关于Mercedes—Benz4缸涡轮增压直喷汽油机性能分析

开发了一种全新Mercedes-Benz 发动机系列，分别是内部型号为M270 和M274 的4缸BlueDirect 增压直喷汽油机，其特点是具有最高的效率、动态性能和可变性，并根据市场的特定条件，采取降低CO2排放的技术，确保了在不同基本配置情况下都能获得最佳的燃油耗值。

1 横置式和纵置式4缸发动机系列

2011年11月底，在市场首次推出全新的Mercedes-Benz 4缸发动机系列，其内部型号为M270和M274(图1)，分别为横置式和纵置式结构，并采用压电式燃油直喷技术。安装方位的可变性使该发动机系列能适用于所有车型，并能通过1.6L和2.0L 2种排量变型覆盖宽广的功率型谱。

4缸发动机系列沿用多项6缸和8缸Blue-Direct发动机的技术功能模块(图2)。Mercedes-Benz缸内直喷技术与压电式喷油器、最佳的增压器涡轮设计和摩擦损失不断降低的基础发动机相结合，满足了对灵活性、舒适性和燃油耗的最高要求。为了满足公司内部苛刻的CO2排放目标，根据市场的特定条件，在这些基础技术功能模块上，又补充了3种能发挥不同作用的燃油耗降低技术。

Camtronic可变凸轮机构和分层稀燃过程可降低燃油耗，已被应用于量产的4缸发动机系列，而采用天然气驱动(NGD)的E级车型在2013年底已开始量产。应用可灵活使用的创新技术功能模块，在满足全球不同市场和法规要求的同时，确立持续降低燃油耗的目标，确保新发动机系列具有满足未来要求的工作能力，同时也为动力总成不受限制地达到最高效率和工作能力奠定了基础。

2 发动机设计和机械结构

铝压铸气缸体曲轴箱和曲柄连杆机构的开发目标包括大幅减轻质量、进一步降低曲柄连杆机构摩擦，以及采用新型横流式冷却。与老机型相比，M270和M274发动机系列的摩擦已明显降低，曲柄连杆机构的摩擦降低16%，链传动机构的摩擦降低9%。

在新发动机系列的2种机型上，废气涡轮增压器针对低转速工作能力(低速扭矩)的设计是非常成功的。2.0L发动机在转速1200r/min时就已达到最大扭矩350N·m，但在低负荷高扭矩时，必须注意发动机在该转速范围内的噪声。为了改善噪声-振动-平顺性性能，采用极为紧凑的兰彻斯特平衡模块，以平衡二阶惯性力(图3)。无须修改基础发动机，这种平衡模块作为1个完整的单元被螺栓紧固在主轴承座上。为了避免油底壳中的搅动损失，该模块被完全封闭在机壳内。

为了满足苛刻的燃油耗目标要求，兰彻斯特平衡模块完全采用滚动轴承支承，并首次在量产中同时采用滚柱轴承径向支承和推力球轴承轴向支承，从而在热机运行状态下，使平衡模块的摩擦功率损失比老机型降低46%。

3 燃烧过程

Mercedes-Benz的BlueDirect燃烧过程于2006年应用于CLS350轿车并投放市场，自2012年起，BlueDirect燃烧过程在Mercedes-Benz的所有新汽油机上成为标准配置，其主要特点是压电式喷油器布置在燃烧室中央，并具有向外打开的喷油嘴，火花塞位于排气门方向，与其相隔一定距离(图4)。 压电喷油器的喷油嘴针阀开关极其迅速，可用于每循环最小喷油量的多次喷射，而A型喷油嘴能以20MPa的燃油压力获得非常良好的混合气准备，以及极为线性的喷油量特性和较大的稳态流量，从而摆脱所有汽油机只使用一种喷油器型式的局面。这些性能与多火花点火相结合，为低颗粒排放燃烧、良好的冷起动性能(即使使用高乙醇含量的燃油)、最佳燃油耗的催化转化器加热，以及其他优势奠定了基础。

4 降低CO2排放的技术

BlueDirect燃烧过程和基础技术功能模块的组合是达到最低燃油耗的基础。随着M274发动机的问世，开发了3种降低燃油耗和CO2排放的技术(图5)，可根据市场特定条件或用户需求来选用。借助于Camtronic可变凸轮机构变换气门升程的技术仅用于降低换气损失，而采用分层燃烧还能明显改善高压效率，从而在燃用汽油运行时几乎达到其极限潜力。压缩天然气(CNG)发动机通过改变燃料的化学成分，就能获得巨大的CO2排放降低潜力。由于CNG具备良好的抗爆震性能，因此是用于增压汽油机的理想燃料。

采用Camtronic可变凸轮机构，降低CO2排放的潜力可达到3%～5%，而采用CNG运行可使其潜力增加到20%以上。如图5所示，各种技术降低CO2排放的潜力逐步提高，但这些技术的附加设施在全球市场上的可用性却逐渐降低。目前，使用低硫燃油降低CO2排放的分层燃烧过程只有在日本和欧洲市场才有可能实现，因为只有那里的加油站普遍供应低硫燃油，而美国要到中期才能提供低硫燃油。天然气在全球市场上的可用性极佳，但与汽油相比，天然气作为燃料使用所需的附加设施成本较高，目前暂时只能起到次要作用。由于新发动机系列采用模块化结构型式，因而能轻松适应市场状况的变化。

5 利用可变气门升程机构降低CO2排放

应用Camtronic可变凸轮机构进行气门升程转换是全球通用的燃油耗降低技术，应用该技术可获得3%～5%的节油潜力或CO2减排潜力。进气凸轮轴的结构型式允许从适用于高负荷高转速范围的标准凸轮转换到适用于部分负荷范围的小凸轮。图6示出了Camtronic可变凸轮机构的机械工作原理。最大气门升程3.8mm的小凸轮除摩擦损失较小外，主要优点是降低了换气损失。较早结束进气，在相对较大的发动机特性曲线场范围内几乎无节流运行，只通过连续工作的凸轮轴相位调节器进行负荷调节，但从小凸轮转换到大凸轮或相反的转换是很大的挑战。除了舒适性要求极高外，首先要考虑转换时的废气排放和燃油耗。在这方面，BlueDirect燃烧过程的技术组合允许喷油时间和多火花点火有很大的自由度，在凸轮轴相位调节器、节气门和增压压力调节的共同作用下，完全能满足上述要求。

6 利用分层燃烧过程降低CO2排放

首次将分层燃烧过程与废气涡轮增压组合用于4缸发动机系列。应用这种燃烧过程能在低负荷时获得最大的热力学燃油耗潜力，但目前分层燃烧过程的应用仅局限于日本和欧洲市场，希望随着低硫燃油的普遍推广，这种技术能扩展到更多的市场。

分层燃烧过程是在压缩行程中有节奏地喷油，该行程中最后1次喷射位于点火前不久，可以形成稳定的混合气和涡流，在点火火花范围内形成稳定的接近化学计量比的混合气。因此，分层燃烧过程与多火花点火相结合，能在所有负荷和转速条件下获得最佳的着火条件。分层运行范围包括从怠速到3500r/min、平均有效压力0.5MPa的发动机特性曲线场范围，相当于自然吸气发动机全负荷的50%。

在平均有效压力0.5MPa以上的负荷范围内，应用专门为增压4缸发动机开发的均质分层燃烧运行方式，其中，组合应用进气行程喷射与较晚的压缩行程喷射，并与增压相结合，将稀薄运行范围扩展到进气全负荷工况，而更高的负荷范围则采用化学计量比混合气运行，因为此时节气门已全部打开。

在应用分层燃烧过程时，行驶循环中的废气温度较低，因此，对排气后处理系统和催化转化器的工作能力提出很大挑战。为此，为新型4缸BlueDirect 废气涡轮增压发动机开发了单通道排气管废气装置(图7(a))。通过持续开发近发动机布置的催化转化器，并在量产中采用三效氮氧化物吸附式催化转化器(TWNSC)，除了具有三效催化转化功能外，还能在稀气条件下进行氮氧化物(NOx)吸附式催化转化，支持在发动机低负荷及低废气温度下稀薄运行时的NOx管理(图7(b))。此外，在低废气温度下，TWNSC还具有较高的降低碳氢化合物排放的潜力。通过进一步开发布置在车身下的NOx吸附式催化转化器(NSC)，能改善低废气温度下的脱硫能力，同时进一步拓宽NOx吸附窗口。除了改善NOx转化效率外，还能比目前量产的NSC减少30%贵金属使用量，从根本上降低系统成本 。

7 燃用CNG降低CO2排放

除了采用Camtronic可变凸轮机构和分层燃烧过程降低CO2排放外，新发动机系列还在扩展使用CNG方面进行开发。这种环保型天然气发动机在Mercedes-Benz E级轿车上已有成功的先例，特别是对于出租车和其他运输车辆而言，燃气车具有较低的运行成本，同时因附带汽油运行模块而具有极长的行驶里程。这种可使用2种燃料运行的天然气发动机能高效转换到以BlueDirect发动机标准模块运行。

8 发动机零部件与CNG运行的匹配

燃用CNG运行必须对动力总成进行下列修改：(1)匹配废气涡轮增压器；(2)提高活塞压缩比，并使用带涂层的活塞环槽镶圈；(3)修改气缸盖气门座圈和气门材料。为了喷射天然气，要在增压空气分配器进气歧管安装天然气喷嘴的部位进行修改，并配备相应的喷嘴座(图8(a))。天然气喷嘴在短时间内以高达6A的电流强度(峰值-保持电流波形控制)工作，其优点是即使在温度低至-25℃时也能可靠起动，但为了保护压力调节器等其他部件，规定只用天然气起动的最低温度为-15℃，如低于该温度，则根据冷却水和天然气温度自动切断天然气运行，改用汽油起动。

9 发动机电控单元和CNG部件的网络连接

M270和M274发动机采用Bosch公司MED17.7型电控单元，因BlueDirect发动机采用模块化部件组合，因此，电控单元还带有可供使用的输入和输出接口，但没有控制天然气瓶开关阀、压力调节器和天然气喷嘴等所有CNG部件的接口位置。此外，为集成控制天然气喷嘴的输出级，对发动机电控单元的硬件进行根本性的结构匹配。

采用Mercedes-Benz轻型货车和轿车领域天然气车型通常应用的硬件布局方法，添加1个接口盒，起接口扩展器的作用，使现有汽油车电控单元的硬件能作为通用部件继续使用(图9)。

为了满足对性能和固有安全性提出的高要求，Continental公司开发了32Bit结构并带自行控制级的接口盒。未来的工作能力以可拆卸的6通道薄板设计形式并通过优化装备来考虑。

包括2种运行方式各自独立的故障存储器管理在内的所有天然气功能完全集成在电控单元中，而用于包括电子压力调节器调节回路控制在内的所有天然气部件则由接口盒进行管理。天然气部件的所有电子诊断都在接口盒中进行。通过合适的CAN，将可能的故障记录及发动机控制的传感器值作为原始数据传输，而发动机电控单元则通知CNG开通，以及调节规定的天然气压力额定值。通过4个附加的控制通道，将控制天然气喷嘴的发动机控制数字信号发送到接口盒。同样，用于汽油直喷的压电式喷油器由发动机电控单元直接控制。

即使压缩比从9.8提高到11.0，抗爆震燃料天然气仍能在整个特性曲线场以理想的燃烧重心位置(8～10°CA ATDC)运行，燃烧较早结束且膨胀行程延长致使废气温度极低。此外，由于废气涡轮增压器消耗热量，全负荷时的废气温度水平明显低于催化转化器的容许温度，因而天然气运行时最佳点的比油耗为195g/(kW·h),同时，因甲烷分子CH4具有有利的碳氢比，以及良好的燃烧性能，天然气运行时的CO2排放明显低于汽油运行时的排放量。因此，E级轿车的新欧洲行驶循环(NEDC)百公里CO2排放量仅116g，获得了A+标签的燃油耗认证证书。

在发动机和汽车上采取的所有措施使E级轿车在改善加速性的同时，燃油耗比老车型低22%，与竞争车型相比，这样的燃油耗值明显处于分布带的下端(图10)。

10 结语

4缸M270和M274发动机系列应用Camtronic 可变凸轮机构和分层燃烧过程等技术，并具备使用天然气运行的能力。鉴于未来全球收紧的CO2排放法规，Mercedes-Benz谋求以下具有战略性的突破方向：(1)力争在更宽广的市场推广应用分层燃烧过程和CNG技术，这些基础结构方面的挑战只有在燃料具有足够可用性的情况下才能得以实现；(2)在CO2排放法规不断收紧的情况下，传统4缸汽油机系列必须通过动力总成的混合动力化予以进一步优化。