◆文/浙江 范明強(qiáng)

奔馳M270增壓直噴式汽油發(fā)動機(jī)(上)

◆文/浙江 范明強(qiáng)

范明強(qiáng)

(本刊編委會委員)

教授級高級工程師，參加過陜西汽車制造總廠的籌建工作，主管柴油機(jī)的產(chǎn)品開發(fā)；1984年調(diào)往機(jī)械工業(yè)部無錫油泵油嘴研究所，曾任一汽無錫柴油機(jī)廠、第一汽車集團(tuán)公司無錫研究所高級技術(shù)顧問、湖南奔騰動力科技有限公司總工程師。

2011年底，型號為M270的4缸1.6L渦輪增壓直噴式汽油發(fā)動機(jī)批量搭載奔馳公司新型B級轎車面世。M270將壓電噴油器直接噴射與最佳的渦輪增壓設(shè)計與降低摩擦的基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)組合起來，以滿足對機(jī)動性、燃油耗和舒適性等方面更高的要求。該機(jī)型的排量為1.6L，功率為90 kW或115kW，采用了小型化和模塊化新技術(shù)。具有2010年在新的V6和V8增壓直噴式汽油發(fā)動機(jī)上就已采用的第3代缸內(nèi)直接噴射油束引導(dǎo)燃燒過程、多火花點(diǎn)火和直接啟動-停車功能等技術(shù)(圖1)，其中包括新開發(fā)的廢氣渦輪增壓器用的雙通道分流式排氣管及其廢氣溫度可高達(dá)1 050℃的廢氣渦輪增壓器、結(jié)構(gòu)空間優(yōu)化的冷卻液泵、壓力損失優(yōu)化的球形節(jié)溫器、可兩級調(diào)節(jié)的葉片式機(jī)油泵、整體式輔助設(shè)備與冷卻液熱管路系統(tǒng)及降低摩擦功率的曲柄連桿機(jī)構(gòu)和鏈傳動機(jī)構(gòu)。同時，在該發(fā)動機(jī)系列內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了用于發(fā)動機(jī)橫向安裝的前排氣設(shè)計方案，縱置和橫置發(fā)動機(jī)分別都采用了各自最合適的冷卻方案。

一、汽缸體曲軸箱

壓鑄鋁汽缸體曲軸箱的主要開發(fā)目標(biāo)是顯著減輕重量、進(jìn)一步降低曲柄連桿機(jī)構(gòu)的摩擦和采用新的橫流式冷卻。汽缸體曲軸箱設(shè)計方案要兼顧到橫置式和縱置式發(fā)動機(jī)生產(chǎn)設(shè)備的通用性。作為減輕重量的主要措施是與老機(jī)型一樣，將汽缸體曲軸箱設(shè)計成缸心距為90mm的深裙型頂部開放式結(jié)構(gòu)型式，并采用AlSi9Cu3鋁合金壓鑄而成。汽缸體曲軸箱結(jié)構(gòu)空間的縮小使得發(fā)動機(jī)在未來的汽車結(jié)構(gòu)系列中通常能夠適用于全輪驅(qū)動。在隨后加大排量的變型機(jī)上添加了平衡軸裝置。由于對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛的優(yōu)化，與老機(jī)型相比汽缸體曲軸箱重量足足減輕了3.5kg。

汽缸孔鑲有十分可靠的灰鑄鐵耐磨襯套，并通過鼻梁鉆孔冷卻。汽缸工作表面采用超精珩磨，其珩磨表面粗糙度微觀高度要比迄今為止的汽缸工作表面減小約一半，同時機(jī)油回油量減少了三分之一。這種措施與活塞組摩擦副的精細(xì)調(diào)整相結(jié)合，使得發(fā)動機(jī)的機(jī)油油耗減少了約30%，功率損耗降低了16%。

二、曲柄連桿機(jī)構(gòu)

開發(fā)重點(diǎn)球墨鑄鐵曲軸采用鑄造工藝可以通過連桿軸頸的空心鑄造來實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)。作為減輕曲柄連桿機(jī)構(gòu)振動和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的措施，曲軸平衡重從8塊改成4塊，使其與老機(jī)型相比曲軸重量總共減輕了27%。

圖1 M270四缸汽油發(fā)動機(jī)所應(yīng)用的技術(shù)

通過應(yīng)用先進(jìn)的CAE(計算機(jī)輔助工程)方法優(yōu)化活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得在升功率高達(dá)72kW/L的增壓發(fā)動機(jī)上能夠應(yīng)用鑄造鋁活塞。即使汽缸直徑比老機(jī)型加大了1mm，但是由于采用耐高溫鋁合金鑄造的活塞具有輕量化結(jié)構(gòu)型式，其重量反而減輕了9%。

第一道活塞環(huán)槽經(jīng)硬化陽極化處理，并裝用對稱球面矩形環(huán)；第二道為帶槽氣環(huán)；第三道為由3部分組成的涂層刮油環(huán)?；钊h(huán)切向張力與進(jìn)一步優(yōu)化的超精珩磨工作表面相結(jié)合，將其摩擦功率、機(jī)油耗和漏氣量優(yōu)化到最小值。除了減小活塞環(huán)張力之外，不對稱的活塞裙部承壓面積明顯縮小并優(yōu)化其石墨涂層，活塞配缸間隙也經(jīng)精心匹配，并采用噴機(jī)油冷卻活塞，這些措施都對減少摩擦作出了決定性的貢獻(xiàn)。

模鍛連桿被設(shè)計成最輕的重量，梯形連桿小頭孔內(nèi)鑲有薄壁全青銅襯套，連桿大頭采用脹裂工藝剖分，并用M7螺栓緊固。連桿長度為152.2mm，曲柄連桿比為0.24，行程缸徑比為0.89，它們均為獲得良好的發(fā)動機(jī)聲學(xué)特性和低的摩擦奠定了非常好的基礎(chǔ)，再與上述所介紹的往復(fù)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的明顯減小相結(jié)合，曲柄連桿機(jī)構(gòu)方面對噪聲-振動-粗糙度(NVH)特性具有重要意義的二級慣性力減小了31%。

三、 鏈傳動機(jī)構(gòu)

這種直噴式汽油發(fā)動機(jī)配備了新型的齒形鏈傳動機(jī)構(gòu)。與通常的鏈傳動機(jī)構(gòu)相比，其突出的特點(diǎn)是在外形寬度減小20%的同時疲勞強(qiáng)度提高了30%，這是通過將鏈銷壓配在中間接片中達(dá)到的，這樣就可以分散負(fù)荷，變形最小，使得鏈節(jié)中的負(fù)荷分配更為理想，從而使鏈條強(qiáng)度提高了約50%，即使在極端的運(yùn)行條件下鏈條磨損后的長度伸長仍要小于0.2%。此外，精細(xì)沖壓的接片切口部分平整，并具有非常平整的功能表面，在摩擦測量中摩擦系數(shù)較低。

上述措施的綜合效果使得曲柄連桿機(jī)構(gòu)和鏈傳動機(jī)構(gòu)中的摩擦功率分別比老機(jī)型降低了16%和9%，曲柄連桿機(jī)構(gòu)的重量減輕了18%，而鏈傳動機(jī)構(gòu)的重量減輕了7%(圖2)。此外，為了避免高頻干擾噪聲，鏈傳動機(jī)被設(shè)計成具有最佳NVH特性。

圖2 摩擦和重量的優(yōu)化

四、汽缸蓋、冷卻和熱管理

這種汽油發(fā)動機(jī)具有較高的增壓度，熱負(fù)荷也就較高，因此必須對燃燒室進(jìn)行強(qiáng)烈的冷卻。燃燒室的冷卻是采用雙層冷卻水套和全橫流式冷卻方式實(shí)現(xiàn)的，而且冷卻液是從汽缸體曲軸箱排氣側(cè)向中心流動的。按此方式每缸燃燒室的冷卻水流被分成5條途徑流動(圖3)，各自分別只一次流經(jīng)相應(yīng)的熱區(qū)，并與最佳的體積流量分配相結(jié)合，在壓力損失較小的同時獲得了非常有效的冷卻效果，使得所有汽缸的燃燒室溫度相對較低且?guī)缀鹾愣ú蛔?，為獲得穩(wěn)定和低燃油耗的燃燒提供了必要的前提條件。與此同時進(jìn)行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化使得汽缸蓋即使結(jié)構(gòu)型式明顯緊湊并減輕了重量，但仍具有較高的剛度，這就確保用戶能夠使用到非常高的行駛功率。

圖3 汽缸蓋冷卻方案

（未完待續(xù)）