Новое поколение четырехцилиндровых двигателей Mercedes-Benz
В 2012 году Daimler AG начал выпускать бензиновые 4-цилиндровые двигатели М270 и М274 рабочим объемом 1,6 и 2 л, в конструкции которых реализованы технические решения системы Blue Direct. В 2013 году была разработана газовая модификация двигателя М274. Новыми бензиновыми двигателями М270 и М274 комплетуются автомобили Mercedes-Benz А- и В-классов, а также кроссоверы CLA и GLA 180, 200 и 250. Газовая модификация двигателя М274 устанавливается на автомобиль Mercedes-Benz E 200 Natural Gas Drive. Двигатель М270 предназначен для установки поперек, а М274 – вдоль кузова автомобиля. Развиваемые двигателями максимальные мощность и крутящий момент зависят от рабочего объема и уровня наддува: при объеме 1,6 л максимальная мощность достигает 122 или 156 л.с. (90 или 115 кВт) при 5000 об/мин, а крутящий момент – 200 или 250 Нм при 1250-4000 об/мин. При объеме 2 л эти показатели соответственно увеличены до 156 или 211 л.с. (115 или 155 кВт) при 5000 об/мин и 270 или 350 Нм при 1200-4000 об/мин. В конструкции новых двигателей использованы технические решения и технологии, применяемые на двигателях типа BlueDirect: 4-клапанная головка с механизмом Camtronic, непосредственный впрыск бензина в расположенную в поршне камеру сгорания; послойное смесеобразование в сочетании с наддувом и многофазным впрыском топлива посредством пьезофорсунок; мультиискровая система зажигания со свечами, расположенными вблизи топливных факелов; регулируемые по нагрузке двигателя масляный и водяной насосы. Механизм Camtronic позволяет переводить привод впускных клапанов на кулачки малого подъема и снижать тем самым наполнение цилиндров независимо от положения дроссельной заслонки. Зона режимов, на которых эффективно сжигаются бедные смеси, расширена до 3500 об/мин и до среднего эффективного давления 5 бар. При увеличении нагрузки двигатель переходит на обедненные смеси, образуемые в результате впрыска части топлива на такте впуска. При работе двигателя с большой нагрузкой все топливо впрыскивается на такте впуска. Впрыск производится посредством примененных впервые на двигателях концерна пьезофорсунок с открывающимся наружу клапаном. Благодаря высокому быстродействию этих форсунок удается впрыскивать цикловую дозу топлива несколькими порциями, исключив при этом образование в камере сгорания зон с чрезмерно богатой смесью. Число впрысков за цикл может достигать пяти. Последняя порция топлива впрыскивается до подачи первой искры, благодаря чему в зоне свечи зажигания создается к этому моменту легко воспламеняющаяся смесь. В результате многократного впрыска достигается увеличение скорости сгорания топлива и снижение образования сажи. Помимо этого обеспечивается возможность управления процессом тепловыделения с ограничением максимального давления цикла, а также эффективного регулирования регенерации нейтрализатора. Подача топлива к форсункам осуществляется от аккумуляторной емкости, в которую оно закачивается односекционным насосом с встроенным в его корпус регулятором под давлением до 200 бар. Учитывая нестабильность состава топливовоздушной смеси в зоне свечи, конструкторы отдали предпочтение мультиискровой системе зажигания, повышающей вероятность воспламенения смеси несколькими искровыми разрядами, последовательно создаваемыми в течение 0,1-0,2 мс. Эта система зажигания укомплектована малоинерционными индивидуальными катушками зажигания и свечами NGK с иридиевым центральным электродом и платиновой напайкой на боковом. Такой процесс смесеобразования позволяет избежать детонации топливовоздушной смеси при сочетании наддува и степени сжатия 9,8. Применив блок цилиндров, отлитый в кокиль под давлением из алюминиевого сплава, и полый коленчатый вал, конструкторы снизили массу двигателя до 137 кг. Учитывая поперечную установку двигателя, приняли межцилиндровое расстояние равным 90 мм при диаметре цилиндра 83 мм. Применением конструктивных мероприятий удалось снизить потери на трение в КШМ на 16% и на 9% в цепном приводе. Для снижения вибраций двигателя применен механизм, уравновешивающий силы инерции второго порядка. Валы этого механизма вращаются на подшипниках качения, а его корпус изолирован от картера, чтобы исключить потери на барботаж масла. В результате затрачиваемая на привод уравновешивающего механизма мощность была снижена на 49%. Впускные и выпускные клапаны приводятся от отдельных кулачковых валов с муфтами, позволяющими сдвигать фазы газораспределения. В частности, для ускорения разгона турбокомпрессора при увеличении нагрузки перекрытие фаз газораспределения расширяется настолько, что достигается продувка камеры сгорания и соответственно увеличивается расход воздуха и газов через двигатель и турбокомпрессор. При работе двигателя на режимах средних нагрузок насосные потери уменьшаются в результате сокращения хода впускных клапанов до 3,8 мм и одновременного укорочения продолжительности фазы впуска посредством механизма Camtronic. Принцип действия этого механизма основан на перемещении втулок с кулачками вдоль вала без относительного поворота. У описываемых двигателей базовые и уменьшенные впускные кулачки расположены рядом на двух втулках, которые перемещаются в продольном направлении посредством штифтов, вводимых кратковременно в скошенные пазы на втулках. При этом рычаги привода клапанов переводятся с больших кулачков на меньшие или наоборот. При снижении наполнения цилиндров двигателя в результате ограничения хода впускных клапанов насосные потери увеличиваются в меньшей степени, чем при равновеликом снижении наполнения в результате дросселирования потока воздуха во впускном трубопроводе. При работе двигателя с малым подъемом впускных клапанов регулирование нагрузки производится смещением фазы впуска относительно угла поворота коленчатого вала, а дроссельная заслонка при этом остается полностью открытой. Испытания автомобиля с новым двигателем показали, что механизм Camtronic позволяет сэкономить от 3 до 5% топлива. При разработке новых двигателей особое внимание было уделено системе охлаждения. Интенсивность циркуляции охлаждающей жидкости и ее температура регулируются электроникой в зависимости от режима работы. При холодном пуске и последующем прогреве циркуляция жидкости через двигатель полностью отсутствует, поэтому он быстро приобретает рабочую температуру. Работа термостата также регулируется электроникой, которая изменяет его характеристику в зависимости от режимов работы двигателя. Сдерживание роста температуры отработавших газов обогащением смеси используется только при движении автомобиля со скоростями свыше 200 км/ч. Охлаждающие каналы в головке цилиндров расположены в два этажа. Нижние каналы заужены для повышения скорости охлаждающей жидкости в них. В частности, ширина каналов, проходящих между свечами зажигания и форсунками, уменьшена до 3 мм. Благодаря этому обеспечивается интенсивное охлаждение этих компонентов, а также перемычек между клапанами. Каналы второго этажа имеют относительно большие сечения, поэтому охлаждающая жидкость движется в них медленно, не создавая излишнюю нагрузку на насос. В газовой модификации двигателя М274 установлены поршни, позволившие увеличить степень сжатия до 11; на впускном коллекторе предусмотрены гнезда для установки газовых форсунок, по одной на каждый цилиндр; изменены материалы клапанов газораспределения и их седел; предусмотрено специальное покрытие вставок под поршневые кольца; изменены параметры системы наддува. Управление системой питания газом осуществляется от дополнительного электронного блока, связанного с базовым контроллером двигателя. Питание электромагнитов форсунок осуществляется током до 6 А, обеспечивающим их работу при температурах до -25 °С. Однако для защиты газового редуктора пуск двигателя на газе допускается только при температурах не ниже -15 °С. При более низких температурах двигатель пускается и прогревается на бензине, а при достижении рабочих температур он автоматически переходит на газ. Двигатель М274 в газовом исполнении устанавливается на автомобили Mercedes-Benz E 200 Natural Gas Drive, укомплектованные тремя углепластиковыми баллонами общей емкостью 120 л. Баллоны вмещают до 21 кг газа, обеспечивая пробег автомобиля до 400 км. Помимо газовых баллонов предусмотрен бак, вмещающий 80 л бензина. Суммарный пробег автомобиля на двух видах топлива без заправки достигает 1600 км. В газовом исполнении 2-литровый двигатель развивает 156 л.с. (115 кВт) при 5000 об/мин и максимальный крутящий момент 270 Нм в диапазоне от 1250 до 4000 об/мин, обеспечивая разгон автомобиля до 100 км/ч за 10,4 с и достижение максимальной скорости 220 км/ч. При работе на газе выбросы СО2 составляют 116 г/км, что приблизительно на 20% ниже, чем при работе на бензине. Выбросы других вредных веществ не превышают норм Euro VI.
