文：劉勁松、趙月

一、奔馳M282發(fā)動(dòng)機(jī)

自2018年5月起，奔馳推出了一款新的小型4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，型號(hào)名稱為M282，主要用在A級(jí)車型上（圖1）。橫向安裝的直列式4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，采用直接噴射，裝配增壓裝置。此款發(fā)動(dòng)機(jī)安裝于前部橫向支架上，排量為1.4 L，氣缸行程為85 mm。該發(fā)動(dòng)機(jī)有3個(gè)輸出等級(jí)，分別為80 kW、100 kW和120 kW。該發(fā)動(dòng)機(jī)可有效降低油耗，并在微粒排放指令和高負(fù)荷駕駛循環(huán)要求下，整體改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和噴射效果。120 kW的M282發(fā)動(dòng)機(jī)，使用奔馳的直列式4缸火花點(diǎn)火型發(fā)動(dòng)機(jī)的停缸技術(shù)，2號(hào)和3號(hào)氣缸可在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)關(guān)閉。

圖1 奔馳M282發(fā)動(dòng)機(jī)

該發(fā)動(dòng)機(jī)采用壓鑄鋁曲軸箱和三角緊湊型氣缸蓋設(shè)計(jì)，排氣歧管部分集成在氣缸蓋中，這樣可以有效降低車輛的整體質(zhì)量，并增強(qiáng)車輛動(dòng)態(tài)性能。渦輪增壓器可以更加靈活、快速且精確地對(duì)增壓壓力進(jìn)行電動(dòng)調(diào)節(jié)，特別是在部分負(fù)荷范圍情況下。

電磁閥噴油器設(shè)計(jì)在中央位置。風(fēng)冷式增壓空氣冷卻器，可以增加空氣密度并因此增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。采用NANOSUOEO技術(shù)的復(fù)合涂層系統(tǒng)（鐵與碳），使得潤(rùn)滑更接近理想狀態(tài)。“類鉆炭（非常耐磨且是一種優(yōu)良的導(dǎo)熱體）”（DLC）活塞環(huán)，可以通過(guò)石墨/碳纖維構(gòu)成的抗磨涂層保護(hù)活塞。

曲軸和連桿由鍛鋼構(gòu)成，在高負(fù)荷區(qū)域更具穩(wěn)定性。120 kW型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)配有可變氣門升程系統(tǒng)（CAMTRONIC）和氣缸停用技術(shù)（CSO）。

M282發(fā)動(dòng)機(jī)使用了全新的“NVH”措施（噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙度），與舊款的M270發(fā)動(dòng)機(jī)相比，噪聲和振動(dòng)舒適性得到更大的提升（圖2）。

圖2 “NVH”措施

二、曲軸箱和曲軸總成

該發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱采用“缸頂外漏”設(shè)計(jì)，使用壓鑄鋁工藝（GD-AISi9Cu3）制造（圖3）。M282連續(xù)減阻部件是基于雙絲電弧噴涂涂層工藝的氣缸涂層，除了減少摩擦外，輕量化也是創(chuàng)新氣缸技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

因?yàn)槭褂昧嗽摷夹g(shù)，并配合排量減小了約16%，所以與舊款M270發(fā)動(dòng)機(jī)相比，曲軸箱的質(zhì)量減少了約5 kg。同時(shí)使用了低摩擦系數(shù)的油液，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的CO2排放量也得到了降低。

圖3 曲軸箱

曲軸和連桿由鍛鋼制成，主軸承為42 mm，連桿軸承為40 mm?；钊射X鑄造工藝制成，活塞環(huán)的“DLC”涂層會(huì)降低摩擦系數(shù)。由于輸出提高，活塞頂部的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷增加，為減少熱負(fù)荷并降低活塞頂?shù)臏囟?，使用了噴油嘴冷卻活塞?；钊鋮s裝置集成在機(jī)油回路的熱量管理系統(tǒng)中（圖4）。

圖4 帶鏈條傳動(dòng)的曲軸總成

三、氣缸蓋和氣門機(jī)構(gòu)

該發(fā)動(dòng)機(jī)采用了全新的“三角形”氣缸蓋設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)使整個(gè)氣缸蓋更加輕量化和緊湊（圖5）。由于氣缸蓋的特殊形式，因此使用了緊湊型和高度集成的子系統(tǒng)，例如進(jìn)氣模塊。與長(zhǎng)方體氣缸蓋相比，其具有自由碰撞縱向空間，廢氣再處理裝置的安裝空間和蓋輪廓方面的優(yōu)勢(shì)。

除了功能和安裝空間的優(yōu)勢(shì)外，其還可以在三角形的中央?yún)^(qū)域?qū)崿F(xiàn)較高剛度，以提高整個(gè)氣缸蓋的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)還能顯著降低質(zhì)量。對(duì)于未加工部分，與常規(guī)氣缸蓋相比，可節(jié)省約3 kg的質(zhì)量（圖6）。

圖5 三角形氣缸蓋的緊湊型結(jié)構(gòu)

圖6 三角形氣缸蓋

四、氣缸停用（CSO）

120 kW的M282發(fā)動(dòng)機(jī)具有氣缸停用功能，可在低負(fù)荷和轉(zhuǎn)速范圍下關(guān)閉4個(gè)氣缸中的2個(gè)，并繼續(xù)提供充足的動(dòng)力輸出。根據(jù)實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，2號(hào)和3號(hào)氣缸會(huì)停用噴油器和點(diǎn)火裝置，并將進(jìn)氣和排氣門上“氣門升程”調(diào)整至和關(guān)閉行程（圖7）。因此，通過(guò)增加規(guī)定氣缸負(fù)荷來(lái)降低油耗。

對(duì)于進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸，通過(guò)可以軸向移動(dòng)的凸輪襯套，使2個(gè)氣缸的不同凸輪行程進(jìn)行切換。CSO工作時(shí)，切換至“零升程”凸輪，滾子搖臂在此位置通過(guò)360°基圓運(yùn)行且氣門保持關(guān)閉。第2個(gè)升程位置是常規(guī)的“全升程”凸輪，工作情況與普通發(fā)動(dòng)機(jī)類似。

停用和啟用CSO時(shí)，各促動(dòng)器銷移至凸輪襯套的換擋槽中。凸輪軸旋轉(zhuǎn)期間，在各氣門凸輪的基圓區(qū)域中逐漸進(jìn)行換擋。換擋槽位于可移動(dòng)的凸輪襯套之間的中央位置。這使得每個(gè)凸輪軸上僅有一個(gè)促動(dòng)器可以促動(dòng)CSO。如表1所示為CSO啟用和停用的使用條件，如圖8所示為CSO部件。

圖7 氣缸停用（CSO）的概述

圖8 氣缸停用（CSO）部件

表1 氣缸停用（CSO）啟用和停用的使用條件

五、燃燒系統(tǒng)

三角形氣缸蓋一方面改善了燃燒室的冷卻，另一方面快速燃燒可確保較高抗爆震能力。通過(guò)對(duì)進(jìn)氣道進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)來(lái)縮短火花持續(xù)時(shí)間，即使壓縮比高達(dá)10.6，也可以在較高的負(fù)荷范圍內(nèi)優(yōu)化調(diào)節(jié)點(diǎn)火時(shí)間。

使用帶電力控制進(jìn)氣閥的單活塞高壓泵，可產(chǎn)生高達(dá)25 MPa的燃油壓力，并允許調(diào)節(jié)流量，從而適用于泵活塞的各個(gè)行程。通過(guò)排氣凸輪軸上的4個(gè)凸輪驅(qū)動(dòng)高壓泵，并由滾輪式挺桿將運(yùn)動(dòng)傳送至連接在進(jìn)氣側(cè)的高壓泵活塞上。因此，每個(gè)工作循環(huán)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高壓泵行程，行程的角度位置被設(shè)計(jì)為產(chǎn)生鏈條傳動(dòng)的最低負(fù)荷。噴油器位于燃燒室的中央，并采用6孔式設(shè)計(jì)（圖9）。

控制功能可以對(duì)噴射時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，從而平衡生產(chǎn)公差以及對(duì)溫度和壓力的依賴。通過(guò)活性炭過(guò)濾器實(shí)現(xiàn)燃油箱通風(fēng)，并在一些“多灰塵國(guó)家”，將濾塵器安裝到活性炭過(guò)濾器周圍的空氣管路上。

圖9 燃油高壓系統(tǒng)

六、進(jìn)氣系統(tǒng)與渦輪增壓

M282發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)可以將增壓空氣進(jìn)行分配，氣缸蓋罩和機(jī)油分離系統(tǒng)的功能被集成在一個(gè)緊湊型的部件中，通過(guò)彈性密封件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)油的密封。進(jìn)氣道和增壓空氣分配器包括2個(gè)塑料半殼，其通過(guò)熱氣焊接方法連接到氣缸蓋罩上（圖10）。半殼還包括節(jié)氣門凸緣，在所有車輛型號(hào)中通用。

在氣缸蓋罩中集成有曲軸箱竄氣的機(jī)油分離系統(tǒng)。在機(jī)油分離器的下游，使用用于協(xié)調(diào)曲軸箱壓力的調(diào)壓閥。內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常緊湊，隔板及止回閥等部件被合理地規(guī)劃到其中，大大減少了外部管路的復(fù)雜性。

圖10 空氣導(dǎo)管

M282發(fā)動(dòng)機(jī)具有“單渦管”渦輪增壓器和電動(dòng)控制增壓限制閥。在速度和閉環(huán)控制的精度方面，電動(dòng)促動(dòng)器與氣動(dòng)閉環(huán)控制相比，具有很大的優(yōu)勢(shì)。為減小增壓壓力，通過(guò)打開(kāi)增壓壓力控制閥，使得用于驅(qū)動(dòng)渦輪的廢氣流，通過(guò)旁路被轉(zhuǎn)移（圖11）。

渦輪增壓器通過(guò)螺栓擰緊到氣缸蓋上，歧管和渦輪外殼設(shè)計(jì)為一片式鑄造件。作為部分集成歧管的結(jié)果，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常緊湊并且其有廢氣管較短的特性，改善了廢氣流，從而在響應(yīng)時(shí)間和組件上產(chǎn)生了優(yōu)勢(shì)，該結(jié)構(gòu)還省略了附加支架。渦輪增壓器的廢氣溫度設(shè)計(jì)為950℃，電氣旁通閥被集成在壓縮機(jī)葉輪的外殼中。

圖11 渦輪增壓器

七、排氣處理和汽油微粒濾清器

M282發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)包括“兩塊式”系統(tǒng)。空燃比控制通過(guò)催化轉(zhuǎn)換器上游的直列式氧傳感器，和位于2個(gè)催化轉(zhuǎn)換器之間的平面式傳感器進(jìn)行。陶瓷截體是由數(shù)千個(gè)細(xì)小通道的陶瓷體構(gòu)成，陶瓷體由耐高溫的硅酸鎂鋁制成。對(duì)應(yīng)力極度敏感的載體被嵌在由高合金鋼絲制成的彈性鋼絲網(wǎng)中，并安裝在雙層不銹鋼外殼中（圖12）。

圖12 排氣系統(tǒng)

陶瓷載體的基層（中間層）由鋁氧化物（AI2O3）制成，將催化轉(zhuǎn)換器的活性表面積增加約7 000倍。用在載體上的活性催化基底涂層中，主要包括鉑和銠，用于三元催化轉(zhuǎn)換器。鉑加速碳氮化合物和一氧化碳（CO）的氧化；而銠加速氮氧化合物（NOX）的還原。

汽油微粒濾清器的工作原理與柴油車輛中采用的技術(shù)相類型，廢氣流穿過(guò)安裝于車輛底部的汽油微粒濾清器系統(tǒng)。該濾清器為蜂房式結(jié)構(gòu)，可交替關(guān)閉進(jìn)氣和排氣通道，以此推動(dòng)廢氣流入多孔式濾清器中，從而分離炭黑，使濾清器可通過(guò)相應(yīng)的行駛條件持續(xù)再生。

與依賴于耐熱堇青石的汽油微粒濾清器技術(shù)相比，采用了碳化硅制成的汽油微粒濾清器，優(yōu)化了背壓設(shè)計(jì)，具有高過(guò)濾效果且免保養(yǎng)，還可自動(dòng)調(diào)節(jié)。

汽油微粒濾清器的再生功能（炭煙燃燒），是當(dāng)車輛處于常規(guī)駕駛模式下運(yùn)行，或者處于超速運(yùn)轉(zhuǎn)模式下，一旦汽油微粒濾清器中出現(xiàn)氧氣，炭煙將直接燃燒。1 150℃的最高溫度出現(xiàn)在汽油微粒濾清器的中后部。在超速運(yùn)轉(zhuǎn)模式下，汽油微粒濾清器的熱負(fù)荷主要取決于炭黑含量和汽油微粒濾清器上游的排氣溫度。如果炭煙燃燒過(guò)程中溫度過(guò)高，則會(huì)對(duì)整個(gè)汽油微粒濾清器造成損壞。

圖13 冷卻液回路示意圖

排氣溫度由汽油微粒濾清器上游的溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，炭黑含量通過(guò)汽油微粒濾清器壓差傳感器進(jìn)行確定?？刂茊卧梢灾苯幼x取傳感器信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。如果測(cè)量值超過(guò)規(guī)定值，控制單元會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母深A(yù)，并將授權(quán)服務(wù)中心相關(guān)的故障條目記錄在控制單元中。

八、冷卻系統(tǒng)

冷卻回路針對(duì)燃燒、排放、摩擦功率和安全工作要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。冷卻液通過(guò)冷卻回路中的冷卻泵進(jìn)行傳送，其通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行機(jī)械驅(qū)動(dòng)。為了降低冷卻泵的功率消耗，整個(gè)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布局均發(fā)生了改變，從而降低能量的消耗。使用帶彈性元件的電動(dòng)加熱雙盤(pán)節(jié)溫器來(lái)調(diào)節(jié)冷卻液，其通過(guò)溫度特性曲線圖進(jìn)行控制（圖13）。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)，后加熱階段中的渦輪增壓器進(jìn)行的冷卻液循環(huán)，是由熱對(duì)流系統(tǒng)進(jìn)行保證的，不再需要電氣部件的介入。

九、皮帶驅(qū)動(dòng)裝置

使用扭轉(zhuǎn)減振器的可分離皮帶輪驅(qū)動(dòng)裝置，可使皮帶具有低預(yù)緊力，從而有助于摩擦力的最小化。皮帶張緊器被安裝到發(fā)電機(jī)上，有助縮減裝配空間。皮帶驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)械冷卻液泵、空調(diào)壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)。扭轉(zhuǎn)減振器包括1個(gè)扭轉(zhuǎn)減振器和1個(gè)彈性退藕，可有效減小皮帶拉力（圖14）。

圖14 皮帶驅(qū)動(dòng)