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Mercedes-AMG公司新型4缸2.0L直噴汽油機(jī)

【德】J.GindeleT.RamsteinerJ.FischerB.Tschamon

摘要：為了進(jìn)入緊湊型轎車領(lǐng)域，Mercedes-AMG公司在Mercedes-Benz-BlueDirect系列4缸直噴汽油機(jī)模塊化組件基礎(chǔ)上，開發(fā)了新型4缸2.0L直噴汽油機(jī)。為了達(dá)到133kW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)及排氣裝置等方面進(jìn)行改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：直噴汽油機(jī)BlueDirect緊湊型轎車

1高功率和低燃油耗

Mercedes-AMG公司在Mercedes-Benz-A級轎車基礎(chǔ)上，首次推出一種Mercedes-AMG-A45緊湊型轎車，目的是在該車型領(lǐng)域開發(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)到開發(fā)目標(biāo)，選擇4缸2.0L增壓機(jī)型為動(dòng)力總成基礎(chǔ)，并與BlueDirect基礎(chǔ)部件相結(jié)合。[1]

這款內(nèi)部型號為“M133”的A45直噴汽油機(jī)是在量產(chǎn)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直噴汽油機(jī)系列中功率最大的機(jī)型[2]。為了達(dá)到133kW的升功率，按照爆發(fā)壓力15MPa重新設(shè)計(jì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，同時(shí)增壓裝置和廢氣裝置都按量產(chǎn)要求進(jìn)行改進(jìn)。另外，預(yù)估所產(chǎn)生的熱量，有效控制熱負(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、相鄰部件的接口及汽車專用部件保持不變。圖1示出了發(fā)動(dòng)機(jī)的主要特性曲線，表1列出了發(fā)動(dòng)機(jī)的基本技術(shù)規(guī)格。

2氣缸體曲軸箱

對選擇鑄造工藝具有決定性作用的因素有質(zhì)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[3]，使?jié)沧⒉牧夏軌蝽樌爻錆M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)⒖估鞆?qiáng)度提高到300N/mm2以上。

由于采用了上述鑄造工藝，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有較大的自由度，如氣缸體曲軸箱可采用封閉式頂面，可消除在頂部密封支承面強(qiáng)度和氣缸工作表面形狀穩(wěn)定性方面的受限因素，特別是可以采取中心支架珩磨工藝，以穩(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的力傳遞途徑。

GJS700球墨鑄鐵主軸承蓋與M10主軸承螺栓共同確保了主軸承的連結(jié)剛性。借助有限元法(FEM)的薄弱環(huán)節(jié)分析，識別必須修改的范圍，并不斷優(yōu)化。這種設(shè)計(jì)還被應(yīng)用于熱量分配，使冷卻水套水平分成2部分： 上部水套中的冷卻水垂直流動(dòng)，并有針對性地分配曲軸箱至氣缸蓋的冷卻水流量，促進(jìn)流動(dòng)；下部水套中的冷卻水則縱向流動(dòng)。

3曲柄連桿機(jī)構(gòu)

曲柄連桿機(jī)構(gòu)要承受高達(dá)15MPa爆發(fā)壓力，因此采用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為170mm2的連桿，同時(shí)應(yīng)用質(zhì)量優(yōu)化的賽車用鍛造鋁合金活塞，以及直徑為22mm的16MnCr5合金鋼活塞銷。

為了與電弧金屬線材噴涂氣缸套工作表面(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(PVD)涂層活塞環(huán)組。通過應(yīng)用帶整體式離心力配重的雙質(zhì)量飛輪，消除因取消質(zhì)量平衡機(jī)構(gòu)和使用雙作用離合器變速器所產(chǎn)生的低轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)二階慣性激勵(lì)。

4氣缸蓋

提高的負(fù)荷對氣缸蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出2項(xiàng)挑戰(zhàn): (1)不應(yīng)限制為達(dá)到開發(fā)目標(biāo)所需的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷；(2)應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化基礎(chǔ)零部件量產(chǎn)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)，不僅能減少熱量的吸入，還能提高熱傳導(dǎo)能力(圖3)。

5冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)極為重要，因?yàn)榕c基本機(jī)型相比，其每缸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)，以及所有的氣候條件下，都能保持冷卻水溫度低于110℃。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)升功率較高，半軸流式冷卻水泵的泵水量須提高15%，因此必須重新設(shè)計(jì)冷卻水泵的工作葉輪和導(dǎo)向輪。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)沿用。

發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓空氣冷卻器的冷卻水循環(huán)回路完全分開，從而獲得極高的增壓空氣冷卻效果，使增壓空氣溫度最多比環(huán)境空氣溫度高25K。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，安裝在變速器側(cè)的冷卻水泵用于發(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)雜的交錯(cuò)連接方式，使冷卻系統(tǒng)高效工作，并可取消發(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)行改進(jìn)，根據(jù)特性曲線場要求，將機(jī)油壓力調(diào)節(jié)為0.2MPa和0.4MPa，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，從而降低機(jī)油泵的功率消耗。用于機(jī)油冷卻的機(jī)油-水熱交換器被集成在機(jī)油濾清器模塊中。

AMG公司的所有發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品都注重發(fā)動(dòng)機(jī)橫置和縱置的車輛動(dòng)態(tài)運(yùn)行，因此，針對M133機(jī)型，重新設(shè)計(jì)了包括帶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發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣管路已經(jīng)過改進(jìn)(圖4)。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，在廢氣渦輪增壓器進(jìn)口前設(shè)置一個(gè)非對稱的前置容積，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1200mm，且壓力損失較小。從壓氣機(jī)到進(jìn)氣門的空氣容積小于6L，而節(jié)氣門至進(jìn)氣門的空氣容積只有1.3L，提高了突發(fā)加速響應(yīng)性能。

8增壓系統(tǒng)

對于廢氣渦輪增壓器而言，除了要使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到目標(biāo)功率外，還要確保其低轉(zhuǎn)速扭矩性能，因此采用雙流道廢氣渦輪增壓器，雙流道渦殼將排氣流按缸分開，使加速響應(yīng)特性得到優(yōu)化(圖5)。同時(shí)，還須根據(jù)渦輪的最低壓力(p3)，以及對盡可能最小的渦輪和壓氣機(jī)尺寸進(jìn)行調(diào)整。

確定廢氣渦輪尺寸時(shí)，最重要的是要將發(fā)動(dòng)機(jī)最高廢氣背壓限制在0.32MPa。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，以及非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)具有相同增壓能力的情況下，通過擴(kuò)大增壓器中間軸頸橫截面積5%，使壓力降低0.02MPa。

9排氣歧管和廢氣裝置

排氣歧管為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，并且，排氣管道長度都為280mm，管道直徑為42mm。排氣總管經(jīng)精密鑄造而成，滿足熱應(yīng)力、質(zhì)量、流入廢氣渦輪增壓器及與廢氣引導(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缸和第4缸處的定位套筒)質(zhì)量輕且具有較好剛性。為了適應(yīng)既定的結(jié)構(gòu)空間并滿足批量生產(chǎn)要求，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)罩為厚度0.5mm的帶襯里不銹鋼薄板結(jié)構(gòu)件，以避免熱輻射。同時(shí)，還能為行駛和停車時(shí)風(fēng)扇的后續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)提供盡可能大的熱交換表面。

為了有效隔離廢氣渦輪增壓器的高溫，其上方隔熱罩是有一定通風(fēng)空間的三層薄板件。為禁止熱氣流從排氣歧管流經(jīng)點(diǎn)火線圈，排氣歧管隔熱罩和點(diǎn)火線圈隔熱罩為整體結(jié)構(gòu)組件(圖6)。

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)火及輔助設(shè)備集成管理和整機(jī)熱管理系統(tǒng)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)氣道幾何形狀及屋脊形燃燒室都與M270基本機(jī)型的相同(圖7)。

M133機(jī)型所采用的向外開啟壓電式噴油器與Mercedes-Benz直噴汽油機(jī)的相同。Mercedes-Benz和Mercedes-AMG公司的1.6～5.5L 4缸、6缸及8缸直噴汽油機(jī)都使用結(jié)構(gòu)相同的噴油器。這種噴油器噴油量跨度大(1～150mg)，還具備良好的混合氣準(zhǔn)備性能和高噴霧穩(wěn)定性，對于發(fā)動(dòng)機(jī)功率具有決定性意義。噴油系統(tǒng)的柔性化提供了極大的自由度，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，噴油次數(shù)、噴油量分配及噴油定時(shí)都符合各負(fù)荷/轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)的具體需求(圖8)。在發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)運(yùn)行時(shí)，每個(gè)工作循環(huán)最多噴油3次，其中，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，還可以通過局部提高火花塞附近的充量擾動(dòng)來改善著火性能。

在發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)運(yùn)行期間，為了避免因燃油潤濕而產(chǎn)生顆粒排放，采用多次短暫噴射運(yùn)行模式，此時(shí)每個(gè)工作循環(huán)多達(dá)5次噴射。為了降低顆粒排放須對噴油量和噴油時(shí)刻進(jìn)行適當(dāng)匹配，并將子噴射油量(特別是著火噴油量)減少到1mg以下。

這種燃燒過程的優(yōu)點(diǎn)是對降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗有利。為了達(dá)到必需的平均有效壓力，必須將壓縮比調(diào)整到8.6。在實(shí)際行駛中，用戶能在較大的特性曲線場范圍內(nèi)獲得低于240g/(kW·h)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234g/(kW·h)。同時(shí)，通過優(yōu)化部分負(fù)荷，也能達(dá)到非常好的燃油耗水平，在轉(zhuǎn)速2000r/min和平均有效壓力0.2MPa的工況點(diǎn)，有效比燃油耗為368g/(kW·h)。

新直噴汽油機(jī)的最大平均有效壓力超過2.8MPa，不僅為同等級車輛樹立了新標(biāo)桿，其最大扭矩達(dá)到450N·m(2250～5000r/min)，額定功率為265kW(6000r/min)，相當(dāng)于升功率達(dá)到133kW、升扭矩達(dá)到226N·m，與同類競爭機(jī)型相比，處于FEV分布帶上端(圖9)。

為了使新機(jī)型滿足未來廢氣排放法規(guī)的要求，可通過有針對性的使用性匹配來達(dá)到北美市場ULEV70超低排放車標(biāo)準(zhǔn)。由于歐洲市場的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到歐6第2階段廢氣排放限值，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，新機(jī)型的中央布置壓電式噴油器和20MPa噴油壓力燃燒過程有助于達(dá)到這一要求，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

在M133機(jī)型中，借助空氣管路優(yōu)化和雙流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。渦輪增壓器的部分負(fù)荷加速響應(yīng)性能具有重要意義，通過凸輪相位調(diào)節(jié)獲得較大的掃氣量，40°CA較大調(diào)節(jié)范圍的進(jìn)排氣凸輪軸組合是最合適的，能使增壓器獲得更快的加速響應(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。通過采取各項(xiàng)優(yōu)化措施，從恒速行駛(60km/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450N·m所需的時(shí)間可縮短25%，使汽車具有良好的動(dòng)態(tài)加速度值，明顯改善了靈活機(jī)動(dòng)性。

12聲學(xué)性能

為了使駕駛者感受到優(yōu)良的動(dòng)力性能，AMG公司開發(fā)了一種能發(fā)出動(dòng)感聲響的運(yùn)動(dòng)型廢氣裝置。這種已用于SLK55 AMG轎車的裝置具有大橫截面的排氣管和自動(dòng)控制廢氣閥，解決了優(yōu)異動(dòng)力性能與高舒適性之間的目標(biāo)沖突。自動(dòng)控制廢氣閥可按駕駛者期望的功率，由發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元根據(jù)所選行駛程序的負(fù)荷狀況和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中一個(gè)重要的調(diào)整桿用于發(fā)出聲響和顯示不同行駛程序。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，以及在全負(fù)荷下?lián)Q高速檔時(shí)點(diǎn)火和噴油都會(huì)引起短暫的聲響，而這通常只有在4缸以上的動(dòng)力總成中才會(huì)出現(xiàn)。

13噪聲-振動(dòng)-平順性(NVH)特性的開發(fā)

出于外形尺寸和質(zhì)量的原因，必須取消質(zhì)量平衡機(jī)構(gòu)，并在早期開發(fā)階段解決機(jī)械構(gòu)件的較大振動(dòng)負(fù)荷對車內(nèi)噪聲的不利影響。通過在汽車方面采取隔音措施和電控廢氣閥，將車內(nèi)的二階發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲降到較低水平，還可針對行駛動(dòng)力性能的要求調(diào)整動(dòng)力總成的支承，以獲得優(yōu)異的振動(dòng)性能。

為了有效隔離扭轉(zhuǎn)振動(dòng)傳入全輪驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系中，應(yīng)用帶離心力配重的雙質(zhì)量飛輪，因此無須汽車方面采取其他阻止低速脈動(dòng)的措施，與汽車行駛動(dòng)力性能方面的要求之間也不會(huì)產(chǎn)生目標(biāo)沖突。

14結(jié)語

為了使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)入緊湊型轎車領(lǐng)域，Mercedes-AMG公司開發(fā)了一種新型4缸2.0L直噴汽油機(jī)，該機(jī)型以Mercedes-Benz-BlueDirect系列的4缸動(dòng)力總成模塊化組合部件為基礎(chǔ)。

M133直噴汽油機(jī)的功率為265kW，搭載于A45 AMG轎車，在新歐洲行駛循環(huán)下的百公里燃油耗僅6.9L，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。

為達(dá)到133kW的高升功率，M133汽油機(jī)在基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)、空氣管路、增壓系統(tǒng)及廢氣裝置等方面進(jìn)行廣泛的修改，同時(shí)對冷卻系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)也進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)盡可能多地繼承BlueDirect系列組合部件及氣缸體曲軸箱和氣缸蓋等重要零部件，以適應(yīng)生產(chǎn)線制造等方面的開發(fā)目標(biāo)。目前仍存在的挑戰(zhàn)是M133機(jī)型在Mercedes緊湊型轎車平臺上的裝配狀況。

在A45 AMG轎車上，M133直噴汽油機(jī)與換檔時(shí)間短的雙離合變速器相組合后充分發(fā)揮了效用，并以AMG公司典型的排氣聲響及按功率能力設(shè)計(jì)的全驅(qū)系統(tǒng)而受到關(guān)注。

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范明強(qiáng)譯自MTZ， 2013， 74(9)

何丹妮編輯

收稿日期：( 2013-12-22)