奔馳最新發(fā)動機(jī)M256技術(shù)亮點解析(上)

◆文/福建 林宇清

自2016年底梅賽德斯-奔馳宣布將重返直列式六缸發(fā)動機(jī)板塊, 隨后代號為M256發(fā)動機(jī)(圖1)橫空出世，代表了梅賽德斯-奔馳直列式發(fā)動機(jī)系列的開始，將取代目前主流的M276發(fā)動機(jī)。該款發(fā)動機(jī)從誕生起就注入了一系列的創(chuàng)新措施，例如采用了48V電氣化裝置、可變控制機(jī)油回路、智能加熱管理系統(tǒng)、汽油微粒濾清器以及取消了皮帶傳動等設(shè)計，這意味著盡管涉及到艱巨的性能目標(biāo)，但也實現(xiàn)了油耗水平的顯著降低，且與M276相比，二氧化碳排放減少20%左右，輸出功率增加15%以上。全新M256已分別搭載于S級、E級、CLS等車型上。

圖1 M256發(fā)動機(jī)

本文講解該款發(fā)動機(jī)的技術(shù)亮點，即各系統(tǒng)及其功能。為便于了解，按發(fā)動機(jī)的組成和工作原理，將其分為九個系統(tǒng)逐一介紹。

一、兩機(jī)構(gòu)系統(tǒng)

兩機(jī)構(gòu)系統(tǒng)主要包括了發(fā)動機(jī)的兩大機(jī)構(gòu)(曲軸連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu))和其他機(jī)械部件，如汽缸蓋、曲軸箱等。

1.汽缸蓋

M256的汽缸蓋由鋁制成，其與鋯石鑄成合金，能更有效地散熱量。每個汽缸四個氣門，由于采用了106.7kW/L的高升功率和緊湊型設(shè)計(汽缸高度為90mm、直徑為83mm)，造成了汽缸蓋的較高熱負(fù)荷，為此，裝配了特殊的排氣門可降低熱負(fù)荷。首先, 鈉冷卻式排氣門還用作空心平座閥(圖2)，其優(yōu)點在于顯著提高散熱水平；其次，較小的排氣門和具有較高導(dǎo)熱性、較小直徑(螺紋M10)的火花塞使缸蓋能夠獲得更好的冷卻, 從而減少爆震的傾向。

圖2 空心平座閥

2.凸輪軸機(jī)構(gòu)

進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)各安裝了一個凸輪軸調(diào)節(jié)器(圖3)，允許兩個凸輪軸向“提前” 或“延遲” 方向連續(xù)調(diào)節(jié)最多40°曲軸轉(zhuǎn)角，進(jìn)氣門在上止點(TDC)前4°至TDC后36°曲軸轉(zhuǎn)角的范圍內(nèi)打開；排氣門在TDC前25°至TDC后15°曲軸轉(zhuǎn)角的范圍內(nèi)關(guān)閉。這樣，氣門重疊角可在較寬的限制范圍內(nèi)變化，繼而獲得更經(jīng)濟(jì)的點火正時，并優(yōu)化發(fā)動機(jī)扭矩和改善排氣特性。

圖3 凸輪軸調(diào)節(jié)器

凸輪軸調(diào)節(jié)功能由發(fā)動機(jī)控制單元(ME)根據(jù)轉(zhuǎn)速和機(jī)油溫度啟用，機(jī)油溫度對凸輪軸調(diào)節(jié)所需的油壓(大于1.5bar，1bar=105Pa)有重要影響。ME通過PWM信號促動凸輪軸電磁閥，然后推動控制柱塞，這樣，來自凸輪軸油道內(nèi)的油壓就會進(jìn)入與凸輪軸相連的葉片型調(diào)節(jié)器，推動調(diào)節(jié)器旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)凸輪軸調(diào)節(jié)。凸輪軸位置由霍爾傳感器通過檢測凸輪軸前部的脈沖輪的位置來識別,并將信號傳送至ME分析，圖4所示為凸輪軸調(diào)節(jié)原理圖，圖5所示為調(diào)節(jié)器中的機(jī)油流向。

圖4 凸輪軸調(diào)節(jié)原理

圖5 調(diào)節(jié)器中的機(jī)油流向

3.可變氣門升程系統(tǒng)(CAMTRONIC)

M256裝配有梅賽德斯-奔馳進(jìn)氣側(cè)的可變氣門升程系統(tǒng)(CAMTRONIC)，即可變發(fā)動機(jī)正時, 可實現(xiàn)進(jìn)氣側(cè)的兩級行程轉(zhuǎn)換?？勺儦忾T升程系統(tǒng)和凸輪軸調(diào)節(jié)器的組合, 可大幅減小低負(fù)荷時增壓變化損失, 這通過阿特金森(Atkinson) 正時策略，適用于較大氣門升程和較小氣門升程。

進(jìn)氣凸輪軸上有6個機(jī)切凸輪件，如圖6所示，每個凸輪件控制一個汽缸的進(jìn)氣門；一個CAMTRONIC促動器同時促動2個凸輪件。對于每個氣門而言，凸輪件本身都是具有兩個曲面的雙凸輪結(jié)構(gòu)，如果較陡的凸輪部分啟用，則氣門升程增加且氣門打開較長時間；如果切換至凸輪較平坦的部分，則氣門升程縮短且氣門快速關(guān)閉。此外，凸輪的不對稱輪廓，還通過增加的增壓運動進(jìn)一步穩(wěn)定燃燒，由此產(chǎn)生的覆蓋在油氣混合物上的渦旋持續(xù)運動，確保發(fā)動機(jī)在盡可能低的負(fù)荷下運轉(zhuǎn)更加穩(wěn)定。

圖6 進(jìn)氣凸輪軸

發(fā)動機(jī)控制單元根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、載荷及溫度，通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號促動CAMTRONIC促動器，從而控制進(jìn)氣門的低升程和高升程之間的轉(zhuǎn)換。在部分負(fù)荷范圍內(nèi)，進(jìn)氣門通過低升程凸輪輪廓促動，因此不會完全打開且關(guān)閉較早，短暫的打開時間與開度較大的節(jié)氣門會消除部分負(fù)荷范圍內(nèi)對氣流的阻力,同時下部氣門升程減少摩擦力，從而有助于提高燃油經(jīng)濟(jì)性。如果發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速或負(fù)載增加，那么進(jìn)氣凸輪軸上的凸輪件切換至高升程凸輪輪廓，為此, 相應(yīng)促動器被觸發(fā)，氣門挺桿沿凸輪件上的曲線軌道移動，受凸輪軸轉(zhuǎn)動和曲線軌道設(shè)計的作用, 凸輪件沿軸向運動, 高升程凸輪輪廓作用于進(jìn)氣門。曲線軌道上的傾斜部分導(dǎo)致氣門挺桿返回啟動位置。為將凸輪軸復(fù)位到低升程， 第二個氣門挺桿移入鄰近曲線軌道并相應(yīng)地復(fù)位，氣門挺桿的位置由促動器中集成的霍爾傳感器監(jiān)測。

4.曲軸箱和曲軸總成

曲軸箱由壓鑄鋁制成，采用內(nèi)部開發(fā)的NANOSLIDE?技術(shù)進(jìn)行汽缸涂層，汽缸接觸面由梅賽德斯-奔馳專利雙絲電弧噴涂方法加工而成。該噴涂方法將一層鑄鐵噴涂到預(yù)加工的曲軸箱上，隨后的精密加工創(chuàng)造極光滑、摩擦優(yōu)化的缸套，大大降低摩擦損失，并因其薄度保證了冷卻液套的最佳熱傳遞，圖7所示為曲軸箱結(jié)構(gòu)圖。

圖7 曲軸箱結(jié)構(gòu)

曲軸和連桿由鍛鋼制成，其較高的標(biāo)準(zhǔn)輸出功率增加了活塞(圖8)頂部的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，為降低這些負(fù)荷以及活塞頂部的溫度, 活塞裝備了冷卻管，冷卻裝置集成在機(jī)油回路的熱量管理系統(tǒng)中?；钊敳繙囟鹊南陆? 有助于確保穩(wěn)定的燃燒和降低發(fā)動機(jī)內(nèi)部的排放水平。此外，活塞環(huán)也已受到優(yōu)化。

圖8 活塞

二、啟動系統(tǒng)

M256成功進(jìn)入了48V車載電氣系統(tǒng)，能量存儲裝置使用的是48V鋰離子蓄電池, 儲存電能約為1kWh。該蓄電池可非常緊湊地集成并與按需供應(yīng)的冷卻和加熱系統(tǒng)結(jié)合在一起。

集成式啟動機(jī)發(fā)電機(jī)A79內(nèi)部(圖9)是由一個帶永久勵磁的三相線圈、一個獲取角度位置的解析器和兩個溫度傳感器組成，作為一個整體，A79安裝在發(fā)動機(jī)和變速箱(9G-TRONIC)之間，通過螺栓與曲軸剛性連接，其任務(wù)是在驅(qū)動軸和48V電氣系統(tǒng)之間交換能量，它通過兩種不同的方式運轉(zhuǎn)：在發(fā)動機(jī)模式中, 通過提供的發(fā)動機(jī)扭矩可以啟動靜止的內(nèi)燃機(jī)以及對已轉(zhuǎn)動的驅(qū)動軸進(jìn)行加速；在發(fā)電機(jī)模式中, 可以產(chǎn)生電能(發(fā)電機(jī))并提供給48V車載電氣系統(tǒng)并為48V蓄電池(G1/3)充電。

啟動機(jī)-發(fā)電機(jī)控制單元即電力電子模塊，位于齒輪式啟動機(jī)(不再安裝使用)的安裝位置，在集成式啟動機(jī)發(fā)電機(jī)的三相交流系統(tǒng)和48V車載電氣系統(tǒng)的直流系統(tǒng)之間建立電氣連接。

圖9 發(fā)動機(jī)A79分解圖

三、潤滑系統(tǒng)

機(jī)油回路的重要開發(fā)目標(biāo)是凸輪軸的高調(diào)節(jié)性能，即向液壓凸輪軸調(diào)節(jié)器提供所需要的油壓, 以便在怠速時可按照所需速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，這主要是為了減少排放并實現(xiàn)更高的動態(tài)駕駛標(biāo)準(zhǔn)。對于六缸直列式發(fā)動機(jī)，在主要運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)產(chǎn)生的抑制性平均凸輪軸載荷力矩, 對油壓水平具有較高要求。為此，首次使用了所謂的“SplitOiling概念”(圖10)，這指的是機(jī)油回路使用一個可變的容積流量葉片式油泵，永久性地為凸輪軸調(diào)節(jié)器提供穩(wěn)定液壓控制的高壓，以及為剩余潤滑點提供ME內(nèi)部特性圖控制的低壓。為節(jié)省空間，低壓管理系統(tǒng)的硬件集成在機(jī)油濾清器模塊中，電磁閥(Y130)用于調(diào)節(jié)油壓，并促動引導(dǎo)式控制柱塞，后者打開高壓和低壓之間所需的橫截面積。M256不再有機(jī)油尺，機(jī)油液位通過油底殼中的機(jī)油傳感器監(jiān)測，然后顯示在儀表盤上。

四、點火系統(tǒng)

傳統(tǒng)工作模式會對點火線圈充電，且每次點火循環(huán)產(chǎn)生一次點火火花，即單火花點火。在每個點火循環(huán)內(nèi), 當(dāng)發(fā)動機(jī)在正常工作溫度運行時，點火線圈通常會被充電，并生成點火火花。如圖11所示為點火系統(tǒng)曲線，M256可以使用具有較高能量的點火線圈安全點燃混合氣，這也適用于冷啟動的情況, 從而實現(xiàn)較長的火花點火持續(xù)時間；也可以為每個點火過程使用多個火花, 而不僅是一個火花，該工作模式稱為多火花點火。與單火花點火相比, 多火花點火使用了更多的火花。這并不是一系列的數(shù)個單火花一個接一個地點火，而是點火線圈在期間反復(fù)充電以便為火花重復(fù)提供充足的能量。多火花點火的開始階段和單火花點火一樣，點火線圈從一開始就充電，直至達(dá)到所需的初級線圈電流，該電流在點火時刻中斷，由此產(chǎn)生火花。但是, 點火線圈未完全放電，次級線圈電流的大小取決于點火線圈充電量，并在點火線圈中進(jìn)行測量。如果次級線圈電流降至閾值以下，那么線圈電子裝置會再次提供充電電流，流過的初級電流大小也會受到監(jiān)測，當(dāng)達(dá)到電流閾值時，則初級電路斷開, 并再次切換至高電壓生成模式，產(chǎn)生另一次火花。如圖12所示為發(fā)動機(jī)點火順序，之后的火花產(chǎn)生原理相同。

圖10 SplitOiling概念

圖11 點火系統(tǒng)曲線

圖12 發(fā)動機(jī)點火順序

五、燃油供應(yīng)系統(tǒng)

M256的直接噴射系統(tǒng)與M276相同，由低壓回路和高壓回路組成，通過油軌進(jìn)行無回流式高壓供給。

1.低壓回路

燃油泵由燃油系統(tǒng)控制單元(N118)促動，然后從油箱中抽取燃油，產(chǎn)生大約4～6.7bar的燃油低壓，并通過燃油濾清器輸送至高壓泵。燃油濾清器上集成了溢流閥、止回閥和虹吸泵。溢流閥在約為7～9bar的油壓范圍內(nèi)打開，卸載的壓力用于驅(qū)動虹吸泵，以便將左半油箱中的燃油抽吸到右半油箱，確保油箱左右兩側(cè)的油量平衡；止回閥在燃油泵關(guān)閉時,防止燃油壓力下降(降至約4bar以下)。此外，燃油系統(tǒng)控制單元還通過CAN網(wǎng)絡(luò)讀取燃油壓力傳感器(B4/7) 的電壓信號，用于評估當(dāng)前的燃油壓力，并將其與標(biāo)準(zhǔn)的燃油壓力進(jìn)行比較，據(jù)此促動燃油泵，從而使實際壓力接近于標(biāo)準(zhǔn)壓力。為確定燃油需求，發(fā)動機(jī)控制單元(ME)對燃油壓力和負(fù)荷要求進(jìn)行評估。在燃油壓力約為4～6.7bar 時,根據(jù)需求將燃油輸送功率調(diào)節(jié)在0～130L/h區(qū)間內(nèi)。

2.高壓回路

高壓泵由凸輪軸驅(qū)動，將燃油壓縮至直接噴射所需的約200 bar的高壓, 并通過至6個噴油器(Y76/1～Y76/6)精細(xì)霧化后噴入燃燒室。高壓泵上有一個油量控制閥(Y94)，由ME通過脈沖寬度調(diào)制(PWM) 信號促動，可根據(jù)工況調(diào)節(jié)進(jìn)入高壓泵的燃油流量。燃油壓力和溫度傳感器集成在油軌上，檢測的當(dāng)前燃油高壓以及燃油溫度，傳感器的信號傳送給ME讀取，然后由ME。通過CAN網(wǎng)絡(luò)傳送至N118分析，用于調(diào)節(jié)油壓。高壓泵的最高工作壓力為200bar，只有當(dāng)車輛靜止且換擋桿處于位置“N” 或“P” 時, 壓力才會降至130bar, 以減少高壓泵的噪音。如果發(fā)動機(jī)在較熱時關(guān)閉, 高壓回路中的油壓可能會升高至約250bar， 一旦達(dá)到該閾值，高壓泵中的閥即會打開, 隨后壓力降低，在再次啟動發(fā)動機(jī)時, 壓力迅速降至200bar 的標(biāo)準(zhǔn)工作壓力，圖13所示為高壓油路結(jié)構(gòu)圖。

圖13 高壓油路結(jié)構(gòu)

3.低壓緊急運行

當(dāng)高壓泵有故障而無法建立高壓時，燃油系統(tǒng)低壓緊急運行模式啟用，油壓維持在4～6.7bar之間，油量控制閥打開，燃油通過控制閥進(jìn)入油軌，噴油嘴促動時間延長，發(fā)動機(jī)功率降低，車速最高被限定在70km/h。

六、渦輪增壓系統(tǒng)

為了獲得最好的響應(yīng)特性以及高發(fā)動機(jī)輸出功率，M256采用了最新開發(fā)的帶氣隙隔熱排氣歧管的“雙渦流技術(shù)” 渦輪增壓器,包括1～3缸和4～6缸的涌流分離裝置，該技術(shù)顯著減少了增壓變化損失, 并在廢氣流最低時提供了極好的渦輪增壓器響應(yīng)特性。另一個優(yōu)點在于較低的內(nèi)部泄漏率和歧管氣隙隔熱層的連接，這有助于大大降低排氣歧管的表面溫度,從而消除發(fā)動機(jī)“較熱一側(cè)”的熱形勢，尤其在高動態(tài)驅(qū)動或后加熱階段，圖14所示為增壓空氣路徑。

圖14 增壓空氣路徑

1.增壓壓力控制

廢氣流從排氣歧管沖到渦輪上，驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)動。壓縮機(jī)葉輪通過剛性軸連接到渦輪上，以相同的速度被帶動。因此，吸入的干凈空氣經(jīng)葉輪壓縮后進(jìn)入發(fā)動機(jī)。增壓壓力的大小通過控制閥(M16/7)和控制風(fēng)門進(jìn)行控制。在全負(fù)荷操作時, 產(chǎn)生最大2.2bar的增壓壓力。為減小增壓壓力, ME根據(jù)控制單元內(nèi)部特性圖和負(fù)荷控制方式激活控制閥, 然后控制閥通過連桿促動增壓壓力控制風(fēng)門，后者打開旁通回路(圖15)，使部分廢氣流通過旁路繞過渦輪進(jìn)入排氣管, 從而調(diào)節(jié)增壓壓力并限制渦輪轉(zhuǎn)速。通過這種方式，可根據(jù)發(fā)動機(jī)的當(dāng)前負(fù)荷需求調(diào)節(jié)增壓壓力。

圖15 旁通回路