王鐘原

瑪薩拉蒂總裁V8發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理（一）

王鐘原

一、前言

全新Quattroporte因其全新F154A V8 發(fā)動(dòng)機(jī)而出類(lèi)拔萃，為取代F136發(fā)動(dòng)機(jī)系列的全新家族中的一份子，F(xiàn)154A采用全新技術(shù)，完全由瑪莎拉蒂自主設(shè)計(jì)并由法拉利制造而成。全新雙渦輪增壓V8布局及直接燃油噴射是瑪莎拉蒂汽車(chē)采用的最先進(jìn)技術(shù)，如圖1所示。全新Quattroporte的3.8L 530HP發(fā)動(dòng)機(jī)版本所采用的V8布局是對(duì)瑪莎拉蒂傳統(tǒng)的完美詮釋，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)從2000～4000r/min的輸出扭矩為650N·m；由于采用低慣量平行雙渦輪增壓技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠傳遞驚人的710N·m超增壓扭矩。

由于符合了以下特性，因而可獲得出色的駕駛樂(lè)趣:

◆高效流體動(dòng)力學(xué)性能和燃燒性能

◆低慣量平行雙渦管渦輪增壓

◆高壓（20000kPa）燃油直噴

◆各汽缸蓋帶雙VVT

允許使用“換氣策略”（主要指通過(guò)較高的氣門(mén)重疊角在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)換氣，產(chǎn)生二次燃燒和發(fā)動(dòng)機(jī)較低轉(zhuǎn)速WOT下良性的渦輪增壓?jiǎn)?dòng)效果）。此策略經(jīng)過(guò)優(yōu)化（控制重疊角和其他參數(shù)），以在任何行駛條件下獲得最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)性，無(wú)論是不穩(wěn)定工況還是穩(wěn)定工況。該款全新發(fā)動(dòng)機(jī)具有令人印象深刻的扭矩曲線，1500r/min以下轉(zhuǎn)速時(shí)即可達(dá)到最大扭矩的95%以上。

（一）發(fā)動(dòng)機(jī)視圖

發(fā)動(dòng)機(jī)視圖，如圖2、圖3所示。

（二）主要技術(shù)特點(diǎn)

◆全新一代輕合金90°V8

◆小型化與渦輪增壓技術(shù)的融合造就了緊湊型剛性發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，從而擁有出色的NVH 性能

◆飛輪側(cè)正時(shí)配氣的獨(dú)特布置可降低曲軸承受的由于驅(qū)動(dòng)氣門(mén)機(jī)構(gòu)而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)載荷

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)視圖1

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)視圖2

◆鋁質(zhì)汽缸蓋帶每汽缸4氣門(mén)和較強(qiáng)滾流道，4個(gè)連續(xù)凸輪正時(shí)VVT，用于減小機(jī)械摩擦的滾柱指輪隨動(dòng)件和液壓間隙調(diào)節(jié)器

◆1020℃適應(yīng)性雙渦流渦輪增壓歧管，帶低慣量真空驅(qū)動(dòng)和電控廢氣旁通閥和放泄閥

◆低壓降進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)及高效中冷器

◆采用旁通閥的可調(diào)式排氣系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的排氣噪聲

◆高燃燒效率:帶多孔噴油器的20000kPa直噴系統(tǒng)可提供更完全的燃燒和更容易的啟動(dòng)性能。該套系統(tǒng)與4個(gè)凸輪變化器一起確保了更低的排放和顯著改善的燃油經(jīng)濟(jì)性

◆帶可變排量的電控機(jī)油泵及使用低黏度機(jī)油可降低損耗并提高燃油效率

◆交流發(fā)電機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元智能控制

◆發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定符合舒適型/運(yùn)動(dòng)駕駛性能選裝系統(tǒng)

◆符合美國(guó)超低排放車(chē)輛（SULEV）法規(guī)

◆預(yù)備未來(lái)采用啟停系統(tǒng)

◆預(yù)備未來(lái)采用停缸技術(shù)

（三）雙渦輪增壓器歷史

雙渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，瑪莎拉蒂引入的革新技術(shù)！現(xiàn)在，瑪莎拉蒂再次在其發(fā)動(dòng)機(jī)上采用雙渦輪增壓技術(shù)，這是一個(gè)值得銘記的歷史時(shí)刻，瑪莎拉蒂首次真正地在其量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)上引入雙渦輪增壓技術(shù)。這可追溯至30多年前，渦輪增壓作為一個(gè)技術(shù)革新出現(xiàn)在一級(jí)方程式賽車(chē)（Formula 1）上僅僅4年之后。Biturbo車(chē)型，因其獨(dú)特的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)而命名，于1981年12月14日上市。首款Biturbo 發(fā)動(dòng)機(jī)為2L排量，90°輕合金V6布置，每汽缸3氣門(mén)設(shè)計(jì)。即便其設(shè)計(jì)類(lèi)似于Merak 的C114型發(fā)動(dòng)機(jī)，雙渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)（型號(hào)AM 452.09）為全新技術(shù)， 它也是Alejandro de Tomaso自主開(kāi)發(fā)的首款發(fā)動(dòng)機(jī)。其引進(jìn)技術(shù)使得這款發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在轎車(chē)（例如Biturbo）上輸送非凡性能，因?yàn)閷?duì)于其所在價(jià)格區(qū)間， 它們是史無(wú)前例的嶄新技術(shù)。首先，這款發(fā)動(dòng)機(jī)采用Weber 42DCNVH化油器，渦輪增壓器由日本公司IHI（石川島幡摸磨重工業(yè)有限公司）供應(yīng)。由于高度的復(fù)雜性，這款發(fā)動(dòng)機(jī)早期版本承受著可靠性不良的較壞聲譽(yù)。然而，在其20年的跨度中，Biturbo 發(fā)動(dòng)機(jī)歷經(jīng)大量改進(jìn)和技術(shù)革新。容量增大至2.5L，后來(lái)又增大至2.8L，以適用于出口市場(chǎng)，采用水冷式渦輪增壓器和中間冷卻器，Weber-Marelli燃油噴射取代化油器，采用每缸4氣門(mén)的全新汽缸蓋設(shè)計(jì)。甚至還開(kāi)發(fā)有一個(gè)每缸6氣門(mén)的試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)6.36，但是它依然是樣機(jī)，從來(lái)沒(méi)有到達(dá)量產(chǎn)階段。輸出功率從1981年最早期化油器式Biturbor 132kW（180馬力）直線上升至90年代中期Ghibli Cup車(chē)型的高達(dá)243kW（330馬力）。在那些年中，Biturbo發(fā)動(dòng)機(jī)始終保持最強(qiáng)勁動(dòng)力2L量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的紀(jì)錄。2001年，當(dāng)Quattroporte IV 車(chē)型停止生產(chǎn)時(shí)，瑪莎拉蒂V6 Biturbo 發(fā)動(dòng)機(jī)的輝煌歷史走到了盡頭。

二、技術(shù)參數(shù)

（一）技術(shù)參數(shù)如表1所示。

（二）性能曲線

性能曲線如圖4所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線

三、機(jī)械部件

（一）曲軸箱

曲軸箱由上下兩個(gè)殼體構(gòu)成，由硬化回火鋁合金采用鑄造工藝制成。包含5個(gè)主支承軸頸。汽缸襯套為濕式，由帶電鍍鎳硅碳化物涂層的鋼制成，如圖5所示。水泵位于發(fā)動(dòng)機(jī)前部、汽缸1和8的V形之間，而凸輪軸正時(shí)鏈系統(tǒng)集成在飛輪側(cè)。下部殼體帶有4個(gè)簧片閥，原來(lái)安裝在MC Stradale 發(fā)動(dòng)機(jī)上，模擬“干式油底殼”潤(rùn)滑系統(tǒng)和機(jī)油泵總成。一個(gè)隔板式鋁質(zhì)油底殼在底部密閉曲軸箱。位于曲軸箱下部的4個(gè)多片式簧片閥的開(kāi)發(fā)是消除活塞工作沖程中其下部區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)壓力波動(dòng)的重要步驟，壓力波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生不利影響并可能減緩曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于每對(duì)汽缸共用一個(gè)共用大頭軸頸，每個(gè)片閥將兩個(gè)汽缸與其他曲軸箱容積隔開(kāi)，所以當(dāng)兩個(gè)活塞的其中一個(gè)在缸徑中向下移動(dòng)，另一個(gè)活塞在相反汽缸組中以相同的速度向上移動(dòng)，基本上在兩個(gè)活塞下面形成中性的壓力變化。但是，簧片閥必須打開(kāi)，以使輸送至主軸頸和大頭軸頸的機(jī)油流回至主油底殼中。這通過(guò)由于油底殼吸氣而形成的微小負(fù)壓和曲軸臂旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的“空隙”來(lái)控制。F154A發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的4個(gè)簧片閥的其中一個(gè)，如圖6所示。

圖5 缸體

圖6 簧片閥

圖7 汽缸布置順序

（二）汽缸編號(hào)

發(fā)動(dòng)機(jī)的8個(gè)汽缸按照如下方式布置:

◆汽缸組1（汽缸1-2-3-4），右側(cè)，從前至后，如圖7所示

◆汽缸組2（汽缸5-6-7-8），左側(cè)，從后至前

（三）旋轉(zhuǎn)部件

曲柄機(jī)構(gòu)零部件設(shè)計(jì)時(shí)特別注重旋轉(zhuǎn)時(shí)摩擦力的總減小量，如圖8、圖9所示。高阻力氮化鋼曲軸坐落在5個(gè)無(wú)鉛主軸頸上。鋼制連桿通過(guò)曲軸軸頸上的成對(duì)大頭連接位于汽缸襯套中央軸線上，同樣安裝有無(wú)鉛護(hù)罩。石墨覆層鋁合金活塞為鑄造而成，帶有專門(mén)設(shè)計(jì)的凹陷“鷺型”冠，促進(jìn)燃燒室內(nèi)的翻滾。通過(guò)汽缸上的噴嘴將機(jī)油噴射至活塞裙部和冠部，從下面對(duì)其冷卻。

圖8 曲軸

圖9 連桿和活塞

1.前端附件傳動(dòng)皮帶

在發(fā)動(dòng)機(jī)前端，多V形皮帶將曲軸運(yùn)動(dòng)傳輸?shù)娇照{(diào)壓縮機(jī)、水泵、動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵和交流發(fā)電機(jī)，皮帶由彈簧加載機(jī)械裝置進(jìn)行張緊。安裝在該系統(tǒng)中心的扭轉(zhuǎn)減震器通過(guò)一圈8顆螺栓固定到曲軸上，如圖10所示。

2.減震器

減震器通過(guò)螺栓安裝在曲軸前端，如圖11所示。減震器還起著前端附件傳動(dòng)皮帶輪的作用。Metaldyne減震器是采用鎢軸凝膠成型結(jié)構(gòu)，其作用是在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程緩沖曲柄裝置產(chǎn)生的震動(dòng)。鎢是元素周期表中的一種元素，質(zhì)量極高，大約是鉛的1.7倍。其慣性可以吸收曲軸能量， 并將能量返回到曲軸上。通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)曲軸角速度的平穩(wěn)化。

圖10 皮帶傳輸

圖11 減震器

四、汽缸蓋

硬化和回火鑄造鋁質(zhì)汽缸蓋。每汽缸四氣門(mén)，帶高效進(jìn)氣道，設(shè)計(jì)用于在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生渦流。二次空氣系統(tǒng)氣道，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)滿足污染標(biāo)準(zhǔn)，直接集成在鑄件中。缸蓋頂部的凸輪軸蓋是一個(gè)將凸輪軸固定在各缸組上其支承軸頸內(nèi)的結(jié)構(gòu)件。凸輪軸為復(fù)雜的中空件，通過(guò)“滾柱指輪”杠桿原理作用在液壓挺桿上，以便通過(guò)滾動(dòng)接觸表面減小能量分散。這有助于減小總內(nèi)摩擦以及降低噪聲。缸蓋系統(tǒng)的內(nèi)部冷卻回路確保均勻的熱耗散，即便在安裝火花塞的燃燒室區(qū)域內(nèi)。汽缸蓋和燃燒室，如圖12所示。帶液壓間隙調(diào)整裝置的滾柱指輪隨動(dòng)器有助于減小發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)摩擦，如圖13所示。氣門(mén)蓋可從下面看到:它不僅與凸輪軸蓋集成在一起，還包含兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)傳感器、高壓燃油泵和用于兩個(gè)正時(shí)變化器的電磁閥及相關(guān)油道，如圖14所示。

圖12 汽缸蓋和燃燒室

圖13 隨動(dòng)器

圖14 氣門(mén)蓋

五、正時(shí)配氣

F154發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)位于飛輪側(cè)。這可使曲軸轉(zhuǎn)矩顯著降低并因此提高正時(shí)系統(tǒng)的精度。由于在任意點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)力矩接近車(chē)輛輸入驅(qū)動(dòng)力矩，曲軸扭轉(zhuǎn)不可能與控制系統(tǒng)發(fā)生沖突。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的震動(dòng)在前部?jī)蓚€(gè)汽缸（1-8）之間的測(cè)量值大于在后部?jī)蓚€(gè)汽缸（4-5）處的測(cè)量值。配氣系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的震動(dòng)降低確保驅(qū)動(dòng)鏈和張緊器的平穩(wěn)操作。帶有兩個(gè)單片節(jié)鏈，每個(gè)缸組一個(gè)，由液壓張緊器和導(dǎo)輪拉緊。凸輪軸鏈輪為可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)的組成部分，正時(shí)系統(tǒng)包括4個(gè)低壓變化器:

◆兩個(gè)液壓控制的機(jī)械變化器，具有60°范圍，用于進(jìn)氣系統(tǒng)

◆兩個(gè)液壓控制的機(jī)械變化器，具有50°范圍，用于排氣系統(tǒng)

可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)確保理想的汽缸加注循環(huán)，可在較低轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)更大的扭矩分配，以及降低排放指數(shù)并改善燃油消耗量。它由來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)通過(guò)相關(guān)電磁閥和機(jī)油回路啟用。液壓控制壓力與機(jī)油泵產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力相同。所有凸輪軸都帶有正時(shí)變速器，由INA通過(guò)外部安裝的輔助彈簧進(jìn)行液壓操縱，有助于凸輪軸向前運(yùn)動(dòng)，如圖15所示。

圖15 正時(shí)變速器

圖16 機(jī)油濾清器位置

圖17 機(jī)油泵

圖18 油氣分離器

表2 潤(rùn)滑系統(tǒng)說(shuō)明

六、潤(rùn)滑系統(tǒng)

為了使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械吸收的功率最小化，F(xiàn)154發(fā)動(dòng)機(jī)裝備新一代機(jī)油泵，具有可變排量和壓力。所有油道均集成在曲軸箱、缸蓋和后殼體鑄造結(jié)構(gòu)內(nèi)。曲軸箱內(nèi)的機(jī)油噴嘴確?；钊麥囟仍谝欢l件下降低，而筒式機(jī)油過(guò)濾器位于曲軸箱頂部、汽缸蓋之間。機(jī)油泵位于曲軸箱底部，它由安裝在鏈輪通過(guò)驅(qū)動(dòng)鏈驅(qū)動(dòng)。增壓機(jī)油量可通過(guò)泵總成內(nèi)的移動(dòng)元件進(jìn)行改變。此部件的內(nèi)部重新定位會(huì)改變機(jī)油泵輸出排量。

1.電控機(jī)油泵

機(jī)油泵的特點(diǎn)是壓力分為兩端，由電磁閥通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元發(fā)送的脈寬信號(hào)控制。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載較小時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生較小的機(jī)油壓力（約300kPa），這個(gè)壓力足以潤(rùn)滑發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)零件，同時(shí)還減小了系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)油泵生成壓力所需要的能量。這意味著，在壓力需求較低的情況下，飛濺潤(rùn)滑噴嘴關(guān)閉。轉(zhuǎn)速較高時(shí)，油泵調(diào)節(jié)排量，生成最大流量比，壓力也會(huì)達(dá)到600kPa。這個(gè)壓力可以克服噴嘴上的單向閥內(nèi)部的彈簧張力，將單向閥沖開(kāi)， 啟動(dòng)噴嘴的飛濺潤(rùn)滑作用，通過(guò)改善運(yùn)行條件增大了潤(rùn)滑和冷卻效果。機(jī)油濾清器殼體如圖16所示。潤(rùn)滑系統(tǒng)規(guī)格如表2所示。電控機(jī)油泵的電磁閥安裝在曲軸箱右側(cè)，如圖17所示。

2.竄氣系統(tǒng)

油氣分離器安裝在右側(cè)缸蓋頂部，一個(gè)平衡管連接兩個(gè)汽缸組，如圖18所示。

（待續(xù)）