【德】 Lückert P Schommers J Werner P Roth T

1 開發(fā)目標

與原先的轎車相比，新型B 級轎車驅(qū)動理念的特征是，柴油機的設(shè)計不是在前橋定下之后，而是在其之前就作了考慮。內(nèi)部型號為OM 651的基本型柴油機在其總體設(shè)計時已作了原則性規(guī)定，因此，它能以低廉的配裝賈用橫置于緊湊型轎車中。該機組不僅十分重視降低二氧化碳（CO2）的排放，燃油耗要低于同級轎車，而且在行駛功率和噪聲-振動-平順性性能方面也取得了顯著的進步[1]。根據(jù)上述邊界條件，設(shè)定了以下開發(fā)目標：（1）降低燃油耗和CO2排放，與原先的柴油機相比，該柴油機的CO2排放降低20 g/km 以上；（2）提高比功率和比扭矩值，改善靈活性；（3）不用采取主動降低氮氧化物（NOx）排放的措施就能達到歐5排放標準，同時提前滿足未來全球排放法規(guī)的要求；（4）提高基本型柴油機的通用性，減少新增零部件；（5）左側(cè)駕駛和右側(cè)駕駛均使用相同的柴油機；（6）理念上接近于基本型柴油機，確保高品質(zhì)和可靠性。

2 基本型柴油機

原先的OM 651型柴油機在轎車和輕型貨車上均采用縱向布置方式，而現(xiàn)在模塊化設(shè)計的OM 651型柴油機則改為橫置。1.8 L 柴油機的行程為83 mm，其缸徑、缸心距等主要尺寸與排量2.2 L 的基本型柴油機相同（表1）。利用這種模塊化理念，基本型柴油機的大部分零部件均可繼續(xù)沿用。

3 發(fā)動機機體

為把這一柴油機用于B 級轎車，針對橫置安裝柴油機制造了一種專用機體，對其在安裝和結(jié)構(gòu)質(zhì)量方面進行了優(yōu)化。相對于縱置柴油機系列，橫置柴油機改變了廢氣渦輪增壓器布置方式，故確定了一種專門的機油回流方案。曲軸軸承和蘭徹斯特平衡機構(gòu)軸承在這一柴油機布置方式下，沿用了單獨軸承蓋的結(jié)構(gòu)方案。此外，這種曲軸箱通過摒棄縱置柴油機特有的凸臺，可減輕質(zhì)量5%。

表1 B級轎車用OM 651型柴油機的主要技術(shù)規(guī)格

4 曲柄連桿機構(gòu)

如前所述，為配裝排量1 769 m L 的柴油機，設(shè)計了1套新穎的曲柄連桿機構(gòu)，主要涉及下列零部件：（1）行程83 mm 的曲軸；（2）與較小行程相匹配的連桿；（3）經(jīng)優(yōu)化的活塞，并配裝了張力較小的活塞環(huán)；（4）匹配的蘭徹斯特平衡機構(gòu)；（5）雙質(zhì)量飛輪及皮帶輪-解耦器。

曲軸帶有4個平衡塊，與用8個平衡塊的2.2 L基本型柴油機的曲軸相比，其質(zhì)量減輕了5.6 kg。由于第3道活塞環(huán)的張力較小，故在相同的氣缸竄氣性能下，按新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）運行時，其CO2排放下降2 g/km。柴油機變速器側(cè)用同樣的齒輪傳動，通過蘭徹斯特平衡機構(gòu)徹底消除了二階慣性力（圖1）。

由于引人了起動-停車系統(tǒng)，在皮帶傳動中采用了堅固的軸瓦和解耦器。解耦器可使皮帶傳動中的張緊力減小，從而降低CO2排放。由于功率需求從80 k W提高到了100 kW，應(yīng)用了質(zhì)量優(yōu)化的雙質(zhì)量飛輪。

在這一曲柄連桿機構(gòu)的基礎(chǔ)上，柴油機總質(zhì)量減輕了14 kg（按DIN70020-GZ）。在此柴油機設(shè)計理念中，已考慮到進一步開發(fā)成歐6柴油機的可能性，通過運用模塊化零部件能夠不斷促進這一目標實現(xiàn)。

5 氣缸蓋

由于1.8 L 柴油機的行程縮短了，氣缸蓋需要重新匹配，以提高由此減小的進氣渦流。為了達到燃燒要求，改進了切向進氣道，并把螺旋進氣道中的閉鎖閥行程從9 mm 縮小到7 mm。這樣可把下止點時的渦流比重新提高到所要求的2.7。

6 機油泵

為了達到較低的CO2排放量，已在基本型柴油機中采用流量可調(diào)的機油泵，并將機油壓力與柴油機的要求相匹配。柴油機在中等負荷以下的情況下，其零件的冷卻和潤滑只需較低的機油壓力。只有在高負荷下才需要最高的機油壓力，由此能使柴油機零件得到完全冷卻。為此，采用了兩級壓力和流量可調(diào)的葉片式機油泵（圖2）。

機油壓力調(diào)節(jié)功能通過1個3/2液壓換向閥實現(xiàn)，由它調(diào)節(jié)調(diào)壓活塞的反作用力：（1）在0.2 MPa的低壓力級，調(diào)壓活塞的反作用力只由彈簧力產(chǎn)生；（2）在0.5 MPa高壓力級，調(diào)壓活塞的反作用力由彈簧力加上機油壓力產(chǎn)生，而機油壓力由調(diào)壓活塞面積乘以控制壓力得出。由于設(shè)有故障保險裝置，機油壓力換向閥工作時，可以始終保持高的機油壓力。

為了降低燃油耗，在機油循環(huán)系統(tǒng)中，采取的另一項技術(shù)措施是可開關(guān)的活塞冷卻。為了向活塞冷卻噴嘴供給機油，在曲軸箱中設(shè)計了單獨的機油通道，其機油供給由電動閥控制。這種活塞冷卻將根據(jù)運行工況控制開關(guān)。

7 真空泵

真空泵是另一個重要的附件，是為柴油機盡可能減少CO2排放而進一步開發(fā)的。其開發(fā)目標是在不延遲抽氣時間的情況下，大大減小驅(qū)動功率。它是通過優(yōu)化泵中進、排氣過程及改變?nèi)~片材料實現(xiàn)的。上述措施使真空泵驅(qū)動功率減小40%。

8 進氣系統(tǒng)

進氣系統(tǒng)中有1個固定在汽車上的阻尼濾清器（圖3）。較大的空氣容積和管道截面使流動損失減小。結(jié)合采用專門的聲學(xué)材料，使進氣和流動噪聲得到很好的阻尼。將濾清器前后段進氣管與阻尼濾清器進行完美的匹配，使阻尼濾清器筒內(nèi)流動均勻，空氣質(zhì)量流量計和壓氣機的進口流量不變。進氣系統(tǒng)的其他部分，諸如增壓空氣管、進氣節(jié)氣門、帶EGR 的增壓空氣歧管、EGR 引人管和帶進氣道閉鎖閥的增壓空氣分配管等，均仍沿用現(xiàn)有量產(chǎn)發(fā)動機的。此外，還裝配了在縱置柴油機中經(jīng)受考驗的帶前冷卻器的EGR 系統(tǒng)、電動EGR 閥、EGR 冷卻器和進氣歧管中的再循環(huán)廢氣管。

9 增壓

由IHI Charging Systems International公司制造的RHV34型廢氣渦輪增壓器是在RHV3 型和RHV4型基礎(chǔ)上進一步研發(fā)而成的。它有1個由電動調(diào)節(jié)器控制的幾何截面可變的渦輪，其具有以下特點：（1）設(shè)計的渦輪很小，以獲得良好的響應(yīng)特性；（2）渦輪泄漏損失小；（3）對渦輪葉片的繞流性能進行了優(yōu)化。

氣動設(shè)計的重點主要在發(fā)動機特性曲線圖的左半部分，它對燃油耗具有重要的思義。葉輪的轉(zhuǎn)動慣量比原先OM 640 型柴油機的減小約14%。因此，廢氣渦輪增壓器具有卓越的瞬態(tài)性能。提高效率的措施降低了發(fā)動機特性曲線圖中大部分的換氣功。圖4表示與原先的OM 640 型柴油機相比，換氣功下降了0.1 MPa。

10 排氣歧管

為了達到排放限值，柴油機配裝了用空氣隙絕熱的排氣歧管。為確保柴油機橫置時具有緊湊的結(jié)構(gòu)及較低的安裝成本，歧管外壁和內(nèi)壁均做成深拉伸的瓦形結(jié)構(gòu)（圖5）。對運行強度的要求是采用空氣隙絕熱的另一原因。為了易于安裝，將廢氣渦輪增壓器與排氣歧管分開，致使氣缸蓋方向的外瓦留有很大的空檔。為了保證在這一范圍內(nèi)具有抵御熱強度和機械強度的能力及剛度，運用了雙層法蘭。渦輪增壓器總成的大部分質(zhì)量都支承在出口法蘭上，所以出口法蘭必須牢固地固定在下瓦上。利用剛性的整塊鍛造法蘭和外周焊縫，以確保此部位的熱強度和動力強度。這種構(gòu)造也可避免焊渣進人廢氣流動區(qū)。

11 排氣系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)既要滿足目標市場的法定要求，又要滿足用戶對Mercedes-Benz 品牌汽車在聲學(xué)舒適性、環(huán)保性及足夠耐久性方面的高期待。

為了滿足上述要求，在開發(fā)過程中做了以下幾項工作：（1）集成滿足歐5排放標準的排氣后處理系統(tǒng)；（2）提高使用壽命，同時減輕零件的質(zhì)量；（3）減小排氣系統(tǒng)的排氣背壓，以確保柴油機的效率；（4）降低排氣口的噪聲，提高舒適性，并盡可能減輕整車的振動；（5）機外噪聲達到目標值。

新型B級轎車的排氣系統(tǒng)被設(shè)計成一體式，然后，用由支架和4個橡膠掛件組成的解耦元件把渦流增壓器固定在汽車上。排氣系統(tǒng)完全由不銹鋼材料制成，內(nèi)有1個直徑15.748 cm 的組合箱和1個容積優(yōu)化的橫置后消聲器。

廢氣通過汽車排氣尾管排出，根據(jù)不同的車型配置，可提供帶或不帶排氣尾管飾板2 種。排氣系統(tǒng)的所有管路直徑均為65 mm，能實現(xiàn)較低的排氣背壓值。同時，消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)根據(jù)聲學(xué)要求進行優(yōu)化，使其不會超過背壓目標值。排氣系統(tǒng)在最初的構(gòu)造設(shè)計時就運用了有限元計算。通過細微的優(yōu)化，可以降低構(gòu)件中可能出現(xiàn)的應(yīng)力，有限元法是一種減輕構(gòu)件質(zhì)量的有效方法。運用運行振動分析法對排氣系統(tǒng)的振動性能進行分析，并作了改進，以確保其耐久性。在開發(fā)初始階段，就運用計算流體動力學(xué)的流動模擬確定及優(yōu)化了進人催化器的情況。

按照下列步驟，進行了排氣系統(tǒng)的聲學(xué)研發(fā)：（1）采用換氣計算，確定出口基準聲級；（2）在聲學(xué)發(fā)動機試驗臺上進行聲學(xué)測量；（3）平衡測量和計算，并通過計算進行進一步優(yōu)化；（4）在汽車上進行優(yōu)化方案的測定；（5）在汽車上進行細微的優(yōu)化。結(jié)果顯示，適度的總聲壓級和諧波變化的發(fā)動機二階慣性力并沒有引發(fā)過多的干擾。這樣達到的聲音使駕駛員和乘客都有一種舒適的聲學(xué)感覺，這正是Mercedes-Benz轎車典型的汽車品質(zhì)體現(xiàn)。上述設(shè)計方案確保汽車能獲得現(xiàn)行排放標準的認證。

12 外形尺寸和帶傳動

OM 651型柴油機的基本理念是通過外圍各邊角構(gòu)件的巧妙設(shè)計和布置來滿足各種安裝條件，特別是橫向安裝的特殊條件。在橫置OM 651型柴油機的外形布置時，應(yīng)盡可能考慮沿用原縱置柴油機的排氣系統(tǒng)部件。向柴油機排氣側(cè)傾斜15°安裝，使橫置方案也可完全沿用所謂的“冷側(cè)EGR 系統(tǒng)零部件”，包括可開關(guān)的EGR 冷卻器及進氣道可閉鎖的增壓空氣分配管。

原則上，橫置柴油機的各附件均選用按摩擦功率優(yōu)化的5槽皮帶傳動機構(gòu)。一種特殊的元器件是指軸向配下置水泵的、可按工況調(diào)節(jié)的恒溫器，采取這種方式可使水循環(huán)短路直接進人柴油機內(nèi)。所有附件，包括機械式帶張緊器，均安裝在橫置柴油機專用的附件架上。后者是一種復(fù)雜的鋁鑄件，用溶化泡沫模鑄造法制成，它還集成了從氣缸蓋出口到恒溫器前進口的冷卻水總管。

13 噴油系統(tǒng)

B級轎車上配裝的柴油機采用具有下列特征的噴油系統(tǒng)：（1）最高噴油壓力180 MPa；（2）電磁閥驅(qū)動噴油器；（3）每循環(huán)最多可實現(xiàn)5次噴油；（4）采用吸油量調(diào)節(jié)的2柱塞高壓泵；（5）通過固體聲傳感器調(diào)節(jié)，補償噴油量的漂移；（6）根據(jù)需要，調(diào)節(jié)燃油加熱；（7）調(diào)節(jié)電動燃油泵的體積流量。橫置柴油機用噴油器是在原先縱置柴油機用噴油器的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展而成的，其結(jié)構(gòu)緊湊，在噴油嘴附近有1個平衡壓力的伺服閥。噴油器的特點是燃油油路中的有害容積小，同時泄漏量被大大減少。通過優(yōu)化噴油器高壓區(qū)的容積，使高壓共軌壓力下先導(dǎo)噴油量的可調(diào)性得到改善，并減小了多次噴油量之間的分散度。

為了盡可能減少進人燃油系統(tǒng)的熱量，應(yīng)用了一種吸油節(jié)流的高壓泵，從而可以不用單獨的燃油冷卻。根據(jù)需求，視燃油溫度控制燃油濾清器的電加熱，而且可以按凝凍度分別調(diào)節(jié)加熱功率。電動燃油泵的體積流量利用壓力傳感器按需調(diào)節(jié)。上述2項措施可以減小對電功率的需求，從而降低燃油耗。

14 功率和扭矩

為了達到更低的燃油耗，與基本型柴油機相比，排量減小了約10%，降至1.8 L。這時最大功率達到100 k W，最大扭矩保持300 N·m（圖6）。在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，80 k W 的柴油機與原先功率相同的柴油機相比，扭矩提高了16%，同時瞬態(tài)性能也明顯改善。為了達到這一目標，需要對廢氣渦輪增壓和混合氣形成進行大量改進。所選用的渦輪增壓器比縱置的2.2 L 機組用的小，并運用了最現(xiàn)代的空氣動力學(xué)設(shè)計方案。

相對于基本型柴油機，減小排量會影響混合氣的形成，但可通過改變氣缸蓋中的切向進氣道和螺旋進氣道中閉鎖閥的升程加以優(yōu)化。這樣，雖然排量相對于縱置柴油機縮小了，但功率和扭矩仍舊保持不變，同時，對于負荷從低轉(zhuǎn)速突增時的瞬態(tài)性能具有積極作用。

15 排放

為使排放值低于歐5限值，除了采取上述混合氣形成的措施以提高空氣利用率之外，還匹配了噴油嘴的幾何參數(shù)（例如：7個噴孔改為8個噴孔）。在部分負荷下，提高增壓度可以實現(xiàn)較高的EGR 率。尺寸較小的渦輪設(shè)計同樣能提高部分負荷時的增壓度。2.2 L基本型柴油機高效的EGR 回路降低了燃燒室溫度，從而減少了NOx排放。上述措施使排放-燃油耗之間的優(yōu)化得到折衷，確保柴油機原始排放低于歐5排放限值。這為欲開發(fā)歐6柴油機的燃燒系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)。

16 燃油耗

從發(fā)動機萬有特性曲線圖清晰可見，在寬廣的運行工況范圍內(nèi)，新型1.8 L柴油機的燃油消耗率低于230 g/（k W·h）（圖7）。在與燃油耗有密切關(guān)系的低負荷特性曲線區(qū)內(nèi)可以看出，其燃油耗也很低。這種突出的優(yōu)點使得無論在低負荷運行工況下，還是在部分高負荷運行工況下，這種特性確保了燃油耗均比原先車型的低許多。對于80 k W 的柴油機而言，其CO2排放值達到了114 g/km，而100 k W 的柴油機達到了115 g/km（均按NEDC運行，帶手動變速器），它們?yōu)檫@一等級的車型樹立了新標桿（圖8）。

17 振動、噪聲及舒適性

由于前驅(qū)汽車用OM 651型柴油機的設(shè)計任務(wù)書中規(guī)定的指標很高，對橫置柴油機在噪聲、振動及舒適性方面進行了優(yōu)化。為此，運用模擬仿真、發(fā)動機臺架試驗和整車測試對其進行了聲學(xué)優(yōu)化。

重點放在優(yōu)化動力裝置機組支承的振動級。根據(jù)對柴油機舒適性的要求，1.8 L柴油機配裝了蘭徹斯特平衡機構(gòu)。為了優(yōu)化較高頻率區(qū)域的振動級，柴油機右支承和上擺動支承以較短的路徑與氣缸蓋剛性連接。下擺動支承集成在中間軸軸承箱中。機組支承的所有連接元件均借助于優(yōu)化程序并按優(yōu)化的質(zhì)量-剛度比進行設(shè)計。

聲學(xué)開發(fā)的重點是降低流動噪聲。通過運用編織軟管橫向吸氣，并優(yōu)化潔凈空氣用的波紋管。采用這種方案可補償外形尺寸制約空氣濾清器尺寸的缺陷。總之，新型柴油機通過改善總聲壓級及減小干擾噪聲，使其噪聲級比原先機組的明顯要低。無論在空氣噪聲級方面，還是在機組支承前固體聲方面，新OM 651型橫置柴油機滿足了汽車的主要要求，且噪聲處于同等功率柴油機分散帶的優(yōu)異區(qū)域。

18 結(jié)語

在現(xiàn)有Mercedes-Benz轎車用4缸柴油機的基礎(chǔ)上，為B 級轎車開發(fā)了1 款內(nèi)部型號為OM 651的新型柴油機，它在燃油耗、排放、行駛功率及舒適性等方面均優(yōu)于原先車用柴油機，并為在將來滿足更嚴格的排放標準和更低的燃油耗要求提供了可能性。同時，在這款柴油機的基礎(chǔ)上，還可為其他車型開發(fā)動力裝置。