Mercedes-Benz新型OM654發(fā)動(dòng)機(jī)系列

【德】　T.Eder　M.Kemmner　P.Lückert　H.Sass

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產(chǎn)品介紹

Mercedes-Benz新型OM654發(fā)動(dòng)機(jī)系列

【德】T.EderM.KemmnerP.LückertH.Sass

OM654機(jī)型是Daimler公司推出的全新開創(chuàng)性發(fā)動(dòng)機(jī)系列。介紹其技術(shù)理念和新發(fā)動(dòng)機(jī)系列中首款機(jī)型的創(chuàng)新，OM654機(jī)型是未來(lái)柴油機(jī)的代表。

柴油機(jī)階梯式燃燒室排氣后處理系統(tǒng)燃油耗

1　發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

在新柴油機(jī)系列的設(shè)計(jì)理念中，除了提高功率、減輕質(zhì)量和降低摩擦之外，開發(fā)需求主要集中在面向未來(lái)的低排放理念和降低燃油耗。為此，需要開發(fā)全新的燃燒系統(tǒng)、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和排氣后處理系統(tǒng)。

2　發(fā)動(dòng)機(jī)系列的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念

新Mercedes-Benz動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是，將動(dòng)力總成統(tǒng)一布置在當(dāng)前和未來(lái)車系的汽車內(nèi)，并近發(fā)動(dòng)機(jī)布置排氣系統(tǒng)[1]。

基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸徑、行程和氣缸間距等主要尺寸決定了發(fā)動(dòng)機(jī)安裝長(zhǎng)度、高度，以及發(fā)動(dòng)機(jī)整體的緊湊設(shè)計(jì)。

考慮下列因素將缸徑和行程分別設(shè)定為82.0mm和92.3mm： (1) 單缸排量接近500cm3；(2) 鋁制曲軸箱承受的最高壓力可達(dá)20.5MPa；(3) 考慮到燃燒和摩擦的最佳曲柄連桿比。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)前端的正時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在很大程度上決定了安裝高度，所以沿用原4缸柴油機(jī)的傳動(dòng)側(cè)布置方式[2]。為了將發(fā)動(dòng)機(jī)放置在汽車下部，在曲軸的左右兩側(cè)安裝蘭徹斯特平衡軸。此外，為了在安裝時(shí)不受車輛限制，新機(jī)型的機(jī)油泵與原機(jī)型保持一致，安裝在曲軸旁邊。

發(fā)動(dòng)機(jī)的垂直安裝和曲柄連桿機(jī)構(gòu)偏置，使汽車右側(cè)有足夠的排氣系統(tǒng)安裝空間。由于排氣系統(tǒng)和渦輪增壓器放置在發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)，因而換氣部件(空氣濾清器、進(jìn)氣分配器和水-空中冷器)、高壓泵、空調(diào)壓氣機(jī)和發(fā)電機(jī)安裝在左側(cè)。

在汽車系列中統(tǒng)一布置發(fā)動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)部件高度通用化和汽車接口統(tǒng)一設(shè)計(jì)(如真空、水、燃油或空氣)的重要步驟，因而變速箱凸緣在汽車中的位置不變。

因此，采用Mercedes-Benz動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(圖1)，并且在汽車系列中統(tǒng)一布置發(fā)動(dòng)機(jī)和與變速箱凸緣相關(guān)的零部件；并確保系列的高度通用化和近發(fā)動(dòng)機(jī)布置排氣系統(tǒng)。同時(shí)，大幅減少排氣系統(tǒng)變化和受影響的部件，并統(tǒng)一汽車媒體接口。

圖1　Mercedes-Benz動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

3　OM654型發(fā)動(dòng)機(jī)

下文介紹新發(fā)動(dòng)機(jī)系列的首款機(jī)型OM654的設(shè)計(jì)。

3.1技術(shù)與創(chuàng)新

根據(jù)開發(fā)目標(biāo)進(jìn)一步提升OM654機(jī)型的性能、摩擦和噪聲-振動(dòng)-平順性(NVH)性能。為滿足燃油耗和排放要求，需要進(jìn)行熱力學(xué)和排氣后處理方面的創(chuàng)新(圖2)。

3.2基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)

Mercedes-Benz基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了大量新部件和新方法。

3.2.1采用蘭徹斯特平衡軸的曲柄連桿機(jī)構(gòu)

基于90mm的氣缸間距將空心曲軸設(shè)計(jì)為主軸承直徑為55mm、寬為20mm的鋼鍛造部件。相應(yīng)的連桿軸承尺寸直徑為52mm，寬度為19mm。

圖2　OM654的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

由滾動(dòng)軸承支承的位于底部的2個(gè)平衡軸來(lái)平衡二階慣性力。單平衡軸由過(guò)盈安裝在曲軸第8曲柄臂上的主動(dòng)輪和預(yù)緊安裝在各個(gè)平衡軸軸端的斜齒輪嚙合驅(qū)動(dòng)。

3.2.2采用雙絲電弧噴涂技術(shù)和軸承架的全鋁曲軸箱

采用優(yōu)化的“Nanoslide”涂層的全鋁曲軸箱是種全新設(shè)計(jì)。曲軸箱采用深裙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)油底殼進(jìn)行加固和密封?！癗anoslide”優(yōu)化工藝的關(guān)鍵點(diǎn)是，氣缸壁處理工藝由原來(lái)的高壓水噴射轉(zhuǎn)換為機(jī)械粗加工。

3.2.3采用階梯式燃燒室的鋼活塞

6缸柴油機(jī)首次搭配使用“Nanoslide”涂層與鋼活塞，這為新發(fā)動(dòng)機(jī)系列的所有柴油機(jī)機(jī)型奠定了基礎(chǔ)。鍛焊式鋼活塞采用42CrMo4合金鋼。OM654的帶階梯式燃燒室的鋼活塞首次被應(yīng)用于乘用車領(lǐng)域(圖3)。

圖3　　　　比較鋁活塞(ω燃燒室)與鋼活塞　　　(階梯式燃燒室)

3.3“冷端”

為實(shí)現(xiàn)高升功率，對(duì)進(jìn)氣至渦輪增壓器壓氣機(jī)的所有空氣管路的壓力損失進(jìn)行優(yōu)化，使空氣流量盡可能增大。發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置也集成在空氣濾清器中(圖4)。

圖4　發(fā)動(dòng)機(jī)“熱端”和“冷端”示意圖

另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)理念是，優(yōu)化從廢氣渦輪增壓器的壓氣機(jī)至氣缸蓋的增壓空氣管路設(shè)計(jì)，最大程度地提高進(jìn)氣密度。集成的水-空中冷器發(fā)揮重要作用，它將額定功率時(shí)的壓縮空氣溫度降至50℃。

4　熱力學(xué)

OM654機(jī)型將采用階梯式燃燒室的燃燒系統(tǒng)首次應(yīng)用于乘用車柴油機(jī)，下文將介紹其零部件及使用方法。

4.1燃燒室

燃燒室的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使活塞凹坑在總壓縮容積中的比重(即k因子)最大化，也就是使燃油噴束無(wú)法到達(dá)的盲區(qū)最小化，從而實(shí)現(xiàn)最大的空氣利用率和較小的炭煙值。

在概念階段已決定采用新的燃燒系統(tǒng)，這是首次將帶階梯式燃燒室的活塞用于乘用車。由于活塞與氣缸蓋之間的擠流區(qū)域非常狹窄，因而采用相對(duì)較小的避閥坑來(lái)防止活塞與氣門碰撞。氣門向燃燒室(活塞)方向偏移可以減小氣缸蓋附近的盲區(qū)，由此導(dǎo)致相應(yīng)的凹坑容積增大4%左右。在單缸機(jī)及仿真中已驗(yàn)證，較深的活塞避閥坑對(duì)燃燒室進(jìn)氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的消極影響(渦流減少)可忽略不計(jì)。在這種情況下采用鋼活塞也是有利的，鋼活塞的頂岸高度明顯比鋁活塞更低，使得盲區(qū)大幅減少。

通過(guò)采取這些措施，盡管氣門總體傾角達(dá)到了10.5°，凹坑容積占用仍有77%，僅比氣門垂直布置時(shí)(理論上可達(dá)79%)略低一點(diǎn)，但避免了氣門垂直布置時(shí)產(chǎn)生的進(jìn)排氣影響和其他結(jié)構(gòu)限制的缺點(diǎn)。

4.2燃燒系統(tǒng)

OM654機(jī)型的燃燒系統(tǒng)為全新開發(fā)，是Daimler公司首次在乘用車領(lǐng)域采用帶階梯式燃燒室的燃燒系統(tǒng)，其主要特征是活塞凹坑采用階梯式設(shè)計(jì)。新燃燒系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是空氣利用率極高且顆粒排放較低。燃燒速度比ω燃燒室更快，因而效率更高。同時(shí)，凹坑形狀產(chǎn)生的氣體保護(hù)層減少了機(jī)油積炭和氣缸壁燃油浸濕現(xiàn)象。

由于改善了燃燒室的流動(dòng)情況，所以氣缸壁熱損失降低，氣缸蓋溫度分布更均勻，氣門座孔之間部位的高應(yīng)力得到緩解。總體來(lái)說(shuō)，降低氣缸壁熱損失，有利于提高效率。

4.3燃油噴射技術(shù)

噴油器采用已通過(guò)檢驗(yàn)的帶8孔噴嘴的壓電噴油器CRI3，并進(jìn)一步改進(jìn)熱力學(xué)、流量和噴孔幾何結(jié)構(gòu)，使其適用于新的燃燒系統(tǒng)，系統(tǒng)最高壓力達(dá)205MPa。高壓泵采用Bosch公司的CP4單柱塞泵。

4.4增壓

發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)的排氣系統(tǒng)與集成的霍尼韋爾單級(jí)廢氣渦輪增壓器GTD1449組成協(xié)作單元，以確保壓力損失和熱量損失最小化。通過(guò)與發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣系統(tǒng)的主要高溫氣體部件絕緣，溫度敏感部件的較高熱負(fù)荷降至安全水平。采用水冷式軸承殼防止增壓器油炭化。

與現(xiàn)今常用的功率級(jí)和排量級(jí)的渦輪增壓器相比，低于1800r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可獲得近70%更好的增壓壓力梯度。結(jié)合低壓EGR，可以達(dá)到二級(jí)增壓原機(jī)型在瞬態(tài)特性方面的高要求。

4.5多路EGR

新一代柴油機(jī)的1個(gè)重要研發(fā)目標(biāo)是降低顆粒物排放。為此，除了可靠的燃燒系統(tǒng)，還需要1個(gè)高效的多路EGR系統(tǒng)。多路EGR系統(tǒng)由兩條EGR路徑組成(圖5)。這種組合方式能在非常寬廣的特性圖區(qū)域?qū)崿F(xiàn)效率優(yōu)化并滿足未來(lái)的顆粒物排放要求。

圖5　EGR系統(tǒng)圖及特性圖中的總EGR率

主動(dòng)冷卻的高壓EGR與“熱端”的排氣歧管相連接并接入“冷端”的增壓空氣供給管路，按照最短路徑連接方式布置在發(fā)動(dòng)機(jī)前端(圖4)。同樣冷卻的低壓EGR布置在發(fā)動(dòng)機(jī)后端。

高壓EGR路徑采用傳統(tǒng)布置方式，從排氣歧管中提取廢氣，通過(guò)EGR控制閥經(jīng)旁通或經(jīng)冷卻器進(jìn)入進(jìn)氣管。

低壓EGR路徑從SCR系統(tǒng)后的管路提取清潔廢氣，同樣通過(guò)控制閥和冷卻器輸送清潔廢氣，在壓氣機(jī)上游與新鮮空氣混合。為了提供必要的壓力梯度，在排氣系統(tǒng)中集成無(wú)級(jí)可調(diào)排氣閥。

這兩種EGR路徑的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是，制造可以確保快速瞬態(tài)響應(yīng)的體積最小化的較短部件和可以確保最佳換氣的優(yōu)化壓力損失的部件。例如，在多路EGR運(yùn)行時(shí)，無(wú)需采用節(jié)流閥調(diào)節(jié)高壓EGR。

進(jìn)氣道建模和控制策略允許高壓EGR和低壓EGR在發(fā)動(dòng)機(jī)性能脈譜圖區(qū)域內(nèi)進(jìn)行完全可變混合運(yùn)行，因此也為穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的燃油耗設(shè)置用于瞬態(tài)區(qū)域打下了基礎(chǔ)。

圖5所示的EGR率反映出燃燒系統(tǒng)的潛力，顯示出顆粒物排放水平降低(尾管排放大幅減少)。

4.6全負(fù)荷性能

盡管EGR作用于全負(fù)荷工況點(diǎn)，但未對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能產(chǎn)生太大的影響，新EGR發(fā)動(dòng)機(jī)仍以143kW的功率刷新了2L單級(jí)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的記錄(圖6)。

圖6　OM654機(jī)型全負(fù)荷曲線

5　排氣系統(tǒng)/排氣后處理系統(tǒng)(“熱端”)

排氣后處理部件是新發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，是采用高度通用化的低排放概念的基本模塊。為滿足未來(lái)排放法規(guī)(WLTP和RDE)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸、結(jié)構(gòu)及功能布置進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)?！盁岫恕庇?系列的單個(gè)模塊組成，這些模塊構(gòu)成1個(gè)單獨(dú)的模塊化系統(tǒng)(圖7)。

圖7　OM654的“熱端”和AdBlue噴射排放系統(tǒng)

通過(guò)隔離措施(溫度、噪聲)和改善的催化劑涂層，在冷起動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)不再需要發(fā)動(dòng)機(jī)溫度管理。除了排放方面的優(yōu)勢(shì)，還可以減少CO2排放量，尤其是路程較短時(shí)減排更為明顯。

在DPF中集成SCR功能可有效降低NOx，即使排氣溫度較低，仍有利于低負(fù)荷范圍的排放性能。

SCR催化轉(zhuǎn)化器位于sDPF之后，使高負(fù)荷范圍的性能最佳。不同于原機(jī)型，這種“熱端”有非常大的載體作用截面，降低了約40%的排氣背壓。

6　AdBlue制備與NH3均勻分布

研發(fā)重點(diǎn)是提高AdBlue制備效率并降低背壓。由于安裝空間受限，要確保在非常小的空間里實(shí)現(xiàn)無(wú)沉淀物的AdBlue還原劑制備，并且除了蒸發(fā)、熱解和水解，還在相對(duì)較大的催化轉(zhuǎn)化器截面下實(shí)現(xiàn)均勻分布。為了確保在寬廣的特性圖區(qū)域中有較高的NOx轉(zhuǎn)化率，要求無(wú)逸氨催化轉(zhuǎn)化器(ASC)的系統(tǒng)的NH3均勻分布指數(shù)大于98%，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠控制與監(jiān)測(cè)。

為了滿足上述功能要求，針對(duì)安裝空間限制研發(fā)出創(chuàng)新的AdBlue蒸發(fā)與混合概念，并獲得專利(圖7)。

利用這種概念布置了多個(gè)在流動(dòng)方向上的蒸發(fā)器板，蒸發(fā)器板在空間上交錯(cuò)布置，每個(gè)蒸發(fā)器板都會(huì)接收到部分噴射錐，從而實(shí)現(xiàn)還原劑初始均勻化。蒸發(fā)器板的排列、AdBlue噴射器的精確布置，以及噴射錐的定位都是完全匹配的。蒸發(fā)器板沿排氣流線布置，從而使蒸發(fā)裝置的壓力損失比傳統(tǒng)裝置減少30%以上。

在蒸發(fā)裝置下游，排氣流入1個(gè)橢圓形通道，并形成對(duì)稱的雙渦流。由于產(chǎn)生渦流，所以還原劑保留時(shí)間增加，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)有效混合。通過(guò)這種方式，即使在劑量較多的情況下也能避免產(chǎn)生沉淀物，同時(shí)在較大的sDPF橫截面下實(shí)現(xiàn)較高的NH3均勻分布指數(shù)(0.97～0.99)。

7　排放值

OM654機(jī)型采用高效EGR系統(tǒng)、新燃燒系統(tǒng)、增強(qiáng)的EGR兼容性和近發(fā)動(dòng)機(jī)布置的排氣系統(tǒng)，使SCR系統(tǒng)的運(yùn)行范圍大幅擴(kuò)展，并進(jìn)一步顯著提升高負(fù)荷范圍內(nèi)的實(shí)際功率，可在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)極低的排放。RDE工況下的NOx與原車型相比大幅減少(圖7)。

8　噪聲情況

除了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)、變速箱總成連接、齒輪傳動(dòng)及空氣導(dǎo)管采取大量設(shè)計(jì)方面的優(yōu)化措施，還采用了塑料發(fā)動(dòng)機(jī)支架，這些措施可實(shí)現(xiàn)新的最優(yōu)值。

9　發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量

盡管有技術(shù)指標(biāo)要求，OM 654機(jī)型仍采取各項(xiàng)措施達(dá)到減輕質(zhì)量的既定目標(biāo)(圖8)。相比功率為125kW的OM651原機(jī)型，新機(jī)型不僅將功率提高到143kW，質(zhì)量還減輕了35.4kg。

圖8　原機(jī)型與新機(jī)型降低質(zhì)量和摩擦的部分示意圖

10　摩擦損失

通過(guò)部件與系統(tǒng)評(píng)估以及計(jì)算推論，對(duì)開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失和功率損失進(jìn)行早期評(píng)估?？傮w而言，與原機(jī)型OM651相比，OM654基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦有明顯改善(圖8(c))。與相應(yīng)的批量生產(chǎn)4缸柴油機(jī)的摩擦平均有效壓力FEV分布圖進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)比較(圖8(b))，可看出措施的實(shí)施很成功。

在相應(yīng)的摩擦扭矩特性圖中，OM654機(jī)型顯示出明顯的與負(fù)荷的相關(guān)性。特別是摩擦損失的大幅降低時(shí)，為了滿足客戶和未來(lái)適用的WLTP測(cè)試循環(huán)(比NEDC要求的負(fù)荷更高)對(duì)更高負(fù)荷的需求。大幅降低的摩擦損失使新發(fā)動(dòng)機(jī)比OM651機(jī)型節(jié)省燃油約6%。

11　整車效果

通過(guò)采用新燃燒系統(tǒng)、更小的廢氣渦輪增壓器設(shè)計(jì)、摩擦措施，以及大幅降低整個(gè)換氣的節(jié)流損失，為靈活的發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)特性創(chuàng)造了必要的設(shè)計(jì)條件。由于進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)節(jié)變扭器和變速箱，并使發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量減輕17%，所以搭載OM654機(jī)型的車型在起步時(shí)有明顯的扭矩優(yōu)勢(shì)(圖9)。

同樣，OM654機(jī)型傳動(dòng)系統(tǒng)是具有最佳行駛性能的高效傳動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)0～100km/h的加速時(shí)間進(jìn)行評(píng)估，搭載新機(jī)型的車型行駛性能比搭載相應(yīng)原機(jī)型的車型改進(jìn)了10%以上，加速時(shí)間相當(dāng)于縮短了將近1s。

圖9　　　　E220d與其他車型的起步與加速度的比較

12　燃油耗

如圖10所示，從油耗值表現(xiàn)可看出所采用技術(shù)的效果。采用可靠的帶階梯式燃燒室的燃燒系統(tǒng)、高效的EGR、降低摩擦與質(zhì)量的措施，以及近發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣后處理，可使排放值大幅降低，并產(chǎn)生新的最佳油耗值，CO2排放量為102g/km。

13　結(jié)語(yǔ)

新型OM654 2.0L 4缸發(fā)動(dòng)機(jī)是新發(fā)動(dòng)機(jī)系列

圖10　E220d(OM654，143kW)的油耗值

的首位成員，隨著它的推出，Daimler公司在柴油機(jī)領(lǐng)域樹立了燃油耗、行駛性能、舒適性和排放的新標(biāo)準(zhǔn)。

新型發(fā)動(dòng)機(jī)首次應(yīng)用將搭載在新E級(jí)車型，隨后將用于更多車系。基于新發(fā)動(dòng)機(jī)系列的其他功率級(jí)和排量級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)正在研發(fā)中。

[1] Eder T, et al. Launch of the new engine family at Mercedes-Benz[C]. 24. Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motoren-technik, 2015.

[2] Lückert P, et al. The new Mercedes-Benz 4-cylinder diesel engine OM 654-the innovative base engine of the new diesel generation[C]. 24. Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik, 2015.

2016-05-09)