奔馳轎車3.5L-V6汽油機解析（六）

◆文/江蘇 范明強

奔馳轎車3.5L-V6汽油機解析（六）

◆文/江蘇 范明強

范明強

（本刊編委會委員）

教授級高級工程師，參加過陜西汽車制造總廠的籌建工作，主管柴油機的產(chǎn)品開發(fā)，1984年調(diào)往機械工業(yè)部無錫油泵油嘴研究所，曾任一汽無錫柴油機廠、第一汽車集團公司無錫研究所高級技術(shù)顧問、湖南奔騰動力科技有限公司總工程師。

（接2015年第7期）

6.快速多火花點火

優(yōu)化直噴式汽油機點火系統(tǒng)的任務(wù)是確保即使在點火時刻的臨界條件下也能穩(wěn)定著火，即擴大應(yīng)用窗口的范圍，使得運用的發(fā)動機運行工況能夠進一步降低燃油消耗和廢氣排放。因此，作為批量生產(chǎn)發(fā)動機能應(yīng)用的技術(shù)措施，一種新型的點火系統(tǒng)為進一步提高燃燒效率提供了一種附加的選擇。這種點火系統(tǒng)能夠靈活地為所產(chǎn)生的火花提供電能：首先點火變壓器所儲存的能量被限制在為第一次火花擊穿所需的量級上，而在火花擊穿以后的點火燃燒階段則是由點火線圈在短暫的持續(xù)時間內(nèi)補充提供的能量來支持的。這種分成兩個階段的點火能量供給調(diào)節(jié)方式被稱為快速多火花點火（MSI）。由于后續(xù)火花數(shù)量的增多，即總能量的增大，形成了一個具有較大空間伸展和密度的等離子通道。這種多火花點火是對傳統(tǒng)點火部件（點火線圈-護套管-火花塞）的優(yōu)化。

由于采用了多火花點火，再次明顯擴大了燃燒過程原本就已非常大的穩(wěn)定燃燒窗口，而后續(xù)火花的快速形成能使實際應(yīng)用的工況移向熱力學更為有利的運行工況，從而使得不僅比燃油消耗而且NOX和HC原始排放進一步降低。圖51示出了與傳統(tǒng)點火系統(tǒng)（TSZ）相比多火花（MSI）在轉(zhuǎn)速n=1 800r/min和平均有效壓力pmi=0.55MPa負荷工況點性能改善潛力的實例。由于燃燒移向熱力學更為有利的運行工況點，在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)運行時，在NOX和HC排放分別降低約5%和50%的同時，燃油消耗降低了約4%。

7.新的運行模式

為了擴展稀薄混合汽分層運行的特性曲線場范圍，已開發(fā)出新型的“均質(zhì)分層（HOS）”運行模式。至今既有采用壓縮行程兩次或三次噴油的“分級”分層混合汽運行模式，也有眾所周知的進氣行程噴油的均質(zhì)混合汽運行模式。分層運行和均質(zhì)運行模式的平均有效壓力相差大約0.5～0.6MPa。如圖52所示，這種新型的均質(zhì)分層（HOS）運行模式是在進氣行程第一次噴油形成稀薄均質(zhì)混合汽的基礎(chǔ)上，在壓縮行程點火前再根據(jù)特性曲線場運行工況的不同進行單次或兩次噴油在火花塞附近形成易于著火的分層混合汽，它是介于上述兩種運行模式之間過渡區(qū)域的一種新運行模式，替代了分層運行范圍上部的運行區(qū)域和位于其上方的均質(zhì)運行范圍的一部分運行區(qū)域。

另一種新的運行模式被稱為“均質(zhì)分叉”（HSP=Homogen Split）運行模式，它基本上是一種均質(zhì)化學計量比混合汽燃燒，95%以上的燃油量是在進氣行程中單次或多次噴入汽缸的，并有非常少量的“點火”噴油以穩(wěn)定燃燒，因此圖52中的特性曲線場可再細分為4個運行范圍：①接近怠速的運行范圍：均質(zhì)運行；②從0.4MPa和3 800r/min起的低部分負荷：分層運行；③4 000r/min以下0.4～0.8MPa的中等部分負荷：均質(zhì)分層（HOS）運行；④整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的高負荷區(qū)：均質(zhì)或均質(zhì)分叉（HSP）運行。

圖53所示出的2 000r/min轉(zhuǎn)速下的負荷范圍運行情況表明，均質(zhì)分層（HOS）運行模式在0.4MPa以上的平均有效壓力范圍內(nèi)能獲得比純粹分層運行模式更為有利的燃油消耗值，而直到0.7MPa多一點的平均有效壓力范圍內(nèi)能獲得比均質(zhì)運行模式更為有利的燃油消耗值。

圖53 2000r/min轉(zhuǎn)速下因均質(zhì)分層運行所增加的節(jié)油效果

均質(zhì)分層（HOS）運行模式，正如其名稱所表明的那樣，是由均質(zhì)稀薄混合汽和分級分層混合汽燃燒組合而成的。此時，在發(fā)動機無節(jié)流的情況下，首先在進氣行程中進行第一次噴油，形成均質(zhì)的基礎(chǔ)混合汽，而原本形成混合汽分層的噴油則是在壓縮行程點火之前根據(jù)特性曲線場運行工況的不同用單次或兩次噴射來實現(xiàn)的。

圖54左圖示出了低部分負荷工況分層運行時混合汽分布狀況的計算流體動力學（CFD）模擬的結(jié)果，可以清晰地看到由壓縮行程中優(yōu)化的多次噴射所形成的混合汽的高分層程度，并且在火花塞附近形成了有利的點火條件。圖54右圖示出了均質(zhì)分層（HOS）模式運行時的混合汽狀況。由于在點火前有兩次油量極小的噴射，因此燃燒室中的稀薄基礎(chǔ)混合汽能可靠地著火，并穩(wěn)定地燃燒。

無論是分層運行還是均質(zhì)分層（HOS）運行時都用廢氣再循環(huán)來降低NOx排放。圖55示出了再循環(huán)廢氣引入進氣管中的情況。借助于一個折流擋板使得再循環(huán)廢氣與新鮮空氣迅速而均勻地混合，由此得到的再循環(huán)廢氣在各個汽缸中良好的均勻分布是應(yīng)用高EGR率獲得低NOx排放值的前提條件。

另外，為沒有無硫燃料供應(yīng)的市場專門推出了一種無稀薄運行模式的機型，它是以分層混合汽燃燒發(fā)動機為基礎(chǔ)并采用化學計量比均質(zhì)混合汽運行的，因而取消了EGR和存儲式NOx催化器。

8.廢氣凈化

M272汽油機的廢氣凈化方案經(jīng)進一步開發(fā)后用于M276汽油機，它們搭載于奔馳C和E級以及CLS轎車上已滿足歐Ⅴ廢氣排放標準的要求。M276汽油機從一開始就是針對歐Ⅴ廢氣排放標準進行開發(fā)的，其每排汽缸的廢氣凈化裝置包括一個近發(fā)動機三元轉(zhuǎn)化器和一個安裝在汽車地板下的存儲式NOx催化轉(zhuǎn)化器（圖56），前者確保在發(fā)動機啟動后不久就能很好地凈化有害物質(zhì)，而后者在發(fā)動機稀薄混合汽運行階段存儲NOx排放物。

在發(fā)動機稀薄運行期間，由于具有突出的燃燒效率，并且燃燒室中有非常多的過剩空氣，因而廢氣溫度非常低，在緩慢行駛的情況下排氣歧管-催化器前的廢氣溫度低于200℃，因此應(yīng)根據(jù)需要采取相應(yīng)的加熱措施，以便確保催化器始終具有良好的催化轉(zhuǎn)化能力。

近發(fā)動機三元催化器是集成在發(fā)動機排氣歧管上的，使得為加熱催化器所必需調(diào)晚的點火正時角可比老機型明顯減小，并與均質(zhì)分叉（HSP）運行模式（根據(jù)運行工況的不同，每工作循環(huán)噴油最多可達4次）相結(jié)合，能使催化器加熱階段期間獲得極好的運行穩(wěn)定性，同時催化器采取加熱措施的持續(xù)時間大大縮短，再加上調(diào)晚的點火正時角較小，可使得加熱催化器所必需額外多消耗的燃油量減少一半。

9.發(fā)動機試驗結(jié)果

圖57在FEV分布帶中示出的比燃油消耗值表明，這種新機型在2 000r/min轉(zhuǎn)速和0.2MPa平均有效壓力的部分負荷工況時的比燃油消耗值為290g/kWh，而特性曲線場中的最低比燃油消耗值為220g/kWh，成為轎車汽油機燃油消耗值的新標桿。這種新型的直噴式汽油機在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有370Nm扭矩，6 500r/min時達到225kW最大功率，并且最高轉(zhuǎn)速可達到7 000r/min（圖58），因而使整車具有令人信服的行駛動力性。目前奔馳S級轎車由于裝用了這種新型的3.5L-V6直噴式汽油機，并采取了其他一些改進措施，在改善行駛動力性的同時其新歐洲行駛循環(huán)（NEFZ）的燃油消耗值降低了24%（圖59），為這種等級的轎車樹立了新標桿。

（全文完）