內燃機技術
摘要:為了進入緊湊型轎車領域，Mercedes-AMG公司在Mercedes-Benz-BlueDirect係列4缸直噴式汽油機模塊化組件基礎上開發了一種新型4缸2.0 L直噴式汽油機。為了達到133 kW/L的高升功率，必須在基礎發動機、空氣管路、增壓係統以及排氣裝置等方麵進行改進。
1 高功率低油耗
Mercedes-AMG公司在Mercedes-Benz-A級轎車基礎上首次推出了一種Mercedes-AMG-A45緊湊型轎車，目的是要在該車型領域內開發出功率高、燃油耗低的動力裝置，同時為了使該機型能在全球範圍內使用，必須滿足包括歐6在內的所有廢氣排放法規。為了達到目標，選擇了4缸2.0 L增壓機型動力總成為基礎並與BlueDirect技術的基礎部件相結合[1]。
這種機型內部型號為M133的A45直噴式汽油機是在批產的M270前端橫置式機型的基礎上開發而成的，是Mercedes-Benz公司4缸BlueDirect直噴式汽油機係列中功率最大的機型[2]。為了能達到133 kW/L升功率，其曲柄連杆機構按照爆發壓力15 MPa重新設計，同時增壓裝置和廢氣裝置都以批產要求進行改進，還應預估所產生的熱量，有效地控製熱負荷，盡可能保持與基礎發動機的連接不變，使主要的外形尺寸、相鄰部件的接口以及汽車專用部件保持不變。圖1和表1示出了發動機主要的特性曲線和性能參數。
表1 發動機的主要技術規格
|
項目 |
參數 |
|
發動機型號 |
M133 |
|
發動機結構型式 |
直列4缸 |
|
排量/cm3 |
1 991 |
|
氣缸直徑/mm |
83 |
|
活塞行程/mm |
92 |
|
缸距/mm |
90 |
|
曲軸中心至缸體頂麵高度/mm |
219.85 |
|
連杆長度/mm |
138.7 |
|
主軸承直徑/mm |
55 |
|
連杆軸承直徑/mm |
48 |
|
活塞銷直徑/mm |
22 |
|
額定功率/kW |
265（6 000 r/min） |
|
額定扭矩/N•m |
450（2 250-5 000 r/min） |
|
最高轉速/(r•min-1) |
6 700 |
|
壓縮比 |
8.6 |
|
每缸氣門數 |
4 |
|
最大增壓壓力（相對壓力）/MPa |
O.18 |
|
發動機重量（DIN70020-GZ）/kg |
147.8 |
|
機油換油量/L |
5.5 |
|
燃油 |
RON 98 |
2 氣缸體曲軸箱
對選擇鑄造工藝方法具有決定性作用的因素有重量、熱傳導性和材料的延伸率及高溫強度。采用EN-AC-AlSi7Mg鋁合金材料並選擇金屬模翻箱鑄造工藝方法[3]，使澆注材料能夠可控且無擾動地充滿型腔，並能控製其凝固過程，在軸承座範圍內，經過T7.3兩級熱處理，能夠將拉伸強度Rm提高到300 N/mm2以上。
由於采用了這種鑄造工藝，使得結構設計具有較大的自由度，如氣缸體曲軸箱可采用封閉式頂麵，可消除頂部密封支承麵強度和氣缸工作表麵形狀穩定性受限因素，特別是可以采取中心支架珩磨穩定氣缸工作表麵形狀，同時通過型芯造型來設計氣缸蓋螺栓與主軸承蓋螺栓之間力的傳遞
GJS700球墨鑄鐵主軸承蓋與M10主軸承螺栓共同確保了主軸承連結的剛性。借助有限元法（FEM）的薄弱環節分析來識別必需修改的範圍，並不斷優化。這種設計還被應用於熱量分配上，使冷卻水套水平分成兩部分；下半部水套中的冷卻水縱向流動；上半部水套中的冷卻水垂直流動，並通過有針對性地分配曲軸箱至氣缸蓋的冷卻水流量來促使冷卻水流動。
3 曲柄連杆機構
曲柄連杆機構要承受高達15 MPa爆發壓力，因此采用了5道主軸承支承,軸頸工作表麵采用感應淬硬的44MnSiVS6合金鋼模鍛曲軸和杆身橫截麵積170 mm2的連杆，同時應用了重量優化的賽車用鍛造鋁合金活塞和直徑為22 mm的16MnCr5合金鋼活塞銷。
為了與電弧金屬線材噴塗（LDS）氣缸套工作表麵（毫微米級滑動表麵）相結合獲得最佳的摩擦功率、燃油耗和機油耗，開發了物理汽相沉積塗層（PVD）活塞環組。通過應用帶有整體式離心力配重的雙質量飛輪，消除了因取消質量平衡機構和使用雙作用離合器變速器在低轉速時所產生的發動機二階慣性激勵。
4 氣缸蓋
提高的氣缸蓋負荷對結構設計提出了2項挑戰：（1）氣缸蓋不應對達到目標產生的機械負荷和熱負荷限製；（2）應繼續優化基礎零部件批量製造和裝配工藝的成本。通過摻入鋯石（AlSi10MgZr）改變合金材料的成分，使導熱率改善8%，通過廣泛的模擬計算優化氣缸蓋冷卻水套的設計（圖3）不僅能減少熱量的吸入，還能提高熱傳導能力（圖4）。
5 冷卻係統設計
在這種高負荷發動機上冷卻係統與基本機型相比其每缸所吸收的能量明顯增多。通過廣泛的模擬計算，獲得有效的冷卻係統，確保在整個特性曲線場範圍內和所有的氣候條件下都能保持冷卻水溫度低於110℃。
由於升功率較高，半軸流式冷卻水泵的泵水量需提高15%，因此冷卻水泵的工作葉輪和導向輪都必須重新設計。通過優化進水管接頭能改善穴蝕傾向，而水泵殼和節溫器仍可繼續使用。
發動機和增壓空氣冷卻器的冷卻水循環回路完全分開，從而獲得高效的增壓空氣冷卻效果，使得增壓空氣溫度最多高出25 K。同時變速器機油熱交換器被集成在發動機側的高溫冷卻回路中，而安裝在變速器側的冷卻水泵則用於發動機停機後渦輪增壓器的後續冷卻。通過這種複雜的錯接方式，能夠使冷卻係統高效工作，取消發動機側的後續冷卻。
6 機油循環回路
采用一個電子-機械調節的兩級葉片式機油泵供應機油，按M133機型的要求進行了改進，機油壓力根據特性曲線場要求調節在0.2 MPa和0.4 MPa 2種壓力水平上，降低了機油泵的驅動功率。機油壓力水平低於活塞機油冷卻噴嘴的開啟壓力，能減小機油泵流量，從而進一步降低機油泵的功率消耗。機油冷卻采用機油-水熱交換器，集成在機油濾清器模塊中。
AMG公司的所有發動機產品中，注重發動機橫置和縱置的車輛動態運行，因此M133機型重新設計了包括帶有整體式吸油管的塑料機油集濾器在內的整個油底殼下半部分。
7 空氣管路
與M270基本機型相比，M133空氣管路已修改（圖5）。增壓空氣由分開式低溫冷卻循環回路進行間接冷卻。開發過程中為了盡可能消除空氣管路中的節流，在廢氣渦輪增壓器（ATL）進口前設置了一個非對稱的前置容積，可使特性曲線場中的壓氣機運行極限向上移動。從原始空氣進口直至氣缸蓋進氣道的整段空氣管路被設計得非常短，不超過1200 mm。從壓氣機到進氣門的空氣容積小於6 L，而節氣門至進氣門的空氣容積隻有1.3 L，提升了突發性加速響應性能。
8 增壓係統
對於廢氣渦輪增壓器而言，除了使發動機達到目標功率之外，要確保其低轉速範圍的性能，因此采用了雙渦道廢氣渦輪增壓器，其雙渦道渦輪殼通過將排氣流按缸分開（圖6）使得加速響應特性得到優化。同時根據渦輪的最低壓力（p3）盡可能調整最小的渦輪和壓氣機尺寸排確定廢氣渦輪尺寸時要使發動機最高廢氣背壓限製在0.32 MPa。這關係到殘餘廢氣和總體效率，可在保持渦輪其餘尺寸不變和在非穩態運行時具有相同的增壓能力，通過擴大增壓器中間軸頸橫截麵積5%，使其降低0.02 MPa。
9 排氣歧管和廢氣裝置
排氣歧管被設計成無中空絕熱層的單壁排氣管道，能最大程度地利用排氣門開啟時的氣體脈衝。為了得到最佳換氣效果使各缸排氣流始終按缸分開並使排氣管道長度都為280 mm，管道直徑為42 mm。排氣總管由精密鑄造而成，滿足熱應力、重量、流入廢氣渦輪增壓器以及與廢氣引導管道連接等方麵的高要求。排氣歧管結合麵上的圓柱形凸肩，如第1和第4氣缸處的定位套筒，重量最輕且具有較好剛性。為了適應既定的結構空間並滿足批量生產，采用楔形螺栓緊固替代傳統的凸肩螺栓緊固。
排氣歧管的隔熱護罩的為厚度0.5 mm有襯裏的不鏽鋼薄板結構件，以避免熱輻射。並為行駛運行和停車時風扇後續運轉提供盡可能大的熱交換表麵。
為了有效地降低廢氣渦輪增壓器的高溫，其上方的隔熱罩設計成有一定通風空間的三層薄板件。為禁止熱空氣流從排氣歧管流經點火線圈，排氣歧管隔熱護罩和點火線圈隔熱護罩設計成整體結構組件（圖7）。
10 燃燒
Mercedes-Benz燃燒過程由第3代汽油缸內直噴、油束導向燃燒方法、多火花點火（MSI）以及輔助設備集成管理和整機熱管理係統所組成。這種燃燒過程被命名為BlueDirect，近幾年已在Mercedes-Benz汽油機產品中逐步推廣應用[4,5]。噴油器和火花塞的位置、進氣道幾何形狀以及屋頂形燃燒室都繼承了基本型M270機型（圖8）
M133機型應用的外啟壓電噴油器與Mercedes-Benz直噴式汽油機相同，這樣Mercedes-Benz和Mercedes-AMG公司排量在1.6～5.5 L的4、6和8缸直噴式汽油機機型都使用結構相同的噴油器。這種噴油器噴油量跨度大（1～150 mg），還具備良好的混合氣準備性能和高噴霧穩定性，對於達到的發動機功率具有決定性意義。噴油係統的柔性性能夠根據運行工況點的需求獲得最佳的混合氣準備、廢氣排放水平並達到全負荷功率，噴油過程中的噴油次數、噴油量分配以及時間定位都能符合各個負荷/轉速工況點的具體需求（圖9）。在發動機熱機運行時每個工作循環最多噴射3次，其中進行第2次噴射是為了在壓縮行程期間獲得良好的混合氣準備，此外還通過局部提高火花塞附近充量的擾動來改善著火燃燒性能。
在發動機暖機運行期間，為了避免燃油潤濕而產生顆粒排放，采用多次短暫噴射運行（“Homogen-Split Betriet”）,此時每個工作循環多達5次噴射。降低顆粒排放基於噴油量和噴油時刻的匹配以及將子噴射油量特別是著火噴油量減少到1 mg以下。
這種燃燒過程的優點對降低發動機燃油耗起到有利作用。為了達到所必需的平均有效壓力必須將壓縮比調整到ε=8.6。在實際行駛運行中用戶能在較大的特性曲線場範圍內獲得be＜240 g/kWh的有效比燃油耗，而在動態行駛時燃油耗也能保持在非常低的水平，特性曲線場中的最低燃油耗為234 g/kWh，同時通過部分負荷的優化也能達到非常好的燃油耗水平，在轉速n=2 000 r/min和平均有效壓力pm=0.2 MPa的性能比較特征工況點的有效比燃油耗為be=368 g/kWh。
該直噴式汽油機的最大平均有效壓力超過了2.8 MPa，這不僅為汽車等級樹立了新標杆，其最大扭矩達到450 N•m(2 250～5 000 r/min)，額定功率為265 kW(6000 r/min)，這相當於升功率達到了133 kW/L、升扭矩226 N•m/L，與同類競爭機型相比處於FEV分布帶上端。
使用這種新機型要滿足未來廢氣排放法規的要求。M133機型的廢氣排放水平可通過有針對性的使用性匹配來達到北美市場ULEV70超低排放汽車標準。由於歐洲市場的準入標準已要求達到歐6第二階段廢氣排放值，所以該機型也適用於歐洲市場。從2017年起生效的廢氣排放基線是低顆粒數排放限值，該機型采用中央布置壓電噴油器和20 MPa噴油壓力的燃燒過程有助於達到排放要求，技術重點在於噴射時刻和噴油量分配的燃油噴射管理，在暖機運行期間避免燃油潤濕燃燒室壁麵，從而達到較低的顆粒排放水平。
11 行駛動力性能
M133機型已借助空氣管路的優化和雙渦道渦輪增壓器及軟件措施解決了高升功率與靈活機動性之間的目標衝突。渦輪增壓器部分負荷加速的響應性能具有重要意義，通過凸輪相位的調節獲得較大的掃氣量，40°曲軸轉角較大相位角調節範圍的進排氣凸輪軸組合是最合適的，使增壓器達到加速響應，通過掃氣和不同軟件的優化，進一步改善發動機的加速響應性能。如通過采取所有的優化措施，從恒速行駛（60 km/h時的部分負荷）開始負荷躍變值到達發動機最大扭矩450 N•m所需的時間可縮短25%，可使汽車具有可感的動態加速度值，使靈活機動性明顯改善。
12 聲學性能
為了使駕駛者也能感覺到這種優良的動力性能，AMG公司開發了一種能發出聲響的運動型廢氣裝置。這種裝置具有較大橫截麵積的排氣管和自動控製廢氣閥並運用在SLK 55 AMG轎車，解決了優異動力性能與高舒適性之間的目標衝突[6]。這種自動控製廢氣閥按照駕駛者所期望的功率，由發動機電控單元根據所選的行駛程序的負荷狀況和發動機轉速進行操縱，其中有一個重要的調整杆用於發出聲響和顯示各種不同行駛程序。此外，在“S”和“M”行駛程序中，換低速檔時節氣門部分開啟功能及在全負荷下換高速檔時點火和噴油時會引起短暫的聲響，這通常隻有4缸以上的動力總成才能發出的聲響。
12 噪聲-振動-剛性（NVH）特性的開發
出於外形尺寸和重量的原因必須取消質量平衡機構，並在早期開發階段解決了機械構件較大的振動負荷對車內噪聲的不利影響。通過在汽車方麵采取的隔音措施和電控廢氣閥能將車內第2階發動機噪聲降到較低水平，還可針對行駛動力性能的要求來調整動力總成的支承，以達到優異的振動性能。
為了有效地隔離扭轉振動傳入全輪驅動傳動係中，應用了帶有離心力配重的雙質量飛輪，因此在汽車方麵再采取其它阻止低速脈動的措施，與汽車行駛動力性能方麵的要求沒有目標衝突。
13 結語
Mercedes-AMG公司為了使其發動機產品進入緊湊型轎車領域開發了一種新型的4缸2.0 L直噴式汽油機，以Mercedes-Benz-
BlueDirect係列的4缸動力總成的模塊化組合部件為基礎開發而成的。
M133直噴式汽油機的功率為265 kW，搭載於A45 AMG轎車的新歐洲行駛循環（NEFZ），燃油耗僅6.9 L/100km，能滿足包括歐6在內的全球所有廢氣排放法規的要求。
M133為達到133 kW/L高升功率必須在基礎發動機、空氣管路、增壓係統以及廢氣裝置等方麵進行廣泛的修改，同時冷卻係統和熱管理係統也必須進行改進，但是仍然盡可能多地繼承BlueDirect係列組合部件中的零部件以及氣缸體曲軸箱和氣缸蓋等重要零部件，能夠適應生產線上製造等方麵的開發目標，在Mercedes緊湊型轎車平台上的裝配狀況受到限製。
M133直噴式汽油機在A45 AMG轎車上，與換擋時間短的雙作用離合器變速器相組合充分發揮了效用，並以AMG公司典型的排氣聲響以及按功率能力設計的全驅動係統而令人關注。
