新款奔馳四缸汽油發(fā)動機(jī)M260技術(shù)亮點介紹(上)

◆文/福建 林宇清

自2018年開始，梅賽德斯-奔馳在A級177車型上推出了一款型號名稱為M260的直列式新4缸火花點火型發(fā)動機(jī)(圖1、圖2)，該款發(fā)動機(jī)采用橫向安裝，裝配增壓裝置，排量為2.0L，兩個輸出等級分別為140kW和165kW(圖3、圖4)。

圖1 發(fā)動機(jī)右前視圖

圖2 發(fā)動機(jī)右后視圖

圖3 性能圖

圖4 M260技術(shù)數(shù)據(jù)

由于M260使用了改善的汽缸蓋、優(yōu)化的燃燒室以及通過帶摩擦優(yōu)化環(huán)組件的冷卻道活塞減少摩擦，因此，可提高熱動態(tài)性能。此外，M260還具有以下重要特性:

(1)減小摩擦形成珩磨；

(2)帶環(huán)形支架的冷卻管活塞；

(3)居中固定的壓電式噴油嘴；

(4)進(jìn)氣側(cè)可變氣門升程系統(tǒng)(CAMTRONIC)；

(5)帶傳感器系統(tǒng)的汽油微粒濾清器；

(6)壓縮比增大；

(7)通過全面的“NVH(噪音、振動、聲振粗糙度)”措施獲取實現(xiàn)良好抗燥和振動舒適性。

本文將介紹M260款發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)亮點，為便于了解，按發(fā)動機(jī)的組成和工作原理，將其分為以下幾部分進(jìn)行介紹。

一、曲軸連桿機(jī)構(gòu)

M260的曲軸由鑄鐵鋁制成，它和曲軸總成的工程規(guī)格包括120bar(1bar=100kPa)峰值壓力下的抗疲勞強(qiáng)度和驅(qū)動單元摩擦顯著降低。為通過更高的結(jié)構(gòu)剛度實現(xiàn)更佳的“NHV”舒適水平，與上一代曲軸箱相比，進(jìn)一步優(yōu)化了剛性結(jié)構(gòu)。帶有耐磨鑄鐵套的圓柱管由汽缸中央和邊緣上的雙出口閥冷卻孔進(jìn)行冷卻，與前款發(fā)動機(jī)M270類似，套管的表面精密幾何結(jié)構(gòu)或精密珩磨與稱之為“筒形珩磨”的成型珩磨相結(jié)合(圖5)。汽缸直徑在活塞下止點處的錐形擴(kuò)張?zhí)峁┝溯^大的活塞間隙，從而大大減少了套管和活塞之間的摩擦力。在活塞的上止點中，保持較小的活塞間隙以確保滿足“NHV”要求。此外，優(yōu)化活塞環(huán)還有助于減少摩擦損失，同時還采用低黏度發(fā)動機(jī)油進(jìn)一步降低發(fā)動機(jī)的整體摩擦水平。

圖5 成型珩磨

曲軸是鍛造制成的，并有8個平衡軸，其布置和構(gòu)造確保曲軸低偏斜和低總高度(圖6)。由于現(xiàn)代方式的持續(xù)使用，它可以在增壓式發(fā)動機(jī)中使用帶冷卻道的鑄鐵活塞。鑄鐵活塞的凹槽已在燃燒系統(tǒng)和噴油閥排列進(jìn)行了匹配。

活塞冷卻為降低活塞頂部溫度創(chuàng)造了條件，在保持穩(wěn)定燃燒的同時降低了發(fā)動機(jī)排放?；钊h(huán)的剪應(yīng)力被優(yōu)化，與成型珩磨相結(jié)合，將摩擦力、耗油量、重量和漏油量減小至最低。在減小環(huán)應(yīng)力的同時，通過大幅減小不對稱活塞裙軸承表面(碳涂層已優(yōu)化)以及對活塞間隙進(jìn)行的微調(diào)，連同機(jī)油噴射冷卻一起對減小摩擦起到了決定性作用(圖7)。

圖6 曲軸總成

圖7 活塞

二、鏈條傳動機(jī)構(gòu)

為產(chǎn)生更大的輸出功率并經(jīng)受住更頻繁的曲軸啟用，研發(fā)出了帶過壓閥的新型鏈條漲緊器。即使處于極端條件下，也有助于確保鏈條磨損延伸率小于0.2%。采用了前一款發(fā)動機(jī)控制驅(qū)動的齒形鏈條，精準(zhǔn)成型凸耳和高光澤度形成極光滑的功能性表面，與改善后的滑軌幾何結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在摩擦方面提供明顯優(yōu)越性(圖8)。

三、可變氣門升程系統(tǒng)(CAMTRONIC)

一般情況下，M260配有全部可變氣門升程系統(tǒng)(CAMTRONIC)排量和輸出類型，通過可變氣門升程調(diào)節(jié)，在部分負(fù)荷范圍內(nèi)較小的氣門升程可將較少的空氣引入燃燒室中，這意味著增壓變化損壞將更低(圖9)。在較高負(fù)荷范圍內(nèi)，為實現(xiàn)主總成的全部性能，會切換至大氣門升程。1號和2號汽缸以及3號和4號汽缸的聯(lián)接器分別位于一個凸輪軸件上，意味著所有4個汽缸的氣門升程的進(jìn)氣凸輪軸可利用氣門升程切換促動器在凸輪軸旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。除了熱力優(yōu)勢外，減小的摩擦力會改善較小凸輪沖程中的摩擦力。

圖8 鏈條傳動部件

即使氣門升程較小，為確保最佳燃燒，在低部分負(fù)荷范圍下，燃油被多次噴射且燃油空氣混合物被多次點燃，因此，燃燒室中火花塞周圍的燃油空氣混合物渦流減少。凸輪升程轉(zhuǎn)換，相關(guān)的提前進(jìn)氣關(guān)閉以及摩擦減少均可實現(xiàn)燃燒優(yōu)勢:在相關(guān)測試循環(huán)中，每千米減少約1g二氧化碳。同時，CAMTRONIC及其全部行程凸輪確保了M260的高輸出功率。采用2L排量的CAMTRONIC意味著在實際駕駛條件下增大了可用操作范圍，從而對燃油消耗產(chǎn)生有利影響，也意味著M260在較小氣門升程時的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速可高達(dá)120km/h。

圖9 發(fā)動機(jī)俯視圖

進(jìn)氣凸輪軸氣門升程包括兩個提升電磁閥，一個提升電磁閥促動一個氣門挺桿。當(dāng)提升電磁閥線圈通電時，氣門挺桿展開：根據(jù)凸輪軸上曲線軌道的位置和形狀，僅一個氣門挺桿可展開，相應(yīng)的氣門挺桿通過曲線軌道的形狀以機(jī)械方式復(fù)位。兩個氣門挺桿的當(dāng)前位置由進(jìn)氣凸輪軸(Y49/8b1)上氣門行程轉(zhuǎn)換的集成式霍爾傳感器進(jìn)行監(jiān)測(圖10)。兩個氣門挺桿都在初始位置回位，發(fā)動機(jī)通過進(jìn)氣門的長行程啟動，在暖機(jī)階段結(jié)束時首次切換至短行程。當(dāng)ME促動進(jìn)氣凸輪軸氣門升程切換促動器時，促動器中相應(yīng)的線圈通電，且兩個氣門挺桿中的一個移入相關(guān)的曲線軌道。由于曲線軌道的設(shè)計，凸輪軸產(chǎn)生軸向移動，并切換為較小的凸輪行程。通過評估曲線軌道氣門挺桿以機(jī)械方式復(fù)位，通過對線圈進(jìn)行循環(huán)通電的方式復(fù)位凸輪軸，此時另一氣門挺桿展開且在大行程的作用下凸輪軸朝與凸輪的相反方向移動。促動器由ME以1kHz的PWM信號在1 000～4 000r/min的轉(zhuǎn)速范圍下促動。

圖10 進(jìn)氣凸輪軸視圖

四、通風(fēng)裝置

從氣門室蓋集中吸收泄露的氣體，護(hù)蓋幾何結(jié)構(gòu)和防飛濺系統(tǒng)配有分支點，可作為簡易的油氣分離器。漏出氣體通過回流管流入曲軸箱機(jī)油分離器，這是一個設(shè)計為通過簡易和精確分離的擋板分離器。根據(jù)工作狀態(tài)和產(chǎn)生的壓力比，氣體流入部分負(fù)荷或全負(fù)荷通道，然后直接流入增壓空氣分配器和渦輪增壓器中的相關(guān)進(jìn)口。M260還配有通風(fēng)功能，可在低負(fù)荷運轉(zhuǎn)時使曲軸箱通風(fēng)。電動轉(zhuǎn)換閥集成在部分負(fù)荷通氣管中，有多個節(jié)氣門等級，同時還可調(diào)節(jié)通風(fēng)量，即使在極端使用條件下，較大的橫截面、部分集成式氣體路徑以及接口的設(shè)計均可提供穩(wěn)定的機(jī)油分離，同時還可確保滿足國家制定的排放標(biāo)準(zhǔn)。

五、優(yōu)化冷卻性能的排氣門

在新的M260中，首次在高增壓發(fā)動機(jī)中采用中空閥盤版本的排氣門(圖11)，中空閥盤的內(nèi)側(cè)輪廓通過極其復(fù)雜的步驟進(jìn)行了改良，無需關(guān)鍵性的焊接過程或其他復(fù)雜的生產(chǎn)過程來形成空腔，這就是以環(huán)保方式生產(chǎn)該氣門的原因。導(dǎo)熱性能的進(jìn)一步改善意味著可使用鎳含量較低的廉價材質(zhì)，明顯降低高負(fù)荷閥頸的溫度，改善后的散熱性能大大降低了閥盤下側(cè)的溫度，從而也降低了燃燒室中的溫度，并在改善燃燒中心位置的同時減少爆震的可能性，且對燃油消耗產(chǎn)生有利影響。

圖11 中空閥盤

六、燃油供給系統(tǒng)

高壓泵為單活塞泵，在泵模塊中集成了一個流量控制閥，其功能相當(dāng)于節(jié)流閥，用于調(diào)節(jié)進(jìn)入高壓泵的燃油量；高壓泵將燃油壓縮至高達(dá)200bar左右，并輸送至油軌；噴油器使用多孔壓電式控制閥，位于燃燒室的中央位置，燃油經(jīng)高壓油軌進(jìn)入噴油器，由后者噴入燃燒室(圖12、圖13)。

圖12 發(fā)動機(jī)俯視圖

圖13 燃油回路

M260專為均勻燃燒系統(tǒng)設(shè)計，在噴射過程中涉及的高水平動態(tài)，用最小開啟時間會產(chǎn)生高脈沖保持能力，對“NVH”特性產(chǎn)生影響。以下因素會改善噴射區(qū)域中的噪音特性:噴射脈沖次數(shù)、噴油器行程、開啟梯度、噴射壓力。通過引入沖程減少20%的部分沖程和平穩(wěn)開啟梯度，根據(jù)NVH要求，現(xiàn)在可從支持混合物形成的多點噴射至單點噴射之間做出轉(zhuǎn)換。處于低速范圍時，噴射壓力也會降低。在高壓泵的流量控制閥中，對移動零部件進(jìn)行了定量減重。除此之外，在其對噴射閥底座產(chǎn)生影響前立即采用引導(dǎo)控制邏輯性延遲流量控制閥的浮子針閥。雙重措施可使來自脈沖閥底座區(qū)域的脈沖力減小。整個組件均磨光且通過所謂的柔軟穿孔盤提升了噴射器接觸面在缸蓋上的退耦，提高了減震性能，有助于減少脈沖轉(zhuǎn)為結(jié)構(gòu)聲音?？偠灾c前款發(fā)動機(jī)相比，多孔盤的硬度降低了近一半。(未完待續(xù))