Mercedes-Benz新型OM654发动机系列

【德】　T.Eder　M.Kemmner　P.Lückert　H.Sass



产品介绍

Mercedes-Benz新型OM654发动机系列

【德】T.EderM.KemmnerP.LückertH.Sass

OM654机型是Daimler公司推出的全新开创性发动机系列。介绍其技术理念和新发动机系列中首款机型的创新，OM654机型是未来柴油机的代表。

柴油机阶梯式燃烧室排气后处理系统燃油耗

1　发动机设计

在新柴油机系列的设计理念中，除了提高功率、减轻质量和降低摩擦之外，开发需求主要集中在面向未来的低排放理念和降低燃油耗。为此，需要开发全新的燃烧系统、废气再循环系统和排气后处理系统。

2　发动机系列的结构设计理念

新Mercedes-Benz动力总成结构设计的目标是，将动力总成统一布置在当前和未来车系的汽车内，并近发动机布置排气系统[1]。

基础发动机的缸径、行程和气缸间距等主要尺寸决定了发动机安装长度、高度，以及发动机整体的紧凑设计。

考虑下列因素将缸径和行程分别设定为82.0mm和92.3mm： (1) 单缸排量接近500cm3；(2) 铝制曲轴箱承受的最高压力可达20.5MPa；(3) 考虑到燃烧和摩擦的最佳曲柄连杆比。

由于发动机前端的正时驱动系统在很大程度上决定了安装高度，所以沿用原4缸柴油机的传动侧布置方式[2]。为了将发动机放置在汽车下部，在曲轴的左右两侧安装兰彻斯特平衡轴。此外，为了在安装时不受车辆限制，新机型的机油泵与原机型保持一致，安装在曲轴旁边。

发动机的垂直安装和曲柄连杆机构偏置，使汽车右侧有足够的排气系统安装空间。由于排气系统和涡轮增压器放置在发动机右侧，因而换气部件(空气滤清器、进气分配器和水-空中冷器)、高压泵、空调压气机和发电机安装在左侧。

在汽车系列中统一布置发动机是实现部件高度通用化和汽车接口统一设计(如真空、水、燃油或空气)的重要步骤，因而变速箱凸缘在汽车中的位置不变。

因此，采用Mercedes-Benz动力总成结构设计(图1)，并且在汽车系列中统一布置发动机和与变速箱凸缘相关的零部件；并确保系列的高度通用化和近发动机布置排气系统。同时，大幅减少排气系统变化和受影响的部件，并统一汽车媒体接口。

图1　Mercedes-Benz动力总成结构设计示意图

3　OM654型发动机

下文介绍新发动机系列的首款机型OM654的设计。

3.1技术与创新

根据开发目标进一步提升OM654机型的性能、摩擦和噪声-振动-平顺性(NVH)性能。为满足燃油耗和排放要求，需要进行热力学和排气后处理方面的创新(图2)。

3.2基础发动机

Mercedes-Benz基础发动机的结构设计采用了大量新部件和新方法。

3.2.1采用兰彻斯特平衡轴的曲柄连杆机构

基于90mm的气缸间距将空心曲轴设计为主轴承直径为55mm、宽为20mm的钢锻造部件。相应的连杆轴承尺寸直径为52mm，宽度为19mm。

图2　OM654的主要创新点

由滚动轴承支承的位于底部的2个平衡轴来平衡二阶惯性力。单平衡轴由过盈安装在曲轴第8曲柄臂上的主动轮和预紧安装在各个平衡轴轴端的斜齿轮啮合驱动。

3.2.2采用双丝电弧喷涂技术和轴承架的全铝曲轴箱

采用优化的“Nanoslide”涂层的全铝曲轴箱是种全新设计。曲轴箱采用深裙结构设计，并通过油底壳进行加固和密封。“Nanoslide”优化工艺的关键点是，气缸壁处理工艺由原来的高压水喷射转换为机械粗加工。

3.2.3采用阶梯式燃烧室的钢活塞

6缸柴油机首次搭配使用“Nanoslide”涂层与钢活塞，这为新发动机系列的所有柴油机机型奠定了基础。锻焊式钢活塞采用42CrMo4合金钢。OM654的带阶梯式燃烧室的钢活塞首次被应用于乘用车领域(图3)。

图3　　　　比较铝活塞(ω燃烧室)与钢活塞　　　(阶梯式燃烧室)

3.3“冷端”

为实现高升功率，对进气至涡轮增压器压气机的所有空气管路的压力损失进行优化，使空气流量尽可能增大。发动机控制装置也集成在空气滤清器中(图4)。

图4　发动机“热端”和“冷端”示意图

另一个重要的设计理念是，优化从废气涡轮增压器的压气机至气缸盖的增压空气管路设计，最大程度地提高进气密度。集成的水-空中冷器发挥重要作用，它将额定功率时的压缩空气温度降至50℃。

4　热力学

OM654机型将采用阶梯式燃烧室的燃烧系统首次应用于乘用车柴油机，下文将介绍其零部件及使用方法。

4.1燃烧室

燃烧室的设计目标是使活塞凹坑在总压缩容积中的比重(即k因子)最大化，也就是使燃油喷束无法到达的盲区最小化，从而实现最大的空气利用率和较小的炭烟值。

在概念阶段已决定采用新的燃烧系统，这是首次将带阶梯式燃烧室的活塞用于乘用车。由于活塞与气缸盖之间的挤流区域非常狭窄，因而采用相对较小的避阀坑来防止活塞与气门碰撞。气门向燃烧室(活塞)方向偏移可以减小气缸盖附近的盲区，由此导致相应的凹坑容积增大4%左右。在单缸机及仿真中已验证，较深的活塞避阀坑对燃烧室进气运动产生的消极影响(涡流减少)可忽略不计。在这种情况下采用钢活塞也是有利的，钢活塞的顶岸高度明显比铝活塞更低，使得盲区大幅减少。

通过采取这些措施，尽管气门总体倾角达到了10.5°，凹坑容积占用仍有77%，仅比气门垂直布置时(理论上可达79%)略低一点，但避免了气门垂直布置时产生的进排气影响和其他结构限制的缺点。

4.2燃烧系统

OM654机型的燃烧系统为全新开发，是Daimler公司首次在乘用车领域采用带阶梯式燃烧室的燃烧系统，其主要特征是活塞凹坑采用阶梯式设计。新燃烧系统的优点是空气利用率极高且颗粒排放较低。燃烧速度比ω燃烧室更快，因而效率更高。同时，凹坑形状产生的气体保护层减少了机油积炭和气缸壁燃油浸湿现象。

由于改善了燃烧室的流动情况，所以气缸壁热损失降低，气缸盖温度分布更均匀，气门座孔之间部位的高应力得到缓解。总体来说，降低气缸壁热损失，有利于提高效率。

4.3燃油喷射技术

喷油器采用已通过检验的带8孔喷嘴的压电喷油器CRI3，并进一步改进热力学、流量和喷孔几何结构，使其适用于新的燃烧系统，系统最高压力达205MPa。高压泵采用Bosch公司的CP4单柱塞泵。

4.4增压

发动机右侧的排气系统与集成的霍尼韦尔单级废气涡轮增压器GTD1449组成协作单元，以确保压力损失和热量损失最小化。通过与发动机和排气系统的主要高温气体部件绝缘，温度敏感部件的较高热负荷降至安全水平。采用水冷式轴承壳防止增压器油炭化。

与现今常用的功率级和排量级的涡轮增压器相比，低于1800r/min转速范围内可获得近70%更好的增压压力梯度。结合低压EGR，可以达到二级增压原机型在瞬态特性方面的高要求。

4.5多路EGR

新一代柴油机的1个重要研发目标是降低颗粒物排放。为此，除了可靠的燃烧系统，还需要1个高效的多路EGR系统。多路EGR系统由两条EGR路径组成(图5)。这种组合方式能在非常宽广的特性图区域实现效率优化并满足未来的颗粒物排放要求。

图5　EGR系统图及特性图中的总EGR率

主动冷却的高压EGR与“热端”的排气歧管相连接并接入“冷端”的增压空气供给管路，按照最短路径连接方式布置在发动机前端(图4)。同样冷却的低压EGR布置在发动机后端。

高压EGR路径采用传统布置方式，从排气歧管中提取废气，通过EGR控制阀经旁通或经冷却器进入进气管。

低压EGR路径从SCR系统后的管路提取清洁废气，同样通过控制阀和冷却器输送清洁废气，在压气机上游与新鲜空气混合。为了提供必要的压力梯度，在排气系统中集成无级可调排气阀。

这两种EGR路径的设计重点是，制造可以确保快速瞬态响应的体积最小化的较短部件和可以确保最佳换气的优化压力损失的部件。例如，在多路EGR运行时，无需采用节流阀调节高压EGR。

进气道建模和控制策略允许高压EGR和低压EGR在发动机性能脉谱图区域内进行完全可变混合运行，因此也为稳态优化的燃油耗设置用于瞬态区域打下了基础。

图5所示的EGR率反映出燃烧系统的潜力，显示出颗粒物排放水平降低(尾管排放大幅减少)。

4.6全负荷性能

尽管EGR作用于全负荷工况点，但未对发动机动力性能产生太大的影响，新EGR发动机仍以143kW的功率刷新了2L单级涡轮增压发动机的记录(图6)。

图6　OM654机型全负荷曲线

5　排气系统/排气后处理系统(“热端”)

排气后处理部件是新发动机的重要组成部分，是采用高度通用化的低排放概念的基本模块。为满足未来排放法规(WLTP和RDE)，对发动机尺寸、结构及功能布置进行系统设计。“热端”由1系列的单个模块组成，这些模块构成1个单独的模块化系统(图7)。

图7　OM654的“热端”和AdBlue喷射排放系统

通过隔离措施(温度、噪声)和改善的催化剂涂层，在冷起动和低负荷运行时不再需要发动机温度管理。除了排放方面的优势，还可以减少CO2排放量，尤其是路程较短时减排更为明显。

在DPF中集成SCR功能可有效降低NOx，即使排气温度较低，仍有利于低负荷范围的排放性能。

SCR催化转化器位于sDPF之后，使高负荷范围的性能最佳。不同于原机型，这种“热端”有非常大的载体作用截面，降低了约40%的排气背压。

6　AdBlue制备与NH3均匀分布

研发重点是提高AdBlue制备效率并降低背压。由于安装空间受限，要确保在非常小的空间里实现无沉淀物的AdBlue还原剂制备，并且除了蒸发、热解和水解，还在相对较大的催化转化器截面下实现均匀分布。为了确保在宽广的特性图区域中有较高的NOx转化率，要求无逸氨催化转化器(ASC)的系统的NH3均匀分布指数大于98%，以实现系统的可靠控制与监测。

为了满足上述功能要求，针对安装空间限制研发出创新的AdBlue蒸发与混合概念，并获得专利(图7)。

利用这种概念布置了多个在流动方向上的蒸发器板，蒸发器板在空间上交错布置，每个蒸发器板都会接收到部分喷射锥，从而实现还原剂初始均匀化。蒸发器板的排列、AdBlue喷射器的精确布置，以及喷射锥的定位都是完全匹配的。蒸发器板沿排气流线布置，从而使蒸发装置的压力损失比传统装置减少30%以上。

在蒸发装置下游，排气流入1个椭圆形通道，并形成对称的双涡流。由于产生涡流，所以还原剂保留时间增加，同时还实现有效混合。通过这种方式，即使在剂量较多的情况下也能避免产生沉淀物，同时在较大的sDPF横截面下实现较高的NH3均匀分布指数(0.97～0.99)。

7　排放值

OM654机型采用高效EGR系统、新燃烧系统、增强的EGR兼容性和近发动机布置的排气系统，使SCR系统的运行范围大幅扩展，并进一步显著提升高负荷范围内的实际功率，可在整个发动机工作范围内实现极低的排放。RDE工况下的NOx与原车型相比大幅减少(图7)。

8　噪声情况

除了对发动机机体结构、变速箱总成连接、齿轮传动及空气导管采取大量设计方面的优化措施，还采用了塑料发动机支架，这些措施可实现新的最优值。

9　发动机质量

尽管有技术指标要求，OM 654机型仍采取各项措施达到减轻质量的既定目标(图8)。相比功率为125kW的OM651原机型，新机型不仅将功率提高到143kW，质量还减轻了35.4kg。

图8　原机型与新机型降低质量和摩擦的部分示意图

10　摩擦损失

通过部件与系统评估以及计算推论，对开发发动机的摩擦损失和功率损失进行早期评估。总体而言，与原机型OM651相比，OM654基础发动机的摩擦有明显改善(图8(c))。与相应的批量生产4缸柴油机的摩擦平均有效压力FEV分布图进行竞争比较(图8(b))，可看出措施的实施很成功。

在相应的摩擦扭矩特性图中，OM654机型显示出明显的与负荷的相关性。特别是摩擦损失的大幅降低时，为了满足客户和未来适用的WLTP测试循环(比NEDC要求的负荷更高)对更高负荷的需求。大幅降低的摩擦损失使新发动机比OM651机型节省燃油约6%。

11　整车效果

通过采用新燃烧系统、更小的废气涡轮增压器设计、摩擦措施，以及大幅降低整个换气的节流损失，为灵活的发动机响应特性创造了必要的设计条件。由于进一步优化调节变扭器和变速箱，并使发动机质量减轻17%，所以搭载OM654机型的车型在起步时有明显的扭矩优势(图9)。

同样，OM654机型传动系统是具有最佳行驶性能的高效传动系统。对0～100km/h的加速时间进行评估，搭载新机型的车型行驶性能比搭载相应原机型的车型改进了10%以上，加速时间相当于缩短了将近1s。

图9　　　　E220d与其他车型的起步与加速度的比较

12　燃油耗

如图10所示，从油耗值表现可看出所采用技术的效果。采用可靠的带阶梯式燃烧室的燃烧系统、高效的EGR、降低摩擦与质量的措施，以及近发动机的排气后处理，可使排放值大幅降低，并产生新的最佳油耗值，CO2排放量为102g/km。

13　结语

新型OM654 2.0L 4缸发动机是新发动机系列

图10　E220d(OM654，143kW)的油耗值

的首位成员，随着它的推出，Daimler公司在柴油机领域树立了燃油耗、行驶性能、舒适性和排放的新标准。

新型发动机首次应用将搭载在新E级车型，随后将用于更多车系。基于新发动机系列的其他功率级和排量级的发动机正在研发中。

[1] Eder T, et al. Launch of the new engine family at Mercedes-Benz[C]. 24. Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motoren-technik, 2015.

[2] Lückert P, et al. The new Mercedes-Benz 4-cylinder diesel engine OM 654-the innovative base engine of the new diesel generation[C]. 24. Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik, 2015.

2016-05-09)