新型Mercedes-Benz 4缸渦輪增壓直噴汽油機

【德】 M.Mürwald R.Kemmler A.Waltner F.Kreitmann

1 橫置式和縱置式4缸發(fā)動機系列

2011年11月底，在市場首次推出全新的Mercedes-Benz 4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，并采用壓電式燃油直噴技術。安裝方位的可變性使該發(fā)動機系列能適用于所有車型，并能通過1.6L和2.0L2種排量變型覆蓋寬廣的功率型譜。

4缸發(fā)動機系列沿用多項6缸和8缸Blue-Direct發(fā)動機的技術功能模塊（圖2）［1］。Mercedes-Benz缸內直噴技術與壓電式噴油器、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。為了滿足公司內部苛刻的CO2排放目標，根據市場的特定條件，在這些基礎技術功能模塊上，又補充了3種能發(fā)揮不同作用的燃油耗降低技術。

Camtronic可變凸輪機構和分層稀燃過程可降低燃油耗，已被應用于量產的4缸發(fā)動機系列，而采用天然氣驅動（NGD）的E級車型在2013年底已開始量產。應用可靈活使用的創(chuàng)新技術功能模塊，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，確保新發(fā)動機系列具有滿足未來要求的工作能力，同時也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)目標包括大幅減輕質量、進一步降低曲柄連桿機構摩擦，以及采用新型橫流式冷卻。與老機型相比，M270和M274發(fā)動機系列的摩擦已明顯降低，曲柄連桿機構的摩擦降低16%，鏈傳動機構的摩擦降低9%［1］。

在新發(fā)動機系列的2種機型上，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 200r／min時就已達到最大扭矩350N·m，但在低負荷高扭矩時，必須注意發(fā)動機在該轉速范圍內的噪聲。為了改善噪聲-振動-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）。無須修改基礎發(fā)動機，這種平衡模塊作為1個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損失，該模塊被完全封閉在機殼內。

為了滿足苛刻的燃油耗目標要求，蘭徹斯特平衡模塊完全采用滾動軸承支承，并首次在量產中同時采用滾柱軸承徑向支承和推力球軸承軸向支承，從而在熱機運行狀態(tài)下，使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年應用于CLS350轎車并投放市場，自2012年起，BlueDirect燃燒過程在Mercedes-Benz的所有新汽油機上成為標準配置，其主要特點是壓電式噴油器布置在燃燒室中央，并具有向外打開的噴油嘴，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關極其迅速，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只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）、最佳燃油耗的催化轉化器加熱，以及其他優(yōu)勢奠定了基礎。

4 降低CO2排放的技術

BlueDirect燃燒過程和基礎技術功能模塊的組合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種降低燃油耗和CO2排放的技術（圖5），可根據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的技術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，從而在燃用汽油運行時幾乎達到其極限潛力。壓縮天然氣（CNG）發(fā)動機通過改變燃料的化學成分，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的理想燃料。

采用Camtronic可變凸輪機構，降低CO2排放的潛力可達到3%～5%，而采用CNG運行可使其潛力增加到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。目前，使用低硫燃油降低CO2排放的分層燃燒過程只有在日本和歐洲市場才有可能實現(xiàn)，因為只有那里的加油站普遍供應低硫燃油，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，但與汽油相比，天然氣作為燃料使用所需的附加設施成本較高，目前暫時只能起到次要作用。由于新發(fā)動機系列采用模塊化結構型式，因而能輕松適應市場狀況的變化。

5 利用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全球通用的燃油耗降低技術，應用該技術可獲得3%～5%的節(jié)油潛力或CO2減排潛力。進氣凸輪軸的結構型式允許從適用于高負荷高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3.8mm的小凸輪除摩擦損失較小外，主要優(yōu)點是降低了換氣損失。較早結束進氣，在相對較大的發(fā)動機特性曲線場范圍內幾乎無節(jié)流運行，只通過連續(xù)工作的凸輪軸相位調節(jié)器進行負荷調節(jié)，但從小凸輪轉換到大凸輪或相反的轉換是很大的挑戰(zhàn)。除了舒適性要求極高外，首先要考慮轉換時的廢氣排放和燃油耗。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 利用分層燃燒過程降低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日本和歐洲市場，希望隨著低硫燃油的普遍推廣，這種技術能擴展到更多的市場［2］。

分層燃燒過程是在壓縮行程中有節(jié)奏地噴油，該行程中最后1次噴射位于點火前不久，可以形成穩(wěn)定的混合氣和渦流，在點火火花范圍內形成穩(wěn)定的接近化學計量比的混合氣。因此，分層燃燒過程與多火花點火相結合，能在所有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3 500r／min、平均有效壓力0.5MPa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0.5MPa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，將稀薄運行范圍擴展到進氣全負荷工況，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。

在應用分層燃燒過程時，行駛循環(huán)中的廢氣溫度較低，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，并在量產中采用三效氮氧化物吸附式催化轉化器（TWNSC），除了具有三效催化轉化功能外，還能在稀氣條件下進行氮氧化物（NOx）吸附式催化轉化，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，TWNSC還具有較高的降低碳氫化合物排放的潛力。通過進一步開發(fā)布置在車身下的NOx吸附式催化轉化器（NSC），能改善低廢氣溫度下的脫硫能力，同時進一步拓寬NOx吸附窗口。除了改善NOx轉化效率外，還能比目前量產的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可變凸輪機構和分層燃燒過程降低CO2排放外，新發(fā)動機系列還在擴展使用CNG方面進行開發(fā)。這種環(huán)保型天然氣發(fā)動機在Mercedes-Benz E級轎車上已有成功的先例，特別是對于出租車和其他運輸車輛而言，燃氣車具有較低的運行成本，同時因附帶汽油運行模塊而具有極長的行駛里程。這種可使用2種燃料運行的天然氣發(fā)動機能高效轉換到以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

燃用CNG運行必須對動力總成進行下列修改：（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)槽鑲圈；（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氣歧管安裝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，但為了保護壓力調節(jié)器等其他部件，規(guī)定只用天然氣起動的最低溫度為-15℃，如低于該溫度，則根據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)動機電控單元和CNG部件的網絡連接

M270和M274發(fā)動機采用Bosch公司MED17.7型電控單元，因BlueDirect發(fā)動機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，但沒有控制天然氣瓶開關閥、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，為集成控制天然氣噴嘴的輸出級，對發(fā)動機電控單元的硬件進行根本性的結構匹配。

采用Mercedes-Benz輕型貨車和轎車領域天然氣車型通常應用的硬件布局方法，添加1個接口盒，起接口擴展器的作用，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）。

為了滿足對性能和固有安全性提出的高要求，Continental公司開發(fā)了32Bit結構并帶自行控制級的接口盒。未來的工作能力以可拆卸的6通道薄板設計形式并通過優(yōu)化裝備來考慮。

包括2種運行方式各自獨立的故障存儲器管理在內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。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，將可能的故障記錄及發(fā)動機控制的傳感器值作為原始數(shù)據傳輸，而發(fā)動機電控單元則通知CNG開通，以及調節(jié)規(guī)定的天然氣壓力額定值。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，用于汽油直噴的壓電式噴油器由發(fā)動機電控單元直接控制。

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特性曲線場以理想的燃燒重心位置（8～10°CA ATDC）運行，燃燒較早結束且膨脹行程延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的容許溫度，因而天然氣運行時最佳點的比油耗為195g／（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，天然氣運行時的CO2排放明顯低于汽油運行時的排放量。因此，E級轎車的新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）百公里CO2排放量僅116g，獲得了A＋標簽的燃油耗認證證書。

在發(fā)動機和汽車上采取的所有措施使E級轎車在改善加速性的同時，燃油耗比老車型低22%，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)動機系列應用Camtronic可變凸輪機構和分層燃燒過程等技術，并具備使用天然氣運行的能力。鑒于未來全球收緊的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)只有在燃料具有足夠可用性的情況下才能得以實現(xiàn)；（2）在CO2排放法規(guī)不斷收緊的情況下，傳統(tǒng)4缸汽油機系列必須通過動力總成的混合動力化予以進一步優(yōu)化。

［1］Merdes N，Enderle C，Vent G，u.a.Der neue R4-ottomotor mit turboaufladung von Mercedes-Benz［C］.20.Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik，2011.

［2］Enderle C，Kemmler R，Vent G，u.a.Der magerbetriebene ottomotor—ein konzept für den weltweiten eisatz［C］.34.Internationales Wiener Motorensymposium，2013.

［3］Wunderlich K，Waltner A，Merdes N，u.a.Die neue CNG-motorengeneration von Mercedes-Benz aus der M270／M274-Blue-Direct-motorenfamilie［C］.22.Aachener Kolloquium Fahrzeugund Motorentechnik，2013.

［4］Merdes N，P?tzold R，Ramsperger N，u.a.Die neuen R4-ottomotoren M270mit turboaufladung［J］.ATZextra，2012，7（4）：58-63.

［5］Vent G，Enderle C，Merdes N，et al.The New 2.0-L turbo engine from the Mercedes-Benz 4-cylinder engine family［C］.21.Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik，2012.

［6］Lückert P，Doll G，Walthner A，u.a.BlueDirect—das innovative technologiekonzept der ottomotoren bei Mercedes-Benz［C］.11.Internationales Stuttgarter Symposium Automobil und Motorentechnik，2011.

［7］Wunsch R，Sch?n C，Vent G，et al.Exhaust gas aftertreatment for BlueDirect gasoline engines with lean combustion—potential for future applications［C］.21.Aachener Kolloquium Fahreugund Motorentechnik，2012.