王鐘原

瑪莎拉蒂總裁V8發(fā)動機結構原理（四）

王鐘原

（七）燃油系統(tǒng)

在M156 Quattroporte 上，瑪莎拉蒂首次采用直接燃油噴射（GDI-汽油直接噴射）。這意味著噴油器直接位于燃燒室內，與間接燃油噴射相反，在間接燃油噴射中，噴油器安裝在進氣門之前的進氣道中（PFI-進氣口燃油噴射）。GDI發(fā)動機的主要優(yōu)點是由于燃燒過程可直接和更精確控制，提高了燃油效率并增大了動力輸出。使用GDI系統(tǒng)還可更加精確地控制排放水平。這些優(yōu)點可通過對根據不同的發(fā)動機運轉狀態(tài)而改變的燃油量和噴射正時的精確控制來實現。由于噴油器直接位于燃燒室內，GDI發(fā)動機的噴射壓力與FPI發(fā)動機相比要高很多（噴射壓力一般為約350kPa）。F154A發(fā)動機采用均勻噴射。這意味著在燃燒室內可實現空燃比為1的均勻燃油空氣混合氣。最大噴射壓力為20000kPa。屋脊形燃燒室的特點是火花塞位于中央，而高壓噴油器位于側面，如圖38所示。

1.燃油回路

燃油回路如圖39所示。

GDI系統(tǒng)和PFI系統(tǒng)之間的最明顯區(qū)別是GDI系統(tǒng)有兩個燃油回路：

低壓燃油回路將燃油從油箱輸送到安裝在發(fā)動機缸蓋上的高壓油泵中

高壓回路中含有提供噴油壓力的電控機械式高壓油泵。F154A發(fā)動機使用兩個獨立的高壓回路：每側汽缸組各一個

注意：發(fā)動機關閉后，高壓燃油回路中的壓力仍會很高。進行任何高壓燃油回路的維修操作之前，確保先釋放其中的壓力。

圖40顯示了高壓燃油系統(tǒng)的部件：裝配壓力調節(jié)器的高壓油泵（位于噪聲隔離蓋下面）、管道以及兩個高壓燃油分配管（各裝配4個噴油器和1個壓力傳感器）。

2.燃油箱

M156 Quattroporte裝備新鞍式燃油箱（如圖41所示），位于后排乘客座椅下方。此方案有益于降低重心，不會縮小行李空間。燃油箱的幾何容量為101.6L，有效容量為80L。加油口為無蓋式。

3.低壓燃油泵單元（如圖42所示）燃油箱內安裝了兩個低壓燃油泵/送油器。燃油泵/送油器單元與PFI系統(tǒng)使用的單元非常相似：含有直流電機驅動的油泵、燃油濾清器芯、帶內置回油和止回閥的調壓器，以及浮子操縱的油位信號發(fā)送單元。主要區(qū)別在于新油泵單元產生的燃油壓力更高：可以達到500～600kPa，而PFI系統(tǒng)所使用的單元只能提供大約350kPa的輸油壓力。之所以使用這種燃油泵單元，目的在于減少蒸汽鎖閉（燃油系統(tǒng)中的高溫導致氣泡形成）的危險。蒸汽鎖閉對GDI系統(tǒng)非常危險， 因為高壓油泵需要穩(wěn)定的燃油供應才可以實現冷卻和潤滑。

兩種低壓燃油泵都采用雙速控制。油泵由ECM通過3個繼電器控制。1個繼電器用于啟動2個油泵，另外2個繼電器分別用于每個油泵的高低速切換。

4.高壓燃油泵和燃油壓力調節(jié)器

Magnetti Marelli PHP高壓油泵是一個由進氣凸輪軸進行機械式操縱的單柱塞泵。每側汽缸組各安裝一個油泵。每側的油泵分別為對應的4個汽缸供油。油泵由3瓣式凸輪操縱。壓力在4000～20000kPa之間變化。壓力的變化由電磁執(zhí)行器控制。執(zhí)行器作用在進氣門上，使得流速控制始終精確。油泵中還使用了保護高壓油路的最大流量閥和限制供應回路壓力波動的入口阻尼器。ECM按照發(fā)動機在不同運行條件（轉速、輸出扭矩、環(huán)境條件等）下的需要改變噴油壓力。高壓油泵使用了能夠限制電磁執(zhí)行器壓力的特殊裝置，這種裝置的“嘀嗒聲”經常會被用戶視為故障，而在GDI發(fā)動機中，代表的是向這種類型的技術徹底轉變的缺點。這種專利技術設備是Magneti Marelli油泵實力的一個體現，因為他有效地消除了噪聲根源。進氣凸輪軸上的三瓣式凸輪操縱高壓油泵，如圖43所示。

5.燃油壓力控制

GDI發(fā)動機的管理系統(tǒng)控制下列新參數：

根據發(fā)動機的運行狀況控制目標燃油壓力

測量得到的燃油分配管內燃油壓力

燃油壓力的閉環(huán)控制

如果高壓燃油壓力調節(jié)器控制電路中出現故障（例如斷路），高壓油泵將無法建立起壓力，從而使得燃油分配管中的壓力與低壓油路相同。在這種情況下，發(fā)動機可以怠速運行，但是無法增大負載，因為沒有充足的噴油壓力（發(fā)動機保護模式）。

6.燃油分配管和壓力傳感器

兩側汽缸組各有自己的燃油分配管。燃油分配管的作用是將燃油噴射壓力均勻分配給各缸。兩個燃油分配管中都裝有壓力傳感器（博世DSHD-KV4.2-K）。壓力測量通過鋼膜的膨脹實現。膜片上帶有應變片，從而可以形成惠斯登電橋。測量得到的信號與壓力成正比。噴油壓力是GDI發(fā)動機的重要參數，需要由發(fā)動機控制系統(tǒng)精確控制。與高壓油泵的燃油壓力調節(jié)器一起構成閉環(huán)控制回路。每個傳感器都有3根連線：一根用于傳感器的5V電源，一根用于傳感器接地，一根用于0.5～4.5V的線性壓力模擬信號。壓力傳感器安裝在高壓燃油分配管中，如圖44所示。燃油分配管壓力參數檢查是GDI發(fā)動機的一項有用診斷?？梢源_定低壓和高壓燃油回路是否正確工作，還可以用于檢測噴油器是否存在泄漏。

7.噴油器

F154A發(fā)動機使用帶7個噴油孔的博世HDEV 5.2 噴油器，如圖45所示。噴油器橫向布置在燃燒室中，位于兩個進氣門下面。靠近噴油器端部的位置安裝有特氟龍燃燒密封圈。不得損壞這個特氟龍密封圈，每次將噴油器從缸蓋上拆下后應更換該密封圈。由于安裝過程的絕對清潔要求，噴油器在燃油分配管杯座上的安裝不得在一般車間環(huán)境下進行。出于這個原因，瑪莎拉蒂零部件部門只提供帶燃油分配管的4個噴油器總成。

噴油器控制：

GDI發(fā)動機噴油器的控制和運行比PFI系統(tǒng)復雜。ECM根據發(fā)動機的瞬時運行狀態(tài)獨立改變噴油定時、噴油時長和噴油壓力。由于壓力較高，電壓和電流的大小遠高于傳統(tǒng)PFI系統(tǒng)的值。噴油器的打開動作由大約65V的增壓電壓激活，這個電壓可以使噴油器的峰值電流達到12A左右。在這個階段完成后，噴油器會在12V脈寬信號作用下保持打開狀態(tài)，并且將電流保持在4A左右。由于噴油器的裝配需要絕對純凈的環(huán)境，不允許從噴油器上拆卸燃油分配管。噴油器必須和燃油分配管作為一個完整的總成來更換。從發(fā)動機上拆下噴油器后，必須更換噴油器端部的特氟龍燃燒密封圈。

（八）真空回路

使用進氣增壓的后果是在一定條件下，發(fā)動機真空度不足。真空用作能量載體，使車輛內的某些輔助系統(tǒng)和子系統(tǒng)運行。為此，F154A發(fā)動機上安裝有兩個真空泵，每個汽缸組上各一個。真空泵安裝在發(fā)動機前面，由進氣凸輪軸驅動。一個鋁制真空罐安裝在發(fā)動機艙的右下區(qū)域，如圖46所示。

以下系統(tǒng)和子系統(tǒng)使用真空：

制動助力器

廢氣旁通閥控制

進氣旁通閥控制

二次空氣系統(tǒng)閥控制

排氣旁通閥控制

兩個真空泵安裝在發(fā)動機前面，每個進氣凸輪軸上各安裝一個，供應用于運行許多輔助系統(tǒng)的真空，如圖47所示。

（九）二次空氣系統(tǒng)

二次空氣系統(tǒng)如圖48所示。

F154A發(fā)動機裝備一個二次空氣噴射裝置，其目的是減少冷啟動后發(fā)動機暖機過程中產生的氣體排放。冷啟動后噴射至排氣口內的富含氧空氣將與仍然含有未燃燒燃油的排氣混合在一起。這將使排氣管道內產生二次燃燒，進而減少排氣排放物并確保催化轉化器快速達到其工作溫度。

二次空氣系統(tǒng)由以下部件組成：

兩個真空促動的二次空氣閥，安裝在發(fā)動機前部，每個汽缸蓋上各一個，如圖49所示

二次空氣管道，集成在汽缸蓋鑄件內，將二次空氣閥與汽缸蓋內的排氣口直接相連

1個電動空氣泵，由發(fā)動機ECU 啟動

1個電磁閥，通過真空驅動各二次空氣閥。電磁閥由發(fā)動機ECU驅動

1個二次空氣壓力傳感器，安裝在從空氣泵至兩個二次空氣閥的管道上。壓力傳感器與增壓壓力傳感器相同，由ECM（OBD 要求)用來對二次空氣系統(tǒng)進行診斷

二次空氣泵由ECM通過前PDC內的繼電器啟動。1個電動空氣泵（如圖50上圖所示）安裝在發(fā)動機前部的下副車架上。兩個二次空氣電磁閥安裝在支架上。二次空氣壓力傳感器（如圖50下圖所示）。

（十）EVAP系統(tǒng)和油箱泄漏檢測

燃油蒸氣活性炭罐安裝在右后側車輪拱罩區(qū)域內，如圖51所示。存儲在活性炭罐內的燃油蒸氣由活性炭罐回收至進氣系統(tǒng)中?；钚蕴抗尬挥诎l(fā)動機艙內右側，發(fā)動機上穩(wěn)定桿正下方。它由ECM通過脈寬調制（PWM）信號控制。

DMTL單元安裝在活性炭罐附近，設計用于按照OBD 法規(guī)（僅限美國/加拿大技術參數的車輛）檢測油箱泄漏。它由一個機械電子方式驅動的空氣泵以及帶集成式基準限流閥的轉換閥組成。在其中一種設置下，空氣泵將空氣通過基準限流閥輸送，在其他設置下通過活性炭罐輸送至燃油箱系統(tǒng)中。發(fā)動機管理系統(tǒng)測量空氣泵在各設置下的電流消耗量。電流值比較是檢測油箱是否泄漏的一種方式。

（十一）發(fā)動機同步和點火系統(tǒng)

1.發(fā)動機轉速傳感器

發(fā)動機使用新的轉速傳感器（博世DG-23i)，傳感器位于發(fā)動機后側中央位置，如圖52所示。傳感器從58齒（60-2）調和輪提取轉速信號；調和輪安裝在發(fā)動機撓性板上。這是一個數字式霍爾效應傳感器，具有特殊的工作參數，能夠檢測曲軸的轉動方向。傳感器能夠在發(fā)動機沒有運行的情況下識別曲軸的位置，可以在關閉后迅速啟動發(fā)動機。這個功能使得系統(tǒng)特別適合于停車&起步功能。數字式傳感器位于飛輪端中心位置，可從58齒的調和輪上提取轉速信號。圖53顯示了轉速傳感器如何根據發(fā)動機的旋轉方向生成不同輸出信號的過程。

2.發(fā)動機正時傳感器

所使用的發(fā)動機正時傳感器與F136發(fā)動機所使用的相同，但是新系統(tǒng)還使用了帶正時傳感器的排氣凸輪軸，因而，新系統(tǒng)總共有4個傳感器，而以前的發(fā)動機中只有2個傳感器。正時傳感器使用霍爾效應元件，從安裝在各個凸輪軸上的調和輪上提取信號。憑借正時傳感器，ECM能夠識別發(fā)動機的位置，正時傳感器還可用于正時調節(jié)器的閉環(huán)控制?；魻栃龝r傳感器同時用于進氣和排氣凸輪軸上，如圖54所示。兩個正時傳感器安裝在左右汽缸蓋上。正時傳感器的調和輪有4個齒（2×40°和2×140°)，如圖55所示。

3.點火線圈和火花塞（如圖56所示）

所用的點火線圈為Eldor品牌，正如F136代發(fā)動機上的一樣，但它們的點火電源更大、火花持續(xù)時間更長（大于1.2ms，而以前為大于0.8ms）。與進氣道噴射發(fā)動機相比， 這是非常必要的，因為GDI發(fā)動機上的火花塞更容易積垢。點火系統(tǒng)根據發(fā)動機運行條件采用多個火花，每個周期最多3個火花。

4.爆震控制

4個具有線性特性參數的壓電式感應爆震傳感器（博世KS-4-K）安裝在發(fā)動機V形曲軸箱頂部。這些傳感器將結構性震動轉換為電信號，并由ECM對這些信號進行評估。系統(tǒng)根據爆震的強度和頻譜信息以及非爆震燃燒對爆震傳感器的信號進行評估。ECM能夠使用多個變量消除發(fā)動機的爆震：點火正時、噴油正時和增壓壓力。博世KS-4-K爆震傳感器，如圖57所示。

（十二）可變氣門正時控制

全新F154A 發(fā)動機的獨特裝置是安裝在全部4根凸輪軸上的正時調節(jié)器。各正時調節(jié)器通過改變調節(jié)器內不同提前室和滯后室內的油量來工作。位于各調節(jié)器附近氣門蓋上的油壓控制閥控制流向調節(jié)器各室內的油量。正時電磁閥由來自ECM 的脈寬調制（PWM）信號連續(xù)控制，從而使氣門正時完全連續(xù)變化。

當發(fā)動機關閉時，調節(jié)器內的油壓下降，調節(jié)器返回至其靜止位置，如下所述：

進氣門凸輪軸調節(jié)器：完全滯后位置

排氣門凸輪軸調節(jié)器：完全提前位置

在正時調節(jié)器位于靜止位置或附近時，可消除氣門重疊。ECM基于發(fā)動機轉速和發(fā)動機負荷通過使用復合特性圖啟用各汽缸組的兩個調節(jié)器。通過使用凸輪軸位置（正時）傳感器，ECM 可在閉環(huán)模式下控制可變氣門正時。兩個脈寬調制（PWM）控制的油壓控制閥用于啟用可變氣門正時，安裝在氣門蓋的后端，如圖58所示。

表14 發(fā)動機運行模式

九、發(fā)動機運行模式

發(fā)動機具備三種運行模式，取決于駕駛員所選擇的駕駛類型，如表14所示。

1.正常

此模式在點火開關旋至開啟（ON）位置后默認為啟用。

發(fā)動機對節(jié)氣門開度響應靈敏度正常

正常增壓（650N·m）

排氣旁通閥在3000r/min之前保持關閉

轉速限制器設置在7000r/min

2.運動

由于踏板瞬態(tài)性能更加強勁，發(fā)動機對節(jié)氣門開度響應較快

過度增壓（710N·m）

排氣旁通閥始終打開

轉速限制器設置在7200r/min

3.I.C.E.

發(fā)動機對節(jié)氣門開度響應比較溫和

較低增壓，發(fā)動機扭矩限制在450N·m

排氣旁通閥在5000 r/min之前保持關閉

轉速限制器設置在6700r/min

(待續(xù))