◆文/福建 林宇清

自2018年開(kāi)始，梅賽德斯-奔馳在A(yíng)級(jí)177車(chē)型上推出了一款型號(hào)名稱(chēng)為M260的直列式新4缸火花點(diǎn)火型發(fā)動(dòng)機(jī)(圖1、圖2)，該款發(fā)動(dòng)機(jī)采用橫向安裝，裝配增壓裝置，排量為2.0L，兩個(gè)輸出等級(jí)分別為140kW和165kW(圖3、圖4)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)右前視圖

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)右后視圖

圖3 性能圖

圖4 M260技術(shù)數(shù)據(jù)

由于M260使用了改善的汽缸蓋、優(yōu)化的燃燒室以及通過(guò)帶摩擦優(yōu)化環(huán)組件的冷卻道活塞減少摩擦，因此，可提高熱動(dòng)態(tài)性能。此外，M260還具有以下重要特性:

(1)減小摩擦形成珩磨；

(2)帶環(huán)形支架的冷卻管活塞；

(3)居中固定的壓電式噴油嘴；

(4)進(jìn)氣側(cè)可變氣門(mén)升程系統(tǒng)(CAMTRONIC)；

(5)帶傳感器系統(tǒng)的汽油微粒濾清器；

(6)壓縮比增大；

(7)通過(guò)全面的“NVH(噪音、振動(dòng)、聲振粗糙度)”措施獲取實(shí)現(xiàn)良好抗燥和振動(dòng)舒適性。

本文將介紹M260款發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)亮點(diǎn)，為便于了解，按發(fā)動(dòng)機(jī)的組成和工作原理，將其分為以下幾部分進(jìn)行介紹。

一、曲軸連桿機(jī)構(gòu)

M260的曲軸由鑄鐵鋁制成，它和曲軸總成的工程規(guī)格包括120bar(1bar=100kPa)峰值壓力下的抗疲勞強(qiáng)度和驅(qū)動(dòng)單元摩擦顯著降低。為通過(guò)更高的結(jié)構(gòu)剛度實(shí)現(xiàn)更佳的“NHV”舒適水平，與上一代曲軸箱相比，進(jìn)一步優(yōu)化了剛性結(jié)構(gòu)。帶有耐磨鑄鐵套的圓柱管由汽缸中央和邊緣上的雙出口閥冷卻孔進(jìn)行冷卻，與前款發(fā)動(dòng)機(jī)M270類(lèi)似，套管的表面精密幾何結(jié)構(gòu)或精密珩磨與稱(chēng)之為“筒形珩磨”的成型珩磨相結(jié)合(圖5)。汽缸直徑在活塞下止點(diǎn)處的錐形擴(kuò)張?zhí)峁┝溯^大的活塞間隙，從而大大減少了套管和活塞之間的摩擦力。在活塞的上止點(diǎn)中，保持較小的活塞間隙以確保滿(mǎn)足“NHV”要求。此外，優(yōu)化活塞環(huán)還有助于減少摩擦損失，同時(shí)還采用低黏度發(fā)動(dòng)機(jī)油進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)的整體摩擦水平。

圖5 成型珩磨

曲軸是鍛造制成的，并有8個(gè)平衡軸，其布置和構(gòu)造確保曲軸低偏斜和低總高度(圖6)。由于現(xiàn)代方式的持續(xù)使用，它可以在增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)中使用帶冷卻道的鑄鐵活塞。鑄鐵活塞的凹槽已在燃燒系統(tǒng)和噴油閥排列進(jìn)行了匹配。

活塞冷卻為降低活塞頂部溫度創(chuàng)造了條件，在保持穩(wěn)定燃燒的同時(shí)降低了發(fā)動(dòng)機(jī)排放?；钊h(huán)的剪應(yīng)力被優(yōu)化，與成型珩磨相結(jié)合，將摩擦力、耗油量、重量和漏油量減小至最低。在減小環(huán)應(yīng)力的同時(shí)，通過(guò)大幅減小不對(duì)稱(chēng)活塞裙軸承表面(碳涂層已優(yōu)化)以及對(duì)活塞間隙進(jìn)行的微調(diào)，連同機(jī)油噴射冷卻一起對(duì)減小摩擦起到了決定性作用(圖7)。

圖6 曲軸總成

圖7 活塞

二、鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

為產(chǎn)生更大的輸出功率并經(jīng)受住更頻繁的曲軸啟用，研發(fā)出了帶過(guò)壓閥的新型鏈條漲緊器。即使處于極端條件下，也有助于確保鏈條磨損延伸率小于0.2%。采用了前一款發(fā)動(dòng)機(jī)控制驅(qū)動(dòng)的齒形鏈條，精準(zhǔn)成型凸耳和高光澤度形成極光滑的功能性表面，與改善后的滑軌幾何結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在摩擦方面提供明顯優(yōu)越性(圖8)。

三、可變氣門(mén)升程系統(tǒng)(CAMTRONIC)

一般情況下，M260配有全部可變氣門(mén)升程系統(tǒng)(CAMTRONIC)排量和輸出類(lèi)型，通過(guò)可變氣門(mén)升程調(diào)節(jié)，在部分負(fù)荷范圍內(nèi)較小的氣門(mén)升程可將較少的空氣引入燃燒室中，這意味著增壓變化損壞將更低(圖9)。在較高負(fù)荷范圍內(nèi)，為實(shí)現(xiàn)主總成的全部性能，會(huì)切換至大氣門(mén)升程。1號(hào)和2號(hào)汽缸以及3號(hào)和4號(hào)汽缸的聯(lián)接器分別位于一個(gè)凸輪軸件上，意味著所有4個(gè)汽缸的氣門(mén)升程的進(jìn)氣凸輪軸可利用氣門(mén)升程切換促動(dòng)器在凸輪軸旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。除了熱力優(yōu)勢(shì)外，減小的摩擦力會(huì)改善較小凸輪沖程中的摩擦力。

圖8 鏈條傳動(dòng)部件

即使氣門(mén)升程較小，為確保最佳燃燒，在低部分負(fù)荷范圍下，燃油被多次噴射且燃油空氣混合物被多次點(diǎn)燃，因此，燃燒室中火花塞周?chē)娜加涂諝饣旌衔餃u流減少。凸輪升程轉(zhuǎn)換，相關(guān)的提前進(jìn)氣關(guān)閉以及摩擦減少均可實(shí)現(xiàn)燃燒優(yōu)勢(shì):在相關(guān)測(cè)試循環(huán)中，每千米減少約1g二氧化碳。同時(shí)，CAMTRONIC及其全部行程凸輪確保了M260的高輸出功率。采用2L排量的CAMTRONIC意味著在實(shí)際駕駛條件下增大了可用操作范圍，從而對(duì)燃油消耗產(chǎn)生有利影響，也意味著M260在較小氣門(mén)升程時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速可高達(dá)120km/h。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)俯視圖

進(jìn)氣凸輪軸氣門(mén)升程包括兩個(gè)提升電磁閥，一個(gè)提升電磁閥促動(dòng)一個(gè)氣門(mén)挺桿。當(dāng)提升電磁閥線(xiàn)圈通電時(shí)，氣門(mén)挺桿展開(kāi)：根據(jù)凸輪軸上曲線(xiàn)軌道的位置和形狀，僅一個(gè)氣門(mén)挺桿可展開(kāi)，相應(yīng)的氣門(mén)挺桿通過(guò)曲線(xiàn)軌道的形狀以機(jī)械方式復(fù)位。兩個(gè)氣門(mén)挺桿的當(dāng)前位置由進(jìn)氣凸輪軸(Y49/8b1)上氣門(mén)行程轉(zhuǎn)換的集成式霍爾傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)(圖10)。兩個(gè)氣門(mén)挺桿都在初始位置回位，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)進(jìn)氣門(mén)的長(zhǎng)行程啟動(dòng)，在暖機(jī)階段結(jié)束時(shí)首次切換至短行程。當(dāng)ME促動(dòng)進(jìn)氣凸輪軸氣門(mén)升程切換促動(dòng)器時(shí)，促動(dòng)器中相應(yīng)的線(xiàn)圈通電，且兩個(gè)氣門(mén)挺桿中的一個(gè)移入相關(guān)的曲線(xiàn)軌道。由于曲線(xiàn)軌道的設(shè)計(jì)，凸輪軸產(chǎn)生軸向移動(dòng)，并切換為較小的凸輪行程。通過(guò)評(píng)估曲線(xiàn)軌道氣門(mén)挺桿以機(jī)械方式復(fù)位，通過(guò)對(duì)線(xiàn)圈進(jìn)行循環(huán)通電的方式復(fù)位凸輪軸，此時(shí)另一氣門(mén)挺桿展開(kāi)且在大行程的作用下凸輪軸朝與凸輪的相反方向移動(dòng)。促動(dòng)器由ME以1kHz的PWM信號(hào)在1 000～4 000r/min的轉(zhuǎn)速范圍下促動(dòng)。

圖10 進(jìn)氣凸輪軸視圖

四、通風(fēng)裝置

從氣門(mén)室蓋集中吸收泄露的氣體，護(hù)蓋幾何結(jié)構(gòu)和防飛濺系統(tǒng)配有分支點(diǎn)，可作為簡(jiǎn)易的油氣分離器。漏出氣體通過(guò)回流管流入曲軸箱機(jī)油分離器，這是一個(gè)設(shè)計(jì)為通過(guò)簡(jiǎn)易和精確分離的擋板分離器。根據(jù)工作狀態(tài)和產(chǎn)生的壓力比，氣體流入部分負(fù)荷或全負(fù)荷通道，然后直接流入增壓空氣分配器和渦輪增壓器中的相關(guān)進(jìn)口。M260還配有通風(fēng)功能，可在低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)使曲軸箱通風(fēng)。電動(dòng)轉(zhuǎn)換閥集成在部分負(fù)荷通氣管中，有多個(gè)節(jié)氣門(mén)等級(jí)，同時(shí)還可調(diào)節(jié)通風(fēng)量，即使在極端使用條件下，較大的橫截面、部分集成式氣體路徑以及接口的設(shè)計(jì)均可提供穩(wěn)定的機(jī)油分離，同時(shí)還可確保滿(mǎn)足國(guó)家制定的排放標(biāo)準(zhǔn)。

五、優(yōu)化冷卻性能的排氣門(mén)

在新的M260中，首次在高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中采用中空閥盤(pán)版本的排氣門(mén)(圖11)，中空閥盤(pán)的內(nèi)側(cè)輪廓通過(guò)極其復(fù)雜的步驟進(jìn)行了改良，無(wú)需關(guān)鍵性的焊接過(guò)程或其他復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程來(lái)形成空腔，這就是以環(huán)保方式生產(chǎn)該氣門(mén)的原因。導(dǎo)熱性能的進(jìn)一步改善意味著可使用鎳含量較低的廉價(jià)材質(zhì)，明顯降低高負(fù)荷閥頸的溫度，改善后的散熱性能大大降低了閥盤(pán)下側(cè)的溫度，從而也降低了燃燒室中的溫度，并在改善燃燒中心位置的同時(shí)減少爆震的可能性，且對(duì)燃油消耗產(chǎn)生有利影響。

圖11 中空閥盤(pán)

六、燃油供給系統(tǒng)

高壓泵為單活塞泵，在泵模塊中集成了一個(gè)流量控制閥，其功能相當(dāng)于節(jié)流閥，用于調(diào)節(jié)進(jìn)入高壓泵的燃油量；高壓泵將燃油壓縮至高達(dá)200bar左右，并輸送至油軌；噴油器使用多孔壓電式控制閥，位于燃燒室的中央位置，燃油經(jīng)高壓油軌進(jìn)入噴油器，由后者噴入燃燒室(圖12、圖13)。

圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)俯視圖

圖13 燃油回路

M260專(zhuān)為均勻燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在噴射過(guò)程中涉及的高水平動(dòng)態(tài)，用最小開(kāi)啟時(shí)間會(huì)產(chǎn)生高脈沖保持能力，對(duì)“NVH”特性產(chǎn)生影響。以下因素會(huì)改善噴射區(qū)域中的噪音特性:噴射脈沖次數(shù)、噴油器行程、開(kāi)啟梯度、噴射壓力。通過(guò)引入沖程減少20%的部分沖程和平穩(wěn)開(kāi)啟梯度，根據(jù)NVH要求，現(xiàn)在可從支持混合物形成的多點(diǎn)噴射至單點(diǎn)噴射之間做出轉(zhuǎn)換。處于低速范圍時(shí)，噴射壓力也會(huì)降低。在高壓泵的流量控制閥中，對(duì)移動(dòng)零部件進(jìn)行了定量減重。除此之外，在其對(duì)噴射閥底座產(chǎn)生影響前立即采用引導(dǎo)控制邏輯性延遲流量控制閥的浮子針閥。雙重措施可使來(lái)自脈沖閥底座區(qū)域的脈沖力減小。整個(gè)組件均磨光且通過(guò)所謂的柔軟穿孔盤(pán)提升了噴射器接觸面在缸蓋上的退耦，提高了減震性能，有助于減少脈沖轉(zhuǎn)為結(jié)構(gòu)聲音?？偠灾?，與前款發(fā)動(dòng)機(jī)相比，多孔盤(pán)的硬度降低了近一半。(未完待續(xù))