奔馳轎車3.5L-V6汽油機(jī)解析(三)

◆文/江蘇 范明強(qiáng)

(接上期)

(2)催化轉(zhuǎn)化器和傳感器

耐高溫的雙芯催化轉(zhuǎn)化器靠近發(fā)動(dòng)機(jī)直接緊固在雙層鋼板焊接中空排氣歧管上，并裝有線性調(diào)節(jié)氧傳感器和診斷/控制用氧傳感器，是廢氣后處理系統(tǒng)中的核心部件，其剖視圖示于圖27。排列在流動(dòng)方向上的第1個(gè)陶瓷載體是長(zhǎng)度為50mm的600目(每平方吋蜂窩孔數(shù))蜂窩陶瓷芯子；第2個(gè)芯子同樣也是600目而長(zhǎng)度為70mm，整個(gè)催化轉(zhuǎn)化器的體積為2.64L。

與其他的設(shè)計(jì)方案相比，設(shè)置在兩個(gè)芯子之間間隙中的診斷和控制用氧傳感器明顯提高了空燃比動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)。為了使對(duì)降低燃油消耗具有重要意義的全負(fù)荷加濃減少到最低程度，兩個(gè)陶瓷載體芯子都涂有最新一代耐高溫(高達(dá)1000℃)的含有三種金屬成分的表面涂層。除此之外，這種廢氣裝置方案還為能滿足進(jìn)一步加嚴(yán)的廢氣排放限值(歐Ⅴ/SULEV)提供了足夠的潛力。

不言而喻，這種體積相對(duì)較大的廢氣裝置的廢氣流入和流通能力已通過3D模擬計(jì)算針對(duì)其中的壓力和溫度分布進(jìn)行了優(yōu)化，以便能確保其長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，這已被各種耐久運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)所證實(shí)。

7.技術(shù)數(shù)據(jù)

M272 E35 V6汽油機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)列于表1。圖28示出了M272 E35 V6汽油機(jī)的功率和扭矩特性曲線中，其平均有效壓力特性曲線與競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型相比處于目前FEV公司統(tǒng)計(jì)的分布帶的最上端(圖29)。因此，搭載這種自然吸氣汽油機(jī)的SLK轎車以當(dāng)時(shí)絕對(duì)頂級(jí)的行駛功率達(dá)到了運(yùn)動(dòng)型轎車的水平，其0～100km/h的加速性僅5.5s，達(dá)到了頂級(jí)機(jī)動(dòng)性的要求。

M272 E35 V6汽油機(jī)典型的燃油耗特性曲線場(chǎng)示于圖30。特性曲線場(chǎng)最低燃油消耗值得比較示于圖31。M272 E35 V6汽油機(jī)搭載于新款SLK轎車，在歐Ⅳ廢氣排放認(rèn)證中所測(cè)定的燃油耗值列于表2，此時(shí)其發(fā)動(dòng)機(jī)/變速器的組合示于表3。

表1 M272 E35 V6汽油機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù)

表2 M272 E35 V6汽油機(jī)搭載新款SLK轎車的燃油消耗值

表3 新款SLK轎車的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器變型

二、M272 DE 35 V6缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)

新型M272 DE35 V6缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)(圖32)搭載于CLS 350 CGI轎車，在2006年春季日內(nèi)瓦國(guó)際汽車博覽會(huì)上首次亮相。該機(jī)型是2004年推出的新一代M272 KE35 V6進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)首次技術(shù)升級(jí)版的代表機(jī)型，也是世界上首款采用壓電噴油器的油束引導(dǎo)分層燃燒缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)，它在更大的部分負(fù)荷范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了充量分層燃燒，并以非常低的燃油消耗而著稱，同時(shí)其另部件與進(jìn)氣道噴射機(jī)型有很高的通用性，能在同一條流水線上生產(chǎn)。

就熱力學(xué)原理而言，與所有其他的技術(shù)措施相比(圖33)，燃油缸內(nèi)直接噴射充量分層燃燒的直噴式汽油機(jī)顯示出單一措施最大的節(jié)油潛力，而與壁面引導(dǎo)或空氣引導(dǎo)燃燒過程相比，油束引導(dǎo)燃燒過程的節(jié)油潛力最大，因此這種新機(jī)型能在提高行駛功率的同時(shí)降低燃油消耗。其主要的特點(diǎn)在于壓力高達(dá)20MPa的噴油系統(tǒng)，主要包括供油量可調(diào)節(jié)的高壓燃油泵和壓電直接控制的噴油器。為了充分利用這種新型的油束引導(dǎo)分層燃燒過程降低燃油消耗的潛力，該發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)采用充量分層(λ＞1)運(yùn)行，并借助于靠近發(fā)動(dòng)機(jī)布置的三元催化器和布置在地板下的存儲(chǔ)式NOx催化器來(lái)實(shí)現(xiàn)廢氣凈化。為了在空氣過量情況下調(diào)節(jié)廢氣后處理系統(tǒng)，在存儲(chǔ)式NOx催化器前采用了溫度傳感器，而在存儲(chǔ)式NOx催化器后采用了NOx傳感器。不言而喻，應(yīng)用這種系統(tǒng)完全能夠滿足當(dāng)前所有的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。

1.基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)

新的M272 E35 V6缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)的基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)，采用M272 E35 V6進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)的基礎(chǔ)部件作為模塊化技術(shù)改進(jìn)的基礎(chǔ)，例如曲柄連桿機(jī)構(gòu)、曲軸箱和熱管理系統(tǒng)等在這兩種機(jī)型上是相同的，而進(jìn)氣系統(tǒng)則按照提高的標(biāo)定轉(zhuǎn)速來(lái)匹配，但是在缸內(nèi)直噴式機(jī)型上，由于采用油束引導(dǎo)的燃燒過程及其相應(yīng)的良好燃油霧化品質(zhì)以及進(jìn)氣道的優(yōu)化，不再使用滾流閥。同樣，在這兩種機(jī)型的電控系統(tǒng)中采用了相同的控制軟件結(jié)構(gòu)，并為了滿足燃油系統(tǒng)中高壓部件的控制、修改點(diǎn)火以及用于充量分層運(yùn)轉(zhuǎn)和廢氣后處理功能等方面的要求進(jìn)行了擴(kuò)展。

(1)汽缸蓋

以下介紹M272 DE35 V6直噴式汽油機(jī)汽缸蓋方案與M272 KE35 V6進(jìn)氣道噴射機(jī)型的主要區(qū)別。采用進(jìn)氣道噴射機(jī)型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)示于圖34(左)：①金屬模鑄造的鋁合金汽缸蓋；②四氣門；③火花塞中央布置；④氣門夾角28.5°；⑤兩根組合式凸輪軸，裝有凸輪相位調(diào)節(jié)器、滾輪式搖臂和固定式液壓挺柱；⑥凸輪軸上軸承蓋與鋁合金汽缸蓋罩壓鑄成整體式結(jié)構(gòu)；⑦壓縮比=10.7。

缸內(nèi)直噴式機(jī)型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)示于圖34(右)，與進(jìn)氣道噴射機(jī)型相比，有以下區(qū)別：①壓電噴油器中央布置；②火花塞向排氣門方向偏移；③壓縮比=12.2；④外部雙路廢氣再循環(huán)；⑤20 MPa高壓燃油系統(tǒng)，采用油量可調(diào)節(jié)的高壓燃油泵。

汽缸蓋中的橫流式冷卻系統(tǒng)有利于降低排氣側(cè)的火花塞和中央布置的噴油器周邊的溫度。由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段提前考慮了這種技術(shù)擴(kuò)展的可能性，因此確保了這兩種機(jī)型能夠在同一條自動(dòng)裝配流水線上生產(chǎn)，可以根據(jù)市場(chǎng)的需求隨時(shí)調(diào)整這兩種機(jī)型的生產(chǎn)批量。

(2)燃油系統(tǒng)

應(yīng)用新開發(fā)的A型噴嘴壓電噴油器對(duì)燃油系統(tǒng)的有一些新的要求，為滿足這些要求必須對(duì)燃油系統(tǒng)進(jìn)行一些新的開發(fā)工作。三柱塞的徑向柱塞高壓燃油泵已應(yīng)用于直列式M271 DE直噴式汽油機(jī)上，V6機(jī)型繼續(xù)沿用了這種型式的高壓燃油泵，而其供油量則按3.5L-V6汽油機(jī)較高的冷起動(dòng)要求進(jìn)行匹配，同樣也沿用了在直列式4缸機(jī)上已應(yīng)用過的起動(dòng)時(shí)在壓縮行程噴油的方式。燃油系統(tǒng)的構(gòu)成示于圖35。

燃油由發(fā)動(dòng)機(jī)附近的汽車燃油箱供應(yīng)，并在那里直接與從燃油冷卻器回流的已被冷卻的燃油混合。高壓燃油泵由右排汽缸的進(jìn)氣凸輪軸驅(qū)動(dòng)，可將燃油壓力最高提高到20MPa，并輸送到高壓系統(tǒng)中的燃油分配器，其平均供油量差不多是平均噴油量的兩倍，因而即使在噴油時(shí)共軌壓力仍然能保持，在向所有汽缸噴油時(shí)幾乎是相同的。

在燃油分配器旁邊裝有一個(gè)燃油壓力調(diào)節(jié)器，用于在高壓燃油泵泵油量恒定不變的情況下調(diào)節(jié)共軌中的燃油壓力。一旦高壓燃油泵轉(zhuǎn)換到泵油量調(diào)節(jié)方式供油時(shí)，燃油壓力調(diào)節(jié)器就關(guān)閉，僅僅起到一個(gè)安全閥的作用。高壓燃油泵的油量調(diào)節(jié)閥將過剩的燃油旁通到低壓側(cè)，并從那里輸往燃油冷卻器。

噴油器中的壓電執(zhí)行器要求限制這種無(wú)回油系統(tǒng)中允許的最高燃油溫度。為了在所有運(yùn)轉(zhuǎn)條件下使燃油溫度都不超過允許的溫度范圍，必須要有一個(gè)燃油冷卻器，將多余的燃油引入其中進(jìn)行冷卻。為了能兼容可預(yù)料到的市場(chǎng)上的燃油品質(zhì)，所有與燃油接觸的零件都用不銹鋼或黃銅制成。燃油共軌是機(jī)加工的模鍛件，高壓燃油泵的殼體采用同樣的方法制造。

除了燃燒過程和燃油系統(tǒng)的開發(fā)之外，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲-振動(dòng)-剛性特性的優(yōu)化也是一項(xiàng)重要的開發(fā)任務(wù)，其中大部分又涉及到噴油器及其在汽缸蓋上的安裝條件。與電磁閥控制噴油器相比，壓電控制噴油器的主要優(yōu)點(diǎn)在于其迅速的開閉時(shí)間。但是，噴油器的迅速開啟和關(guān)閉對(duì)汽缸蓋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的沖擊，其加速度最大可達(dá)到1000g。為此，除了在噴油器中及其周邊范圍內(nèi)采取各種措施之外，對(duì)燃油共軌和汽缸蓋之間的固定夾緊條件也進(jìn)行了優(yōu)化，盡可能減少其機(jī)械噪聲傳入發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中去。除此之外，所采用的O型圈解決方案能使共軌-噴油器組件獲得特別有利的封裝。

如圖36所示，壓電噴油器基本上由3個(gè)主要部件組成：噴油嘴部件、壓電模塊和補(bǔ)償元件。向外開啟的噴油嘴位于噴油嘴部件內(nèi)，它噴出的錐形油束的錐角為85°，針閥行程約為35μm。(未完待續(xù))