自2016年底梅赛德斯一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,代表了梅赛德斯一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。
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,其与错石铸成合金,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。
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。
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。
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,1 bar=105 Pa)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。
3.可变气门升程系统(CAMTRONIC)
M256装配有梅赛德斯一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。