Mercedes-Benz B级轿车的新型4缸柴油机

【德】 Lückert P Schommers J Werner P Roth T

1 开发目标

与原先的轿车相比，新型B 级轿车驱动理念的特征是，柴油机的设计不是在前桥定下之后，而是在其之前就作了考虑。内部型号为OM 651的基本型柴油机在其总体设计时已作了原则性规定，因此，它能以低廉的配装贾用横置于紧凑型轿车中。该机组不仅十分重视降低二氧化碳（CO2）的排放，燃油耗要低于同级轿车，而且在行驶功率和噪声-振动-平顺性性能方面也取得了显著的进步[1]。根据上述边界条件，设定了以下开发目标：（1）降低燃油耗和CO2排放，与原先的柴油机相比，该柴油机的CO2排放降低20 g/km 以上；（2）提高比功率和比扭矩值，改善灵活性；（3）不用采取主动降低氮氧化物（NOx）排放的措施就能达到欧5排放标准，同时提前满足未来全球排放法规的要求；（4）提高基本型柴油机的通用性，减少新增零部件；（5）左侧驾驶和右侧驾驶均使用相同的柴油机；（6）理念上接近于基本型柴油机，确保高品质和可靠性。

2 基本型柴油机

原先的OM 651型柴油机在轿车和轻型货车上均采用纵向布置方式，而现在模块化设计的OM 651型柴油机则改为横置。1.8 L 柴油机的行程为83 mm，其缸径、缸心距等主要尺寸与排量2.2 L 的基本型柴油机相同（表1）。利用这种模块化理念，基本型柴油机的大部分零部件均可继续沿用。

3 发动机机体

为把这一柴油机用于B 级轿车，针对横置安装柴油机制造了一种专用机体，对其在安装和结构质量方面进行了优化。相对于纵置柴油机系列，横置柴油机改变了废气涡轮增压器布置方式，故确定了一种专门的机油回流方案。曲轴轴承和兰彻斯特平衡机构轴承在这一柴油机布置方式下，沿用了单独轴承盖的结构方案。此外，这种曲轴箱通过摒弃纵置柴油机特有的凸台，可减轻质量5%。

表1 B级轿车用OM 651型柴油机的主要技术规格

4 曲柄连杆机构

如前所述，为配装排量1 769 m L 的柴油机，设计了1套新颖的曲柄连杆机构，主要涉及下列零部件：（1）行程83 mm 的曲轴；（2）与较小行程相匹配的连杆；（3）经优化的活塞，并配装了张力较小的活塞环；（4）匹配的兰彻斯特平衡机构；（5）双质量飞轮及皮带轮-解耦器。

曲轴带有4个平衡块，与用8个平衡块的2.2 L基本型柴油机的曲轴相比，其质量减轻了5.6 kg。由于第3道活塞环的张力较小，故在相同的气缸窜气性能下，按新欧洲行驶循环（NEDC）运行时，其CO2排放下降2 g/km。柴油机变速器侧用同样的齿轮传动，通过兰彻斯特平衡机构彻底消除了二阶惯性力（图1）。

由于引人了起动-停车系统，在皮带传动中采用了坚固的轴瓦和解耦器。解耦器可使皮带传动中的张紧力减小，从而降低CO2排放。由于功率需求从80 k W提高到了100 kW，应用了质量优化的双质量飞轮。

在这一曲柄连杆机构的基础上，柴油机总质量减轻了14 kg（按DIN70020-GZ）。在此柴油机设计理念中，已考虑到进一步开发成欧6柴油机的可能性，通过运用模块化零部件能够不断促进这一目标实现。

5 气缸盖

由于1.8 L 柴油机的行程缩短了，气缸盖需要重新匹配，以提高由此减小的进气涡流。为了达到燃烧要求，改进了切向进气道，并把螺旋进气道中的闭锁阀行程从9 mm 缩小到7 mm。这样可把下止点时的涡流比重新提高到所要求的2.7。

6 机油泵

为了达到较低的CO2排放量，已在基本型柴油机中采用流量可调的机油泵，并将机油压力与柴油机的要求相匹配。柴油机在中等负荷以下的情况下，其零件的冷却和润滑只需较低的机油压力。只有在高负荷下才需要最高的机油压力，由此能使柴油机零件得到完全冷却。为此，采用了两级压力和流量可调的叶片式机油泵（图2）。

机油压力调节功能通过1个3/2液压换向阀实现，由它调节调压活塞的反作用力：（1）在0.2 MPa的低压力级，调压活塞的反作用力只由弹簧力产生；（2）在0.5 MPa高压力级，调压活塞的反作用力由弹簧力加上机油压力产生，而机油压力由调压活塞面积乘以控制压力得出。由于设有故障保险装置，机油压力换向阀工作时，可以始终保持高的机油压力。

为了降低燃油耗，在机油循环系统中，采取的另一项技术措施是可开关的活塞冷却。为了向活塞冷却喷嘴供给机油，在曲轴箱中设计了单独的机油通道，其机油供给由电动阀控制。这种活塞冷却将根据运行工况控制开关。

7 真空泵

真空泵是另一个重要的附件，是为柴油机尽可能减少CO2排放而进一步开发的。其开发目标是在不延迟抽气时间的情况下，大大减小驱动功率。它是通过优化泵中进、排气过程及改变叶片材料实现的。上述措施使真空泵驱动功率减小40%。

8 进气系统

进气系统中有1个固定在汽车上的阻尼滤清器（图3）。较大的空气容积和管道截面使流动损失减小。结合采用专门的声学材料，使进气和流动噪声得到很好的阻尼。将滤清器前后段进气管与阻尼滤清器进行完美的匹配，使阻尼滤清器筒内流动均匀，空气质量流量计和压气机的进口流量不变。进气系统的其他部分，诸如增压空气管、进气节气门、带EGR 的增压空气歧管、EGR 引人管和带进气道闭锁阀的增压空气分配管等，均仍沿用现有量产发动机的。此外，还装配了在纵置柴油机中经受考验的带前冷却器的EGR 系统、电动EGR 阀、EGR 冷却器和进气歧管中的再循环废气管。

9 增压

由IHI Charging Systems International公司制造的RHV34型废气涡轮增压器是在RHV3 型和RHV4型基础上进一步研发而成的。它有1个由电动调节器控制的几何截面可变的涡轮，其具有以下特点：（1）设计的涡轮很小，以获得良好的响应特性；（2）涡轮泄漏损失小；（3）对涡轮叶片的绕流性能进行了优化。

气动设计的重点主要在发动机特性曲线图的左半部分，它对燃油耗具有重要的思义。叶轮的转动惯量比原先OM 640 型柴油机的减小约14%。因此，废气涡轮增压器具有卓越的瞬态性能。提高效率的措施降低了发动机特性曲线图中大部分的换气功。图4表示与原先的OM 640 型柴油机相比，换气功下降了0.1 MPa。

10 排气歧管

为了达到排放限值，柴油机配装了用空气隙绝热的排气歧管。为确保柴油机横置时具有紧凑的结构及较低的安装成本，歧管外壁和内壁均做成深拉伸的瓦形结构（图5）。对运行强度的要求是采用空气隙绝热的另一原因。为了易于安装，将废气涡轮增压器与排气歧管分开，致使气缸盖方向的外瓦留有很大的空档。为了保证在这一范围内具有抵御热强度和机械强度的能力及刚度，运用了双层法兰。涡轮增压器总成的大部分质量都支承在出口法兰上，所以出口法兰必须牢固地固定在下瓦上。利用刚性的整块锻造法兰和外周焊缝，以确保此部位的热强度和动力强度。这种构造也可避免焊渣进人废气流动区。

11 排气系统

排气系统既要满足目标市场的法定要求，又要满足用户对Mercedes-Benz 品牌汽车在声学舒适性、环保性及足够耐久性方面的高期待。

为了满足上述要求，在开发过程中做了以下几项工作：（1）集成满足欧5排放标准的排气后处理系统；（2）提高使用寿命，同时减轻零件的质量；（3）减小排气系统的排气背压，以确保柴油机的效率；（4）降低排气口的噪声，提高舒适性，并尽可能减轻整车的振动；（5）机外噪声达到目标值。

新型B级轿车的排气系统被设计成一体式，然后，用由支架和4个橡胶挂件组成的解耦元件把涡流增压器固定在汽车上。排气系统完全由不锈钢材料制成，内有1个直径15.748 cm 的组合箱和1个容积优化的横置后消声器。

废气通过汽车排气尾管排出，根据不同的车型配置，可提供带或不带排气尾管饰板2 种。排气系统的所有管路直径均为65 mm，能实现较低的排气背压值。同时，消声器的内部结构根据声学要求进行优化，使其不会超过背压目标值。排气系统在最初的构造设计时就运用了有限元计算。通过细微的优化，可以降低构件中可能出现的应力，有限元法是一种减轻构件质量的有效方法。运用运行振动分析法对排气系统的振动性能进行分析，并作了改进，以确保其耐久性。在开发初始阶段，就运用计算流体动力学的流动模拟确定及优化了进人催化器的情况。

按照下列步骤，进行了排气系统的声学研发：（1）采用换气计算，确定出口基准声级；（2）在声学发动机试验台上进行声学测量；（3）平衡测量和计算，并通过计算进行进一步优化；（4）在汽车上进行优化方案的测定；（5）在汽车上进行细微的优化。结果显示，适度的总声压级和谐波变化的发动机二阶惯性力并没有引发过多的干扰。这样达到的声音使驾驶员和乘客都有一种舒适的声学感觉，这正是Mercedes-Benz轿车典型的汽车品质体现。上述设计方案确保汽车能获得现行排放标准的认证。

12 外形尺寸和带传动

OM 651型柴油机的基本理念是通过外围各边角构件的巧妙设计和布置来满足各种安装条件，特别是横向安装的特殊条件。在横置OM 651型柴油机的外形布置时，应尽可能考虑沿用原纵置柴油机的排气系统部件。向柴油机排气侧倾斜15°安装，使横置方案也可完全沿用所谓的“冷侧EGR 系统零部件”，包括可开关的EGR 冷却器及进气道可闭锁的增压空气分配管。

原则上，横置柴油机的各附件均选用按摩擦功率优化的5槽皮带传动机构。一种特殊的元器件是指轴向配下置水泵的、可按工况调节的恒温器，采取这种方式可使水循环短路直接进人柴油机内。所有附件，包括机械式带张紧器，均安装在横置柴油机专用的附件架上。后者是一种复杂的铝铸件，用溶化泡沫模铸造法制成，它还集成了从气缸盖出口到恒温器前进口的冷却水总管。

13 喷油系统

B级轿车上配装的柴油机采用具有下列特征的喷油系统：（1）最高喷油压力180 MPa；（2）电磁阀驱动喷油器；（3）每循环最多可实现5次喷油；（4）采用吸油量调节的2柱塞高压泵；（5）通过固体声传感器调节，补偿喷油量的漂移；（6）根据需要，调节燃油加热；（7）调节电动燃油泵的体积流量。横置柴油机用喷油器是在原先纵置柴油机用喷油器的基础上进一步发展而成的，其结构紧凑，在喷油嘴附近有1个平衡压力的伺服阀。喷油器的特点是燃油油路中的有害容积小，同时泄漏量被大大减少。通过优化喷油器高压区的容积，使高压共轨压力下先导喷油量的可调性得到改善，并减小了多次喷油量之间的分散度。

为了尽可能减少进人燃油系统的热量，应用了一种吸油节流的高压泵，从而可以不用单独的燃油冷却。根据需求，视燃油温度控制燃油滤清器的电加热，而且可以按凝冻度分别调节加热功率。电动燃油泵的体积流量利用压力传感器按需调节。上述2项措施可以减小对电功率的需求，从而降低燃油耗。

14 功率和扭矩

为了达到更低的燃油耗，与基本型柴油机相比，排量减小了约10%，降至1.8 L。这时最大功率达到100 k W，最大扭矩保持300 N·m（图6）。在低转速范围内，80 k W 的柴油机与原先功率相同的柴油机相比，扭矩提高了16%，同时瞬态性能也明显改善。为了达到这一目标，需要对废气涡轮增压和混合气形成进行大量改进。所选用的涡轮增压器比纵置的2.2 L 机组用的小，并运用了最现代的空气动力学设计方案。

相对于基本型柴油机，减小排量会影响混合气的形成，但可通过改变气缸盖中的切向进气道和螺旋进气道中闭锁阀的升程加以优化。这样，虽然排量相对于纵置柴油机缩小了，但功率和扭矩仍旧保持不变，同时，对于负荷从低转速突增时的瞬态性能具有积极作用。

15 排放

为使排放值低于欧5限值，除了采取上述混合气形成的措施以提高空气利用率之外，还匹配了喷油嘴的几何参数（例如：7个喷孔改为8个喷孔）。在部分负荷下，提高增压度可以实现较高的EGR 率。尺寸较小的涡轮设计同样能提高部分负荷时的增压度。2.2 L基本型柴油机高效的EGR 回路降低了燃烧室温度，从而减少了NOx排放。上述措施使排放-燃油耗之间的优化得到折衷，确保柴油机原始排放低于欧5排放限值。这为欲开发欧6柴油机的燃烧系统奠定了良好的基础。

16 燃油耗

从发动机万有特性曲线图清晰可见，在宽广的运行工况范围内，新型1.8 L柴油机的燃油消耗率低于230 g/（k W·h）（图7）。在与燃油耗有密切关系的低负荷特性曲线区内可以看出，其燃油耗也很低。这种突出的优点使得无论在低负荷运行工况下，还是在部分高负荷运行工况下，这种特性确保了燃油耗均比原先车型的低许多。对于80 k W 的柴油机而言，其CO2排放值达到了114 g/km，而100 k W 的柴油机达到了115 g/km（均按NEDC运行，带手动变速器），它们为这一等级的车型树立了新标杆（图8）。

17 振动、噪声及舒适性

由于前驱汽车用OM 651型柴油机的设计任务书中规定的指标很高，对横置柴油机在噪声、振动及舒适性方面进行了优化。为此，运用模拟仿真、发动机台架试验和整车测试对其进行了声学优化。

重点放在优化动力装置机组支承的振动级。根据对柴油机舒适性的要求，1.8 L柴油机配装了兰彻斯特平衡机构。为了优化较高频率区域的振动级，柴油机右支承和上摆动支承以较短的路径与气缸盖刚性连接。下摆动支承集成在中间轴轴承箱中。机组支承的所有连接元件均借助于优化程序并按优化的质量-刚度比进行设计。

声学开发的重点是降低流动噪声。通过运用编织软管横向吸气，并优化洁净空气用的波纹管。采用这种方案可补偿外形尺寸制约空气滤清器尺寸的缺陷。总之，新型柴油机通过改善总声压级及减小干扰噪声，使其噪声级比原先机组的明显要低。无论在空气噪声级方面，还是在机组支承前固体声方面，新OM 651型横置柴油机满足了汽车的主要要求，且噪声处于同等功率柴油机分散带的优异区域。

18 结语

在现有Mercedes-Benz轿车用4缸柴油机的基础上，为B 级轿车开发了1 款内部型号为OM 651的新型柴油机，它在燃油耗、排放、行驶功率及舒适性等方面均优于原先车用柴油机，并为在将来满足更严格的排放标准和更低的燃油耗要求提供了可能性。同时，在这款柴油机的基础上，还可为其他车型开发动力装置。