化永星

（南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 南京 211188）

大眾汽油發(fā)動機(jī)混合噴射技術(shù)介紹

化永星

（南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 南京 211188）

目前越來越多的汽車發(fā)動機(jī)采用混合噴射系統(tǒng)，混合噴射發(fā)動機(jī)比進(jìn)氣管噴射發(fā)動機(jī)與直噴發(fā)動機(jī)在經(jīng)濟(jì)型、動力性及環(huán)保上都了很大的提升。文章主要借助大眾汽車第三代EA888發(fā)動機(jī)為載體，介紹混合噴射技術(shù)的特點(diǎn)、組成、工作原理及制約因素等內(nèi)容。

發(fā)動機(jī)；混合噴射；工作原理；制約因素

1 燃油噴射系統(tǒng)的介紹

汽油發(fā)動機(jī)燃油噴射系統(tǒng)目前有三種噴射形式，進(jìn)氣管噴射系統(tǒng)、缸內(nèi)直噴系統(tǒng)與混合噴射系統(tǒng)。

1.1 進(jìn)氣管噴射系統(tǒng)

噴油器將燃油噴射在進(jìn)氣門或進(jìn)氣門附近進(jìn)氣管道內(nèi)的燃油噴射系統(tǒng)稱為進(jìn)氣管噴射系統(tǒng)。進(jìn)氣管噴射系統(tǒng)包括單點(diǎn)噴射和多點(diǎn)噴射，單點(diǎn)噴射技術(shù)已淘汰；多點(diǎn)噴射現(xiàn)在仍然是大多小排量自然吸氣發(fā)動機(jī)較多采用的處理方案，因其技術(shù)成熟成本較低且性能較為均衡，但是缸內(nèi)直噴技術(shù)也正在慢慢取代它。然而在混合噴射系統(tǒng)中，多點(diǎn)電噴再一次出現(xiàn)證明其價值所在。進(jìn)氣歧管噴射系統(tǒng)燃油和空氣在進(jìn)氣管中混合，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣行程將其吸入氣缸，氣流運(yùn)動讓油氣進(jìn)行充分混合，形成可燃混合氣，最終點(diǎn)火燃燒膨脹作功。但是混合氣由于停留時間長，可燃混合氣損耗較大，容易產(chǎn)生發(fā)動機(jī)不正常燃燒，致使發(fā)動機(jī)功率下降，磨損加大，動力性不佳。

1.2 缸內(nèi)直噴系統(tǒng)

缸內(nèi)直噴系統(tǒng)就是噴油器將燃油直接噴入氣缸內(nèi)，在氣缸內(nèi)進(jìn)行油氣的混合，可燃混合氣的形成。缸內(nèi)直噴系統(tǒng)將噴油器安裝在燃燒室上方，噴油器將汽油直接噴入燃燒室，空氣則經(jīng)過進(jìn)氣門進(jìn)入燃燒室與汽油混合。缸內(nèi)直噴系統(tǒng)噴射壓力遠(yuǎn)高于普通的進(jìn)氣歧管噴射系統(tǒng)，為此可燃混合氣可以更稀，通過少噴油來降低發(fā)動機(jī)的燃油消耗率，同時由于缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)的壓縮比高于缸外噴射發(fā)動機(jī)，所以比同排量的缸外噴射發(fā)動機(jī)動力性要更為優(yōu)越。直噴系統(tǒng)對于硬件部分的要求非常高，優(yōu)質(zhì)的噴油器才能很好地霧化汽油；科學(xué)合理的燃燒室形狀才能充分地混合油氣；最為重要的一點(diǎn)是，缸內(nèi)直噴系統(tǒng)需要高品質(zhì)的燃油。[1]

缸內(nèi)直噴系統(tǒng)與歧管噴射系統(tǒng)在高壓油泵之前的油路走向以及燃油壓力幾乎相同，燃油泵將燃油從油箱中抽出，經(jīng)過汽油濾清器的過濾輸送至發(fā)動機(jī)處，而在高壓油泵之后就出現(xiàn)了較大差異化的改變，直噴需要將汽油加壓至一兩百Bar或者更高，然后被加壓后的燃油將通過油軌抵達(dá)各氣缸的噴油器。發(fā)動機(jī)電腦發(fā)出動作信號，剎那間就可將極其微小的油滴全部的直接噴入氣缸內(nèi)。之后利用氣體的渦流運(yùn)動，油氣進(jìn)行充分地混合，在發(fā)動機(jī)壓縮行程上止點(diǎn)時刻，火花塞點(diǎn)火，燃混合氣燃燒膨脹作功。

1.3 混合噴射系統(tǒng)

混合噴射指歧管噴射和缸內(nèi)直噴共同存在，二者相互協(xié)作，以此來提高燃油噴射系統(tǒng)的精度、速度和可靠性?；旌蠂娚浞绞降淖饔靡庠趯⑵绻車娚浜透變?nèi)直噴的優(yōu)點(diǎn)統(tǒng)一起來，以次來解決傳統(tǒng)缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)存在的劣勢?；旌蠂娚湎到y(tǒng)中歧管噴射的加入，大大削弱了單一的缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)在進(jìn)氣管路和進(jìn)氣門上積碳較多的勢頭。大眾第三代 EA888 2.0T發(fā)動機(jī)采用混合噴射（缸內(nèi)直噴+歧管噴射），將進(jìn)氣管噴射優(yōu)點(diǎn)和缸內(nèi)直噴優(yōu)點(diǎn)巧妙結(jié)合，較大可能性的滿足發(fā)動機(jī)對不同工況下的嚴(yán)苛要求。

混合噴射為高效的燃油噴射方式不僅可以提高發(fā)動的功率和扭矩，還避免了單一的直噴發(fā)動機(jī)在小負(fù)荷工況下富氧導(dǎo)致的污染物排放問題。缸內(nèi)直噴按照發(fā)動機(jī)工況，會存在兩種不同的工作狀態(tài)。在低負(fù)荷時空燃比大混合氣稀，在高負(fù)荷時空燃比接近理論空燃比14.7/1。缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)在低負(fù)荷時，就處于稀薄燃燒的狀態(tài)，在高效節(jié)能的同時，廢氣中會有很多殘留的氧氣，同時排氣的溫度也較低，這兩方面的原因使得三元催化器對氮氧化物的轉(zhuǎn)化率不高，從而也排放了更多的氮氧化物。大眾第三代EA888 2.0T發(fā)動機(jī)采用混合噴射技術(shù)，統(tǒng)籌兩大系統(tǒng)的優(yōu)勢壓榨發(fā)動機(jī)更大的潛力。

2 大眾混合噴射系統(tǒng)特點(diǎn)

圖1 高、低壓油軌及附件

大眾第三代EA888 2.0T發(fā)動機(jī)雙噴射系統(tǒng)采用的高壓油軌（直噴部分）和低壓油軌（歧管噴射），都是從高壓油泵接出來的，而1.8T發(fā)動機(jī)的油泵只提供用于缸內(nèi)直噴的出油口。由于缸內(nèi)直噴的噴油壓力非常高，而歧管噴射對于油壓的要求并不高，因此兩套系統(tǒng)的噴射壓力相差較大，缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的噴射壓力一般在100-200bar左右，而歧管噴射系統(tǒng)的噴射壓力一般在3~5Bar左右，所以這兩套噴射系統(tǒng)分別裝配了不同的油泵和供油管路，因此兩根油軌也就采用了不同的材質(zhì)，缸內(nèi)直噴油軌為金屬材質(zhì)，而歧管噴射為塑料，如圖1所示。

除了材質(zhì)的區(qū)別，由于缸內(nèi)直噴和歧管噴射對霧化效果的要求不同，所以兩組噴油嘴的結(jié)構(gòu)有所差異。直噴油嘴采用環(huán)形六孔如圖2所示，歧管噴射采用半邊三孔共六孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 直噴噴油器

圖3 氣管噴油器

大眾將第三代EA888發(fā)動機(jī)缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的燃油噴射壓力由第二代的150bar提升至200bar,更高的燃油噴射壓力對噴油器的材質(zhì)以及高壓油泵的泵壓能力提出了更高的要求。燃油噴油壓力越高就越容易將燃油霧化，更好的霧化效果，可以更充分的發(fā)揮每一滴燃油價值，進(jìn)而達(dá)到更低的燃油消耗的目的。但是這對于材料的成本、燃油的品質(zhì)以及缸內(nèi)直噴的組件的耐久性無疑又是一個嚴(yán)峻的考驗。

大眾第三代EA888發(fā)動機(jī)混合噴射方式目的在于解決單一的缸內(nèi)直噴技術(shù)存在的問題，從而開發(fā)發(fā)動機(jī)更大的潛力和更為友好的環(huán)保性。第三代EA888發(fā)動機(jī)在混合噴射技術(shù)及其他綜合作用下可以實現(xiàn)歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)并提升性能。

3 大眾混合噴射系統(tǒng)的組成部分

低壓部分：電子燃油泵、燃油濾清器、燃油計量閥、低壓連接管路、燃油泵控制模塊等。

圖4 混合噴射組成圖

高壓部分：高壓燃油泵、高壓燃油連接管路、燃油分配器、燃油壓力傳感器、燃油壓力調(diào)節(jié)器、限壓閥、高壓噴油嘴等如圖4所示。

4 大眾混合噴射系統(tǒng)的工作原理

大眾第三代EA888發(fā)動機(jī)采用混合噴射技術(shù)（缸內(nèi)直噴+歧管噴射），通過采取在發(fā)動機(jī)低負(fù)荷工況下使用歧管噴射，中負(fù)荷工況下兩套噴射系統(tǒng)同時啟動，高負(fù)荷工況下由缸內(nèi)直噴方式供油的方式，解決傳統(tǒng)缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道、燃燒室積碳現(xiàn)象和排放性不佳的劣勢。

發(fā)動機(jī)電腦已經(jīng)根據(jù)邁普圖對噴油模式的運(yùn)行進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)定。圖譜中指明了在SRE（用進(jìn)氣歧管燃油噴射系統(tǒng)）模式中發(fā)動機(jī)是否被驅(qū)動、何時被驅(qū)動，以及在高壓模式下何時被驅(qū)動。[2]

有以下運(yùn)行模式：

1）SRE單噴射

2）高壓單噴射

3）高壓雙噴射

4）高壓三重噴射

發(fā)動機(jī)起動：

當(dāng)發(fā)動機(jī)處于冷態(tài)且冷卻液溫度低于 45°C 時，每次發(fā)動機(jī)起動，就在壓縮循環(huán)中通過高壓噴射系統(tǒng)進(jìn)行三重直噴。

發(fā)動機(jī)在部分負(fù)荷范圍下運(yùn)行：

如果發(fā)動機(jī)溫度高于 45°C，并且發(fā)動機(jī)在部分負(fù)荷范圍中被驅(qū)動，則發(fā)動機(jī)切換到 SRE 模式。進(jìn)氣歧管翻板在大多數(shù)情況下保持關(guān)閉。

發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速全負(fù)荷下運(yùn)行：

基于高性能需求，系統(tǒng)切換到高壓模式。在進(jìn)氣和壓縮循環(huán)中進(jìn)行雙重直噴。

暖機(jī)和催化轉(zhuǎn)換器加熱：

在此階段，在進(jìn)氣和壓縮循環(huán)中進(jìn)行雙重直噴。點(diǎn)火點(diǎn)有一定的延遲。進(jìn)氣歧管翻板關(guān)閉。

發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速全負(fù)荷下運(yùn)行：

基于高性能需求，系統(tǒng)切換到高壓單噴模式。

緊急運(yùn)行功能：

如果任一噴油系統(tǒng)發(fā)生故障，發(fā)動機(jī)使用另一系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)控制單元驅(qū)動。從而確保車輛仍可繼續(xù)行駛。組合儀表中的紅色發(fā)動機(jī)指示燈亮起。

具體工作工程如表1所示。

表1 第三代EA888發(fā)動機(jī)噴射模式與工況的關(guān)系

5 混合噴射系統(tǒng)優(yōu)勢與制約因素

混合噴射系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)的缸內(nèi)直噴系統(tǒng)與歧管噴射發(fā)展起來的燃油噴射系統(tǒng)，繼承了缸內(nèi)直噴和歧管噴射的優(yōu)勢，主要在油耗、輸出功率和排放方面體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。直噴噴油器和進(jìn)氣道噴油器同時工作, 獲得最佳燃燒的混合氣, 使燃燒更加充分,也能達(dá)到降低排放污染物目的。同時，混合噴射系統(tǒng)在動力性方面也具有較大的優(yōu)勢，通過對大眾第三代EA888與第二代對比，如表2所示，可以發(fā)現(xiàn)安裝混合噴射系統(tǒng)的第三代EA888在輸出功率和扭矩方面比第二代直噴系統(tǒng)發(fā)動機(jī)有很大的提高。

表2 第三代EA888與第二代參數(shù)對比

混合噴射技術(shù)在很大程度上解決了歧管噴射和缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的排放、動力等一系列問題，但也存在著一些因素制約著其發(fā)展。首先在成本上混合噴射系統(tǒng)并不占優(yōu)勢，由于使用了兩套噴油系統(tǒng)，這兩套噴射系統(tǒng)的噴射壓力懸殊較大，缸內(nèi)直噴噴射壓力普遍在 150~200Bar左右，而歧管噴射壓力只在 3~5Bar之間，這就需要兩套供油泵和供油管路，所以在成本上就會比單一噴射系統(tǒng)的要更高。另外，噴射方式的改變需要控制系統(tǒng)也要做出相應(yīng)的改變，一些新的標(biāo)準(zhǔn)需要重新制定，在成本上又會相應(yīng)的增加。另外，缸內(nèi)混合噴射技術(shù)雖然在一些車上有些應(yīng)用，但在整車匹配度上還需要進(jìn)行大量實驗進(jìn)行驗證，所以混合噴射大范圍的推廣和應(yīng)用還需要一定時間。

[1] 李長灝.科技創(chuàng)新導(dǎo)報.中國宇航出版社,2012 年.

[2] 拆解第三代EA888 發(fā)動機(jī).網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù).2016.

Introduction of Volkswagen gasoline engines’ mixed injection system

Hua Yongxing
( Automotive engineering department, Nanjing Vocational Institute of Transport Technology, Jiangsu Nanjing 211188 )

More and more automobile’s engines use the mixed injection system, the mixed injection system is more economy,more power and more environmental protection than TSI and SRE.In this paper, the characteristics, composition, working principle and constraints of mixed injection system are introduced with the help of Volkswagen third-generation EA888 engine.

engine; mixed injection system; working principle; restricting factors

U471

B

1671-7988 (2017)21-208-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.071

CLC NO.: U471

B

1671-7988 (2017)21-208-03

化永星，（1985-），講師，就職于南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院。