◆文/江蘇 范明強(qiáng)

奔馳轎車3.5L-V6汽油機(jī)解析（六）

◆文/江蘇 范明強(qiáng)

范明強(qiáng)

（本刊編委會(huì)委員）

教授級(jí)高級(jí)工程師，參加過陜西汽車制造總廠的籌建工作，主管柴油機(jī)的產(chǎn)品開發(fā)，1984年調(diào)往機(jī)械工業(yè)部無錫油泵油嘴研究所，曾任一汽無錫柴油機(jī)廠、第一汽車集團(tuán)公司無錫研究所高級(jí)技術(shù)顧問、湖南奔騰動(dòng)力科技有限公司總工程師。

（接2015年第7期）

6.快速多火花點(diǎn)火

優(yōu)化直噴式汽油機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的任務(wù)是確保即使在點(diǎn)火時(shí)刻的臨界條件下也能穩(wěn)定著火，即擴(kuò)大應(yīng)用窗口的范圍，使得運(yùn)用的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況能夠進(jìn)一步降低燃油消耗和廢氣排放。因此，作為批量生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)能應(yīng)用的技術(shù)措施，一種新型的點(diǎn)火系統(tǒng)為進(jìn)一步提高燃燒效率提供了一種附加的選擇。這種點(diǎn)火系統(tǒng)能夠靈活地為所產(chǎn)生的火花提供電能：首先點(diǎn)火變壓器所儲(chǔ)存的能量被限制在為第一次火花擊穿所需的量級(jí)上，而在火花擊穿以后的點(diǎn)火燃燒階段則是由點(diǎn)火線圈在短暫的持續(xù)時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充提供的能量來支持的。這種分成兩個(gè)階段的點(diǎn)火能量供給調(diào)節(jié)方式被稱為快速多火花點(diǎn)火（MSI）。由于后續(xù)火花數(shù)量的增多，即總能量的增大，形成了一個(gè)具有較大空間伸展和密度的等離子通道。這種多火花點(diǎn)火是對(duì)傳統(tǒng)點(diǎn)火部件（點(diǎn)火線圈-護(hù)套管-火花塞）的優(yōu)化。

由于采用了多火花點(diǎn)火，再次明顯擴(kuò)大了燃燒過程原本就已非常大的穩(wěn)定燃燒窗口，而后續(xù)火花的快速形成能使實(shí)際應(yīng)用的工況移向熱力學(xué)更為有利的運(yùn)行工況，從而使得不僅比燃油消耗而且NOX和HC原始排放進(jìn)一步降低。圖51示出了與傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)（TSZ）相比多火花（MSI）在轉(zhuǎn)速n=1 800r/min和平均有效壓力pmi=0.55MPa負(fù)荷工況點(diǎn)性能改善潛力的實(shí)例。由于燃燒移向熱力學(xué)更為有利的運(yùn)行工況點(diǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，在NOX和HC排放分別降低約5%和50%的同時(shí)，燃油消耗降低了約4%。

7.新的運(yùn)行模式

為了擴(kuò)展稀薄混合汽分層運(yùn)行的特性曲線場范圍，已開發(fā)出新型的“均質(zhì)分層（HOS）”運(yùn)行模式。至今既有采用壓縮行程兩次或三次噴油的“分級(jí)”分層混合汽運(yùn)行模式，也有眾所周知的進(jìn)氣行程噴油的均質(zhì)混合汽運(yùn)行模式。分層運(yùn)行和均質(zhì)運(yùn)行模式的平均有效壓力相差大約0.5～0.6MPa。如圖52所示，這種新型的均質(zhì)分層（HOS）運(yùn)行模式是在進(jìn)氣行程第一次噴油形成稀薄均質(zhì)混合汽的基礎(chǔ)上，在壓縮行程點(diǎn)火前再根據(jù)特性曲線場運(yùn)行工況的不同進(jìn)行單次或兩次噴油在火花塞附近形成易于著火的分層混合汽，它是介于上述兩種運(yùn)行模式之間過渡區(qū)域的一種新運(yùn)行模式，替代了分層運(yùn)行范圍上部的運(yùn)行區(qū)域和位于其上方的均質(zhì)運(yùn)行范圍的一部分運(yùn)行區(qū)域。

另一種新的運(yùn)行模式被稱為“均質(zhì)分叉”（HSP=Homogen Split）運(yùn)行模式，它基本上是一種均質(zhì)化學(xué)計(jì)量比混合汽燃燒，95%以上的燃油量是在進(jìn)氣行程中單次或多次噴入汽缸的，并有非常少量的“點(diǎn)火”噴油以穩(wěn)定燃燒，因此圖52中的特性曲線場可再細(xì)分為4個(gè)運(yùn)行范圍：①接近怠速的運(yùn)行范圍：均質(zhì)運(yùn)行；②從0.4MPa和3 800r/min起的低部分負(fù)荷：分層運(yùn)行；③4 000r/min以下0.4～0.8MPa的中等部分負(fù)荷：均質(zhì)分層（HOS）運(yùn)行；④整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的高負(fù)荷區(qū)：均質(zhì)或均質(zhì)分叉（HSP）運(yùn)行。

圖53所示出的2 000r/min轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷范圍運(yùn)行情況表明，均質(zhì)分層（HOS）運(yùn)行模式在0.4MPa以上的平均有效壓力范圍內(nèi)能獲得比純粹分層運(yùn)行模式更為有利的燃油消耗值，而直到0.7MPa多一點(diǎn)的平均有效壓力范圍內(nèi)能獲得比均質(zhì)運(yùn)行模式更為有利的燃油消耗值。

圖53 2000r/min轉(zhuǎn)速下因均質(zhì)分層運(yùn)行所增加的節(jié)油效果

均質(zhì)分層（HOS）運(yùn)行模式，正如其名稱所表明的那樣，是由均質(zhì)稀薄混合汽和分級(jí)分層混合汽燃燒組合而成的。此時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)無節(jié)流的情況下，首先在進(jìn)氣行程中進(jìn)行第一次噴油，形成均質(zhì)的基礎(chǔ)混合汽，而原本形成混合汽分層的噴油則是在壓縮行程點(diǎn)火之前根據(jù)特性曲線場運(yùn)行工況的不同用單次或兩次噴射來實(shí)現(xiàn)的。

圖54左圖示出了低部分負(fù)荷工況分層運(yùn)行時(shí)混合汽分布狀況的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬的結(jié)果，可以清晰地看到由壓縮行程中優(yōu)化的多次噴射所形成的混合汽的高分層程度，并且在火花塞附近形成了有利的點(diǎn)火條件。圖54右圖示出了均質(zhì)分層（HOS）模式運(yùn)行時(shí)的混合汽狀況。由于在點(diǎn)火前有兩次油量極小的噴射，因此燃燒室中的稀薄基礎(chǔ)混合汽能可靠地著火，并穩(wěn)定地燃燒。

無論是分層運(yùn)行還是均質(zhì)分層（HOS）運(yùn)行時(shí)都用廢氣再循環(huán)來降低NOx排放。圖55示出了再循環(huán)廢氣引入進(jìn)氣管中的情況。借助于一個(gè)折流擋板使得再循環(huán)廢氣與新鮮空氣迅速而均勻地混合，由此得到的再循環(huán)廢氣在各個(gè)汽缸中良好的均勻分布是應(yīng)用高EGR率獲得低NOx排放值的前提條件。

另外，為沒有無硫燃料供應(yīng)的市場專門推出了一種無稀薄運(yùn)行模式的機(jī)型，它是以分層混合汽燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)并采用化學(xué)計(jì)量比均質(zhì)混合汽運(yùn)行的，因而取消了EGR和存儲(chǔ)式NOx催化器。

8.廢氣凈化

M272汽油機(jī)的廢氣凈化方案經(jīng)進(jìn)一步開發(fā)后用于M276汽油機(jī)，它們搭載于奔馳C和E級(jí)以及CLS轎車上已滿足歐Ⅴ廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。M276汽油機(jī)從一開始就是針對(duì)歐Ⅴ廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)的，其每排汽缸的廢氣凈化裝置包括一個(gè)近發(fā)動(dòng)機(jī)三元轉(zhuǎn)化器和一個(gè)安裝在汽車地板下的存儲(chǔ)式NOx催化轉(zhuǎn)化器（圖56），前者確保在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后不久就能很好地凈化有害物質(zhì)，而后者在發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄混合汽運(yùn)行階段存儲(chǔ)NOx排放物。

在發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄運(yùn)行期間，由于具有突出的燃燒效率，并且燃燒室中有非常多的過剩空氣，因而廢氣溫度非常低，在緩慢行駛的情況下排氣歧管-催化器前的廢氣溫度低于200℃，因此應(yīng)根據(jù)需要采取相應(yīng)的加熱措施，以便確保催化器始終具有良好的催化轉(zhuǎn)化能力。

近發(fā)動(dòng)機(jī)三元催化器是集成在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管上的，使得為加熱催化器所必需調(diào)晚的點(diǎn)火正時(shí)角可比老機(jī)型明顯減小，并與均質(zhì)分叉（HSP）運(yùn)行模式（根據(jù)運(yùn)行工況的不同，每工作循環(huán)噴油最多可達(dá)4次）相結(jié)合，能使催化器加熱階段期間獲得極好的運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)催化器采取加熱措施的持續(xù)時(shí)間大大縮短，再加上調(diào)晚的點(diǎn)火正時(shí)角較小，可使得加熱催化器所必需額外多消耗的燃油量減少一半。

9.發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

圖57在FEV分布帶中示出的比燃油消耗值表明，這種新機(jī)型在2 000r/min轉(zhuǎn)速和0.2MPa平均有效壓力的部分負(fù)荷工況時(shí)的比燃油消耗值為290g/kWh，而特性曲線場中的最低比燃油消耗值為220g/kWh，成為轎車汽油機(jī)燃油消耗值的新標(biāo)桿。這種新型的直噴式汽油機(jī)在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有370Nm扭矩，6 500r/min時(shí)達(dá)到225kW最大功率，并且最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到7 000r/min（圖58），因而使整車具有令人信服的行駛動(dòng)力性。目前奔馳S級(jí)轎車由于裝用了這種新型的3.5L-V6直噴式汽油機(jī)，并采取了其他一些改進(jìn)措施，在改善行駛動(dòng)力性的同時(shí)其新歐洲行駛循環(huán)（NEFZ）的燃油消耗值降低了24%（圖59），為這種等級(jí)的轎車樹立了新標(biāo)桿。

（全文完）