奔馳4缸發動機M651簡介(上)

◆文/福建 林宇清

新一代奔馳4缸柴油發動機M651是第二代共軌直接噴射系統，如圖1所示該款發動機的輸出功率為150kW，最大輸出扭矩為500Nm，每百公里耗油5.4L柴油，排放為2?143cm3，且達到歐5標準。

圖1 M651發動機

這一全新雙渦輪增壓發動機在提高性能的同時，極大減少了燃油消耗和尾氣排放，使其不斷滿足市場需求和法規要求。該款發動機與上一代M646發動機相比，特性、扭矩和功率如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 特性數據

圖3 M646扭矩和功率曲線

圖4 M651扭矩和功率曲線

本篇文章講解奔馳4缸發動機M651的技術亮點，即各系統及其功能。為便于了解，按發動機的組成和工作原理，將其分為機械系統、即時啟動系統、燃油供應系統、渦輪增壓、排氣系統、冷卻系統、發動機潤滑及發動機控制八個系統進行逐一介紹。

一、機械系統

該系統包括了發動機的主要機械部件和機構，如汽缸蓋、凸輪軸調節、曲軸箱等。

1.汽缸蓋：如圖5、圖6所示，汽缸蓋由高強度鋁制成，裝備有兩根凸輪軸和四個氣門。此外，它還具有最大點火壓力200bar(上一代為160bar，1bar=105Pa)、切向和螺旋式進氣道及直徑19mm的壓電式噴油嘴的新特性。

圖6 汽缸蓋剖視

2.凸輪軸機構：如圖7所示，凸輪軸由正時鏈驅動，驅動齒輪通過中央螺絲安裝在凸輪軸上，螺紋采用逆時針方向；傳感器輪組合了霍爾傳感器，固定在排氣凸輪軸上，監測凸輪軸的位置和轉速。

圖7 凸輪軸

3.曲軸箱：如圖8所示，M651的曲軸箱是在優化空間特性的概念上設計的，具有與上一代相比更短4cm的箱體、通過在輸出側固定驅動齒輪和凸輪軸驅動來改進行人安全系統及通用性的正時箱蓋適配于各種變速箱模式的優點；如圖9所示，油底殼采用兩塊式設計，較低部分由塑料制成，并優化了運轉噪音。

圖8 曲軸箱

圖9 油底殼

4.曲軸連桿機構：如圖10所示，曲軸總成與老款發動機有所不同，新款發動機鍛造的曲軸帶有8個平衡塊，由5個軸承支撐，有效減少振動、連桿是由高強度合金鋼鍛造而成的，并優化了重量、兩根平衡軸集成在主軸承橋內，并固定在3個滾動軸承上，確保發動機平穩運轉。

圖10 曲軸總成

5.齒輪驅動：M651最重要的創新之一是齒輪驅動在輸出側組合鏈條驅動，蘭徹斯特平衡軸、高壓泵、機油泵及真空泵都由新的齒輪系統驅動，如圖11所示。

圖11 齒輪傳動

6.皮帶驅動：皮帶傳動采用V型低保養的單皮帶系統設計，驅動助力泵、制冷壓縮機、發電機及冷卻液泵等部件，如圖12所示。

二、即時啟動系統

柴油機與汽油發動機不同，柴油機無點火系統，為確保在冷卻液未預熱至較高溫度下發動機能夠立即啟動，如圖13所示，由4個加熱塞和一個加熱輸出級組成的即時啟動系統用于提高冷啟動和暖機特性，加熱塞的供電壓由CDI控制單元根據時間和溫度通過加熱輸出級來調節。

圖12 皮帶傳動

圖13 加熱塞

三、燃油供應系統

M651發動機的燃油供應系統由低壓油路和高壓油路組成。

1.低壓油路：燃油泵輸送所需壓力的燃油，經帶有加熱元件的燃油濾清器后，到達高壓泵。

(1)燃油泵(M3/3、M3/5)：如圖14所示，帶油位傳感器由CDI控制單元通過繼電器促動或燃油泵控制單元直接促動，產生并輸送壓力為4.0bar左右的燃油，經帶燃油濾清器過濾后，到達高壓泵。

(2)加熱元件：集成在燃油濾清器上，確保在低溫時的燃油流量。

2.高壓油路：如圖15所示，低壓燃油進入高壓泵后，高壓泵將其壓縮至高壓，然后存儲在共同的油軌中，通過噴油嘴直接噴入缸內，油軌壓力通過壓力傳感器監測，由壓力調節閥和流量控制閥調節。

圖14 燃油泵

(1)高壓泵(M41/3)：位于曲軸箱左后側，驅動齒輪以75%的曲軸轉速驅動，將低壓燃油壓縮成高壓；在泵上集成了一根喉管，用于抽吸噴油嘴泄漏的燃油。

(2)流量控制閥(Y94/3)：根據CDI控制單元的信號，控制進入高壓泵的燃油流量，并與壓力調節閥共同調節油軌壓力。

圖15 高壓油路

(3)壓力調節閥(Y74/5)：根據運轉狀態，與流量控制閥共同調節油軌壓力。

(4)噴油嘴：作為新的共軌技術的重要元件，壓電式噴油嘴取得了全新的發展，噴油嘴由壓電陶瓷促動模塊促動。與傳統的噴油嘴相比，壓電式噴油嘴更快的將燃油噴入燃燒室，霧化更好更精確。噴油量取決于油軌壓力和噴射時間，如圖16所示，在每個噴油嘴的頂部，均有1個20位的代碼，指示各噴油嘴的流量特性，在更換噴油嘴后，必須通過診斷儀進行匹配。

圖16 噴油嘴

(5)油軌壓力傳感器(B4/16)：在油軌末端，監測油軌的當前壓力，并傳送至CDI控制單元。

四、渦輪增壓

M651不斷發展渦輪增壓技術，部分發動機裝備了兩級渦輪增壓。如圖17、18所示，該增壓系統合并為兩個大小不同的增壓器和一個旁通控制系統，以實現在低轉速時的較高輸出扭矩，具有啟動更平穩、啟動不會遲緩、行駛性能更好、加速良好、高壓渦輪增壓器被設計為在低轉速內快速建立較高的增壓壓力、低壓渦輪增壓器被設計為在中高轉速范圍內，通過高速氣流快速建立較高的增壓壓力及低壓渦輪增壓器被設計為在中高轉速范圍內，通過高速氣流快速建立較高的增壓壓力的優點。

圖17 雙渦輪增壓器

圖18 增壓空氣路徑

1.增壓簡介

廢氣流通過排氣歧管沖到渦輪上，驅動渦輪轉動。壓縮機葉輪通過剛性軸連接到渦輪上，以相同的速度被帶動，吸入的干凈空氣經葉輪壓縮后進入發動機。增壓壓力通過升壓控制翻板、排氣門和增壓旁通翻板進行調節。

2.增壓壓力控制

增壓壓力通過升壓控制翻板轉換閥、排氣門壓力轉換閥和增壓旁通翻板轉換閥，以電子氣動的方式控制；電磁閥由ME通過PWM信號控制，其原理與272發動機的二次空氣噴射轉換閥相同，在此借用該轉換閥結構圖來理解：如圖19所示，當電磁閥被促動時，固定板a由線圈吸出，并且密封橡膠塊f關閉通風口，通道2和3之間的連接被打開，這樣從真空單元到儲存罐之間的真空就被建立。在沒有電壓供應的情況下，a在彈簧b的作用下回位，關閉通道2，這樣，通道1和3之間的連接再次被建立，即通道3通風。

圖19 轉換閥結構

3.真空供應

真空泵由曲軸驅動，產生所需的真空，電磁閥通過軟管連接到真空儲存罐上，?其中2個壓力轉化閥通過共同的通風過濾器與大氣壓相通。如圖20所示，當Y132被促動時，真空作用在旁通真空單元的翻板上，從而打開旁通管道，使部分廢氣流過廢氣再循環冷卻器；當Y31/4被促動時，真空作用在排氣門真空單元上，并持續打開低壓渦輪增壓器中的排氣門，這樣使部分廢氣流繞過低壓渦輪增壓器，進入尾氣系統；當Y93被促動時，真空作用在升壓控制翻板真空單元上，并逐漸打開高壓渦輪增壓器中的升壓控制翻板，這樣使部分廢氣流繞過高壓渦輪增壓器，進入低壓渦輪增壓器。

圖20 旁通回路工作原理