玛莎拉蒂V6发动机结构原理（五）

王钟原

玛莎拉蒂V6发动机结构原理（五）

王钟原

（六）燃油系统

在M156 Quattroporte 上，玛莎拉蒂首次采用燃油直喷技术（GDI：汽油直喷）。这意味着喷油器直接位于燃烧室内，与间接燃油喷射相反，间接燃油喷射系统中的喷油器安装在进气歧管内（PFI：进气道喷射）。GDI 发动机的主要优点在于通过更直接和更精确地控制燃烧过程，从而提高了燃油效率并增大了功率输出。借助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，因此GDI发动机的喷射压力与PFI发动机相比要高很多（喷射压力一般为约350kPa）。F160发动机采用了同质型喷射技术。这就意味着可在燃烧室内实现λ=1的最优空燃比。最大喷射压力为2000kPa。

1.燃油回路（如图56所示）

V6发动机所采用的燃油系统与F154A V8发动机所采用的系统在排列与运行方面类似。主要差别在于只采用了单个同时用于低压和高压侧的油泵，而非用于V8的双油泵。

V6车辆的燃油系统以下列方式排列：

◆低压燃油回路可将来自油箱的燃油带入位于发动机后部的高压油泵

◆带电控机械高压油泵的高压燃油回路可为所有6个喷油器提供喷射压力

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。Quattroporte V6采用了单个低压和高压油泵。连接至文丘里泵的平衡管可确保来自气鞍形油箱右段的燃油被虹吸入左段，如图57所示。

2.燃油箱

图56 燃油系统

图57 燃油控制

M156 Quattroporte装备新鞍式燃油箱，位于后排乘客座椅下方，如图58所示。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。

图58 燃油箱

3.低压燃油泵单元

V6版Quattroporte采用了单个燃油泵代替V8版的双燃油泵。对比V8版双油泵的224L/h流速，单油泵的流速为170L/h。油泵/油位传感器位于鞍形油箱的左段。右侧单元包含了油浮子，可将油位信息发送至控制单元。连接至文丘里泵的平衡管可确保来自鞍形油箱右段的燃油被虹吸入左段。油泵/油位传感器与PFI 系统上的设备非常类似。该单元包含一个直流电泵，终身使用型燃油滤清器滤芯、带内部双向阀和单向阀的压力调节器和浮子控制式油位传感器单元。主要差别在于实际产生的油压要更高：600kPa表压（PFI系统约为350kPa）。采用该设计的目的在于可减少气阻（燃油系统中的高温导致气泡形成）的危险。气阻对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。低压油泵具备双速控制功能。该油泵通过两个继电器由ECM控制。一个继电器可激活油泵，另一个继电器通过使用串联电阻可在低压和高压之间切换。V6版Quattroporte采用了单个低压燃油泵（如图59所示），相对于V8版的双燃油泵。要从油箱内拆卸油泵/油位传感器，需要使用专用工具（p/n 900028154）。

图59 低压燃油泵

4.高压油泵和燃油压力调节器（如图60所示）

图60 高压油泵和燃油导轨总成

MagnettiMarelli PHP高压油泵是一个由凸轮轴进行机械式操纵的单柱塞泵。单个油泵安装在右侧汽缸盖的后部，并有排气凸轮轴上的3叶凸轮进行驱动。油泵通过高压钢管可将加压燃油输送至两侧喷油器油轨。压力会在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。该执行器还包含了一个高压回路保护的最大压力阀和一个可限制供油管路压力波动的进油口缓冲阀。Motronic可根据不同运行条件（转速、传递扭矩、环境条件等）下的发动机需求改变喷射压力高压油泵带有一个可限制电磁执行器噪声的专用装置。在GDI发动机中，用户常常会将此类“滴答”声视为故障，在采用该技术后缺陷得以解决。该专利设备为Magneti Marelli油泵的优势之一，可有效地集中消除噪声来源。带压力调节器的玛莎拉蒂Marelli PHP高压油泵的输出压力高达20000kPa，如图61所示。玛莎拉蒂Marelli PHP高压油泵倒置在右侧汽缸盖处，由排气凸轮轴上的3叶凸轮驱动。在凸轮轴后端的双齿可驱动真空泵，如图62所示。

图61 高压油泵

图62 凸轮轴后端

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

◆测量油轨中的燃油压力

◆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.油轨和压力传感器

两侧汽缸组各有独立的油轨。油轨的作用是将燃油喷射压力均匀分配给各缸。压力传感器（博世DSHDKV4.2-K）安装在左侧油轨的后方。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。传感器具有三条电路：5V传感器电源、传感器接地和0.5～4.5V之间的模拟线性压力信号电路。只有在将进气歧管拆卸后才可进入油轨和喷射器。油轨和喷射器只能作为总成进行更换，如图63所示。单个压力传感器可监控两侧油轨内的压力，如图64所示。

油轨压力参数检查是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

图63 油轨位置

图64 压力传感器

与F154A发动机相同，F160发动机采用了博世7喷孔HDEV 5.2喷油器。然而不同发动机类型的喷油器并非完全一致。喷射角度得到了微调以适应燃烧室的形状和喷油器的角度位置。再者，对比410HP V6发动机和V8发动机的22.1mL/s喷油器流量，F160AO发动机（330HP版）的流量下降至17.1mL/s。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。不得损坏该特氟龙密封圈，并在每次将喷油器从缸盖上拆卸后使用新件更换。由于在安装时需要绝对干净，因此在正常车间环境下禁止将喷油器安装到油轨杯座内。根据不同的发动机类型，博世HDEV 5.2喷油器具有多个版本，如图65所示。

图65 喷油器

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。

（七）真空管路（如图66所示）

使用进气增压的必然结果是在一定条件下会导致发动机真空不足。真空用作为能量载体，可操纵车辆内的某些辅助系统和子系统。出于该原因，在F160发动机上安装了真空泵。真空泵安装在发动机的后部，由右缸组的排气凸轮轴驱动。一个铝制真空罐安装在发动机舱的右下区域。

以下系统和子系统使用真空：

◆制动助力器

◆涡轮废气风门控制

图66 真空管路

◆排气旁通阀控制

单个真空泵安装在右侧汽缸盖的后部，由排气凸轮轴驱动，如图67所示。

图67 真空泵

（八）蒸发控制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。存储在活性炭罐内的燃油蒸气由活性炭罐净化阀回收至进气系统中，如图68所示。活性炭罐净化阀位于发动机舱内右侧，发动机上稳定杆的正下方。它由ECM通过脉宽调制（PWM）信号控制。

图68 活性炭罐

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/加拿大规格车辆）检测油箱泄漏。它由一个机电驱动式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，气泵通过基准限流阀输送，在另一种设置下通过活性炭罐输送至燃油箱系统中。发动机管理系统可测量空气泵在各设置下的电流消耗量。电流值比对是检测油箱是否泄漏的一种方式。

（九）发动机同步和点火系统

发动机同步和点火系统如图69所示。

1.发动机转速传感器

发动机转速传感器横向安装在右侧发动机缸体上，如图70所示。传感器从58齿（60-2）脉冲轮提取转速信号；脉冲轮安装曲轴上，位于曲轴箱内，如图71所示。该解决方案与外置式脉冲轮相比结构更为紧凑。

转速传感器用于测量发动机转速和识别上止点位置。该传感器还能进一步探测曲轴的旋转方向。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。

2.发动机正时传感器

该发动机正时传感器与F154A发动机所采用的一致，总共使用了4个传感器。正时传感器使用霍耳效应元件，可从安装在各个凸轮轴上的脉冲轮上提取信号。正时传感器位于凸轮轴盖上。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。正时传感器的脉冲轮有4个齿（2×40°和2×140°），如图72所示。

图69 发动机点火部件

图70 发动机转速传感器位置

图71 脉冲轮位置

图72 发动机正时传感器位置

3.点火线圈和火花塞

所采用的点火线圈与F136代发动机一样为Eldor（如图73所示），但点火电源（60mJ）更大、火花持续时间更长（＞1.2ms，而以前为＞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

图73 点火线圈

两个线性压电敏感传感器（博世KS-4-K）安装在曲轴箱的顶部，位于发动机内V。该传感器可将结构震动转换为ECM可分析的电信号。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可使用多个变量来消除发动机爆震：点火正时、喷射正时和增压压力。

（十）可变气门正时控制系统

所有F160发动机均配备VVT，由4个独立凸轮轴正时调节器控制：每汽缸盖的进排气侧各一个。该系统可提前或延迟进排气门正时，以调节气门叠角和确保理想的汽缸点火循环。借助该系统可改善发动机性能、中段转速扭矩、怠速状态和燃油经济性并降低了排放。如图74所示用于两个正时调节器的OCV执行器位于凸轮轴盖的前部（上图），在将凸轮轴盖和正时盖拆除后可看见两个正时调节器（下图）。

图74 正时控制系统

各正时调节器可根据凸轮轴基本位置移动达50°的曲轴转角（凸轮轴25°），造成气门叠角提高至100°曲轴转角。各正时调节器位置由通过控油阀（OCV）的受调油压进行调节，该控油阀同样作为将正时调节器/链轮固定至凸轮的螺栓。各正时调节器的OCV均由来自ECM的PWM指令控制。在0%运转循环时，排气OVC位于锁定位置，同时排气正时调节器提前。在100%运转循环时，排气凸轮轴会延迟50°曲轴转角，同时进气门会延迟开启。在0%运转循环时，进气OVC位于锁定位置，同时进行正时调节器延迟。在100%运转循环时，进气凸轮轴会提前50°曲轴转角，同时进气门会提前开启。当正时调节器位于初始位置（锁定）时，气门叠角最小。当气门叠角加大时，正时调节器会朝远离延迟或锁定位置的方向转动。ECM基于发动机转速和发动机载荷来控制每侧缸排的进排气VVT。使用凸轮轴位置传感器可以使ECM实现闭环调节可变正时。电磁阀驱动器（左侧）可伸缩一个阀针，该阀针可顶开调节器固定螺栓内部的滑阀。通过调节滑阀的位置，油流会被导入正时调节器的各个腔室，如图75所示。

图75 电磁阀驱动器

在发动机启动时，系统油压会克服弹簧压力并将正时调节器锁销解锁，为调整相位做好准备。正时调节器会维持在该位置，直到ECM发出信号对电磁阀执行器进行脉宽调制。为使正时调节器开始移动，一个电压信号会传送至执行器以伸缩阀针。阀针会顶开OCV内部的滑阀并导致阀门前后移动以将油流导入正时调节器内的不同腔室。OCV内部滑阀的位置将确定正时调节器内油腔是否充满油液。OCV要么会相对于凸轮轴位置将正时调节器/链轮的正时提前或延迟，要么会稳定在理想位置。当油压推动正时调节器转子的叶轮时，转子即开始移动。由于转子为物理固定至凸轮轴，因此转子旋转会造成凸轮轴位置根据标准链轮位置做相对旋转。在发动机停机时，随着油压下降，两个正时调节器可回到其各自的锁定位置。然而，由于排气凸轮轴需要移动至非标准顺时针转动位置，因此需要螺旋弹簧的辅助。进气正时调节器在另一方面仅依赖来自配气机构的抗扭强度，以将自身朝向锁定位置推动，如图76所示。

图76 正时调节器转子位置

图77 正时调节器

可变气门正时系统设计采用5W-40发动机机油进行运行。使用其他类型的润滑油或未能遵守换油间隔会产生系统响应和控制性故障；根据后果不同将产生故障码或发动机警告灯亮。如图77所示进气正时调节器（上图）和排气正时调节器（下图）：工作原理相同，但操作方向相反，由于该原因，仅在排气正时调节器上采用了回位弹簧。如图78所示，定子（绿色）固定在凸轮轴链轮上，而转子（蓝色）固定在凸轮轴上。锁销（深绿色）可在无油压供应时将调节器维持在零度位置。控油阀（OCV）集成在各正时调节器的固定螺栓内，如图79所示。

图78 正时调节器上回位弹簧位置

图79 固定螺栓

四、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16所示。

（一）正常

在点火开关旋至ON位置后，该模式默认为启用。

◆正常节气门响应

◆正常增压（F160AM/F160AN为4500r/min时 的550N·m，F160AO为4500r/min时的500N·m）

◆排气旁通阀的激活策略取决于发动机转速和发动机负荷

◆转速限制器设置在6200r/min

（二）运动

◆由于踏板瞬态性能更加灵敏，因此节气门响应更快

◆可用增压（F160AM/F160AN为1750和5000r/min之间时的550N·m，F160AO为1750和4500r/min之间时的500N·m）

◆用于排气旁通阀的专用激活策略

◆转速限制器设置在6500r/min

（三）I.C.E

◆发动机对节气门开度响应比较温和

◆低增压，发动机扭矩限制在450N·m（F160AM/F160AN） 和410N·m（F160AO）

◆排气旁通阀使用了与正常模式相同的激活策略

◆转速限制器设置在6000r/min

（全文完）

表16 运行模式