关于Mercedes-Benz公司4缸增压直喷式汽油机性能分析

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增压直喷式汽油机，其特点是达到了最大限度的效率、动态性能和可变性，并根据市场的特定条件，动力总成系统所采取的降低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，在市场上首次推出了全新Mercedes-Benz4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，并采用压电直接喷射。安装方位的可变性使该发动机系列能适用于所有汽车车型，并能通过1.6 L和2.0 L两种排量变型覆盖宽广的功率型谱。

4缸发动机系列沿用了诸多6缸和8缸BlueDirect发动机的技术功能模块[1]（图2）。Mercedes-Benz缸内直喷技术与压电喷油器、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。为了满足自行提出的严苛的CO2排放目标，根据市场的特定条件，在这些具有高工作能力的基础技术功能模块上又补充了3种发挥不同作用降低燃油耗的技术。

Camtronic可变凸轮机构和分层稀薄燃烧过程这两种降低燃油耗的技术已被应用于这种量产发动机系列，而采用天然气变型（NGD），即天然气驱动，则是第3个重要里程碑，自2013年底开始量产E级NGD车型。

应用可灵活使用的创新技术功能模块，并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，确保这种新发动机系列具有能满足未来要求的工作能力，同时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显著减轻质量、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M270和M274发动机系列的老机型相比，其曲柄连杆机构和链传动的摩擦已明显降低，前者降低了16%，而后者降低了9%[1]。

在该发动机系列的2种排量变型机上，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1 200 r/min时就已达到最大扭矩350 N·m，但在低负荷高扭矩时，必须注意发动机在这一转速范围内的噪声。为了降低噪声-振动-平顺性（NVH）水平，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个完整的单元用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1个机壳内。

为了满足严苛的燃油耗目标要求，兰彻斯特平衡模块完全采用滚动轴承支承，并在量产中首次既采用滚柱轴承径向支承，又采用推力球轴承轴向支承，从而在热机运行状态下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年搭载于CLS350轿车投放市场，以后被逐渐推广应用，自2012年起，BlueDirect燃烧过程在Mercedes-Benz所有新汽油机上属于标准配置，其主要特点是布置在燃烧室中央的压电喷油器及其向外打开的喷油嘴，以及火花塞位于排气门方向，与其相隔一定的距离（图4）。压电喷油器的喷油嘴针阀开关极其迅速，可用于每工作循环最小喷油量的多次喷射，而A型喷油嘴以20 MPa的燃油压力能获得非常良好的混合气准备，以及极为线性的喷油量特性线和较大的稳态流量，从而摆脱了所有汽油机仅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）、燃油耗最佳的催化转化器加热，以及其他方面的优点奠定了基础。

4根据市场特定条件采取3种降低CO2排放的技术

BlueDirect燃烧过程和已实施的基础技术功能组合模块是达到最低燃油耗的基础。随着M274发动机的问世，开发了3种降低燃油耗或CO2排放的技术（图5），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，从而在使用汽油运行时几乎能达到汽油机的极限潜力。压缩天然气（CNG）仅通过改变燃料的化学成分就能获得巨大的降低CO2排放潜力。由于CNG具备有利的抗爆震性能，因此是用于增压汽油机的理想燃料。

采用Camtronic可变凸轮机构, 使降低CO2排放的潜力达到约3%～5%，直到采用CNG运行增加到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。使用低硫燃油降低CO2排放的分层燃烧过程，但迄今仅在欧洲和日本的加油站才普遍存在这种燃油，而美国要到中期才能提供低硫燃油[2]。天然气在全球市场上的可用性极佳，当然，与汽油相比，天然气作为燃料使用所需的附加设施较贵，目前暂时只能起到次要作用。由于该发动机系列采用了模块化结构型式，因此易于适应市场状况的变化。

5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可全球应用的降低燃油耗技术，应用该技术可获得3%～5%的节油潜力或CO2排放潜力。进气凸轮轴的结构型式允许从适用于高负荷/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3.8 mm的小凸轮除了摩擦损失较小外，主要优点在于降低了换气损失。较早结束进气致使在相对较大的发动机特性曲线场范围内几乎无节流地运行，而负荷调节仅通过连续工作的凸轮轴相位调节器进行，但从小凸轮转换到大凸轮或相反转换却是1个很大的挑战。除了高舒适性要求外，首先要考虑转换时废气和燃油耗方面的状况。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[4]。

6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欧洲和日本市场，随着低硫燃油的普遍推广，这种技术能扩展到更宽广的市场，例如美国市场[2]。

分层燃烧过程采取在压缩行程有节奏地喷油，该行程中最后一次喷射位于点火前不久，以形成稳定的混合气和涡流，从而在点火火花范围内形成稳定的近乎化学计量比的混合气，因此，与多火花点火相结合就能在所有的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转速3 500 r/min、平均有效压力0.5 MPa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0.5 MPa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，以便将稀薄运行范围一直扩展到进气全负荷，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。

在采用分层燃烧过程时，因在行驶循环中废气温度较低，因此，对排气后处理系统和催化转化器的工作能力提出了很大挑战。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，并在量产中采用一种新技术，三效NOX吸附式催化转化器除了具有三效催化转化功能外，还能在稀薄废气条件下进行NOX吸附式催化转化，它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，三效NOX吸附式催化转化器还具有较高的降低碳氢化合物(HC)的潜力。通过进一步开发布置在汽车地板下的NOX吸附式催化转化器，能在改善低废气温度下脱硫能力的同时，进一步拓宽NOX吸附窗口。除了改善NOX转化外，还能比目前量产的NOX吸附式催化转化器减少30%贵金属含量，从而能从根本上降低整个系统的成本。

7 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排放之外，该发动机系列还在扩展使用CNG能力方面进行了开发。这种环保型天然气发动机的开发在Mercedes-Benz E级轿车上具有成功的先例，特别是对于出租车和其他运输车而言，燃气汽车具有较低的运行成本，同时因具备附加的汽油运行模块而具有极长的行驶里程。这种可使用两种燃料运行的天然气发动机变型能够高效地转换到BlueDirect发动机标准模块运行。

8发动机零部件与CNG运行的匹配

使用CNG运行必须对动力总成进行下列修改：⑴废气涡轮增压器的匹配；⑵提高活塞压缩比，并使用涂覆涂层的活塞环槽镶圈；⑶修改气缸盖气门座圈和气门材料。为了喷入天然气，增压空气分配器在进气歧管安装每缸1个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，但为了保护例如压力调节器等其他部件，规定纯粹用天然气起动的最低温度只能低至-15℃，低于此温度时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发动机电控系统和CNG部件的网络连接

M270和M274发动机采用Bosch公司MED17.7型电控系统，因BlueDirect发动机采用模块化部件组合，因此，电控系统还带有可供使用的空的输入和输出接口，但并没有控制诸如天然气瓶开关阀、压力调节器和天然气喷嘴等所有CNG部件的接口位置。此外，为集成用于控制天然气喷嘴的输出级，对发动机电控系统的硬件进行了根本性的结构匹配。

采用Mercedes-Benz轻型货车和轿车领域天然气汽车通常应用的硬件布局方法，其中添加的1个接口盒起到接口扩展器的作用，这样现有汽油车电控单元的硬件就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1个32Bit结构并带自行控制级的接口盒，而未来的工作能力则以可拆卸的6通道薄板设计形式通过优化装备来考虑。

所有天然气功能，包括用于2种运行方式分开的故障存储器管理，完全在电控系统中进行，而用于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。各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，并将发动机控制的传感器值作为原始数据传输，而发动机电控系统方面则通知CNG开通，以及用于调节天然气压力所规定的压力额定值，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，汽油直接喷射用的压电喷油器由发动机电控系统直接进行控制。

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8～10ºCA ATDC运行，燃烧较早结束且膨胀加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容许温度，因而天然气运行时的最佳点比燃油耗为195 g/(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，因而天然气运行时的CO2排放明显低于使用汽油运行时的排放量，因此，例如E级轿车的新欧洲行驶循环（NEDC）百公里CO2排放量仅为116 g，从而获得了A+标签的燃油耗认证证书。

发动机和汽车采取的所有措施的总效果，使E级轿车在改善加速性的同时，与老车型相比燃油耗降低高达22%，而与竞争车型相比，这样的燃油耗值明显处于分布带的下端（图10）[3]。

10结语

4缸M270和M274发动机系列采取了Camtronic可变凸轮机构和分层燃烧过程，并具备使用天然气运行的能力等降低燃油耗的技术措施。鉴于未来全球收紧的CO2排放法规，Mercedes-Benz轿车谋求2个具有战略性的突破方向：⑴力争在更宽广的市场推广应用分层燃烧过程和CNG技术[2]，这些基础结构方面的挑战只有在合适燃料具有足够可用性的情况下才得以实现；⑵传统4缸汽油机系列在CO2排放法规不断加剧的情况下，通过动力总成的混合动力化予以进一步优化。