰(zhàn)。除了高舒適性要求外，首先要考慮轉換時廢氣和燃油耗方面的狀況。在這方面，BlueDirect燃燒過程的技術組合允許噴油時間和多火花點火有很大的自由度，在凸輪軸相位調節(jié)器、節(jié)氣門和增壓壓力調節(jié)的共同作用下，完全能滿足上述要求[4]。

6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。應用這種燃燒過程能在低負荷時獲得最大的熱力學燃油耗潛力，但目前分層燃燒過程的應用僅局限于歐洲和日本市場，隨著低硫燃油的普遍推廣，這種技術能擴展到更寬廣的市場，例如美國市場[2]。

分層燃燒過程采取在壓縮行程有節(jié)奏地噴油，該行程中最后一次噴射位于點火前不久，以形成穩(wěn)定的混合氣和渦流，從而在點火火花范圍內形成穩(wěn)定的近乎化學計量比的混合氣，因此，與多火花點火相結合就能在所有的負荷和轉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轉速3 500 r/min、平均有效壓力0.5 MPa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0.5 MPa以上的負荷范圍內，應用專門為增壓4缸發(fā)動機開發(fā)的均質分層燃燒運行方式，其中，組合應用進氣行程噴射與較晚的壓縮行程噴射，并與增壓相結合，以便將稀薄運行范圍一直擴展到進氣全負荷，而更高的負荷范圍則采用化學計量比混合氣運行，因為此時節(jié)氣門已全部打開。

在采用分層燃燒過程時，因在行駛循環(huán)中廢氣溫度較低，因此，對排氣后處理系統(tǒng)和催化轉化器的工作能力提出了很大挑戰(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)動機布置的催化轉化器，并在量產(chǎn)中采用一種新技術，三效NOX吸附式催化轉化器除了具有三效催化轉化功能外，還能在稀薄廢氣條件下進行NOX吸附式催化轉化，它支持在發(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，三效NOX吸附式催化轉化器還具有較高的降低碳氫化合物(HC)的潛力。通過進一步開發(fā)布置在汽車地板下的NOX吸附式催化轉化器，能在改善低廢氣溫度下脫硫能力的同時，進一步拓寬NOX吸附窗口。除了改善NOX轉化外，還能比目前量產(chǎn)的NOX吸附式催化轉化器減少30%貴金屬含量，從而能從根本上降低整個系統(tǒng)的成本。

7 CNG降低CO2排放

除了采用Camtronic可變凸輪機構和分層燃燒過程降低CO2排放之外，該發(fā)動機系列還在擴展使用CNG能力方面進行了開發(fā)。這種環(huán)保型天然氣發(fā)動機的開發(fā)在Mercedes-Benz E級轎車上具有成功的先例，特別是對于出租車和其他運輸車而言，燃氣汽車具有較低的運行成本，同時因具備附加的汽油運行模塊而具有極長的行駛里程。這種可使用兩種燃料運行的天然氣發(fā)動機變型能夠高效地轉換到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

使用CNG運行必須對動力總成進行下列修改：⑴廢氣渦輪增壓器的匹配；⑵提高活塞壓縮比，并使用涂覆涂層的活塞環(huán)槽鑲圈；⑶修改氣缸蓋氣門座圈和氣門材料。為了噴入天然氣，增壓空氣分配器在進氣歧管安裝每缸1個天然氣噴嘴的部位進行修改，并配備相應的噴嘴座（圖8(a)）。天然氣噴嘴在短時間內以高達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，但為了保護例如壓力調節(jié)器等其他部件，規(guī)定純粹用天然氣起動的最低溫度只能低至-15℃，低于此溫度時根據(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)動機電控系統(tǒng)和CNG部件的網(wǎng)絡連接

M270和M274發(fā)動機采用Bosch公司MED17.7型電控系統(tǒng)，因BlueDirect發(fā)動機采用模塊化部件組合，因此，電控系統(tǒng)還帶有可供使用的空的輸入和輸出接口，但并沒有控制諸如天然氣瓶開關閥、壓力調節(jié)器和天然氣噴嘴等所有CNG部件的接口位置。此外，為集成用于控制天然氣噴嘴的輸出級，對發(fā)動機電控系統(tǒng)的硬件進行了根本性的結構匹配。

采用Mercedes-Benz輕型貨車和轎車領域天然氣汽車通常應用的硬件布局方法，其中添加的1個接口盒起到接口擴展器的作用，這樣現(xiàn)有汽油車電控單元的硬件就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1個32Bit結構并帶自行控制級的接口盒，而未來的工作能力則以可拆卸的6通道薄板設計形式通過優(yōu)化裝備來考慮。

所有天然氣功能，包括用于2種運行方式分開的故障存儲器管理，完全在電控系統(tǒng)中進行，而用于電子壓力調節(jié)器調節(jié)回路控制在內的所有天然氣部件則由接口盒進行管理。各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，并將發(fā)動機控制的傳感器值作為原始數(shù)據(jù)傳輸，而發(fā)動機電控系統(tǒng)方面則通知CNG開通，以及用于調節(jié)天然氣壓力所規(guī)定的壓力額定值，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，汽油直接噴射用的壓電噴油器由發(fā)動機電控系統(tǒng)直接進行控制。

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8～10oCA ATDC運行，燃燒較早結束且膨脹加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化器容許溫度，因而天然氣運行時的最佳點比燃油耗為195 g/(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，因而天然氣運行時的CO2排放明顯低于使用汽油運行時的排放量，因此，例如E級轎車的新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）百公里CO2排放量僅為116 g，從而獲得了A+標簽的燃油耗認證證書。

發(fā)動機和汽車采取的所有措施的總效果，使E級轎車在改善加速性的同時，與老車型相比燃油耗降低高達22%，而與競爭車型相比，這樣的燃油耗值明顯處于分布帶的下端（圖10）[3]。

10結語

4缸M270和M274發(fā)動機系列采取了Camtronic可變凸輪機構和分層燃燒過程，并具備使用天然氣運行的能力等降低燃油耗的技術措施。鑒于未來全球收緊的CO2排放法規(guī)，Mercedes-Benz轎車謀求2個具有戰(zhàn)略性的突破方向：⑴力爭在更寬廣的市場推廣應用分層燃燒過程和CNG技術[2]，這些基礎結構方面的挑戰(zhàn)只有在合適燃料具有足夠可用性的情況下才得以實現(xiàn)；⑵傳統(tǒng)4缸汽油機系列在CO2排放法規(guī)不斷加劇的情況下，通過動力總成的混合動力化予以進一步優(yōu)化。