奔驰轿车3.5L-V6汽油机解析（六）

◆文/江苏 范明强

奔驰轿车3.5L-V6汽油机解析（六）

◆文/江苏 范明强

范明强

（本刊编委会委员）

教授级高级工程师，参加过陕西汽车制造总厂的筹建工作，主管柴油机的产品开发，1984年调往机械工业部无锡油泵油嘴研究所，曾任一汽无锡柴油机厂、第一汽车集团公司无锡研究所高级技术顾问、湖南奔腾动力科技有限公司总工程师。

（接2015年第7期）

6.快速多火花点火

优化直喷式汽油机点火系统的任务是确保即使在点火时刻的临界条件下也能稳定着火，即扩大应用窗口的范围，使得运用的发动机运行工况能够进一步降低燃油消耗和废气排放。因此，作为批量生产发动机能应用的技术措施，一种新型的点火系统为进一步提高燃烧效率提供了一种附加的选择。这种点火系统能够灵活地为所产生的火花提供电能：首先点火变压器所储存的能量被限制在为第一次火花击穿所需的量级上，而在火花击穿以后的点火燃烧阶段则是由点火线圈在短暂的持续时间内补充提供的能量来支持的。这种分成两个阶段的点火能量供给调节方式被称为快速多火花点火（MSI）。由于后续火花数量的增多，即总能量的增大，形成了一个具有较大空间伸展和密度的等离子通道。这种多火花点火是对传统点火部件（点火线圈-护套管-火花塞）的优化。

由于采用了多火花点火，再次明显扩大了燃烧过程原本就已非常大的稳定燃烧窗口，而后续火花的快速形成能使实际应用的工况移向热力学更为有利的运行工况，从而使得不仅比燃油消耗而且NOX和HC原始排放进一步降低。图51示出了与传统点火系统（TSZ）相比多火花（MSI）在转速n=1 800r/min和平均有效压力pmi=0.55MPa负荷工况点性能改善潜力的实例。由于燃烧移向热力学更为有利的运行工况点，在发动机稳态运行时，在NOX和HC排放分别降低约5%和50%的同时，燃油消耗降低了约4%。

7.新的运行模式

为了扩展稀薄混合汽分层运行的特性曲线场范围，已开发出新型的“均质分层（HOS）”运行模式。至今既有采用压缩行程两次或三次喷油的“分级”分层混合汽运行模式，也有众所周知的进气行程喷油的均质混合汽运行模式。分层运行和均质运行模式的平均有效压力相差大约0.5～0.6MPa。如图52所示，这种新型的均质分层（HOS）运行模式是在进气行程第一次喷油形成稀薄均质混合汽的基础上，在压缩行程点火前再根据特性曲线场运行工况的不同进行单次或两次喷油在火花塞附近形成易于着火的分层混合汽，它是介于上述两种运行模式之间过渡区域的一种新运行模式，替代了分层运行范围上部的运行区域和位于其上方的均质运行范围的一部分运行区域。

另一种新的运行模式被称为“均质分叉”（HSP=Homogen Split）运行模式，它基本上是一种均质化学计量比混合汽燃烧，95%以上的燃油量是在进气行程中单次或多次喷入汽缸的，并有非常少量的“点火”喷油以稳定燃烧，因此图52中的特性曲线场可再细分为4个运行范围：①接近怠速的运行范围：均质运行；②从0.4MPa和3 800r/min起的低部分负荷：分层运行；③4 000r/min以下0.4～0.8MPa的中等部分负荷：均质分层（HOS）运行；④整个转速范围内的高负荷区：均质或均质分叉（HSP）运行。

图53所示出的2 000r/min转速下的负荷范围运行情况表明，均质分层（HOS）运行模式在0.4MPa以上的平均有效压力范围内能获得比纯粹分层运行模式更为有利的燃油消耗值，而直到0.7MPa多一点的平均有效压力范围内能获得比均质运行模式更为有利的燃油消耗值。

图53 2000r/min转速下因均质分层运行所增加的节油效果

均质分层（HOS）运行模式，正如其名称所表明的那样，是由均质稀薄混合汽和分级分层混合汽燃烧组合而成的。此时，在发动机无节流的情况下，首先在进气行程中进行第一次喷油，形成均质的基础混合汽，而原本形成混合汽分层的喷油则是在压缩行程点火之前根据特性曲线场运行工况的不同用单次或两次喷射来实现的。

图54左图示出了低部分负荷工况分层运行时混合汽分布状况的计算流体动力学（CFD）模拟的结果，可以清晰地看到由压缩行程中优化的多次喷射所形成的混合汽的高分层程度，并且在火花塞附近形成了有利的点火条件。图54右图示出了均质分层（HOS）模式运行时的混合汽状况。由于在点火前有两次油量极小的喷射，因此燃烧室中的稀薄基础混合汽能可靠地着火，并稳定地燃烧。

无论是分层运行还是均质分层（HOS）运行时都用废气再循环来降低NOx排放。图55示出了再循环废气引入进气管中的情况。借助于一个折流挡板使得再循环废气与新鲜空气迅速而均匀地混合，由此得到的再循环废气在各个汽缸中良好的均匀分布是应用高EGR率获得低NOx排放值的前提条件。

另外，为没有无硫燃料供应的市场专门推出了一种无稀薄运行模式的机型，它是以分层混合汽燃烧发动机为基础并采用化学计量比均质混合汽运行的，因而取消了EGR和存储式NOx催化器。

8.废气净化

M272汽油机的废气净化方案经进一步开发后用于M276汽油机，它们搭载于奔驰C和E级以及CLS轿车上已满足欧Ⅴ废气排放标准的要求。M276汽油机从一开始就是针对欧Ⅴ废气排放标准进行开发的，其每排汽缸的废气净化装置包括一个近发动机三元转化器和一个安装在汽车地板下的存储式NOx催化转化器（图56），前者确保在发动机启动后不久就能很好地净化有害物质，而后者在发动机稀薄混合汽运行阶段存储NOx排放物。

在发动机稀薄运行期间，由于具有突出的燃烧效率，并且燃烧室中有非常多的过剩空气，因而废气温度非常低，在缓慢行驶的情况下排气歧管-催化器前的废气温度低于200℃，因此应根据需要采取相应的加热措施，以便确保催化器始终具有良好的催化转化能力。

近发动机三元催化器是集成在发动机排气歧管上的，使得为加热催化器所必需调晚的点火正时角可比老机型明显减小，并与均质分叉（HSP）运行模式（根据运行工况的不同，每工作循环喷油最多可达4次）相结合，能使催化器加热阶段期间获得极好的运行稳定性，同时催化器采取加热措施的持续时间大大缩短，再加上调晚的点火正时角较小，可使得加热催化器所必需额外多消耗的燃油量减少一半。

9.发动机试验结果

图57在FEV分布带中示出的比燃油消耗值表明，这种新机型在2 000r/min转速和0.2MPa平均有效压力的部分负荷工况时的比燃油消耗值为290g/kWh，而特性曲线场中的最低比燃油消耗值为220g/kWh，成为轿车汽油机燃油消耗值的新标杆。这种新型的直喷式汽油机在宽广的转速范围内具有370Nm扭矩，6 500r/min时达到225kW最大功率，并且最高转速可达到7 000r/min（图58），因而使整车具有令人信服的行驶动力性。目前奔驰S级轿车由于装用了这种新型的3.5L-V6直喷式汽油机，并采取了其他一些改进措施，在改善行驶动力性的同时其新欧洲行驶循环（NEFZ）的燃油消耗值降低了24%（图59），为这种等级的轿车树立了新标杆。

（全文完）