奔馳最新8缸發動機M176簡介(上)

◆文/福建 林宇清

2016年底梅賽德斯-奔馳發布了四款全新的汽柴油發動機，其中最強勁的是代號M176(圖1)的V8雙渦輪增壓引擎，用來取代目前非常成功的且依然是主流的M278發動機。該發動機配備直接噴射系統，采用雙渦輪擺放在V型夾角內的設計，在省油(約10%)和降低排氣量的同時，增加了輸出功率，可提供345kW的最大功率和700Nm的峰值扭矩(圖2)。全新M176已搭載于S級車型上。

圖1 M176發動機

圖2 M176發動機性能圖

本文講解M176款發動機的技術亮點，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，將其分為以下若干系統逐一介紹。

一、兩大機構系統

該系統主要包括了發動機的兩大機構(曲軸連桿機構和配氣機構)和其他機械部件，如汽缸蓋、曲軸箱等。

1.汽缸蓋

汽缸蓋(圖3)由鋯合金制成，采用氣流和噴油量優化式設計，獲得了最高的溫度和熱傳導性。即使處于臨界范圍時，也能確保發動機獲得最高的性能。該汽缸蓋在進氣和排氣側裝配了經過優化調節的凸輪軸，可使換氣過程快速響應并得到優化，以達到低燃油消耗和廢氣排放的目的。

圖3 汽缸蓋

2.凸輪軸機構

每缸采用四氣門，兩個雙頂置凸輪軸(DOHC)設計，進氣側和排氣側各安裝了一個凸輪軸調節器(圖4)，允許凸輪軸持續調節最多40°曲軸轉角，進氣門在上止點(TDC)前5°至TDC后35°曲軸轉角的范圍內打開；排氣門在TDC前32°至TDC后8°曲軸轉角的范圍內關閉。這樣，氣門重疊角可在較寬的限制范圍內變化，可以獲得極快的響應性，繼而獲得更經濟的點火正時，優化發動機扭矩和改善排氣特性。

圖4 凸輪軸調節器

凸輪軸調節功能(圖5)由發動機控制單元(ME)根據轉速和機油溫度啟用，機油溫度對凸輪軸調節所需的油壓(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，來自凸輪軸油道內的油壓就會進入與凸輪軸相連的葉片型調節器，推動調節器旋轉，實現凸輪軸調節(圖6)。凸輪軸位置由霍爾傳感器通過檢測凸輪軸前部脈沖輪的位置來識別， 并將信號傳送至ME分析。

3.汽缸切斷

汽缸切斷(CSO)的任務是通過凸輪隨動件和凸輪軸中斷2、3、5和8缸的進氣門和排氣門促動，以此降低部分負荷時的燃油消耗(圖7)。當汽缸切斷啟用時，噴油器和點火線圈也會關閉，它由ME根據特性圖進行切斷。減少燃油消耗具體表現為：在較高載荷時， 通過操作其他從動缸的換檔點提高效率；通過關閉已切斷汽缸的氣門來降低汽油循環損失

圖5 凸輪軸調節

圖6 機油流向

圖7 汽缸切斷和點火順序

4.可變氣門升程系統 (CAMTRONIC)

M176裝配有可變氣門升程系統(CAMTRONIC，圖8)，即可變發動機正時，CAMTRONIC促動器(圖9)由ME利用脈沖寬度調制(PWM)信號促動。在此過程中，促動器中的線圈通電，氣門挺桿沿凸輪套筒上相應的曲線軌道移動。由于凸輪軸的轉動及其曲線軌道的設計特點，凸輪套筒軸向移動到凸輪軸上，凸輪隨動件從凸輪軸上退耦，且氣門彈簧的作用力使氣門保持關閉。曲線軌道的凸起可以使氣門挺桿返回至默認位置。為復位凸輪套筒，將第二個氣門挺桿移入相應的曲線軌道，隨后就會相應地復位。氣門挺桿的位置由促動器中集成式霍爾傳感器監測。

圖8 CAMTRONIC結構

圖9 CAMTRONIC促動器

5.鏈條傳動機構

新款M176發動機配備全新開發的帶3根無聲傳動鏈的兩級鏈條傳動機構(圖10)，采用此傳動機構的目的在于在總成要求、摩擦力、鏈條力最小化以及噪音振動等要求之間獲得最佳的折中，這能夠明顯降低運轉噪音。除此之外，出色的使用壽命屬性和鏈條摩擦性得到了進一步優化。

鏈條傳動機構采用雙級設計：初級鏈條傳動和次級鏈條傳動。三根無聲傳動鏈都通過液壓鏈條張緊器張緊。較低的張緊力和鏈條動態性可提供穩定的正時和卓越的聲學特性，與前款發動機相比，具有減小摩擦力的優點。

6.皮帶傳動

皮帶驅動如圖11所示，曲軸的扭轉減振器使用帶四個槽的低維護V型皮帶驅動發電機，并且使用另一根V型皮帶單獨驅動空調壓縮機。皮帶的張緊力由兩個單獨的張緊器通過張緊輪自動傳遞。

圖10 鏈條傳動

圖11 皮帶驅動

7.曲軸箱和曲軸總成

曲軸箱(圖12)由冷鑄鋁制成，采用封閉式平臺設計，與傳統鑄鐵汽缸襯套相比，由于優化了NANOSLIDE?雙絲電弧噴涂(動W底級)卻涂層，因此提高了汽缸套的硬度。此外，若干條橫向和縱向支柱使其獲得了極高的剛性。

圖12 曲軸箱

出于強度原因，曲軸采用鍛造方式制成，并且配備8個以上的平衡塊(圖13)；鋁制粘滯減振器在可用的非常有限的安裝空間內可以實現必要的減震效果；軸承蓋由球墨鑄鐵制成。活塞由鑄鐵制成，鑄鐵活塞的凹槽已根據燃燒系統和噴油器排列進行了調整，該設計使點火壓力負荷可以達到最高120bar。

油底殼(圖14)由壓鑄鋁制成，采用加筋設計，降低了輻射噪聲，同時主總成上的螺紋連接獲得了必要的強度。機油過濾器濾芯在此處通過濾清器殼蓋用螺栓固定到油底殼上。

圖13 曲軸總成

圖14 油底殼(未裝配四輪驅動)

二、啟動系

當駕駛員操作啟動/停止按鈕(S2/3)時， ME通過CAN網絡接收來自點火開關的啟動信號，即回路50信號，然后通過回路50繼電器促動啟動機，在發動機轉速達到400～700 r/min或經過5～40s的啟動時間(取決于冷卻液溫度) 后，ME中斷對繼電器的激活， 從而結束啟動. 在啟動過程中， ME根據來自曲軸霍爾傳感器和凸輪軸霍爾傳感器的信號調節噴射和點火順序，控制對啟動機進行促動和切斷。

三、潤滑系

機油泵由曲軸通過套筒鏈驅動，為各潤滑點提供機油。機油泵帶有一個由ME控制的調節閥，能夠根據需要在2～4bar之間調節機油壓力，這確保機油供給與需求完美匹配；同時還可以降低機油泵中的驅動力，以及降低發動機功率損失。機油液位由油底殼中的機油傳感器監測，相應的信號傳送至ME評估，然后通過CAN網絡顯示在儀表盤上，機油回路如圖15所示。

圖15 機油回路

四、點火系統

M176每個汽缸裝配一個點火線圈，但每2個相互獨立的帶內置點火輸出級的點火線圈(圖16)組合在一個線圈殼體中，在所有條件下，點火線圈始終提供足夠的引爆能量。

圖16 點火線圈