汽車發動機燃油供給系統優化設計

付貽瑋，朱春紅，李婕，徐天池

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汽車發動機燃油供給系統優化設計

付貽瑋，朱春紅，李婕，徐天池

（北京電子科技職業學院汽車工程學院，北京 100176）

M276自上市以來得到廣泛關注，其在結構、材料、工藝等方面都較M272有很大的變化，使得它結構更加緊湊、質量輕、熱效率高。同時在燃油供給系統中采用最新一代壓電式噴油器和噴油嘴導向型汽油直接噴射系統，是開發的第三代直接噴射系統。

M276發動機；優化；燃油供給系統

前言

自2010年秋季起，梅賽德斯-奔馳的S級和S級雙門轎跑車逐漸采用新一代V6和V8型汽油發動機，分別以M276和M278取代型號M272和M273。M276采用了更多新工藝新技術，比M272減少了近15公斤重量，燃油消耗降低約18%。

M276發動機與M272相比結構緊湊、質量輕、熱效率高。機油的更換量由8.0升降至6.5升，機油容積的顯著降低使油底殼尺寸得以縮小，新開發的油底殼，可將其制成經過優化的薄壓鑄件，可將重量減輕約2.5千克。同時冷卻液使用量由11升減少到10.2升，由于冷卻回路縮短，水泵工作所消耗的能量是M272發動機的一半左右。此外，節溫器、水泵皮帶輪、管路均由塑料制成，使發動機整體重量進一步下降。同時，M276發動機在燃油供給與噴射、點火系統等方面均有性能方面的優化。

M276發動機的汽缸數為6缸，排列方式為V型，冷卻方式為水冷，缸徑92.9mm，行程為86mm，發動機排量為3.498L，轉速為6500rpm時最大輸出功率為225kW，轉速為3500-5250rpm時最大扭矩為370Nm，壓縮比為6。噴油器電壓為125V-160V，最多5次部分噴射，針閥行程35μm，向燃燒室方向移動，燃油噴束成空心錐形。進氣管包括長進氣管、短進氣管和進氣管左右諧振，分別對應的運行轉速為小于1750rpm、1750rpm到3500rpm之間和大于3500rpm。高壓供油系統有4種狀態：啟動模式、負荷模式、滑行和怠速運行模式、低壓緊急運行模式。

奔馳M276采用最新一代壓電式噴油器和噴油嘴導向型汽油直接噴射系統，是開發的第三代直接噴射系統。供給壓力可根據工作模式進行調節，介于120至200bar之間。該系統通過兩條單獨的油軌進行無回流高壓供給。在M276中，高壓由一個高壓泵供給，高壓泵位于右側進氣道的后端，并由三個凸輪促動。新開發的帶壓電式促動器的高壓噴油器每個工作循環最多能進行五次高度精準的噴射。

1 低壓燃油回路

當燃油系統控制單元(N118)接收到燃油泵打開信號，燃油泵(M3)打開。該信號由電控多端順序燃料噴注/點火系統的控制單元（ME）通過傳動系統控制器區域網絡（CANC）作為CAN信號和接地信號進行雙重傳輸。燃油系統控制單元還接收ME的“標稱燃油壓力”CAN信號，燃油系統控制單元根據來自燃油壓力傳感器(B4/7)的電壓信號檢測當前燃油壓力，并將該信息通過CANC傳輸至ME，燃油系統控制單元檢測當前燃油壓力，與規定燃油壓力進行比較，并在必要時利用脈沖寬度調制信號(PWM信號)促動燃油泵，使標稱壓力等于規定壓力。根據燃油溫度和發動機轉速，燃油泵壓力被控制在約4.5至6.7 bar之間。為進行促動，燃油泵將燃油從供油模塊中抽出，然后通過燃油濾清器將其泵入燃油系統高壓泵中(不帶回流管的單管路系統)。當燃油壓力約為7至9 bar時，燃油濾清器中的溢流閥打開，濾清器上游的燃油通過T形件流走，后者會驅動20至40升/小時的吸油噴射泵，該吸油噴射泵將燃油從左側燃油箱室輸送至供油模塊(在右側燃油箱室中)，從而防止燃油箱的一側被排空，燃油濾清器的供油管路中有一個止回閥，可防止燃油壓力在燃油泵關閉后下降(降至4.5 bar以下)。燃油低壓回路的工作原理如圖1所示。

圖1 燃油低壓回路的工作原理

低壓燃油分配器；19-燃油系統高壓泵；55-供油模塊；55a-右側抽吸引射泵；75-燃油箱；55/2a-燃油濾清器；55/2b-溢流閥；55/2c-止回閥；75a-左側抽吸引射泵；B4/7-燃油壓力傳感器；M3-燃油泵 (FP)；A 至燃油濾清器的燃油供給；B 自溢流閥的回油；C 至燃油系統高壓泵的燃油

2 高壓燃油回路

燃油高壓回路中產生噴射所需的約200 bar壓力的燃油，在油軌中進行調節和存儲。ME控制單元讀取燃油壓力和溫度傳感器(B4/25)信息并調節高壓燃油壓力。來自燃油箱的燃油從低壓燃油分配器流至燃油系統高壓泵，在最高200bar的壓力下(根據工況)輸送燃油，并將其通過高壓管路和油軌輸送至噴油器。每個氣缸蓋的三個噴油器由其油軌直接供給燃油。燃油系統高壓泵上配有油量控制閥(Y94)，可根據規定燃油壓力，調節輸送至泵元件處的燃油量。燃油壓力和溫度傳感器檢測油軌中的當前燃油壓力以及左側燃油溫度。工作壓力最高約為200bar，只有當車輛靜止且換檔桿處于N檔或P檔時，壓力才會降至150bar，以減少燃油系統高壓泵的噪音。如果在發動機溫度較高時停止車輛，燃油高壓回路中的燃油壓力可能會増加至250 bar(+l7bar)。一旦達到該閾值，燃油系統高壓泵中的限壓閥即會打開，隨后壓力降低。起動發動機時，壓力迅速降至200bar的標準工作壓力。為實現對油軌壓力的調節，ME通過脈沖寬度調制(PWM)信號促動油量控制閥，直至油軌中達到設定燃油壓力。兩條油軌上有幾條漏油管，如果噴油器與油軌之間的密封圈發生泄漏，這幾條管路可將燃油導入氣缸蓋，防止燃油溢出，從而防止溫度較高的零件著火。燃油高壓回路的工作原理如圖2所示。

圖2 燃油高壓回路的工作原理

18-低壓燃油分配器；18/1-燃油供給 (低壓)；18/2-帶維修閥的檢查接口；19-燃油系統高壓泵；20a-左側油軌；20b-右側油軌；21-漏油管；B4/25-燃油壓力和溫度傳感器；Y76/1-1號氣缸的噴油器；Y76/2-2號氣缸的噴油器；Y76/3-3號氣缸的噴油器；Y76/4-4號氣缸的噴油器；Y76/5-5號氣缸的噴油器；Y76/6-6號氣缸的噴油器；Y94-油量控制閥；A-燃油低壓；B-燃油高壓

調節燃油高壓回路期間，區分為以下幾種工況。起動時，油量控制閥通電并關閉因此，燃油系統高壓泵達到最大供油量，且壓力迅速增長，燃油泵壓力約4.5至6.7bar。正常模式時，油量控制閥通過占空比調節燃油高壓，燃油泵壓力與燃油溫度相關，約介于3.0至5.5bar之間，燃油預供油壓力根據發動機轉速和燃油溫度變化，介于4.5至6.7bar之間(絕對值)。低壓應急運行模式時，油量控制閥斷電并因此打開，燃油泵壓力約為4.5至6.7bar，燃油通過打開的燃油控制閥流入油軌，延長噴油器的促動，層狀燃燒受阻，輸出功率降低，最大速度約為70km/h。停止時，油量控制閥斷電并打開，燃油泵未被促動。

3 燃油安全切斷

安全性燃油切斷功能是為了確保交通和乘客安全。ME控制單元根據以下傳感器和信號控制安全性燃油切斷：曲軸霍爾傳感器(B70)、發動機轉速、節氣門定位器(M1/6)，節氣門位置、輔助防護系統控制單元(N2/10)、通過底盤控制器區域網絡(CAN E)傳送的間接碰撞信號。在以下情況下，ME會啟用安全性燃油切斷。有節氣門促動器發生機械故障時，如果ME在評估節氣門位置時檢測到節氣門促動器存在機械故障，則通過關閉噴油器將發動機轉速限制為約1400rpm(怠速時)或約1800rpm(駕駛模式下)。有發動機轉速信號丟失時，如果曲軸霍爾傳感器產生的發動機轉速信號缺失，則燃油泵通過燃油系統控制單元關閉。有碰撞信號時，如果ME間接地通過底盤控制器區域網絡(CAN E)或直接接收到來自輔助防護裝置控制單元的碰撞信號，則會通過燃油系統控制單元或直接通過傳動系統控制器區域網絡(CAN C)關閉燃油泵和油量控制閥，以降低燃油系統的壓力。

4 總結

奔馳M276發動機自裝車使用以來，其在機械工藝和技術、燃油噴射技術、點火技術等方面的優越性能得到廣泛的認可，裝用M276發動機的梅賽德斯-奔馳的S級和S級雙門轎跑車在動力性、經濟性、排放等方面均有出色的表現。隨著M276發動機技術的不斷改進和優化，其發展前景廣闊。

[1] 朱劍明,彭代勇.世界能源現狀與內燃機節能減排的戰略意義[J]. 現代車用動力,2009(4):1-6.

[2] 李雁飛,郭恒杰,王建昕,徐宏明.高背壓下GDI油束噴霧特性的試驗[J].內燃機學報,2016,（04）:326-333.

Optimization design of fuel supply system for an automotive engine

Fu Yiwei, Zhu Chunhong, Li Jie, Xu Tianchi

( School of Automotive Engineering, Beijing Polytechnic, Beijing 100176 )

M276 has attracted much attention since it was listed on the market. Its structure, material and technology have changed a lot compared with M272, making it more compact, light weight and high thermal efficiency. At the same time, the latest generation of piezoelectric injector and nozzle-guided gasoline direct injection system are used in the fuel supply system, which is the third generation of direct injection system developed.

M276 engine; optimization; fuel supply system

TK418

A

1671-7988(2018)21-186-03

TK418

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1671-7988(2018)21-186-03

付貽瑋，就職于北京電子科技職業學院汽車工程學院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.063