開發(fā)了一種全新Mercedes-Benz發(fā)動(dòng)機(jī)系列，分別是內(nèi)部型號(hào)為M270和M274的4缸BlueDirect增壓直噴式汽油機(jī)，其特點(diǎn)是達(dá)到了最大限度的效率、動(dòng)態(tài)性能和可變性，并根據(jù)市場(chǎng)的特定條件，動(dòng)力總成系統(tǒng)所采取的降低CO2排放的技術(shù)確保了在不同基本配置情況下都能獲得最佳的燃油耗值。

1橫置式和縱置式4缸發(fā)動(dòng)機(jī)系列

2011年11月底，在市場(chǎng)上首次推出了全新Mercedes-Benz4缸發(fā)動(dòng)機(jī)系列，其內(nèi)部型號(hào)為M270和M274（圖1），分別為橫置式和縱置式結(jié)構(gòu)，并采用壓電直接噴射。安裝方位的可變性使該發(fā)動(dòng)機(jī)系列能適用于所有汽車車型，并能通過(guò)1.6 L和2.0 L兩種排量變型覆蓋寬廣的功率型譜。

4缸發(fā)動(dòng)機(jī)系列沿用了諸多6缸和8缸BlueDirect發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)功能模塊[1]（圖2）。Mercedes-Benz缸內(nèi)直噴技術(shù)與壓電噴油器、最佳的增壓器渦輪設(shè)計(jì)和摩擦損失不斷降低的基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合滿足了對(duì)靈活性、舒適性和燃油耗的最高要求。為了滿足自行提出的嚴(yán)苛的CO2排放目標(biāo)，根據(jù)市場(chǎng)的特定條件，在這些具有高工作能力的基礎(chǔ)技術(shù)功能模塊上又補(bǔ)充了3種發(fā)揮不同作用降低燃油耗的技術(shù)。

Camtronic可變凸輪機(jī)構(gòu)和分層稀薄燃燒過(guò)程這兩種降低燃油耗的技術(shù)已被應(yīng)用于這種量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)系列，而采用天然氣變型（NGD），即天然氣驅(qū)動(dòng)，則是第3個(gè)重要里程碑，自2013年底開始量產(chǎn)E級(jí)NGD車型。

應(yīng)用可靈活使用的創(chuàng)新技術(shù)功能模塊，并在滿足全球不同市場(chǎng)和法規(guī)要求的同時(shí)，確立持續(xù)降低燃油耗的目標(biāo)，確保這種新發(fā)動(dòng)機(jī)系列具有能滿足未來(lái)要求的工作能力，同時(shí)為動(dòng)力總成不受限制地達(dá)到最高效率和工作能力奠定了基礎(chǔ)。

2發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)

鋁壓鑄氣缸體曲軸箱和曲柄連桿機(jī)構(gòu)的開發(fā)目標(biāo)包括顯著減輕質(zhì)量、進(jìn)一步降低曲柄連桿機(jī)構(gòu)摩擦，以及采用新型橫流式冷卻。與M270和M274發(fā)動(dòng)機(jī)系列的老機(jī)型相比，其曲柄連桿機(jī)構(gòu)和鏈傳動(dòng)的摩擦已明顯降低，前者降低了16%，而后者降低了9%[1]。

在該發(fā)動(dòng)機(jī)系列的2種排量變型機(jī)上，廢氣渦輪增壓器針對(duì)低轉(zhuǎn)速工作能力（低速扭矩）的設(shè)計(jì)是非常成功的。2.0L發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1 200 r/min時(shí)就已達(dá)到最大扭矩350 N·m，但在低負(fù)荷高扭矩時(shí)，必須注意發(fā)動(dòng)機(jī)在這一轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的噪聲。為了降低噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH）水平，采用極為緊湊的蘭徹斯特平衡模塊以平衡二階慣性力（圖3）。無(wú)須修改基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)，這種平衡模塊作為1個(gè)完整的單元用螺栓緊固在主軸承座上。為了避免油底殼中的攪動(dòng)損失，該模塊被完全封閉在1個(gè)機(jī)殼內(nèi)。

為了滿足嚴(yán)苛的燃油耗目標(biāo)要求，蘭徹斯特平衡模塊完全采用滾動(dòng)軸承支承，并在量產(chǎn)中首次既采用滾柱軸承徑向支承，又采用推力球軸承軸向支承，從而在熱機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下平衡模塊的摩擦功率損失比老機(jī)型降低46%。

3燃燒過(guò)程

Mercedes-Benz的BlueDirect燃燒過(guò)程于2006年搭載于CLS350轎車投放市場(chǎng)，以后被逐漸推廣應(yīng)用，自2012年起，BlueDirect燃燒過(guò)程在Mercedes-Benz所有新汽油機(jī)上屬于標(biāo)準(zhǔn)配置，其主要特點(diǎn)是布置在燃燒室中央的壓電噴油器及其向外打開的噴油嘴，以及火花塞位于排氣門方向，與其相隔一定的距離（圖4）。壓電噴油器的噴油嘴針閥開關(guān)極其迅速，可用于每工作循環(huán)最小噴油量的多次噴射，而A型噴油嘴以20 MPa的燃油壓力能獲得非常良好的混合氣準(zhǔn)備，以及極為線性的噴油量特性線和較大的穩(wěn)態(tài)流量，從而擺脫了所有汽油機(jī)僅使用一種噴油器型式的局面。這些性能與多火花點(diǎn)火相結(jié)合，為低顆粒排放燃燒、良好的冷起動(dòng)性能（即使使用高乙醇含量的燃油）、燃油耗最佳的催化轉(zhuǎn)化器加熱，以及其他方面的優(yōu)點(diǎn)奠定了基礎(chǔ)。

4根據(jù)市場(chǎng)特定條件采取3種降低CO2排放的技術(shù)

BlueDirect燃燒過(guò)程和已實(shí)施的基礎(chǔ)技術(shù)功能組合模塊是達(dá)到最低燃油耗的基礎(chǔ)。隨著M274發(fā)動(dòng)機(jī)的問(wèn)世，開發(fā)了3種降低燃油耗或CO2排放的技術(shù)（圖5），根據(jù)市場(chǎng)特定條件或用戶需求來(lái)選用。借助于Camtronic可變凸輪機(jī)構(gòu)變換氣門升程僅用于降低換氣損失，而采用分層燃燒還能明顯改善高壓效率，從而在使用汽油運(yùn)行時(shí)幾乎能達(dá)到汽油機(jī)的極限潛力。壓縮天然氣（CNG）僅通過(guò)改變?nèi)剂系幕瘜W(xué)成分就能獲得巨大的降低CO2排放潛力。由于CNG具備有利的抗爆震性能，因此是用于增壓汽油機(jī)的理想燃料。

采用Camtronic可變凸輪機(jī)構(gòu), 使降低CO2排放的潛力達(dá)到約3%～5%，直到采用CNG運(yùn)行增加到20%以上。如圖5所示，各種技術(shù)降低CO2排放的潛力逐步提高，但這些技術(shù)的附加設(shè)施在全球市場(chǎng)上的可用性卻逐漸降低。使用低硫燃油降低CO2排放的分層燃燒過(guò)程，但迄今僅在歐洲和日本的加油站才普遍存在這種燃油，而美國(guó)要到中期才能提供低硫燃油[2]。天然氣在全球市場(chǎng)上的可用性極佳，當(dāng)然，與汽油相比，天然氣作為燃料使用所需的附加設(shè)施較貴，目前暫時(shí)只能起到次要作用。由于該發(fā)動(dòng)機(jī)系列采用了模塊化結(jié)構(gòu)型式，因此易于適應(yīng)市場(chǎng)狀況的變化。

5可變氣門升程機(jī)構(gòu)降低CO2排放

應(yīng)用Camtronic可變凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行氣門升程轉(zhuǎn)換是可全球應(yīng)用的降低燃油耗技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)可獲得3%～5%的節(jié)油潛力或CO2排放潛力。進(jìn)氣凸輪軸的結(jié)構(gòu)型式允許從適用于高負(fù)荷/轉(zhuǎn)速范圍的標(biāo)準(zhǔn)凸輪轉(zhuǎn)換到適用于部分負(fù)荷范圍的小凸輪。圖6示出了Camtronic可變凸輪機(jī)構(gòu)的機(jī)械工作原理。最大氣門升程3.8 mm的小凸輪除了摩擦損失較小外，主要優(yōu)點(diǎn)在于降低了換氣損失。較早結(jié)束進(jìn)氣致使在相對(duì)較大的發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)幾乎無(wú)節(jié)流地運(yùn)行，而負(fù)荷調(diào)節(jié)僅通過(guò)連續(xù)工作的凸輪軸相位調(diào)節(jié)器進(jìn)行，但從小凸輪轉(zhuǎn)換到大凸輪或相反轉(zhuǎn)換卻是1個(gè)很大的挑戰(zhàn)。除了高舒適性要求外，首先要考慮轉(zhuǎn)換時(shí)廢氣和燃油耗方面的狀況。在這方面，BlueDirect燃燒過(guò)程的技術(shù)組合允許噴油時(shí)間和多火花點(diǎn)火有很大的自由度，在凸輪軸相位調(diào)節(jié)器、節(jié)氣門和增壓壓力調(diào)節(jié)的共同作用下，完全能滿足上述要求[4]。

6分層燃燒過(guò)程降低CO2排放

首次將分層燃燒過(guò)程與廢氣渦輪增壓組合用于4缸發(fā)動(dòng)機(jī)系列。應(yīng)用這種燃燒過(guò)程能在低負(fù)荷時(shí)獲得最大的熱力學(xué)燃油耗潛力，但目前分層燃燒過(guò)程的應(yīng)用僅局限于歐洲和日本市場(chǎng)，隨著低硫燃油的普遍推廣，這種技術(shù)能擴(kuò)展到更寬廣的市場(chǎng)，例如美國(guó)市場(chǎng)[2]。

分層燃燒過(guò)程采取在壓縮行程有節(jié)奏地噴油，該行程中最后一次噴射位于點(diǎn)火前不久，以形成穩(wěn)定的混合氣和渦流，從而在點(diǎn)火火花范圍內(nèi)形成穩(wěn)定的近乎化學(xué)計(jì)量比的混合氣，因此，與多火花點(diǎn)火相結(jié)合就能在所有的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速條件下獲得最佳的著火條件。分層運(yùn)行范圍包括從怠速到轉(zhuǎn)速3 500 r/min、平均有效壓力0.5 MPa的發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)范圍，相當(dāng)于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷的50%。

在平均有效壓力0.5 MPa以上的負(fù)荷范圍內(nèi)，應(yīng)用專門為增壓4缸發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的均質(zhì)分層燃燒運(yùn)行方式，其中，組合應(yīng)用進(jìn)氣行程噴射與較晚的壓縮行程噴射，并與增壓相結(jié)合，以便將稀薄運(yùn)行范圍一直擴(kuò)展到進(jìn)氣全負(fù)荷，而更高的負(fù)荷范圍則采用化學(xué)計(jì)量比混合氣運(yùn)行，因?yàn)榇藭r(shí)節(jié)氣門已全部打開。

在采用分層燃燒過(guò)程時(shí)，因在行駛循環(huán)中廢氣溫度較低，因此，對(duì)排氣后處理系統(tǒng)和催化轉(zhuǎn)化器的工作能力提出了很大挑戰(zhàn)。為此，為新型4缸BlueDirect廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)了單通道排氣管廢氣裝置（圖7（a））。通過(guò)持續(xù)開發(fā)近發(fā)動(dòng)機(jī)布置的催化轉(zhuǎn)化器，并在量產(chǎn)中采用一種新技術(shù)，三效NOX吸附式催化轉(zhuǎn)化器除了具有三效催化轉(zhuǎn)化功能外，還能在稀薄廢氣條件下進(jìn)行NOX吸附式催化轉(zhuǎn)化，它支持在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷及低廢氣溫度下稀薄運(yùn)行時(shí)的NOX管理（圖7（b）），此外在低廢氣溫度下，三效NOX吸附式催化轉(zhuǎn)化器還具有較高的降低碳?xì)浠衔?HC)的潛力。通過(guò)進(jìn)一步開發(fā)布置在汽車地板下的NOX吸附式催化轉(zhuǎn)化器，能在改善低廢氣溫度下脫硫能力的同時(shí)，進(jìn)一步拓寬NOX吸附窗口。除了改善NOX轉(zhuǎn)化外，還能比目前量產(chǎn)的NOX吸附式催化轉(zhuǎn)化器減少30%貴金屬含量，從而能從根本上降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。

7 CNG降低CO2排放

除了采用Camtronic可變凸輪機(jī)構(gòu)和分層燃燒過(guò)程降低CO2排放之外，該發(fā)動(dòng)機(jī)系列還在擴(kuò)展使用CNG能力方面進(jìn)行了開發(fā)。這種環(huán)保型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)在Mercedes-Benz E級(jí)轎車上具有成功的先例，特別是對(duì)于出租車和其他運(yùn)輸車而言，燃?xì)馄嚲哂休^低的運(yùn)行成本，同時(shí)因具備附加的汽油運(yùn)行模塊而具有極長(zhǎng)的行駛里程。這種可使用兩種燃料運(yùn)行的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)變型能夠高效地轉(zhuǎn)換到BlueDirect發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)模塊運(yùn)行。

8發(fā)動(dòng)機(jī)零部件與CNG運(yùn)行的匹配

使用CNG運(yùn)行必須對(duì)動(dòng)力總成進(jìn)行下列修改：⑴廢氣渦輪增壓器的匹配；⑵提高活塞壓縮比，并使用涂覆涂層的活塞環(huán)槽鑲?cè)Γ虎切薷臍飧咨w氣門座圈和氣門材料。為了噴入天然氣，增壓空氣分配器在進(jìn)氣歧管安裝每缸1個(gè)天然氣噴嘴的部位進(jìn)行修改，并配備相應(yīng)的噴嘴座（圖8(a)）。天然氣噴嘴在短時(shí)間內(nèi)以高達(dá)6A的電流強(qiáng)度（峰值-保持電流波形控制）工作，其優(yōu)點(diǎn)是即使在溫度低至-25℃時(shí)也能可靠起動(dòng)，但為了保護(hù)例如壓力調(diào)節(jié)器等其他部件，規(guī)定純粹用天然氣起動(dòng)的最低溫度只能低至-15℃，低于此溫度時(shí)根據(jù)冷卻水和天然氣溫度自動(dòng)切斷天然氣運(yùn)行，改用汽油起動(dòng)。

9發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)和CNG部件的網(wǎng)絡(luò)連接

M270和M274發(fā)動(dòng)機(jī)采用Bosch公司MED17.7型電控系統(tǒng)，因BlueDirect發(fā)動(dòng)機(jī)采用模塊化部件組合，因此，電控系統(tǒng)還帶有可供使用的空的輸入和輸出接口，但并沒(méi)有控制諸如天然氣瓶開關(guān)閥、壓力調(diào)節(jié)器和天然氣噴嘴等所有CNG部件的接口位置。此外，為集成用于控制天然氣噴嘴的輸出級(jí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了根本性的結(jié)構(gòu)匹配。

采用Mercedes-Benz輕型貨車和轎車領(lǐng)域天然氣汽車通常應(yīng)用的硬件布局方法，其中添加的1個(gè)接口盒起到接口擴(kuò)展器的作用，這樣現(xiàn)有汽油車電控單元的硬件就能作為通用部件繼續(xù)使用（圖9）。

為了滿足對(duì)性能和固有安全性提出的高要求，Continental公司開發(fā)了1個(gè)32Bit結(jié)構(gòu)并帶自行控制級(jí)的接口盒，而未來(lái)的工作能力則以可拆卸的6通道薄板設(shè)計(jì)形式通過(guò)優(yōu)化裝備來(lái)考慮。

所有天然氣功能，包括用于2種運(yùn)行方式分開的故障存儲(chǔ)器管理，完全在電控系統(tǒng)中進(jìn)行，而用于電子壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)回路控制在內(nèi)的所有天然氣部件則由接口盒進(jìn)行管理。各天然氣部件的所有電子診斷都在接口盒中進(jìn)行。通過(guò)合適的CAN將可能的故障記錄，并將發(fā)動(dòng)機(jī)控制的傳感器值作為原始數(shù)據(jù)傳輸，而發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)方面則通知CNG開通，以及用于調(diào)節(jié)天然氣壓力所規(guī)定的壓力額定值，通過(guò)4個(gè)附加的控制通道將控制天然氣噴嘴的發(fā)動(dòng)機(jī)控制數(shù)字信號(hào)發(fā)送到接口盒。同樣，汽油直接噴射用的壓電噴油器由發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)直接進(jìn)行控制。

即使壓縮比從9.8提高到11.0，抗爆震燃料天然氣仍能在整個(gè)特性曲線場(chǎng)以理想的燃燒重心位置8～10oCA ATDC運(yùn)行，燃燒較早結(jié)束且膨脹加長(zhǎng)致使廢氣溫度極低，此外，由于廢氣渦輪增壓器消耗熱量，全負(fù)荷時(shí)的廢氣溫度水平明顯低于催化轉(zhuǎn)化器容許溫度，因而天然氣運(yùn)行時(shí)的最佳點(diǎn)比燃油耗為195 g/(kW·h),同時(shí)因甲烷分子CH4具有有利的碳?xì)浔龋约傲己玫娜紵阅埽蚨烊粴膺\(yùn)行時(shí)的CO2排放明顯低于使用汽油運(yùn)行時(shí)的排放量，因此，例如E級(jí)轎車的新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）百公里CO2排放量?jī)H為116 g，從而獲得了A+標(biāo)簽的燃油耗認(rèn)證證書。

發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車采取的所有措施的總效果，使E級(jí)轎車在改善加速性的同時(shí)，與老車型相比燃油耗降低高達(dá)22%，而與競(jìng)爭(zhēng)車型相比，這樣的燃油耗值明顯處于分布帶的下端（圖10）[3]。

10結(jié)語(yǔ)

4缸M270和M274發(fā)動(dòng)機(jī)系列采取了Camtronic可變凸輪機(jī)構(gòu)和分層燃燒過(guò)程，并具備使用天然氣運(yùn)行的能力等降低燃油耗的技術(shù)措施。鑒于未來(lái)全球收緊的CO2排放法規(guī)，Mercedes-Benz轎車謀求2個(gè)具有戰(zhàn)略性的突破方向：⑴力爭(zhēng)在更寬廣的市場(chǎng)推廣應(yīng)用分層燃燒過(guò)程和CNG技術(shù)[2]，這些基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方面的挑戰(zhàn)只有在合適燃料具有足夠可用性的情況下才得以實(shí)現(xiàn)；⑵傳統(tǒng)4缸汽油機(jī)系列在CO2排放法規(guī)不斷加劇的情況下，通過(guò)動(dòng)力總成的混合動(dòng)力化予以進(jìn)一步優(yōu)化。