奔驰最新发动机M256技术亮点解析(上)

◆文/福建 林宇清

自2016年底梅赛德斯-奔驰宣布将重返直列式六缸发动机板块, 随后代号为M256发动机(图1)横空出世，代表了梅赛德斯-奔驰直列式发动机系列的开始，将取代目前主流的M276发动机。该款发动机从诞生起就注入了一系列的创新措施，例如采用了48V电气化装置、可变控制机油回路、智能加热管理系统、汽油微粒滤清器以及取消了皮带传动等设计，这意味着尽管涉及到艰巨的性能目标，但也实现了油耗水平的显著降低，且与M276相比，二氧化碳排放减少20%左右，输出功率增加15%以上。全新M256已分别搭载于S级、E级、CLS等车型上。

图1 M256发动机

本文讲解该款发动机的技术亮点，即各系统及其功能。为便于了解，按发动机的组成和工作原理，将其分为九个系统逐一介绍。

一、两机构系统

两机构系统主要包括了发动机的两大机构(曲轴连杆机构和配气机构)和其他机械部件，如汽缸盖、曲轴箱等。

1.汽缸盖

M256的汽缸盖由铝制成，其与锆石铸成合金，能更有效地散热量。每个汽缸四个气门，由于采用了106.7kW/L的高升功率和紧凑型设计(汽缸高度为90mm、直径为83mm)，造成了汽缸盖的较高热负荷，为此，装配了特殊的排气门可降低热负荷。首先, 钠冷却式排气门还用作空心平座阀(图2)，其优点在于显著提高散热水平；其次，较小的排气门和具有较高导热性、较小直径(螺纹M10)的火花塞使缸盖能够获得更好的冷却, 从而减少爆震的倾向。

图2 空心平座阀

2.凸轮轴机构

进气侧和排气侧各安装了一个凸轮轴调节器(图3)，允许两个凸轮轴向“提前” 或“延迟” 方向连续调节最多40°曲轴转角，进气门在上止点(TDC)前4°至TDC后36°曲轴转角的范围内打开；排气门在TDC前25°至TDC后15°曲轴转角的范围内关闭。这样，气门重叠角可在较宽的限制范围内变化，继而获得更经济的点火正时，并优化发动机扭矩和改善排气特性。

图3 凸轮轴调节器

凸轮轴调节功能由发动机控制单元(ME)根据转速和机油温度启用，机油温度对凸轮轴调节所需的油压(大于1.5bar，1bar=105Pa)有重要影响。ME通过PWM信号促动凸轮轴电磁阀，然后推动控制柱塞，这样，来自凸轮轴油道内的油压就会进入与凸轮轴相连的叶片型调节器，推动调节器旋转，实现凸轮轴调节。凸轮轴位置由霍尔传感器通过检测凸轮轴前部的脉冲轮的位置来识别,并将信号传送至ME分析，图4所示为凸轮轴调节原理图，图5所示为调节器中的机油流向。

图4 凸轮轴调节原理

图5 调节器中的机油流向

3.可变气门升程系统(CAMTRONIC)

M256装配有梅赛德斯-奔驰进气侧的可变气门升程系统(CAMTRONIC)，即可变发动机正时, 可实现进气侧的两级行程转换。可变气门升程系统和凸轮轴调节器的组合, 可大幅减小低负荷时增压变化损失, 这通过阿特金森(Atkinson) 正时策略，适用于较大气门升程和较小气门升程。

进气凸轮轴上有6个机切凸轮件，如图6所示，每个凸轮件控制一个汽缸的进气门；一个CAMTRONIC促动器同时促动2个凸轮件。对于每个气门而言，凸轮件本身都是具有两个曲面的双凸轮结构，如果较陡的凸轮部分启用，则气门升程增加且气门打开较长时间；如果切换至凸轮较平坦的部分，则气门升程缩短且气门快速关闭。此外，凸轮的不对称轮廓，还通过增加的增压运动进一步稳定燃烧，由此产生的覆盖在油气混合物上的涡旋持续运动，确保发动机在尽可能低的负荷下运转更加稳定。

图6 进气凸轮轴

发动机控制单元根据发动机转速、载荷及温度，通过脉冲宽度调制(PWM)信号促动CAMTRONIC促动器，从而控制进气门的低升程和高升程之间的转换。在部分负荷范围内，进气门通过低升程凸轮轮廓促动，因此不会完全打开且关闭较早，短暂的打开时间与开度较大的节气门会消除部分负荷范围内对气流的阻力,同时下部气门升程减少摩擦力，从而有助于提高燃油经济性。如果发动机转速或负载增加，那么进气凸轮轴上的凸轮件切换至高升程凸轮轮廓，为此, 相应促动器被触发，气门挺杆沿凸轮件上的曲线轨道移动，受凸轮轴转动和曲线轨道设计的作用, 凸轮件沿轴向运动, 高升程凸轮轮廓作用于进气门。曲线轨道上的倾斜部分导致气门挺杆返回启动位置。为将凸轮轴复位到低升程， 第二个气门挺杆移入邻近曲线轨道并相应地复位，气门挺杆的位置由促动器中集成的霍尔传感器监测。

4.曲轴箱和曲轴总成

曲轴箱由压铸铝制成，采用内部开发的NANOSLIDE®技术进行汽缸涂层，汽缸接触面由梅赛德斯-奔驰专利双丝电弧喷涂方法加工而成。该喷涂方法将一层铸铁喷涂到预加工的曲轴箱上，随后的精密加工创造极光滑、摩擦优化的缸套，大大降低摩擦损失，并因其薄度保证了冷却液套的最佳热传递，图7所示为曲轴箱结构图。

图7 曲轴箱结构

曲轴和连杆由锻钢制成，其较高的标准输出功率增加了活塞(图8)顶部的热负荷和机械负荷，为降低这些负荷以及活塞顶部的温度, 活塞装备了冷却管，冷却装置集成在机油回路的热量管理系统中。活塞顶部温度的下降, 有助于确保稳定的燃烧和降低发动机内部的排放水平。此外，活塞环也已受到优化。

图8 活塞

二、启动系统

M256成功进入了48V车载电气系统，能量存储装置使用的是48V锂离子蓄电池, 储存电能约为1kWh。该蓄电池可非常紧凑地集成并与按需供应的冷却和加热系统结合在一起。

集成式启动机发电机A79内部(图9)是由一个带永久励磁的三相线圈、一个获取角度位置的解析器和两个温度传感器组成，作为一个整体，A79安装在发动机和变速箱(9G-TRONIC)之间，通过螺栓与曲轴刚性连接，其任务是在驱动轴和48V电气系统之间交换能量，它通过两种不同的方式运转：在发动机模式中, 通过提供的发动机扭矩可以启动静止的内燃机以及对已转动的驱动轴进行加速；在发电机模式中, 可以产生电能(发电机)并提供给48V车载电气系统并为48V蓄电池(G1/3)充电。

启动机-发电机控制单元即电力电子模块，位于齿轮式启动机(不再安装使用)的安装位置，在集成式启动机发电机的三相交流系统和48V车载电气系统的直流系统之间建立电气连接。

图9 发动机A79分解图

三、润滑系统

机油回路的重要开发目标是凸轮轴的高调节性能，即向液压凸轮轴调节器提供所需要的油压, 以便在怠速时可按照所需速度进行调节，这主要是为了减少排放并实现更高的动态驾驶标准。对于六缸直列式发动机，在主要运转范围内产生的抑制性平均凸轮轴载荷力矩, 对油压水平具有较高要求。为此，首次使用了所谓的“SplitOiling概念”(图10)，这指的是机油回路使用一个可变的容积流量叶片式油泵，永久性地为凸轮轴调节器提供稳定液压控制的高压，以及为剩余润滑点提供ME内部特性图控制的低压。为节省空间，低压管理系统的硬件集成在机油滤清器模块中，电磁阀(Y130)用于调节油压，并促动引导式控制柱塞，后者打开高压和低压之间所需的横截面积。M256不再有机油尺，机油液位通过油底壳中的机油传感器监测，然后显示在仪表盘上。

四、点火系统

传统工作模式会对点火线圈充电，且每次点火循环产生一次点火火花，即单火花点火。在每个点火循环内, 当发动机在正常工作温度运行时，点火线圈通常会被充电，并生成点火火花。如图11所示为点火系统曲线，M256可以使用具有较高能量的点火线圈安全点燃混合气，这也适用于冷启动的情况, 从而实现较长的火花点火持续时间；也可以为每个点火过程使用多个火花, 而不仅是一个火花，该工作模式称为多火花点火。与单火花点火相比, 多火花点火使用了更多的火花。这并不是一系列的数个单火花一个接一个地点火，而是点火线圈在期间反复充电以便为火花重复提供充足的能量。多火花点火的开始阶段和单火花点火一样，点火线圈从一开始就充电，直至达到所需的初级线圈电流，该电流在点火时刻中断，由此产生火花。但是, 点火线圈未完全放电，次级线圈电流的大小取决于点火线圈充电量，并在点火线圈中进行测量。如果次级线圈电流降至阈值以下，那么线圈电子装置会再次提供充电电流，流过的初级电流大小也会受到监测，当达到电流阈值时，则初级电路断开, 并再次切换至高电压生成模式，产生另一次火花。如图12所示为发动机点火顺序，之后的火花产生原理相同。

图10 SplitOiling概念

图11 点火系统曲线

图12 发动机点火顺序

五、燃油供应系统

M256的直接喷射系统与M276相同，由低压回路和高压回路组成，通过油轨进行无回流式高压供给。

1.低压回路

燃油泵由燃油系统控制单元(N118)促动，然后从油箱中抽取燃油，产生大约4～6.7bar的燃油低压，并通过燃油滤清器输送至高压泵。燃油滤清器上集成了溢流阀、止回阀和虹吸泵。溢流阀在约为7～9bar的油压范围内打开，卸载的压力用于驱动虹吸泵，以便将左半油箱中的燃油抽吸到右半油箱，确保油箱左右两侧的油量平衡；止回阀在燃油泵关闭时,防止燃油压力下降(降至约4bar以下)。此外，燃油系统控制单元还通过CAN网络读取燃油压力传感器(B4/7) 的电压信号，用于评估当前的燃油压力，并将其与标准的燃油压力进行比较，据此促动燃油泵，从而使实际压力接近于标准压力。为确定燃油需求，发动机控制单元(ME)对燃油压力和负荷要求进行评估。在燃油压力约为4～6.7bar 时,根据需求将燃油输送功率调节在0～130L/h区间内。

2.高压回路

高压泵由凸轮轴驱动，将燃油压缩至直接喷射所需的约200 bar的高压, 并通过至6个喷油器(Y76/1～Y76/6)精细雾化后喷入燃烧室。高压泵上有一个油量控制阀(Y94)，由ME通过脉冲宽度调制(PWM) 信号促动，可根据工况调节进入高压泵的燃油流量。燃油压力和温度传感器集成在油轨上，检测的当前燃油高压以及燃油温度，传感器的信号传送给ME读取，然后由ME。通过CAN网络传送至N118分析，用于调节油压。高压泵的最高工作压力为200bar，只有当车辆静止且换挡杆处于位置“N” 或“P” 时, 压力才会降至130bar, 以减少高压泵的噪音。如果发动机在较热时关闭, 高压回路中的油压可能会升高至约250bar， 一旦达到该阈值，高压泵中的阀即会打开, 随后压力降低，在再次启动发动机时, 压力迅速降至200bar 的标准工作压力，图13所示为高压油路结构图。

图13 高压油路结构

3.低压紧急运行

当高压泵有故障而无法建立高压时，燃油系统低压紧急运行模式启用，油压维持在4～6.7bar之间，油量控制阀打开，燃油通过控制阀进入油轨，喷油嘴促动时间延长，发动机功率降低，车速最高被限定在70km/h。

六、涡轮增压系统

为了获得最好的响应特性以及高发动机输出功率，M256采用了最新开发的带气隙隔热排气歧管的“双涡流技术” 涡轮增压器,包括1～3缸和4～6缸的涌流分离装置，该技术显著减少了增压变化损失, 并在废气流最低时提供了极好的涡轮增压器响应特性。另一个优点在于较低的内部泄漏率和歧管气隙隔热层的连接，这有助于大大降低排气歧管的表面温度,从而消除发动机“较热一侧”的热形势，尤其在高动态驱动或后加热阶段，图14所示为增压空气路径。

图14 增压空气路径

1.增压压力控制

废气流从排气歧管冲到涡轮上，驱动涡轮转动。压缩机叶轮通过刚性轴连接到涡轮上，以相同的速度被带动。因此，吸入的干净空气经叶轮压缩后进入发动机。增压压力的大小通过控制阀(M16/7)和控制风门进行控制。在全负荷操作时, 产生最大2.2bar的增压压力。为减小增压压力, ME根据控制单元内部特性图和负荷控制方式激活控制阀, 然后控制阀通过连杆促动增压压力控制风门，后者打开旁通回路(图15)，使部分废气流通过旁路绕过涡轮进入排气管, 从而调节增压压力并限制涡轮转速。通过这种方式，可根据发动机的当前负荷需求调节增压压力。

图15 旁通回路