付貽瑋，朱春紅，李婕，徐天池

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汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

付貽瑋，朱春紅，李婕，徐天池

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，北京 100176）

M276自上市以來得到廣泛關(guān)注，其在結(jié)構(gòu)、材料、工藝等方面都較M272有很大的變化，使得它結(jié)構(gòu)更加緊湊、質(zhì)量輕、熱效率高。同時(shí)在燃油供給系統(tǒng)中采用最新一代壓電式噴油器和噴油嘴導(dǎo)向型汽油直接噴射系統(tǒng)，是開發(fā)的第三代直接噴射系統(tǒng)。

M276發(fā)動(dòng)機(jī)；優(yōu)化；燃油供給系統(tǒng)

前言

自2010年秋季起，梅賽德斯-奔馳的S級和S級雙門轎跑車逐漸采用新一代V6和V8型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，分別以M276和M278取代型號M272和M273。M276采用了更多新工藝新技術(shù)，比M272減少了近15公斤重量，燃油消耗降低約18%。

M276發(fā)動(dòng)機(jī)與M272相比結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、熱效率高。機(jī)油的更換量由8.0升降至6.5升，機(jī)油容積的顯著降低使油底殼尺寸得以縮小，新開發(fā)的油底殼，可將其制成經(jīng)過優(yōu)化的薄壓鑄件，可將重量減輕約2.5千克。同時(shí)冷卻液使用量由11升減少到10.2升，由于冷卻回路縮短，水泵工作所消耗的能量是M272發(fā)動(dòng)機(jī)的一半左右。此外，節(jié)溫器、水泵皮帶輪、管路均由塑料制成，使發(fā)動(dòng)機(jī)整體重量進(jìn)一步下降。同時(shí)，M276發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油供給與噴射、點(diǎn)火系統(tǒng)等方面均有性能方面的優(yōu)化。

M276發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸數(shù)為6缸，排列方式為V型，冷卻方式為水冷，缸徑92.9mm，行程為86mm，發(fā)動(dòng)機(jī)排量為3.498L，轉(zhuǎn)速為6500rpm時(shí)最大輸出功率為225kW，轉(zhuǎn)速為3500-5250rpm時(shí)最大扭矩為370Nm，壓縮比為6。噴油器電壓為125V-160V，最多5次部分噴射，針閥行程35μm，向燃燒室方向移動(dòng)，燃油噴束成空心錐形。進(jìn)氣管包括長進(jìn)氣管、短進(jìn)氣管和進(jìn)氣管左右諧振，分別對應(yīng)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速為小于1750rpm、1750rpm到3500rpm之間和大于3500rpm。高壓供油系統(tǒng)有4種狀態(tài)：啟動(dòng)模式、負(fù)荷模式、滑行和怠速運(yùn)行模式、低壓緊急運(yùn)行模式。

奔馳M276采用最新一代壓電式噴油器和噴油嘴導(dǎo)向型汽油直接噴射系統(tǒng)，是開發(fā)的第三代直接噴射系統(tǒng)。供給壓力可根據(jù)工作模式進(jìn)行調(diào)節(jié)，介于120至200bar之間。該系統(tǒng)通過兩條單獨(dú)的油軌進(jìn)行無回流高壓供給。在M276中，高壓由一個(gè)高壓泵供給，高壓泵位于右側(cè)進(jìn)氣道的后端，并由三個(gè)凸輪促動(dòng)。新開發(fā)的帶壓電式促動(dòng)器的高壓噴油器每個(gè)工作循環(huán)最多能進(jìn)行五次高度精準(zhǔn)的噴射。

1 低壓燃油回路

當(dāng)燃油系統(tǒng)控制單元(N118)接收到燃油泵打開信號，燃油泵(M3)打開。該信號由電控多端順序燃料噴注/點(diǎn)火系統(tǒng)的控制單元（ME）通過傳動(dòng)系統(tǒng)控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CANC）作為CAN信號和接地信號進(jìn)行雙重傳輸。燃油系統(tǒng)控制單元還接收ME的“標(biāo)稱燃油壓力”CAN信號，燃油系統(tǒng)控制單元根據(jù)來自燃油壓力傳感器(B4/7)的電壓信號檢測當(dāng)前燃油壓力，并將該信息通過CANC傳輸至ME，燃油系統(tǒng)控制單元檢測當(dāng)前燃油壓力，與規(guī)定燃油壓力進(jìn)行比較，并在必要時(shí)利用脈沖寬度調(diào)制信號(PWM信號)促動(dòng)燃油泵，使標(biāo)稱壓力等于規(guī)定壓力。根據(jù)燃油溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，燃油泵壓力被控制在約4.5至6.7 bar之間。為進(jìn)行促動(dòng)，燃油泵將燃油從供油模塊中抽出，然后通過燃油濾清器將其泵入燃油系統(tǒng)高壓泵中(不帶回流管的單管路系統(tǒng))。當(dāng)燃油壓力約為7至9 bar時(shí)，燃油濾清器中的溢流閥打開，濾清器上游的燃油通過T形件流走，后者會(huì)驅(qū)動(dòng)20至40升/小時(shí)的吸油噴射泵，該吸油噴射泵將燃油從左側(cè)燃油箱室輸送至供油模塊(在右側(cè)燃油箱室中)，從而防止燃油箱的一側(cè)被排空，燃油濾清器的供油管路中有一個(gè)止回閥，可防止燃油壓力在燃油泵關(guān)閉后下降(降至4.5 bar以下)。燃油低壓回路的工作原理如圖1所示。

圖1 燃油低壓回路的工作原理

低壓燃油分配器；19-燃油系統(tǒng)高壓泵；55-供油模塊；55a-右側(cè)抽吸引射泵；75-燃油箱；55/2a-燃油濾清器；55/2b-溢流閥；55/2c-止回閥；75a-左側(cè)抽吸引射泵；B4/7-燃油壓力傳感器；M3-燃油泵 (FP)；A 至燃油濾清器的燃油供給；B 自溢流閥的回油；C 至燃油系統(tǒng)高壓泵的燃油

2 高壓燃油回路

燃油高壓回路中產(chǎn)生噴射所需的約200 bar壓力的燃油，在油軌中進(jìn)行調(diào)節(jié)和存儲(chǔ)。ME控制單元讀取燃油壓力和溫度傳感器(B4/25)信息并調(diào)節(jié)高壓燃油壓力。來自燃油箱的燃油從低壓燃油分配器流至燃油系統(tǒng)高壓泵，在最高200bar的壓力下(根據(jù)工況)輸送燃油，并將其通過高壓管路和油軌輸送至噴油器。每個(gè)氣缸蓋的三個(gè)噴油器由其油軌直接供給燃油。燃油系統(tǒng)高壓泵上配有油量控制閥(Y94)，可根據(jù)規(guī)定燃油壓力，調(diào)節(jié)輸送至泵元件處的燃油量。燃油壓力和溫度傳感器檢測油軌中的當(dāng)前燃油壓力以及左側(cè)燃油溫度。工作壓力最高約為200bar，只有當(dāng)車輛靜止且換檔桿處于N檔或P檔時(shí)，壓力才會(huì)降至150bar，以減少燃油系統(tǒng)高壓泵的噪音。如果在發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較高時(shí)停止車輛，燃油高壓回路中的燃油壓力可能會(huì)増加至250 bar(+l7bar)。一旦達(dá)到該閾值，燃油系統(tǒng)高壓泵中的限壓閥即會(huì)打開，隨后壓力降低。起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，壓力迅速降至200bar的標(biāo)準(zhǔn)工作壓力。為實(shí)現(xiàn)對油軌壓力的調(diào)節(jié)，ME通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號促動(dòng)油量控制閥，直至油軌中達(dá)到設(shè)定燃油壓力。兩條油軌上有幾條漏油管，如果噴油器與油軌之間的密封圈發(fā)生泄漏，這幾條管路可將燃油導(dǎo)入氣缸蓋，防止燃油溢出，從而防止溫度較高的零件著火。燃油高壓回路的工作原理如圖2所示。

圖2 燃油高壓回路的工作原理

18-低壓燃油分配器；18/1-燃油供給 (低壓)；18/2-帶維修閥的檢查接口；19-燃油系統(tǒng)高壓泵；20a-左側(cè)油軌；20b-右側(cè)油軌；21-漏油管；B4/25-燃油壓力和溫度傳感器；Y76/1-1號氣缸的噴油器；Y76/2-2號氣缸的噴油器；Y76/3-3號氣缸的噴油器；Y76/4-4號氣缸的噴油器；Y76/5-5號氣缸的噴油器；Y76/6-6號氣缸的噴油器；Y94-油量控制閥；A-燃油低壓；B-燃油高壓

調(diào)節(jié)燃油高壓回路期間，區(qū)分為以下幾種工況。起動(dòng)時(shí)，油量控制閥通電并關(guān)閉因此，燃油系統(tǒng)高壓泵達(dá)到最大供油量，且壓力迅速增長，燃油泵壓力約4.5至6.7bar。正常模式時(shí)，油量控制閥通過占空比調(diào)節(jié)燃油高壓，燃油泵壓力與燃油溫度相關(guān)，約介于3.0至5.5bar之間，燃油預(yù)供油壓力根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和燃油溫度變化，介于4.5至6.7bar之間(絕對值)。低壓應(yīng)急運(yùn)行模式時(shí)，油量控制閥斷電并因此打開，燃油泵壓力約為4.5至6.7bar，燃油通過打開的燃油控制閥流入油軌，延長噴油器的促動(dòng)，層狀燃燒受阻，輸出功率降低，最大速度約為70km/h。停止時(shí)，油量控制閥斷電并打開，燃油泵未被促動(dòng)。

3 燃油安全切斷

安全性燃油切斷功能是為了確保交通和乘客安全。ME控制單元根據(jù)以下傳感器和信號控制安全性燃油切斷：曲軸霍爾傳感器(B70)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門定位器(M1/6)，節(jié)氣門位置、輔助防護(hù)系統(tǒng)控制單元(N2/10)、通過底盤控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN E)傳送的間接碰撞信號。在以下情況下，ME會(huì)啟用安全性燃油切斷。有節(jié)氣門促動(dòng)器發(fā)生機(jī)械故障時(shí)，如果ME在評估節(jié)氣門位置時(shí)檢測到節(jié)氣門促動(dòng)器存在機(jī)械故障，則通過關(guān)閉噴油器將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制為約1400rpm(怠速時(shí))或約1800rpm(駕駛模式下)。有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號丟失時(shí)，如果曲軸霍爾傳感器產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號缺失，則燃油泵通過燃油系統(tǒng)控制單元關(guān)閉。有碰撞信號時(shí)，如果ME間接地通過底盤控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN E)或直接接收到來自輔助防護(hù)裝置控制單元的碰撞信號，則會(huì)通過燃油系統(tǒng)控制單元或直接通過傳動(dòng)系統(tǒng)控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN C)關(guān)閉燃油泵和油量控制閥，以降低燃油系統(tǒng)的壓力。

4 總結(jié)

奔馳M276發(fā)動(dòng)機(jī)自裝車使用以來，其在機(jī)械工藝和技術(shù)、燃油噴射技術(shù)、點(diǎn)火技術(shù)等方面的優(yōu)越性能得到廣泛的認(rèn)可，裝用M276發(fā)動(dòng)機(jī)的梅賽德斯-奔馳的S級和S級雙門轎跑車在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放等方面均有出色的表現(xiàn)。隨著M276發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷改進(jìn)和優(yōu)化，其發(fā)展前景廣闊。

[1] 朱劍明,彭代勇.世界能源現(xiàn)狀與內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排的戰(zhàn)略意義[J]. 現(xiàn)代車用動(dòng)力,2009(4):1-6.

[2] 李雁飛,郭恒杰,王建昕,徐宏明.高背壓下GDI油束噴霧特性的試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2016,（04）:326-333.

Optimization design of fuel supply system for an automotive engine

Fu Yiwei, Zhu Chunhong, Li Jie, Xu Tianchi

( School of Automotive Engineering, Beijing Polytechnic, Beijing 100176 )

M276 has attracted much attention since it was listed on the market. Its structure, material and technology have changed a lot compared with M272, making it more compact, light weight and high thermal efficiency. At the same time, the latest generation of piezoelectric injector and nozzle-guided gasoline direct injection system are used in the fuel supply system, which is the third generation of direct injection system developed.

M276 engine; optimization; fuel supply system

TK418

A

1671-7988(2018)21-186-03

TK418

A

1671-7988(2018)21-186-03

付貽瑋，就職于北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.063