Mercedes-AMG公司新型4缸2.0L直噴汽油機

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Mercedes-AMG公司新型4缸2.0L直噴汽油機

【德】J.GindeleT.RamsteinerJ.FischerB.Tschamon

摘要：為了進入緊湊型轎車領域，Mercedes-AMG公司在Mercedes-Benz-BlueDirect系列4缸直噴汽油機模塊化組件基礎上，開發了新型4缸2.0L直噴汽油機。為了達到133kW的高升功率，必須在基礎發動機、空氣管路、增壓系統及排氣裝置等方面進行改進。

關鍵詞：直噴汽油機BlueDirect緊湊型轎車

1高功率和低燃油耗

Mercedes-AMG公司在Mercedes-Benz-A級轎車基礎上，首次推出一種Mercedes-AMG-A45緊湊型轎車，目的是在該車型領域開發出功率高、燃油耗低的動力裝置，同時為了使該機型能在全球范圍內使用，必須滿足包括歐6在內的所有廢氣排放法規。為了達到開發目標，選擇4缸2.0L增壓機型為動力總成基礎，并與BlueDirect基礎部件相結合。[1]

這款內部型號為“M133”的A45直噴汽油機是在量產M270前端橫置式機型的基礎上開發而成的，是Mercedes-Benz公司4缸BlueDirect直噴汽油機系列中功率最大的機型[2]。為了達到133kW的升功率，按照爆發壓力15MPa重新設計曲柄連桿機構，同時增壓裝置和廢氣裝置都按量產要求進行改進。另外，預估所產生的熱量，有效控制熱負荷，盡可能保持與基礎發動機的連接不變，使主要的外形尺寸、相鄰部件的接口及汽車專用部件保持不變。圖1示出了發動機的主要特性曲線，表1列出了發動機的基本技術規格。

2氣缸體曲軸箱

對選擇鑄造工藝具有決定性作用的因素有質量、熱傳導性和材料的延伸率及高溫強度。采用EN-AC-AlSi7Mg鋁合金材料，并選擇金屬模翻箱鑄造工藝[3]，使澆注材料能夠順利地充滿型腔，并能控制其凝固過程。在軸承座范圍內，經過T7.3兩級熱處理，能夠將抗拉伸強度提高到300N/mm2以上。

由于采用了上述鑄造工藝，在結構設計上具有較大的自由度，如氣缸體曲軸箱可采用封閉式頂面，可消除在頂部密封支承面強度和氣缸工作表面形狀穩定性方面的受限因素，特別是可以采取中心支架珩磨工藝，以穩定氣缸工作表面形狀，同時通過型芯造型來設計氣缸蓋螺栓與主軸承蓋螺栓之間的力傳遞途徑。

GJS700球墨鑄鐵主軸承蓋與M10主軸承螺栓共同確保了主軸承的連結剛性。借助有限元法(FEM)的薄弱環節分析，識別必須修改的范圍，并不斷優化。這種設計還被應用于熱量分配，使冷卻水套水平分成2部分： 上部水套中的冷卻水垂直流動，并有針對性地分配曲軸箱至氣缸蓋的冷卻水流量，促進流動；下部水套中的冷卻水則縱向流動。

3曲柄連桿機構

曲柄連桿機構要承受高達15MPa爆發壓力，因此采用5道主軸承支承,軸頸工作表面采用感應淬硬的44MnSiVS6合金鋼模鍛曲軸和桿身橫截面積為170mm2的連桿，同時應用質量優化的賽車用鍛造鋁合金活塞，以及直徑為22mm的16MnCr5合金鋼活塞銷。

為了與電弧金屬線材噴涂氣缸套工作表面(毫微米級滑動表面)相結合，獲得最佳的摩擦功率、燃油耗和機油耗，開發了物理汽相沉積(PVD)涂層活塞環組。通過應用帶整體式離心力配重的雙質量飛輪，消除因取消質量平衡機構和使用雙作用離合器變速器所產生的低轉速時發動機二階慣性激勵。

4氣缸蓋

提高的負荷對氣缸蓋結構設計提出2項挑戰: (1)不應限制為達到開發目標所需的機械負荷和熱負荷；(2)應繼續優化基礎零部件量產和裝配工藝的成本。通過摻入鋯石(AlSi10MgZr)改變合金材料的成分，使導熱率改善8%。通過廣泛的模擬計算，優化氣缸蓋冷卻水套的設計，不僅能減少熱量的吸入，還能提高熱傳導能力(圖3)。

5冷卻系統設計

高負荷發動機冷卻系統的設計極為重要，因為與基本機型相比，其每缸吸收的能量明顯增多。通過廣泛的模擬計算，獲得有效的冷卻系統，確保在整個特性曲線場范圍內，以及所有的氣候條件下，都能保持冷卻水溫度低于110℃。

由于發動機升功率較高，半軸流式冷卻水泵的泵水量須提高15%，因此必須重新設計冷卻水泵的工作葉輪和導向輪。通過優化進水管接頭，能改善穴蝕傾向，而水泵殼和節溫器仍可繼續沿用。

發動機與增壓空氣冷卻器的冷卻水循環回路完全分開，從而獲得極高的增壓空氣冷卻效果，使增壓空氣溫度最多比環境空氣溫度高25K。同時，變速器機油熱交換器被集成在發動機側的高溫冷卻回路中，安裝在變速器側的冷卻水泵用于發動機停機后渦輪增壓器的后續冷卻。通過這種復雜的交錯連接方式，使冷卻系統高效工作，并可取消發動機側的后續冷卻。

6機油循環回路

采用電子-機械調節的兩級葉片式機油泵供應機油，按M133機型的要求進行改進，根據特性曲線場要求，將機油壓力調節為0.2MPa和0.4MPa，降低了機油泵的驅動功率。機油壓力水平低于活塞機油冷卻噴嘴的開啟壓力，能減小機油泵流量，從而降低機油泵的功率消耗。用于機油冷卻的機油-水熱交換器被集成在機油濾清器模塊中。

AMG公司的所有發動機產品都注重發動機橫置和縱置的車輛動態運行，因此，針對M133機型，重新設計了包括帶整體式吸油管的塑料機油集濾器在內的整個油底殼下半部分。

7空氣管路

與M270基本機型相比，M133發動機的空氣管路已經過改進(圖4)。增壓空氣由分開式低溫冷卻循環回路進行間接冷卻。開發過程中，為了盡可能消除空氣管路中的節流，在廢氣渦輪增壓器進口前設置一個非對稱的前置容積，使特性曲線場中的壓氣機運行極限向上移動。從原始空氣進口至氣缸蓋進氣道的整段空氣管路被設計得非常短，不超過1200mm，且壓力損失較小。從壓氣機到進氣門的空氣容積小于6L，而節氣門至進氣門的空氣容積只有1.3L，提高了突發加速響應性能。

8增壓系統

對于廢氣渦輪增壓器而言，除了要使發動機達到目標功率外，還要確保其低轉速扭矩性能，因此采用雙流道廢氣渦輪增壓器，雙流道渦殼將排氣流按缸分開，使加速響應特性得到優化(圖5)。同時，還須根據渦輪的最低壓力(p3)，以及對盡可能最小的渦輪和壓氣機尺寸進行調整。

確定廢氣渦輪尺寸時，最重要的是要將發動機最高廢氣背壓限制在0.32MPa。這關系到殘余廢氣和總體效率，可在保持渦輪其余尺寸不變，以及非穩態運行時具有相同增壓能力的情況下，通過擴大增壓器中間軸頸橫截面積5%，使壓力降低0.02MPa。

9排氣歧管和廢氣裝置

排氣歧管為無中空絕熱層的單壁排氣管道，能最大程度地利用排氣門開啟時的氣體脈沖。為了得到最佳換氣效果，使各缸排氣流始終按缸分開，并且，排氣管道長度都為280mm，管道直徑為42mm。排氣總管經精密鑄造而成，滿足熱應力、質量、流入廢氣渦輪增壓器及與廢氣引導管道連接等方面的高要求。排氣歧管結合面上的圓柱形凸肩(如第1缸和第4缸處的定位套筒)質量輕且具有較好剛性。為了適應既定的結構空間并滿足批量生產要求，采用楔形螺栓緊固替代傳統的凸肩螺栓緊固。

排氣歧管的隔熱護罩為厚度0.5mm的帶襯里不銹鋼薄板結構件，以避免熱輻射。同時，還能為行駛和停車時風扇的后續運轉提供盡可能大的熱交換表面。

為了有效隔離廢氣渦輪增壓器的高溫，其上方隔熱罩是有一定通風空間的三層薄板件。為禁止熱氣流從排氣歧管流經點火線圈，排氣歧管隔熱罩和點火線圈隔熱罩為整體結構組件(圖6)。

10燃燒

Mercedes-Benz燃燒過程由第3代汽油缸內直噴、油束導向燃燒方法、多火花點火及輔助設備集成管理和整機熱管理系統組成。這種燃燒過程被命名為“BlueDirect”，近幾年已在Mercedes-Benz汽油機產品中逐步推廣應用[4,5]。噴油器和火花塞的位置、進氣道幾何形狀及屋脊形燃燒室都與M270基本機型的相同(圖7)。

M133機型所采用的向外開啟壓電式噴油器與Mercedes-Benz直噴汽油機的相同。Mercedes-Benz和Mercedes-AMG公司的1.6～5.5L 4缸、6缸及8缸直噴汽油機都使用結構相同的噴油器。這種噴油器噴油量跨度大(1～150mg)，還具備良好的混合氣準備性能和高噴霧穩定性，對于發動機功率具有決定性意義。噴油系統的柔性化提供了極大的自由度，能夠根據運行工況點的需求獲得最佳的混合氣準備、廢氣排放水平，并達到全負荷功率，噴油次數、噴油量分配及噴油定時都符合各負荷/轉速工況點的具體需求(圖8)。在發動機熱機運行時，每個工作循環最多噴油3次，其中，第2次噴射是為了在壓縮行程期間獲得良好的混合氣準備，此外，還可以通過局部提高火花塞附近的充量擾動來改善著火性能。

在發動機暖機運行期間，為了避免因燃油潤濕而產生顆粒排放，采用多次短暫噴射運行模式，此時每個工作循環多達5次噴射。為了降低顆粒排放須對噴油量和噴油時刻進行適當匹配，并將子噴射油量(特別是著火噴油量)減少到1mg以下。

這種燃燒過程的優點是對降低發動機燃油耗有利。為了達到必需的平均有效壓力，必須將壓縮比調整到8.6。在實際行駛中，用戶能在較大的特性曲線場范圍內獲得低于240g/(kW·h)的有效比燃油耗，而在動態行駛時，燃油耗也能保持在非常低的水平，特性曲線場中的最低燃油耗為234g/(kW·h)。同時，通過優化部分負荷，也能達到非常好的燃油耗水平，在轉速2000r/min和平均有效壓力0.2MPa的工況點，有效比燃油耗為368g/(kW·h)。

新直噴汽油機的最大平均有效壓力超過2.8MPa，不僅為同等級車輛樹立了新標桿，其最大扭矩達到450N·m(2250～5000r/min)，額定功率為265kW(6000r/min)，相當于升功率達到133kW、升扭矩達到226N·m，與同類競爭機型相比，處于FEV分布帶上端(圖9)。

為了使新機型滿足未來廢氣排放法規的要求，可通過有針對性的使用性匹配來達到北美市場ULEV70超低排放車標準。由于歐洲市場的準入標準已達到歐6第2階段廢氣排放限值，所以該機型也適用于歐洲市場。從2017年起生效的廢氣排放基線是低顆粒數排放限值，新機型的中央布置壓電式噴油器和20MPa噴油壓力燃燒過程有助于達到這一要求，技術重點在于噴射時刻和噴油量分配的燃油噴射管理，在暖機運行期間避免燃油潤濕燃燒室壁面，從而達到較低的顆粒排放水平。

11行駛動力性能

在M133機型中，借助空氣管路優化和雙流道渦輪增壓器及軟件措施，解決了高升功率與靈活機動性之間的目標沖突。渦輪增壓器的部分負荷加速響應性能具有重要意義，通過凸輪相位調節獲得較大的掃氣量，40°CA較大調節范圍的進排氣凸輪軸組合是最合適的，能使增壓器獲得更快的加速響應，通過掃氣和不同軟件的優化，進一步改善發動機的加速響應性能。通過采取各項優化措施，從恒速行駛(60km/h時的部分負荷)開始負荷躍變值到達發動機最大扭矩450N·m所需的時間可縮短25%，使汽車具有良好的動態加速度值，明顯改善了靈活機動性。

12聲學性能

為了使駕駛者感受到優良的動力性能，AMG公司開發了一種能發出動感聲響的運動型廢氣裝置。這種已用于SLK55 AMG轎車的裝置具有大橫截面的排氣管和自動控制廢氣閥，解決了優異動力性能與高舒適性之間的目標沖突。自動控制廢氣閥可按駕駛者期望的功率，由發動機電控單元根據所選行駛程序的負荷狀況和發動機轉速進行調節，其中一個重要的調整桿用于發出聲響和顯示不同行駛程序。此外，在“S”和“M”行駛程序中，換低速檔時節氣門部分開啟，以及在全負荷下換高速檔時點火和噴油都會引起短暫的聲響，而這通常只有在4缸以上的動力總成中才會出現。

13噪聲-振動-平順性(NVH)特性的開發

出于外形尺寸和質量的原因，必須取消質量平衡機構，并在早期開發階段解決機械構件的較大振動負荷對車內噪聲的不利影響。通過在汽車方面采取隔音措施和電控廢氣閥，將車內的二階發動機噪聲降到較低水平，還可針對行駛動力性能的要求調整動力總成的支承，以獲得優異的振動性能。

為了有效隔離扭轉振動傳入全輪驅動傳動系中，應用帶離心力配重的雙質量飛輪，因此無須汽車方面采取其他阻止低速脈動的措施，與汽車行駛動力性能方面的要求之間也不會產生目標沖突。

14結語

為了使發動機產品進入緊湊型轎車領域，Mercedes-AMG公司開發了一種新型4缸2.0L直噴汽油機，該機型以Mercedes-Benz-BlueDirect系列的4缸動力總成模塊化組合部件為基礎。

M133直噴汽油機的功率為265kW，搭載于A45 AMG轎車，在新歐洲行駛循環下的百公里燃油耗僅6.9L，能滿足包括歐6在內的全球所有廢氣排放法規的要求。

為達到133kW的高升功率，M133汽油機在基礎發動機、空氣管路、增壓系統及廢氣裝置等方面進行廣泛的修改，同時對冷卻系統和熱管理系統也進行改進，同時盡可能多地繼承BlueDirect系列組合部件及氣缸體曲軸箱和氣缸蓋等重要零部件，以適應生產線制造等方面的開發目標。目前仍存在的挑戰是M133機型在Mercedes緊湊型轎車平臺上的裝配狀況。

在A45 AMG轎車上，M133直噴汽油機與換檔時間短的雙離合變速器相組合后充分發揮了效用，并以AMG公司典型的排氣聲響及按功率能力設計的全驅系統而受到關注。

參考文獻

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范明強譯自MTZ， 2013， 74(9)

何丹妮編輯

收稿日期：( 2013-12-22)