奔驰4缸发动机M651简介(上)

◆文/福建 林宇清

新一代奔驰4缸柴油发动机M651是第二代共轨直接喷射系统，如图1所示该款发动机的输出功率为150kW，最大输出扭矩为500Nm，每百公里耗油5.4L柴油，排放为2 143cm³，且达到欧5标准。

图1 M651发动机

这一全新双涡轮增压发动机在提高性能的同时，极大减少了燃油消耗和尾气排放，使其不断满足市场需求和法规要求。该款发动机与上一代M646发动机相比，特性、扭矩和功率如图2、图3、图4所示。

图2 特性数据

图3 M646扭矩和功率曲线

图4 M651扭矩和功率曲线

本篇文章讲解奔驰4缸发动机M651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，将其分为机械系统、即时启动系统、燃油供应系统、涡轮增压、排气系统、冷却系统、发动机润滑及发动机控制八个系统进行逐一介绍。

一、机械系统

该系统包括了发动机的主要机械部件和机构，如汽缸盖、凸轮轴调节、曲轴箱等。

1.汽缸盖：如图5、图6所示，汽缸盖由高强度铝制成，装备有两根凸轮轴和四个气门。此外，它还具有最大点火压力200bar(上一代为160bar，1bar=105Pa)、切向和螺旋式进气道及直径19mm的压电式喷油嘴的新特性。

图6 汽缸盖剖视

2.凸轮轴机构：如图7所示，凸轮轴由正时链驱动，驱动齿轮通过中央螺丝安装在凸轮轴上，螺纹采用逆时针方向；传感器轮组合了霍尔传感器，固定在排气凸轮轴上，监测凸轮轴的位置和转速。

图7 凸轮轴

3.曲轴箱：如图8所示，M651的曲轴箱是在优化空间特性的概念上设计的，具有与上一代相比更短4cm的箱体、通过在输出侧固定驱动齿轮和凸轮轴驱动来改进行人安全系统及通用性的正时箱盖适配于各种变速箱模式的优点；如图9所示，油底壳采用两块式设计，较低部分由塑料制成，并优化了运转噪音。

图8 曲轴箱

图9 油底壳

4.曲轴连杆机构：如图10所示，曲轴总成与老款发动机有所不同，新款发动机锻造的曲轴带有8个平衡块，由5个轴承支撑，有效减少振动、连杆是由高强度合金钢锻造而成的，并优化了重量、两根平衡轴集成在主轴承桥内，并固定在3个滚动轴承上，确保发动机平稳运转。

图10 曲轴总成

5.齿轮驱动：M651最重要的创新之一是齿轮驱动在输出侧组合链条驱动，兰彻斯特平衡轴、高压泵、机油泵及真空泵都由新的齿轮系统驱动，如图11所示。

图11 齿轮传动

6.皮带驱动：皮带传动采用V型低保养的单皮带系统设计，驱动助力泵、制冷压缩机、发电机及冷却液泵等部件，如图12所示。

二、即时启动系统

柴油机与汽油发动机不同，柴油机无点火系统，为确保在冷却液未预热至较高温度下发动机能够立即启动，如图13所示，由4个加热塞和一个加热输出级组成的即时启动系统用于提高冷启动和暖机特性，加热塞的供电压由CDI控制单元根据时间和温度通过加热输出级来调节。

图12 皮带传动

图13 加热塞

三、燃油供应系统

M651发动机的燃油供应系统由低压油路和高压油路组成。

1.低压油路：燃油泵输送所需压力的燃油，经带有加热元件的燃油滤清器后，到达高压泵。

(1)燃油泵(M3/3、M3/5)：如图14所示，带油位传感器由CDI控制单元通过继电器促动或燃油泵控制单元直接促动，产生并输送压力为4.0bar左右的燃油，经带燃油滤清器过滤后，到达高压泵。

(2)加热元件：集成在燃油滤清器上，确保在低温时的燃油流量。

2.高压油路：如图15所示，低压燃油进入高压泵后，高压泵将其压缩至高压，然后存储在共同的油轨中，通过喷油嘴直接喷入缸内，油轨压力通过压力传感器监测，由压力调节阀和流量控制阀调节。

图14 燃油泵

(1)高压泵(M41/3)：位于曲轴箱左后侧，驱动齿轮以75%的曲轴转速驱动，将低压燃油压缩成高压；在泵上集成了一根喉管，用于抽吸喷油嘴泄漏的燃油。

(2)流量控制阀(Y94/3)：根据CDI控制单元的信号，控制进入高压泵的燃油流量，并与压力调节阀共同调节油轨压力。

图15 高压油路

(3)压力调节阀(Y74/5)：根据运转状态，与流量控制阀共同调节油轨压力。

(4)喷油嘴：作为新的共轨技术的重要元件，压电式喷油嘴取得了全新的发展，喷油嘴由压电陶瓷促动模块促动。与传统的喷油嘴相比，压电式喷油嘴更快的将燃油喷入燃烧室，雾化更好更精确。喷油量取决于油轨压力和喷射时间，如图16所示，在每个喷油嘴的顶部，均有1个20位的代码，指示各喷油嘴的流量特性，在更换喷油嘴后，必须通过诊断仪进行匹配。

图16 喷油嘴

(5)油轨压力传感器(B4/16)：在油轨末端，监测油轨的当前压力，并传送至CDI控制单元。

四、涡轮增压

M651不断发展涡轮增压技术，部分发动机装备了两级涡轮增压。如图17、18所示，该增压系统合并为两个大小不同的增压器和一个旁通控制系统，以实现在低转速时的较高输出扭矩，具有启动更平稳、启动不会迟缓、行驶性能更好、加速良好、高压涡轮增压器被设计为在低转速内快速建立较高的增压压力、低压涡轮增压器被设计为在中高转速范围内，通过高速气流快速建立较高的增压压力及低压涡轮增压器被设计为在中高转速范围内，通过高速气流快速建立较高的增压压力的优点。

图17 双涡轮增压器

图18 增压空气路径

1.增压简介

废气流通过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，吸入的干净空气经叶轮压缩后进入发动机。增压压力通过升压控制翻板、排气门和增压旁通翻板进行调节。

2.增压压力控制

增压压力通过升压控制翻板转换阀、排气门压力转换阀和增压旁通翻板转换阀，以电子气动的方式控制；电磁阀由ME通过PWM信号控制，其原理与272发动机的二次空气喷射转换阀相同，在此借用该转换阀结构图来理解：如图19所示，当电磁阀被促动时，固定板a由线圈吸出，并且密封橡胶块f关闭通风口，通道2和3之间的连接被打开，这样从真空单元到储存罐之间的真空就被建立。在没有电压供应的情况下，a在弹簧b的作用下回位，关闭通道2，这样，通道1和3之间的连接再次被建立，即通道3通风。

图19 转换阀结构

3.真空供应

真空泵由曲轴驱动，产生所需的真空，电磁阀通过软管连接到真空储存罐上， 其中2个压力转化阀通过共同的通风过滤器与大气压相通。如图20所示，当Y132被促动时，真空作用在旁通真空单元的翻板上，从而打开旁通管道，使部分废气流过废气再循环冷却器；当Y31/4被促动时，真空作用在排气门真空单元上，并持续打开低压涡轮增压器中的排气门，这样使部分废气流绕过低压涡轮增压器，进入尾气系统；当Y93被促动时，真空作用在升压控制翻板真空单元上，并逐渐打开高压涡轮增压器中的升压控制翻板，这样使部分废气流绕过高压涡轮增压器，进入低压涡轮增压器。

图20 旁通回路工作原理