玛莎拉蒂总裁V8发动机结构原理（四）

王钟原

玛莎拉蒂总裁V8发动机结构原理（四）

王钟原

（七）燃油系统

在M156 Quattroporte 上，玛莎拉蒂首次采用直接燃油喷射（GDI-汽油直接喷射）。这意味着喷油器直接位于燃烧室内，与间接燃油喷射相反，在间接燃油喷射中，喷油器安装在进气门之前的进气道中（PFI-进气口燃油喷射）。GDI发动机的主要优点是由于燃烧过程可直接和更精确控制，提高了燃油效率并增大了动力输出。使用GDI系统还可更加精确地控制排放水平。这些优点可通过对根据不同的发动机运转状态而改变的燃油量和喷射正时的精确控制来实现。由于喷油器直接位于燃烧室内，GDI发动机的喷射压力与FPI发动机相比要高很多（喷射压力一般为约350kPa）。F154A发动机采用均匀喷射。这意味着在燃烧室内可实现空燃比为1的均匀燃油空气混合气。最大喷射压力为20000kPa。屋脊形燃烧室的特点是火花塞位于中央，而高压喷油器位于侧面，如图38所示。

1.燃油回路

燃油回路如图39所示。

GDI系统和PFI系统之间的最明显区别是GDI系统有两个燃油回路：

低压燃油回路将燃油从油箱输送到安装在发动机缸盖上的高压油泵中

高压回路中含有提供喷油压力的电控机械式高压油泵。F154A发动机使用两个独立的高压回路：每侧汽缸组各一个

注意：发动机关闭后，高压燃油回路中的压力仍会很高。进行任何高压燃油回路的维修操作之前，确保先释放其中的压力。

图40显示了高压燃油系统的部件：装配压力调节器的高压油泵（位于噪声隔离盖下面）、管道以及两个高压燃油分配管（各装配4个喷油器和1个压力传感器）。

2.燃油箱

M156 Quattroporte装备新鞍式燃油箱（如图41所示），位于后排乘客座椅下方。此方案有益于降低重心，不会缩小行李空间。燃油箱的几何容量为101.6L，有效容量为80L。加油口为无盖式。

3.低压燃油泵单元（如图42所示）燃油箱内安装了两个低压燃油泵/送油器。燃油泵/送油器单元与PFI系统使用的单元非常相似：含有直流电机驱动的油泵、燃油滤清器芯、带内置回油和止回阀的调压器，以及浮子操纵的油位信号发送单元。主要区别在于新油泵单元产生的燃油压力更高：可以达到500～600kPa，而PFI系统所使用的单元只能提供大约350kPa的输油压力。之所以使用这种燃油泵单元，目的在于减少蒸汽锁闭（燃油系统中的高温导致气泡形成）的危险。蒸汽锁闭对GDI系统非常危险， 因为高压油泵需要稳定的燃油供应才可以实现冷却和润滑。

两种低压燃油泵都采用双速控制。油泵由ECM通过3个继电器控制。1个继电器用于启动2个油泵，另外2个继电器分别用于每个油泵的高低速切换。

4.高压燃油泵和燃油压力调节器

Magnetti Marelli PHP高压油泵是一个由进气凸轮轴进行机械式操纵的单柱塞泵。每侧汽缸组各安装一个油泵。每侧的油泵分别为对应的4个汽缸供油。油泵由3瓣式凸轮操纵。压力在4000～20000kPa之间变化。压力的变化由电磁执行器控制。执行器作用在进气门上，使得流速控制始终精确。油泵中还使用了保护高压油路的最大流量阀和限制供应回路压力波动的入口阻尼器。ECM按照发动机在不同运行条件（转速、输出扭矩、环境条件等）下的需要改变喷油压力。高压油泵使用了能够限制电磁执行器压力的特殊装置，这种装置的“嘀嗒声”经常会被用户视为故障，而在GDI发动机中，代表的是向这种类型的技术彻底转变的缺点。这种专利技术设备是Magneti Marelli油泵实力的一个体现，因为他有效地消除了噪声根源。进气凸轮轴上的三瓣式凸轮操纵高压油泵，如图43所示。

5.燃油压力控制

GDI发动机的管理系统控制下列新参数：

根据发动机的运行状况控制目标燃油压力

测量得到的燃油分配管内燃油压力

燃油压力的闭环控制

如果高压燃油压力调节器控制电路中出现故障（例如断路），高压油泵将无法建立起压力，从而使得燃油分配管中的压力与低压油路相同。在这种情况下，发动机可以怠速运行，但是无法增大负载，因为没有充足的喷油压力（发动机保护模式）。

6.燃油分配管和压力传感器

两侧汽缸组各有自己的燃油分配管。燃油分配管的作用是将燃油喷射压力均匀分配给各缸。两个燃油分配管中都装有压力传感器（博世DSHD-KV4.2-K）。压力测量通过钢膜的膨胀实现。膜片上带有应变片，从而可以形成惠斯登电桥。测量得到的信号与压力成正比。喷油压力是GDI发动机的重要参数，需要由发动机控制系统精确控制。与高压油泵的燃油压力调节器一起构成闭环控制回路。每个传感器都有3根连线：一根用于传感器的5V电源，一根用于传感器接地，一根用于0.5～4.5V的线性压力模拟信号。压力传感器安装在高压燃油分配管中，如图44所示。燃油分配管压力参数检查是GDI发动机的一项有用诊断。可以确定低压和高压燃油回路是否正确工作，还可以用于检测喷油器是否存在泄漏。

7.喷油器

F154A发动机使用带7个喷油孔的博世HDEV 5.2 喷油器，如图45所示。喷油器横向布置在燃烧室中，位于两个进气门下面。靠近喷油器端部的位置安装有特氟龙燃烧密封圈。不得损坏这个特氟龙密封圈，每次将喷油器从缸盖上拆下后应更换该密封圈。由于安装过程的绝对清洁要求，喷油器在燃油分配管杯座上的安装不得在一般车间环境下进行。出于这个原因，玛莎拉蒂零部件部门只提供带燃油分配管的4个喷油器总成。

喷油器控制：

GDI发动机喷油器的控制和运行比PFI系统复杂。ECM根据发动机的瞬时运行状态独立改变喷油定时、喷油时长和喷油压力。由于压力较高，电压和电流的大小远高于传统PFI系统的值。喷油器的打开动作由大约65V的增压电压激活，这个电压可以使喷油器的峰值电流达到12A左右。在这个阶段完成后，喷油器会在12V脉宽信号作用下保持打开状态，并且将电流保持在4A左右。由于喷油器的装配需要绝对纯净的环境，不允许从喷油器上拆卸燃油分配管。喷油器必须和燃油分配管作为一个完整的总成来更换。从发动机上拆下喷油器后，必须更换喷油器端部的特氟龙燃烧密封圈。

（八）真空回路

使用进气增压的后果是在一定条件下，发动机真空度不足。真空用作能量载体，使车辆内的某些辅助系统和子系统运行。为此，F154A发动机上安装有两个真空泵，每个汽缸组上各一个。真空泵安装在发动机前面，由进气凸轮轴驱动。一个铝制真空罐安装在发动机舱的右下区域，如图46所示。

以下系统和子系统使用真空：

制动助力器

废气旁通阀控制

进气旁通阀控制

二次空气系统阀控制

排气旁通阀控制

两个真空泵安装在发动机前面，每个进气凸轮轴上各安装一个，供应用于运行许多辅助系统的真空，如图47所示。

（九）二次空气系统

二次空气系统如图48所示。

F154A发动机装备一个二次空气喷射装置，其目的是减少冷启动后发动机暖机过程中产生的气体排放。冷启动后喷射至排气口内的富含氧空气将与仍然含有未燃烧燃油的排气混合在一起。这将使排气管道内产生二次燃烧，进而减少排气排放物并确保催化转化器快速达到其工作温度。

二次空气系统由以下部件组成：

两个真空促动的二次空气阀，安装在发动机前部，每个汽缸盖上各一个，如图49所示

二次空气管道，集成在汽缸盖铸件内，将二次空气阀与汽缸盖内的排气口直接相连

1个电动空气泵，由发动机ECU 启动

1个电磁阀，通过真空驱动各二次空气阀。电磁阀由发动机ECU驱动

1个二次空气压力传感器，安装在从空气泵至两个二次空气阀的管道上。压力传感器与增压压力传感器相同，由ECM（OBD 要求)用来对二次空气系统进行诊断

二次空气泵由ECM通过前PDC内的继电器启动。1个电动空气泵（如图50上图所示）安装在发动机前部的下副车架上。两个二次空气电磁阀安装在支架上。二次空气压力传感器（如图50下图所示）。

（十）EVAP系统和油箱泄漏检测

燃油蒸气活性炭罐安装在右后侧车轮拱罩区域内，如图51所示。存储在活性炭罐内的燃油蒸气由活性炭罐回收至进气系统中。活性炭罐位于发动机舱内右侧，发动机上稳定杆正下方。它由ECM通过脉宽调制（PWM）信号控制。

DMTL单元安装在活性炭罐附近，设计用于按照OBD 法规（仅限美国/加拿大技术参数的车辆）检测油箱泄漏。它由一个机械电子方式驱动的空气泵以及带集成式基准限流阀的转换阀组成。在其中一种设置下，空气泵将空气通过基准限流阀输送，在其他设置下通过活性炭罐输送至燃油箱系统中。发动机管理系统测量空气泵在各设置下的电流消耗量。电流值比较是检测油箱是否泄漏的一种方式。

（十一）发动机同步和点火系统

1.发动机转速传感器

发动机使用新的转速传感器（博世DG-23i)，传感器位于发动机后侧中央位置，如图52所示。传感器从58齿（60-2）调和轮提取转速信号；调和轮安装在发动机挠性板上。这是一个数字式霍尔效应传感器，具有特殊的工作参数，能够检测曲轴的转动方向。传感器能够在发动机没有运行的情况下识别曲轴的位置，可以在关闭后迅速启动发动机。这个功能使得系统特别适合于停车&起步功能。数字式传感器位于飞轮端中心位置，可从58齿的调和轮上提取转速信号。图53显示了转速传感器如何根据发动机的旋转方向生成不同输出信号的过程。

2.发动机正时传感器

所使用的发动机正时传感器与F136发动机所使用的相同，但是新系统还使用了带正时传感器的排气凸轮轴，因而，新系统总共有4个传感器，而以前的发动机中只有2个传感器。正时传感器使用霍尔效应元件，从安装在各个凸轮轴上的调和轮上提取信号。凭借正时传感器，ECM能够识别发动机的位置，正时传感器还可用于正时调节器的闭环控制。霍尔效应正时传感器同时用于进气和排气凸轮轴上，如图54所示。两个正时传感器安装在左右汽缸盖上。正时传感器的调和轮有4个齿（2×40°和2×140°)，如图55所示。

3.点火线圈和火花塞（如图56所示）

所用的点火线圈为Eldor品牌，正如F136代发动机上的一样，但它们的点火电源更大、火花持续时间更长（大于1.2ms，而以前为大于0.8ms）。与进气道喷射发动机相比， 这是非常必要的，因为GDI发动机上的火花塞更容易积垢。点火系统根据发动机运行条件采用多个火花，每个周期最多3个火花。

4.爆震控制

4个具有线性特性参数的压电式感应爆震传感器（博世KS-4-K）安装在发动机V形曲轴箱顶部。这些传感器将结构性震动转换为电信号，并由ECM对这些信号进行评估。系统根据爆震的强度和频谱信息以及非爆震燃烧对爆震传感器的信号进行评估。ECM能够使用多个变量消除发动机的爆震：点火正时、喷油正时和增压压力。博世KS-4-K爆震传感器，如图57所示。

（十二）可变气门正时控制

全新F154A 发动机的独特装置是安装在全部4根凸轮轴上的正时调节器。各正时调节器通过改变调节器内不同提前室和滞后室内的油量来工作。位于各调节器附近气门盖上的油压控制阀控制流向调节器各室内的油量。正时电磁阀由来自ECM 的脉宽调制（PWM）信号连续控制，从而使气门正时完全连续变化。

当发动机关闭时，调节器内的油压下降，调节器返回至其静止位置，如下所述：

进气门凸轮轴调节器：完全滞后位置

排气门凸轮轴调节器：完全提前位置

在正时调节器位于静止位置或附近时，可消除气门重叠。ECM基于发动机转速和发动机负荷通过使用复合特性图启用各汽缸组的两个调节器。通过使用凸轮轴位置（正时）传感器，ECM 可在闭环模式下控制可变气门正时。两个脉宽调制（PWM）控制的油压控制阀用于启用可变气门正时，安装在气门盖的后端，如图58所示。

表14 发动机运行模式

九、发动机运行模式

发动机具备三种运行模式，取决于驾驶员所选择的驾驶类型，如表14所示。

1.正常

此模式在点火开关旋至开启（ON）位置后默认为启用。

发动机对节气门开度响应灵敏度正常

正常增压（650N·m）

排气旁通阀在3000r/min之前保持关闭

转速限制器设置在7000r/min

2.运动

由于踏板瞬态性能更加强劲，发动机对节气门开度响应较快

过度增压（710N·m）

排气旁通阀始终打开

转速限制器设置在7200r/min

3.I.C.E.

发动机对节气门开度响应比较温和

较低增压，发动机扭矩限制在450N·m

排气旁通阀在5000 r/min之前保持关闭

转速限制器设置在6700r/min

(待续)