為了進(jìn)入緊湊型轎車(chē)領(lǐng)域，Mercedes-AMG公司在Mercedes-Benz-BlueDirect系列4缸直噴式汽油機(jī)模塊化組件基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一種新型4缸2.0 L直噴式汽油機(jī)。為了達(dá)到133 kW/L的高升功率，必須在基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)、空氣管路、增壓系統(tǒng)以及排氣裝置等方面進(jìn)行改進(jìn)。

1高功率低油耗

Mercedes-AMG公司在Mercedes-Benz-A級(jí)轎車(chē)基礎(chǔ)上首次推出了一種Mercedes-AMG-A45緊湊型轎車(chē)，目的是要在該車(chē)型領(lǐng)域內(nèi)開(kāi)發(fā)出功率高、燃油耗低的動(dòng)力裝置，同時(shí)為了使該機(jī)型能在全球范圍內(nèi)使用，必須滿足包括歐6在內(nèi)的所有廢氣排放法規(guī)。為了達(dá)到目標(biāo)，選擇了4缸2.0 L增壓機(jī)型動(dòng)力總成為基礎(chǔ)并與BlueDirect技術(shù)的基礎(chǔ)部件相結(jié)合[1]。

這種機(jī)型內(nèi)部型號(hào)為M133的A45直噴式汽油機(jī)是在批產(chǎn)的M270前端橫置式機(jī)型的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)而成的，是Mercedes-Benz公司4缸BlueDirect直噴式汽油機(jī)系列中功率最大的機(jī)型[2]。為了能達(dá)到133 kW/L升功率，其曲柄連桿機(jī)構(gòu)按照爆發(fā)壓力15 MPa重新設(shè)計(jì)，同時(shí)增壓裝置和廢氣裝置都以批產(chǎn)要求進(jìn)行改進(jìn)，還應(yīng)預(yù)估所產(chǎn)生的熱量，有效地控制熱負(fù)荷，盡可能保持與基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)的連接不變，使主要的外形尺寸、相鄰部件的接口以及汽車(chē)專用部件保持不變。圖1和表1示出了發(fā)動(dòng)機(jī)主要的特性曲線和性能參數(shù)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格

2氣缸體曲軸箱

對(duì)選擇鑄造工藝方法具有決定性作用的因素有重量、熱傳導(dǎo)性和材料的延伸率及高溫強(qiáng)度。采用EN-AC-AlSi7Mg鋁合金材料并選擇金屬模翻箱鑄造工藝方法[3]，使?jié)沧⒉牧夏軌蚩煽厍覠o(wú)擾動(dòng)地充滿型腔，并能控制其凝固過(guò)程，在軸承座范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)T7.3兩級(jí)熱處理，能夠?qū)⒗鞆?qiáng)度Rm提高到300 N/mm2以上。

由于采用了這種鑄造工藝，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較大的自由度，如氣缸體曲軸箱可采用封閉式頂面，可消除頂部密封支承面強(qiáng)度和氣缸工作表面形狀穩(wěn)定性受限因素，特別是可以采取中心支架珩磨穩(wěn)定氣缸工作表面形狀，同時(shí)通過(guò)型芯造型來(lái)設(shè)計(jì)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(jié)的剛性。借助有限元法（FEM）的薄弱環(huán)節(jié)分析來(lái)識(shí)別必需修改的范圍，并不斷優(yōu)化。這種設(shè)計(jì)還被應(yīng)用于熱量分配上，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(dòng)；上半部水套中的冷卻水垂直流動(dòng)，并通過(guò)有針對(duì)性地分配曲軸箱至氣缸蓋的冷卻水流量來(lái)促使冷卻水流動(dòng)。

3曲柄連桿機(jī)構(gòu)

曲柄連桿機(jī)構(gòu)要承受高達(dá)15 MPa爆發(fā)壓力，因此采用了5道主軸承支承,軸頸工作表面采用感應(yīng)淬硬的44MnSiVS6合金鋼模鍛曲軸和桿身橫截面積170 mm2的連桿，同時(shí)應(yīng)用了重量?jī)?yōu)化的賽車(chē)用鍛造鋁合金活塞和直徑為22 mm的16MnCr5合金鋼活塞銷(xiāo)。

為了與電弧金屬線材噴涂（LDS）氣缸套工作表面（毫微米級(jí)滑動(dòng)表面）相結(jié)合獲得最佳的摩擦功率、燃油耗和機(jī)油耗，開(kāi)發(fā)了物理汽相沉積涂層（PVD）活塞環(huán)組。通過(guò)應(yīng)用帶有整體式離心力配重的雙質(zhì)量飛輪，消除了因取消質(zhì)量平衡機(jī)構(gòu)和使用雙作用離合器變速器在低轉(zhuǎn)速時(shí)所產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī)二階慣性激勵(lì)。

4氣缸蓋

提高的氣缸蓋負(fù)荷對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了2項(xiàng)挑戰(zhàn)：（1）氣缸蓋不應(yīng)對(duì)達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)生的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷限制；（2）應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化基礎(chǔ)零部件批量制造和裝配工藝的成本。通過(guò)摻入鋯石（AlSi10MgZr）改變合金材料的成分，使導(dǎo)熱率改善8%，通過(guò)廣泛的模擬計(jì)算優(yōu)化氣缸蓋冷卻水套的設(shè)計(jì)（圖3）不僅能減少熱量的吸入，還能提高熱傳導(dǎo)能力（圖4）。

5冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在這種高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)上冷卻系統(tǒng)與基本機(jī)型相比其每缸所吸收的能量明顯增多。通過(guò)廣泛的模擬計(jì)算，獲得有效的冷卻系統(tǒng)，確保在整個(gè)特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)和所有的氣候條件下都能保持冷卻水溫度低于110℃。

由于升功率較高，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(dǎo)向輪都必須重新設(shè)計(jì)。通過(guò)優(yōu)化進(jìn)水管接頭能改善穴蝕傾向，而水泵殼和節(jié)溫器仍可繼續(xù)使用。

發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓空氣冷卻器的冷卻水循環(huán)回路完全分開(kāi)，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(shí)變速器機(jī)油熱交換器被集成在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的高溫冷卻回路中，而安裝在變速器側(cè)的冷卻水泵則用于發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后渦輪增壓器的后續(xù)冷卻。通過(guò)這種復(fù)雜的錯(cuò)接方式，能夠使冷卻系統(tǒng)高效工作，取消發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的后續(xù)冷卻。

6機(jī)油循環(huán)回路

采用一個(gè)電子-機(jī)械調(diào)節(jié)的兩級(jí)葉片式機(jī)油泵供應(yīng)機(jī)油，按M133機(jī)型的要求進(jìn)行了改進(jìn)，機(jī)油壓力根據(jù)特性曲線場(chǎng)要求調(diào)節(jié)在0.2 MPa和0.4 MPa 2種壓力水平上，降低了機(jī)油泵的驅(qū)動(dòng)功率。機(jī)油壓力水平低于活塞機(jī)油冷卻噴嘴的開(kāi)啟壓力，能減小機(jī)油泵流量，從而進(jìn)一步降低機(jī)油泵的功率消耗。機(jī)油冷卻采用機(jī)油-水熱交換器，集成在機(jī)油濾清器模塊中。

AMG公司的所有發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品中，注重發(fā)動(dòng)機(jī)橫置和縱置的車(chē)輛動(dòng)態(tài)運(yùn)行，因此M133機(jī)型重新設(shè)計(jì)了包括帶有整體式吸油管的塑料機(jī)油集濾器在內(nèi)的整個(gè)油底殼下半部分。

7空氣管路

與M270基本機(jī)型相比，M133空氣管路已修改（圖5）。增壓空氣由分開(kāi)式低溫冷卻循環(huán)回路進(jìn)行間接冷卻。開(kāi)發(fā)過(guò)程中為了盡可能消除空氣管路中的節(jié)流，在廢氣渦輪增壓器（ATL）進(jìn)口前設(shè)置了一個(gè)非對(duì)稱的前置容積，可使特性曲線場(chǎng)中的壓氣機(jī)運(yùn)行極限向上移動(dòng)。從原始空氣進(jìn)口直至氣缸蓋進(jìn)氣道的整段空氣管路被設(shè)計(jì)得非常短，不超過(guò)1200 mm。從壓氣機(jī)到進(jìn)氣門(mén)的空氣容積小于6 L，而節(jié)氣門(mén)至進(jìn)氣門(mén)的空氣容積只有1.3 L，提升了突發(fā)性加速響應(yīng)性能。

8增壓系統(tǒng)

對(duì)于廢氣渦輪增壓器而言，除了使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到目標(biāo)功率之外，要確保其低轉(zhuǎn)速范圍的性能，因此采用了雙渦道廢氣渦輪增壓器，其雙渦道渦輪殼通過(guò)將排氣流按缸分開(kāi)（圖6）使得加速響應(yīng)特性得到優(yōu)化。同時(shí)根據(jù)渦輪的最低壓力（p3）盡可能調(diào)整最小的渦輪和壓氣機(jī)尺寸排確定廢氣渦輪尺寸時(shí)要使發(fā)動(dòng)機(jī)最高廢氣背壓限制在0.32 MPa。這關(guān)系到殘余廢氣和總體效率，可在保持渦輪其余尺寸不變和在非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)具有相同的增壓能力，通過(guò)擴(kuò)大增壓器中間軸頸橫截面積5%，使其降低0.02 MPa。

9排氣歧管和廢氣裝置

排氣歧管被設(shè)計(jì)成無(wú)中空絕熱層的單壁排氣管道，能最大程度地利用排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)的氣體脈沖。為了得到最佳換氣效果使各缸排氣流始終按缸分開(kāi)并使排氣管道長(zhǎng)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(yīng)力、重量、流入廢氣渦輪增壓器以及與廢氣引導(dǎo)管道連接等方面的高要求。排氣歧管結(jié)合面上的圓柱形凸肩，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(yīng)既定的結(jié)構(gòu)空間并滿足批量生產(chǎn)，采用楔形螺栓緊固替代傳統(tǒng)的凸肩螺栓緊固。

排氣歧管的隔熱護(hù)罩的為厚度0.5 mm有襯里的不銹鋼薄板結(jié)構(gòu)件，以避免熱輻射。并為行駛運(yùn)行和停車(chē)時(shí)風(fēng)扇后續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)提供盡可能大的熱交換表面。

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(shè)計(jì)成有一定通風(fēng)空間的三層薄板件。為禁止熱空氣流從排氣歧管流經(jīng)點(diǎn)火線圈，排氣歧管隔熱護(hù)罩和點(diǎn)火線圈隔熱護(hù)罩設(shè)計(jì)成整體結(jié)構(gòu)組件（圖7）。

10燃燒

Mercedes-Benz燃燒過(guò)程由第3代汽油缸內(nèi)直噴、油束導(dǎo)向燃燒方法、多火花點(diǎn)火（MSI）以及輔助設(shè)備集成管理和整機(jī)熱管理系統(tǒng)所組成。這種燃燒過(guò)程被命名為BlueDirect，近幾年已在Mercedes-Benz汽油機(jī)產(chǎn)品中逐步推廣應(yīng)用[4,5]。噴油器和火花塞的位置、進(jìn)氣道幾何形狀以及屋頂形燃燒室都繼承了基本型M270機(jī)型（圖8）

M133機(jī)型應(yīng)用的外啟壓電噴油器與Mercedes-Benz直噴式汽油機(jī)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(jī)機(jī)型都使用結(jié)構(gòu)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(zhǔn)備性能和高噴霧穩(wěn)定性，對(duì)于達(dá)到的發(fā)動(dòng)機(jī)功率具有決定性意義。噴油系統(tǒng)的柔性性能夠根據(jù)運(yùn)行工況點(diǎn)的需求獲得最佳的混合氣準(zhǔn)備、廢氣排放水平并達(dá)到全負(fù)荷功率，噴油過(guò)程中的噴油次數(shù)、噴油量分配以及時(shí)間定位都能符合各個(gè)負(fù)荷/轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)的具體需求（圖9）。在發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)運(yùn)行時(shí)每個(gè)工作循環(huán)最多噴射3次，其中進(jìn)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(zhǔn)備，此外還通過(guò)局部提高火花塞附近充量的擾動(dòng)來(lái)改善著火燃燒性能。

在發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)運(yùn)行期間，為了避免燃油潤(rùn)濕而產(chǎn)生顆粒排放，采用多次短暫噴射運(yùn)行（“Homogen-Split Betriet”）,此時(shí)每個(gè)工作循環(huán)多達(dá)5次噴射。降低顆粒排放基于噴油量和噴油時(shí)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(guò)程的優(yōu)點(diǎn)對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗起到有利作用。為了達(dá)到所必需的平均有效壓力必須將壓縮比調(diào)整到ε=8.6。在實(shí)際行駛運(yùn)行中用戶能在較大的特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)獲得be＜240 g/kWh的有效比燃油耗，而在動(dòng)態(tài)行駛時(shí)燃油耗也能保持在非常低的水平，特性曲線場(chǎng)中的最低燃油耗為234 g/kWh，同時(shí)通過(guò)部分負(fù)荷的優(yōu)化也能達(dá)到非常好的燃油耗水平，在轉(zhuǎn)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(diǎn)的有效比燃油耗為be=368 g/kWh。

該直噴式汽油機(jī)的最大平均有效壓力超過(guò)了2.8 MPa，這不僅為汽車(chē)等級(jí)樹(shù)立了新標(biāo)桿，其最大扭矩達(dá)到450 N?m(2 250～5 000 r/min)，額定功率為265 kW(6000 r/min)，這相當(dāng)于升功率達(dá)到了133 kW/L、升扭矩226 N?m/L，與同類競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型相比處于FEV分布帶上端。

使用這種新機(jī)型要滿足未來(lái)廢氣排放法規(guī)的要求。M133機(jī)型的廢氣排放水平可通過(guò)有針對(duì)性的使用性匹配來(lái)達(dá)到北美市場(chǎng)ULEV70超低排放汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)。由于歐洲市場(chǎng)的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)已要求達(dá)到歐6第二階段廢氣排放值，所以該機(jī)型也適用于歐洲市場(chǎng)。從2017年起生效的廢氣排放基線是低顆粒數(shù)排放限值，該機(jī)型采用中央布置壓電噴油器和20 MPa噴油壓力的燃燒過(guò)程有助于達(dá)到排放要求，技術(shù)重點(diǎn)在于噴射時(shí)刻和噴油量分配的燃油噴射管理，在暖機(jī)運(yùn)行期間避免燃油潤(rùn)濕燃燒室壁面，從而達(dá)到較低的顆粒排放水平。

11行駛動(dòng)力性能

M133機(jī)型已借助空氣管路的優(yōu)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(jī)動(dòng)性之間的目標(biāo)沖突。渦輪增壓器部分負(fù)荷加速的響應(yīng)性能具有重要意義，通過(guò)凸輪相位的調(diào)節(jié)獲得較大的掃氣量，40°曲軸轉(zhuǎn)角較大相位角調(diào)節(jié)范圍的進(jìn)排氣凸輪軸組合是最合適的，使增壓器達(dá)到加速響應(yīng)，通過(guò)掃氣和不同軟件的優(yōu)化，進(jìn)一步改善發(fā)動(dòng)機(jī)的加速響應(yīng)性能。如通過(guò)采取所有的優(yōu)化措施，從恒速行駛（60 km/h時(shí)的部分負(fù)荷）開(kāi)始負(fù)荷躍變值到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩450 N?m所需的時(shí)間可縮短25%，可使汽車(chē)具有可感的動(dòng)態(tài)加速度值，使靈活機(jī)動(dòng)性明顯改善。

12聲學(xué)性能

為了使駕駛者也能感覺(jué)到這種優(yōu)良的動(dòng)力性能，AMG公司開(kāi)發(fā)了一種能發(fā)出聲響的運(yùn)動(dòng)型廢氣裝置。這種裝置具有較大橫截面積的排氣管和自動(dòng)控制廢氣閥并運(yùn)用在SLK 55 AMG轎車(chē)，解決了優(yōu)異動(dòng)力性能與高舒適性之間的目標(biāo)沖突[6]。這種自動(dòng)控制廢氣閥按照駕駛者所期望的功率，由發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元根據(jù)所選的行駛程序的負(fù)荷狀況和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行操縱，其中有一個(gè)重要的調(diào)整桿用于發(fā)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(shí)節(jié)氣門(mén)部分開(kāi)啟功能及在全負(fù)荷下?lián)Q高速檔時(shí)點(diǎn)火和噴油時(shí)會(huì)引起短暫的聲響，這通常只有4缸以上的動(dòng)力總成才能發(fā)出的聲響。

12噪聲-振動(dòng)-剛性（NVH）特性的開(kāi)發(fā)

出于外形尺寸和重量的原因必須取消質(zhì)量平衡機(jī)構(gòu)，并在早期開(kāi)發(fā)階段解決了機(jī)械構(gòu)件較大的振動(dòng)負(fù)荷對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的不利影響。通過(guò)在汽車(chē)方面采取的隔音措施和電控廢氣閥能將車(chē)內(nèi)第2階發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲降到較低水平，還可針對(duì)行駛動(dòng)力性能的要求來(lái)調(diào)整動(dòng)力總成的支承，以達(dá)到優(yōu)異的振動(dòng)性能。

為了有效地隔離扭轉(zhuǎn)振動(dòng)傳入全輪驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系中，應(yīng)用了帶有離心力配重的雙質(zhì)量飛輪，因此在汽車(chē)方面再采取其它阻止低速脈動(dòng)的措施，與汽車(chē)行駛動(dòng)力性能方面的要求沒(méi)有目標(biāo)沖突。

13結(jié)語(yǔ)

Mercedes-AMG公司為了使其發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)入緊湊型轎車(chē)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)了一種新型的4缸2.0 L直噴式汽油機(jī)，以Mercedes-Benz-

BlueDirect系列的4缸動(dòng)力總成的模塊化組合部件為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)而成的。

M133直噴式汽油機(jī)的功率為265 kW，搭載于A45 AMG轎車(chē)的新歐洲行駛循環(huán)（NEFZ），燃油耗僅6.9 L/100km，能滿足包括歐6在內(nèi)的全球所有廢氣排放法規(guī)的要求。

M133為達(dá)到133 kW/L高升功率必須在基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)、空氣管路、增壓系統(tǒng)以及廢氣裝置等方面進(jìn)行廣泛的修改，同時(shí)冷卻系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)也必須進(jìn)行改進(jìn)，但是仍然盡可能多地繼承BlueDirect系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(yīng)生產(chǎn)線上制造等方面的開(kāi)發(fā)目標(biāo)，在Mercedes緊湊型轎車(chē)平臺(tái)上的裝配狀況受到限制。

M133直噴式汽油機(jī)在A45 AMG轎車(chē)上，與換擋時(shí)間短的雙作用離合器變速器相組合充分發(fā)揮了效用，并以AMG公司典型的排氣聲響以及按功率能力設(shè)計(jì)的全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而令人關(guān)注。