奔驰CDI柴油机技术特点介绍

奔驰CDI柴油机技术特点介绍 新型梅塞德斯V6柴油机的技术特点 摘要 本文主要论述新型梅赛德斯V6轿车柴油机的技术特点:1、结构紧凑、轻量化;2、双 顶置凸轮轴，每缸4气门的配气机构;3、可变喷嘴涡轮的涡轮增压器;4、压电陶瓷喷油嘴; 5、第三代燃油共轨喷射系统;6、满足欧?的排放控制系统等。 关键词:轿车柴油机 增压 共轨 直喷 Technical Feature of New Mercedes V6 Diesel Engine for Passenger Cars Abstract: This article expounds the technical feature of new Mercedes-Benz V6 diesel engine as the following ;1.Compact and lightweight structure ;2.Double overhead camshaft with four valves per cylinder;3.VNT turbocharger ;4.Piezo-ceramics injector;5.Electronic engine management 6.Emission control system which meets Euro? limits. Etc. Key words: Diesel engine for passenger cars Turbocharging Common rail Direct injection 1(前言 2005年春天，德国一梅塞德斯本茨公司推出一款新型、结构紧凑、质量轻、扭矩大的 V型6缸柴油机。这一新型可控直喷系统(CDI)式6缸柴油机，现已投入系列化生产。该 机的开发、试验周期仅为40个月。它是过去梅塞德斯公司直列5缸和6缸柴油机的更新换 代产品。新型V6柴油机开发过程中，应用和实现了目前现有柴油机的各种新技术、新 装置、新、新工艺，这些现代化技术包括机械系统、热力学和排放控制系统的新技术。 这些新技术采用后的综合效果极其显著和有效，新型V6柴油机具有良好动力性能，输出功 率增大，扭矩特性优越，燃油经济性和废气排放的净化性也有满意的结果。 新型V6柴油机的主要技术规格和参数如表1所示。 表1 新型V6柴油机的主要技术规格和参数 序号 项目名称 单位 数值 1 气缸排列型式及缸数 V6 2 气缸夹角 º 72 3 气门总数/每缸气门数 24/4 4 气缸总排量 L 2.987 5 气缸直径/活塞行程 mm 83/92 6 气缸中心距 mm 106 双排套筒滚子链条7 气门驱动机构及排列型式 DOHC 8 压缩比 18:1 第三代Bosch共轨，可9 燃油喷射系统型式 控直喷系统CDI 10 高压油泵最大供油压力 bar 1600 11 喷油嘴型式 压电陶瓷 1 12 峰值燃烧压力 bar 180 13 废气涡轮增压器型式 电控可变喷嘴涡轮 (VNT)增压、中冷 14 输出最大功率及转速 KW/r/min 165/3800 15 输出最大扭矩及转速 N?m/r/min 510/1600,2800 16 变速器型式及档位数 自动变速器，7档 17 变速器型号 7G-TRONIC 18 废气排放控制水平 EUROIV 19 微粒排放PM g/km 0.025 20 整机质量 kg 208 自2005年3月起，这种新型V6柴油机将取代原有梅塞斯公司直列5缸和直列6缸柴油机。如表1所示，其最大输出功率达到165kW，比原有直列5缸柴油机的功率增大约38%;比原有直列6缸柴油机的功率增大9%;该机与7档位、自动变速器(7G-TRONIC)配套，最大输出扭矩在转速(1600,2800)r/min范围内高达510N?m。 该机的微粒(PM)的排放水平很低，可达到每公里0.025克(0.025g/km)，甚至在排气后处理系统中不装微粒过滤器，就能达到欧洲Euro-4排气限值。 该机的外形形状如图1所示。 图1新型V6-CDI柴油机外形图 该机操纵轻快、加速响应性良好并有较好的扭矩特性。 作为世界一流的梅塞德斯——本茨公司开发和生产的新型V6柴油机，采用双列V型排列和布置的铝合金机体(气缸体——上曲轴箱)及灰铸铁铸造而成的气缸套(图2)。 2 图2 高强度铝合金的机体(气缸体——上曲轴箱) 图2表明，左右两列气缸夹角72º ，气缸中心距为106mm。铝合金气缸体上镶铸有灰铸铁铸造而成的气缸套。 2(结构紧凑，轻量化的双金属机体 在追求实现大功率，高扭矩、低油耗、低排放及低振动、低噪声等动力性及环保性设计目标的同时，千方百计地缩小结构外形尺寸，降低结构质量使之符合(或达到)德国DIN标准规定的质量指标。也即将设计开发的焦点集中在结构紧凑、轻量化水平上。新型V6柴油机上轻量化结果十分明显:整机总质量相当于直列5缸柴油机的质量，新型V6柴油机整机总质量减小到约208kg;其机体(气缸体——上曲轴箱)的总质量仅有41kg。衡量和柴油机结构轻量化的指标和参数是功率和质量的比值即比功率，(柴油机单位总质量所输出的最大功率)。对于新型V6柴油机，其功率和质量的比值已达到0.79kW/kg，这个比功率数值要比原有直列6缸柴油机高出20%左右。由此可见，新型V6柴油机的结构十分紧凑，轻量化指标十分先进。 作为轻量化的典型材料，高强度铝合金在新型V6柴油机上还广泛应用于其他关键和重要的零部件如:气缸盖、气缸盖罩、水泵、活塞、机油油底壳及进气压力分配器。为了降低柴油机的整机质量，还应用塑料，如消声器护罩、发动机护罩、新鲜空气和进气导管系统的零部件等。 3(双顶置凸轮轴、每缸4气门的配气机构 新型V6柴油机的配气机构的设计开发充分体现了减少运动零部件质量、用滚动摩擦代替滑动摩擦、降低摩擦损失的思想。V6柴油机的左列气缸和右列气缸上，分别在气缸盖上安装和固定着两根驱动气门的凸轮轴:一根进气凸轮轴，另一根是排气凸轮轴。左列进气凸轮轴上的进气凸轮驱动左列三个气缸的进气门，左列排气凸轮轴的排气凸轮驱动左列三个气缸的排气门，右列气缸上的凸轮轴与左列同样对称布置。每只气缸有两个进气门和两个排气门。24个进、排气门按着一定的配气相位打开和关闭。凸轮轴上的进、排气凸轮带有滚子型凸轮顶杆从动件又称为气门挺柱，也即每个气门都装有液压气门间隙调节器，又称为液压挺柱，运转中在机油压力作用下气门小端与液压气门挺柱之间的间隙始终为零。左、右两列气缸盖上的进排气凸轮轴由一条工作可靠并检验过的双排套筒滚子式的正时链条系统驱动。(图3) 3 图3 新开发的V6柴油机气门控制系统 图3表示了低摩擦的气门;滚子型的液压挺柱(凸轮顶杆);4根顶置凸轮轴。还可从图3看出，凸轮轴被双排套筒滚子式的正时链条驱动。这种气门控制系统的特点在于减少运动零部件质量、降低摩擦损失。在链条传动系统中还有平衡轴，用于改善左、右列三缸柴油机运动件惯性力的平衡性。此外，燃油喷射系统中的高压油泵也被集成在这个系统内。进、排气凸轮轴的轴瓦直接安装并固定在气缸盖和气缸盖罩之间。 图4 新型V6柴油机的燃油共轨系统 图4表示了新型V6柴油机的燃油分配器即燃油油轨;压电陶瓷的燃油喷油器及供油压力高达1600巴的高压油泵。新型V6柴油机的燃油共轨系统是第三代燃油共轨喷射系统。试验结果证明该产品工作可靠、行之有效，现在正系列化生产。 4(柴油机整体化基本思路 由于新近提出了“整体化基本思路”，新型V6柴油机成为全球同一排量(3升)级内最紧凑的动力装置之一。“整体化基本思路”意味着柴油机连同其附属零部件形成一个有机整体，柴油机与组成它的零部件及辅助机构、附件形成一个紧凑的统一体。例如，一个整体式的空气滤清器系统直接安装在新型V6柴油机的V型夹角空间内，因此，不再另外占据额外的安装空间。新型V6柴油机比过去生产的直列5缸柴油机的结构更加紧凑。 下面从柴油机整体化思路，说明其他零部件的结构: 4(1锻钢曲轴 全支承锻钢曲轴具有4个加宽的主轴颈(图5)，由于左右两列气缸采用并列连杆机构，与直列6缸柴油机相比，主轴承加宽了5mm，曲柄销(连杆轴颈)及主轴颈的过渡圆角区域已采用滚子圆角滚压工艺，以提高强度。曲轴的抗弯刚度和抗扭刚度大大提高，比先前直列6缸柴油机曲轴的刚度的两倍还要大些。 4 图5 全支承的锻钢曲轴外形图 4(2锻钢连杆 合金钢材模锻而成。梅塞德斯公司通过选用适合锻造工艺的新的合金钢材料并且改进连杆的几何形状、外形尺寸来优选组装在同一台V6柴油机的连杆的质量。 4(3燃烧室 精心设计新型V6柴油机的燃烧室的几何形状和容积，其中包括精确计算活塞顶部表面凹坑的几何形状和容积参数，优选燃烧过程参数，从而达到废气排气物未经处理时有害物质稳定减少的目的，改善废气净化性能。 4(4减振、降噪的平衡轴 新型V6柴油机的固有振动是由不平衡的惯性力引发的内部振动，位于左、右两列气缸之间包含在正时链条传动系统内的平衡轴，改善了惯性力的不平衡状况，补偿了振动和噪声对舒适性的影响，加强了减振和降噪的效果。平衡轴的旋转速度与曲轴相等，旋转方向与曲轴相反。 5 保证机油温度、加强润滑能力的换热器 采用一根独立的套筒滚子链条驱动机油泵。机油流过一个大容积的全流式的机油滤清器。外置齿轮泵装置运转无声、效率高，泵送机油流过油/水热交换器，换热器布置在左、右两列气缸V型夹角空间内。高达15kW功率的换热器确保柴油机即使在极限负荷条件下，机油温度也不会升高到130?以上。平衡轴上的内孔供作主油道之用。机油从主油道流动到曲轴主轴承，再进入气缸盖，然后流动到活塞内腔冷却装置，它为高温、高速的活塞提供冷却油雾。当机油压力达到一定数值时，该冷却装置自动打开并对活塞内腔喷油雾冷却。 5 图6 8孔压电喷油嘴比传统电磁阀喷射快一倍，每循环能完成5次喷射作用 应当指明，还有一个顺流的内冷器能够降低压缩空气的温度，预热的空气温度最高不超过95?。 6 可变喷嘴涡轮(VNT)的废气涡轮增压器 新型V6柴油机利用一台具有可变喷嘴涡轮(VNT)的废气涡轮增压器完成吸气过程。该增压技术能使柴油机在低速下输出大功率、高扭矩。依靠电子控制，可变喷嘴涡轮(VNT)的废气涡轮增压器能够很快地改变叶片间的夹角，并精确地提供适应柴油机运转工况的参数。因此，可以尽可能产生最大的废气量，带动涡轮，压缩进气，形成充气增压压力。柴油机低速运转时，废气涡轮自动减小流动截面，增压压力增大;柴油机高速运转时，气流流动截面自动增大，增压器转速便降低。这样气缸充气更有效。所以，上述变化的结果，使柴油机输出扭矩更大。这就需要通过相应的涡轮增压器控制系统实现。况且，电控可变喷嘴涡轮(VNT)的废气增压技术允许与其他装置更精确地配合，用来有效降低排放量(废气处理前和后处理过的)。 废气涡轮增压器与位于下游的内冷器相配合，可降低压缩空气温度。进气空气预热到95?以下，进入燃烧室的空气量会更大。在内冷器后边有一个电控簧片阀，在柴油机运转中，当废气参加再循环时，此簧片阀使柴油机进气量更精确。 这一电控簧片阀允许大量空气和废气混合，进入燃烧室前可精确地测定数量。为了得到最佳的再循环的废气的体积和数量，废气先在一个高性能的换热器中进行适当的冷却。借助柴油机装备的控制单元与安装在进气导管内的热膜式空气流量计共同作用，控制单元掌握了进气量现有精确体积数值，从而大大降低氮氧化物(NOx)排放量。 空气再流入进气分配模块，它向每一气缸供给的充量质量都相等。其特点是作为一个综合整体，电控进气口的关闭能产生每个气缸进气截面精细减小的作用。 7 压电陶瓷喷油嘴 梅塞德斯—本茨公司新型V6柴油机上，第三代燃油共轨直喷系统是系列产品。这意味着喷油嘴、高压油泵和发动机电控管理系统将有工作可靠、效率高的特征。燃油消耗量、废气排放及燃烧噪声会更低。代替以往的电磁阀，喷油嘴装备有压电陶瓷晶体，压电陶瓷的晶体结构，通电后其电压会在几毫秒时间内发生改变。已经完成共轨系统其他部件的改进及喷射过程的完善。 6 应用液压原理优选的喷油嘴具有八个喷孔(以往的只有7个喷油孔)。这些喷油孔能保证燃油在燃烧室内部最终良好的分布和雾化，并且燃油与空气有效地形成可燃混合气。(图6) 供油系统内部测出的高压燃油泵的最大工作压力是1600巴。引燃预喷射过程，可保证柴油机的燃烧过程更柔和，从而清清楚楚地听到柴油机工作噪声的降低。在新型V6柴油机中，不到1毫秒时间内，连续进行两次引燃预喷油。燃油喷射数量的微小调节加上对燃烧室预热可使柴油机热效率更高。 为了燃干净位于微粒过滤器内的积碳细粒(PM)，必需时，可有两次燃油迟后喷射。 8 柴油机电控管理系统 新近开发的一个电控单元管理和控制着燃烧过程。它与其他微处理机通过一条信息总线保持不断地联系。因此，该电控单元允许有关现时现地行驶状况的全部信息进入。柴油机控制单元完成的处理信息范围包括以下方面: ? 共轨燃油喷射系统; ? 高压油泵的输油控制; ? 柴油机转速限制功能; ? 减速断油机构; ? 燃油泵系统; ? 空气供给装置; ? 运转控制机构; ? 故障诊断机构。 有一个单独的数据网络与柴油机管理系统相连接。该管理系统又与发电机、热量控制单元相联络。它是创新的快速起动预热装置的核心和精华。把柴油机的预热时间缩短到一个很短的时间范围内，就可使新型V6柴油机在起动性方面相当于现今的一台汽油机的技术水平。 9 排放控制系统 新型V6柴油机安装了两个氧化催化转换器，用以净化废气。其中之一称为起燃转换器，由于它的安装位置靠近柴油机，当冷起动之后，就可以迅速进入工作，起到点火起燃作用。另一个氧化催化转换器的作用是转换和净化一氧化碳CO和未燃烧碳氢化合物HC(它是缺氧，没发生氧化生成的。)有效的废气后处理系统和柴油机内综合净化措施相结合，使新型V6柴油机可以满足欧IV排放限值。为进一步降低排放，新型V6柴油机已应用上免维护型微粒过滤系统，免维护型微粒过滤系统已成为德国、澳大利亚、瑞士和荷兰市场的标准配置。 10 结论 新型V6柴油机具有以下技术特点 a 3.0升、6缸、V型排列; b 高强度、轻量化、铝合金机体镶铸灰铸铁气缸套; c 具有压电陶瓷喷油嘴的第三代共轨喷射系统; d 每缸4气门，双顶置凸轮轴的配气机构; e 电控可变喷嘴的(VNT)废气涡轮增压器; f 峰值燃烧压力可达180巴(bar); g 具有电控气阀的废气再循环系统; h 进气系统中采用电控空气节流阀; i 通过电控进气口开闭调节涡流强度控制进气量; j 快速起动预热系统。 7 参考文献 1. SK:New Merceders V6 Engine : Compact and Light with High Torque 《Auto Technology 4/2005》 2. 梅梯格:《高速内燃机设计》 机械工业出版社 北京 1981 3. 杨连生:《内燃机设计》 农业机械出版社 北京 1981 8