奔馳轎車3.5L-V6汽油機(jī)解析(二)

◆文/江蘇 范明強(qiáng)

奔馳轎車3.5L-V6汽油機(jī)解析(二)

◆文/江蘇 范明強(qiáng)

范明強(qiáng)

(本刊專家委員會(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(wú)錫油泵油嘴研究所，曾任一汽無(wú)錫柴油機(jī)廠、第一汽車集團(tuán)公司無(wú)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。(接上期)

氣計(jì)算已證實(shí)，與進(jìn)氣道上述優(yōu)化相結(jié)合，長(zhǎng)度可兩級(jí)調(diào)節(jié)的進(jìn)氣管能獲得最佳的扭矩特性曲線形狀，特別是對(duì)動(dòng)態(tài)運(yùn)行范圍不會(huì)產(chǎn)生不利的影響。圖16示出了這種可調(diào)式進(jìn)氣管的兩種運(yùn)行狀況：①開關(guān)閥板關(guān)閉時(shí)，形成長(zhǎng)進(jìn)氣管，其中空氣振蕩特性有利于增大進(jìn)氣量，從而能獲得高的低轉(zhuǎn)速扭矩；②開關(guān)閥板打開時(shí)，形成短進(jìn)氣管，其簡(jiǎn)短的進(jìn)氣途徑能確保在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)達(dá)到高的比功率。

通過模擬計(jì)算、調(diào)整尺寸和不斷地改進(jìn)空氣系統(tǒng)中的細(xì)部結(jié)構(gòu)，使得充氣系數(shù)改善了大約12%。為了同時(shí)也能考慮到部分負(fù)荷的需求，采用進(jìn)氣滾流閥使進(jìn)入汽缸的充量形成滾流運(yùn)動(dòng)來(lái)改善燃燒品質(zhì)。如圖17所示，滾流閥板位于進(jìn)氣管到汽缸蓋進(jìn)氣道的過渡部位附近，從圖中可以真實(shí)地看到滾流閥板是怎樣定位的。隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的提高，當(dāng)無(wú)需進(jìn)氣滾流時(shí)，它可全部打開并下沉到進(jìn)氣道壁面中而不會(huì)干擾進(jìn)氣空氣的流動(dòng)，以減少進(jìn)氣流通阻力。而在部分負(fù)荷時(shí)要使用滾流閥產(chǎn)生明顯的充量滾流運(yùn)動(dòng)，這種滾流流動(dòng)在壓縮行程過程中將逐步蛻變成紊流(圖18)。圖19示出了在某個(gè)部分負(fù)荷工況點(diǎn)滾流閥對(duì)汽缸中充量滾流數(shù)及其所導(dǎo)致的紊流變化曲線的影響，其中在對(duì)燃燒穩(wěn)定性有重要影響的范圍內(nèi)大約700°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)紊流值幾乎增大了一倍。對(duì)燃燒所產(chǎn)生的有利影響示于圖20，在圖示的運(yùn)行工況點(diǎn)燃燒持效期最多可縮短30°曲軸轉(zhuǎn)角，這反映在進(jìn)一步提高了殘余廢氣適應(yīng)性和較小的循環(huán)波動(dòng)，并最終反映在所力求的節(jié)油效果上(圖21)。

5.發(fā)動(dòng)機(jī)管理和燃油噴射

發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)是與系統(tǒng)供應(yīng)商博世公司共同合作開發(fā)的。在以扭矩為基礎(chǔ)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)的M9.7電控系統(tǒng)中綜合了當(dāng)今所應(yīng)用的軟件結(jié)構(gòu)(圖22)，以滿足控制和監(jiān)測(cè)燃燒和廢氣品質(zhì)的要求。不言而喻，集成了所有應(yīng)用的診斷功能，這是廢氣排放法規(guī)所要求的，也是全球市場(chǎng)維修和保養(yǎng)所必需的。

用于防盜鎖和為連結(jié)變速器操縱的控制與監(jiān)測(cè)功能的安全編碼則是標(biāo)準(zhǔn)的。如圖23所示，發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元被固定在發(fā)動(dòng)機(jī)上，并被集成在發(fā)動(dòng)機(jī)罩中，而發(fā)動(dòng)機(jī)罩則是根據(jù)進(jìn)氣管和汽缸蓋罩外形來(lái)設(shè)計(jì)的。在這種情況下，電控單元的連接電路的設(shè)計(jì)已注意到路程盡量短，以盡可能減少干擾影響(電磁兼容性)。點(diǎn)火級(jí)集成在由德爾福公司供應(yīng)的點(diǎn)火線圈中，它被直接布置在火花塞上方。

在當(dāng)今對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)要求越來(lái)越高的嚴(yán)峻形勢(shì)下，人們致力于盡可能提高汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，并降低其廢氣排放，其中對(duì)燃油噴射過程的控制和調(diào)節(jié)是最重要的課題之一。除了提高燃油噴束的品質(zhì)之外，還必須大大提高其安裝的自由度，以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管的設(shè)計(jì)，這對(duì)于V型發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)而言尤為重要。

例如在這種M272-V6汽油機(jī)上，從發(fā)動(dòng)機(jī)橫剖視圖上可看到，由于在V型夾角內(nèi)布置了長(zhǎng)度可兩級(jí)調(diào)節(jié)的進(jìn)氣管，在進(jìn)氣管與汽缸蓋之間的間隙中噴油器的安裝空間受到很大的限制，而噴射油束又必須與汽缸蓋中的進(jìn)氣道形狀和進(jìn)氣門位置很好地匹配，因此無(wú)論是噴油器的本體的長(zhǎng)度還是噴束的方位和錐角都要求有很大的選擇自由度。

為此，這種M272-V6汽油機(jī)選用了西門子VDO公司開發(fā)的新一代Deka-7型汽油噴油器，它針對(duì)未來(lái)歐Ⅴ和特超低排放汽車(SULEV)廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)一步優(yōu)化噴束品質(zhì)的同時(shí)，還為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)者提供了更大的選擇自由度，從2003年9月起在意大利(2004年7月起在美國(guó)開始)生產(chǎn)。它是在已廣泛應(yīng)用的前一代Deka-4型汽油噴油器的基礎(chǔ)上采用新結(jié)構(gòu)并改進(jìn)了材料，不僅明顯地提高了燃油噴束品質(zhì)，質(zhì)量也足足減輕了35%，而且更重要的特點(diǎn)是其所具有的選擇自由度。在燃油噴束品質(zhì)特性相同情況下，有3種噴油器本體長(zhǎng)度變型：60.4mm(長(zhǎng)型)，48.4mm(標(biāo)準(zhǔn)型)和34.5mm(短型)(圖24)；而噴油嘴針閥體的長(zhǎng)度也有3種變型：標(biāo)準(zhǔn)型，加長(zhǎng)10mm和加長(zhǎng)15mm，它們彼此之間能夠相互自由組合，這就給發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)商提供了很大的自由度，有助于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，即使在燃油分配管與進(jìn)氣管之間的安裝空間非常小的情況下也能滿足噴束起點(diǎn)進(jìn)一步向進(jìn)氣道內(nèi)移動(dòng)的要求，噴油器這樣的位置布置有助于減少燃油潤(rùn)濕壁面，特別是能在冷起動(dòng)階段減少燃油的聚集，具備減少在這種臨界運(yùn)轉(zhuǎn)階段HC排放的潛力。

M272-V6汽油機(jī)選用了長(zhǎng)型噴油器本體與特長(zhǎng)型噴油嘴針閥體組合的Deka-7型汽油噴油器，它采用通用的12Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻的新型線圈體，通過優(yōu)化磁回路成功地增大了磁通量，而且由于實(shí)現(xiàn)了高效的磁回路循環(huán)而減輕了質(zhì)量。鑒于未來(lái)的汽車電路，新一代噴油器與合適的電控單元相組合也能用于42V電壓運(yùn)行。

新一代Deka-7型汽油噴油器是為所有的汽油機(jī)燃油和含甲醇燃料而設(shè)計(jì)的，并以典型的0.3～0.5MPa壓力工作。噴油器內(nèi)所有與燃油接觸的噴射閥零件都用不銹鋼制成，其所形成的噴束(圖25)可在3種形狀中選擇：①單錐形噴束(錐角10°～30°)；②雙錐形噴束(噴束夾角15°～30°)；③偏轉(zhuǎn)的單或雙錐形噴束(偏轉(zhuǎn)角5°～25°)。

M272-V6汽油機(jī)選用了偏轉(zhuǎn)的單錐形噴束，其偏轉(zhuǎn)角度和噴束錐角按發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求而定。這種噴油器從1.2ms極短的噴油脈寬開始就能達(dá)到線性噴油量特性的要求，其動(dòng)態(tài)流量范圍(動(dòng)態(tài)最小與最大線性噴油之比)能完全滿足發(fā)動(dòng)機(jī)最低穩(wěn)定怠速和高功率的要求。

6.廢氣系統(tǒng)

為了獲得高效的廢氣后處理系統(tǒng)，除了可應(yīng)用的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)部件之外，還必須適應(yīng)所搭載車型的邊界條件。在新款SLK轎車情況下，就所要求的運(yùn)動(dòng)型轎車噪聲設(shè)計(jì)而言，通常的前消聲器被安置在差不多汽車中心位置的地板下，而且整個(gè)裝置被設(shè)計(jì)成帶有交叉點(diǎn)的雙管路和相應(yīng)設(shè)計(jì)的后消聲器，此外還能滿足未來(lái)歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)限值的要求，并且整個(gè)系統(tǒng)具有達(dá)到特超低排放汽車(SULEV)排放要求的能力。

(1)廢氣系統(tǒng)的總體方案

為滿足上述要求確定了如圖26所示的整個(gè)廢氣系統(tǒng)。所選擇的廢氣管道直徑及其雙管路之間交叉部位的位置，均按照有利于針對(duì)扭矩要求的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)原則來(lái)確定的。

廢氣后處理系統(tǒng)的總體方案是按照系統(tǒng)將附加引入二次空氣工作而需要較大的流通能力設(shè)計(jì)的，并通過優(yōu)化引入部位，將適當(dāng)?shù)亩慰諝赓|(zhì)量引入排氣道，以滿足廢氣后處理的需要。(未完待續(xù))