奔馳M270增壓直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)(下)

◆文/浙江 范明強(qiáng)

奔馳M270增壓直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)(下)

◆文/浙江 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2016年第10期）

高轉(zhuǎn)速的半軸流式水泵以最小的結(jié)構(gòu)尺寸和明顯的輕量化為汽缸蓋提供了足夠的冷卻水量(圖4)。水泵連同水管、關(guān)閉旋轉(zhuǎn)滑閥及其真空?qǐng)?zhí)行器的總質(zhì)量能夠限制在1 200g。這種水泵的基本結(jié)構(gòu)是模塊化的，也可用于縱置式發(fā)動(dòng)機(jī)。為了使冷卻水能夠獲得最快速的加溫效果，水泵配備了一個(gè)球形轉(zhuǎn)閥，在冷啟動(dòng)時(shí)能夠行使冷卻水停止流動(dòng)的功能。通過這種轉(zhuǎn)閥的順序控制，就能夠較快速地加熱發(fā)動(dòng)機(jī)及其潤(rùn)滑機(jī)油，尤其是能夠明顯地縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的冷啟動(dòng)階段，這樣就能盡快地使得諸如啟動(dòng)-停車功能或稀薄運(yùn)行等節(jié)油措施發(fā)揮作用，大約能降低1%的CO2排放。在冷卻水不流動(dòng)時(shí)也能確保廢氣渦輪增壓器的冷卻，以防止冷卻液過熱和受到損害。構(gòu)是相同的，在其處于開啟狀態(tài)(散熱器工作)時(shí)只有最小的壓力損失。當(dāng)冷卻液流量為120L/min時(shí)，其壓力損失僅約70mbar，而相應(yīng)的三圓盤閥式節(jié)溫器的壓力損失卻在500mbar以上。此外，還采用了一個(gè)差壓閥，能夠在冷卻液小循環(huán)運(yùn)行時(shí)確保優(yōu)先滿足用戶舒適性(暖風(fēng)和空調(diào))的需求。

五、機(jī)油循環(huán)回路

發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑機(jī)油由可調(diào)葉片式機(jī)油泵供應(yīng)，機(jī)油體積流量和驅(qū)動(dòng)功率的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)主油道中的機(jī)油壓力來實(shí)現(xiàn)的，由機(jī)油泵中的電磁閥根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線中運(yùn)行工況點(diǎn)相應(yīng)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的需要降低額定機(jī)油壓力，以廣泛地減少驅(qū)動(dòng)功率。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻方案

六、燃燒過程

為降低壓力損失和摩擦功率，節(jié)溫器同樣也配備了一個(gè)球形轉(zhuǎn)閥，它與水泵上的球形轉(zhuǎn)閥結(jié)

近幾年，奔馳公司確定了技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新的發(fā)展方向，為所有區(qū)段的車型獲得最高的燃油耗效率提供了最佳的基礎(chǔ)，而又無損于舒適性并具有充足的驅(qū)動(dòng)功率。最初，以“BlueDirect”(奔馳的第三代汽油缸內(nèi)直噴技術(shù))命名的新一代V6和V8直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)將Mercedes-Benz燃燒過程推向市場(chǎng)，這種燃燒過程由第三代缸內(nèi)直接噴射、油束引導(dǎo)燃燒、多火花點(diǎn)火(MSI)以及集成式輔助設(shè)備和熱管理等技術(shù)所構(gòu)成(圖5)。

油束引導(dǎo)燃燒過程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是中央布置的噴油器，它是一種噴油嘴針閥向外打開的壓電控制噴油器。其特點(diǎn)是具有兩方面獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：一是噴油嘴能夠在高霧化穩(wěn)定性的同時(shí)具有非常良好的混合汽形成特性；二是因噴油嘴針閥直接控制，噴油系統(tǒng)在最小和最大可能的噴油量方面具有高的柔性，能夠?qū)崿F(xiàn)從少于1mg直到150mg非常寬廣的噴油量跨度。因此，在使用直到E100的所有普通汽油情況下，對(duì)于單缸排量差別很大的機(jī)型，無論是滿足增壓全負(fù)荷還是接近慣性行駛的特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)的最小噴油量需要全都沒有問題，因而噴油器可以作為通用件用于從5.5L 8缸機(jī)直到1.6L 4缸機(jī)的整個(gè)奔馳公司的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)型譜。其混合汽成分的穩(wěn)定性高，而且非常小的噴油量也能準(zhǔn)備得很好地噴入燃燒室，從而獲得合適的混合汽成分分布，使得燃燒過程具有很高的穩(wěn)定性，這是快速完全燃燒的基礎(chǔ)，減少了接近燃燒結(jié)束時(shí)的爆震傾向，廢氣排放也較少。

圖5 壓電噴油器中央布置的燃燒方法

七、冷啟動(dòng)和暖機(jī)

在發(fā)動(dòng)機(jī)方案開發(fā)時(shí)就特別重視降低燃油耗和有害物排放，其中特別關(guān)注冷啟動(dòng)和暖機(jī)性能。因此，為了滿足廢氣排放限值要求，排放測(cè)試循環(huán)的第一區(qū)段就十分重要，直到催化轉(zhuǎn)化器能夠發(fā)揮凈化作用之前，因燃燒效率惡化，廢氣質(zhì)量流量及其所必需的燃油質(zhì)量流量明顯增加，這在單次噴射的情況下會(huì)導(dǎo)致燃油潤(rùn)濕汽缸壁面和活塞頂面，并使得混合汽均質(zhì)化變差，而位于汽缸中央的噴油器和火花塞靠近其布置的燃燒過程提供了理想的前提條件，即使在這樣的運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)也能以必要的平穩(wěn)性運(yùn)轉(zhuǎn)。所應(yīng)用的壓電噴油器使得最小噴油量時(shí)能夠在點(diǎn)火前不久形成局部的濃混合汽，同時(shí)使火花塞周圍的充量渦流運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)，從而確?；旌掀杆俣€(wěn)定地著火燃燒。圖6作為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬結(jié)果示出了怠速運(yùn)轉(zhuǎn)工況點(diǎn)的實(shí)例，將點(diǎn)火時(shí)刻充量渦流運(yùn)動(dòng)和混合汽分布狀況與通常所應(yīng)用的多孔噴油器(MLV)進(jìn)行比較。由于應(yīng)用了壓電噴油器，火花塞附近只有1/5的噴油量，而該處的渦流強(qiáng)度卻要大3倍以上。鑒于歐VI廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的顆粒數(shù)限值，這對(duì)于混合汽的均質(zhì)化是十分重要的，而壓電噴油器在明顯縮小點(diǎn)火時(shí)刻小于化學(xué)計(jì)量比的混合汽區(qū)域方面同樣也顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)，通過多次噴射的良好匹配，顆粒排放能夠顯著降低。借助于壓電噴油器，從3次噴射開始相對(duì)顆粒數(shù)就能比多孔噴油器低60%以上，而針對(duì)顆粒排放優(yōu)化的5次噴射甚至要比多孔噴油器低90%以上。此外，顆粒排放的降低還取決于噴油量和噴油時(shí)刻的匹配以及減少每次噴射的油量，特別是著火的噴油量要少于1mg。由于具備非常好的最小噴油量能力，因此還有可能進(jìn)一步增加噴油次數(shù)，因而也就能再進(jìn)一步減少顆粒數(shù)。

圖6 催化轉(zhuǎn)化器加熱運(yùn)行(怠速運(yùn)轉(zhuǎn))時(shí)的混合汽形成和渦流分布

八、啟動(dòng)-停車功能

由于啟動(dòng)-停車功能具備高的節(jié)油潛力，因此在奔馳公司新開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)上啟動(dòng)-停車系統(tǒng)都是必備的組成部分。面對(duì)新歐洲行駛循環(huán)(NEFZ)所限定的顆粒數(shù)，除了啟動(dòng)馬達(dá)輔助的直接啟動(dòng)和壓電噴射具有眾所周知的優(yōu)點(diǎn)之外，還有另一個(gè)極其重要的方面。眾所周知，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)尚未完全暖機(jī)的情況下，啟動(dòng)階段對(duì)于排放測(cè)試循環(huán)總的顆粒排放的影響是非常關(guān)鍵的，因此啟動(dòng)-停車系統(tǒng)對(duì)于啟動(dòng)時(shí)的排放就顯得十分重要，而壓電噴射的高噴油精度、良好的燃油霧化和非常好的最小噴油量能力為其優(yōu)化應(yīng)用提供了較大的的潛力。于是，通過噴油量和噴油時(shí)刻的匹配，就能將啟動(dòng)-停車階段的顆粒排放幾乎降低到零(圖7)，因此新歐洲行駛循環(huán)(NEFZ)中再次啟動(dòng)的顆粒數(shù)排放比老機(jī)型降低了98%以上。在發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化的情況下，在新歐洲行駛循環(huán)(NEFZ)中總的啟動(dòng)階段對(duì)顆粒數(shù)排放的貢獻(xiàn)僅小于0.03%，這對(duì)于柴油機(jī)非常苛刻的顆粒數(shù)排放而言幾乎可以忽略不計(jì)。

這種增壓直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)因在1 250r/min時(shí)就已達(dá)到最大扭矩，能夠在寬廣的轉(zhuǎn)速應(yīng)用范圍內(nèi)提供大的牽引力(圖8)，因此有助于低燃油耗的行駛方式，同時(shí)還能獲得高的駕駛機(jī)動(dòng)性。

圖7 具有啟動(dòng)-停車功能的NEFZ行駛循環(huán)中的顆粒排放

圖8 穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)功率和扭矩特性曲線

在優(yōu)化換氣時(shí)，因爆震敏感性，盡可能減少殘余廢氣具有重要意義。借助于1D和3D模擬計(jì)算，對(duì)各種不同的措施進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)。盡可能減小排氣門升程，以減小汽缸之間的影響，從而獲得與此相關(guān)的殘余廢氣方面的優(yōu)化。在標(biāo)定功率時(shí)對(duì)燃油耗微不足道的損害，通過應(yīng)用最高溫度可達(dá)到1 050℃的廢氣渦輪增壓器并普遍減少混合汽的加濃已予以了充分的補(bǔ)償。直到200km/h車速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)才以化學(xué)計(jì)量比混合汽運(yùn)行。

通過優(yōu)化雙流道排氣歧管，使得兩股排氣流之間不會(huì)發(fā)生回流，能夠均勻地流入渦輪渦道，從而能夠保持脈沖增壓效果，同時(shí)在排氣流量大時(shí)每股排氣流都可使用到整個(gè)渦輪渦道。所有措施的目的是從部分負(fù)荷起就盡可能好地建立起發(fā)動(dòng)機(jī)增壓壓力。通過合適的排氣定時(shí)形成低壓排氣波，從而獲得大的掃氣空氣量。不斷地縮小廢氣渦輪增壓器壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)子的直徑，結(jié)果無論是與排量較大的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，還是與排量較大的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)相比，其加速性都得到了改善(圖9)。

九、行駛功率和燃油耗

表1列出了新型B級(jí)轎車的技術(shù)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)反映了直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)采取上述優(yōu)化措施的效果。與舊款車型相比，在行駛功率明顯提高的同時(shí)燃油耗降低13%，同時(shí)卓越的加速性能與非常好的低速扭矩相結(jié)合，不僅使車輛獲得了非常好的機(jī)動(dòng)性，而且能夠具有非常低的轉(zhuǎn)速水平，因此能夠再次明顯地降低用戶的實(shí)際使用燃油耗。

表1 新型B級(jí)轎車的行駛功率和燃油耗數(shù)據(jù)

圖9 動(dòng)態(tài)加速性能

（全文完）