雷先華，楊啟正，葉 幸

（湖南交通工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖南衡陽(yáng) 421000）

0 引言

1954年，德國(guó)奔馳公司在汽車(chē)展會(huì)上展出了裝用機(jī)械控制式（K型）汽油噴射系統(tǒng)的汽車(chē)。20世紀(jì)60年代之前，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)主要使用傳統(tǒng)的化油器，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生的真空狀態(tài)下，利用吸入空氣的動(dòng)能將汽油霧化，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)配比出合適的混合氣，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；20世紀(jì)60年代末期，K型的改進(jìn)型——機(jī)電控制式（KE型）汽油噴射系統(tǒng)開(kāi)始廣泛應(yīng)用起來(lái)，與K型汽油噴射系統(tǒng)相比，增加了一個(gè)由電腦控制的電液式壓差調(diào)節(jié)器和各種傳感器；20世紀(jì)70年代，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展與能源危機(jī)，傳統(tǒng)的噴射方式產(chǎn)生創(chuàng)新的改變[1]，現(xiàn)代開(kāi)始采用電控燃油噴射系統(tǒng)（Electronic Fuel Injection，EFI）。

電子控制式燃油噴射系統(tǒng)是指電子控制單元根據(jù)汽車(chē)各自關(guān)鍵傳感器信號(hào)，經(jīng)過(guò)汽車(chē)電腦的數(shù)學(xué)計(jì)算和邏輯判斷處理后，控制信號(hào)直接傳至執(zhí)行器做出相關(guān)動(dòng)作，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)各工況下按照已經(jīng)預(yù)存的數(shù)據(jù)，精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比和點(diǎn)火正時(shí)，改善燃料燃燒過(guò)程，從而降低油耗，減少有毒有害氣體的排放。按噴油器安裝的位置可分為進(jìn)氣道噴射（PFI）和缸內(nèi)噴射（GDI）。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，美國(guó)、德國(guó)、日本和韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家先后開(kāi)發(fā)了各種汽油電控噴射系統(tǒng)，這些技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成熟。在國(guó)內(nèi)，汽車(chē)行業(yè)起步較晚，從20世紀(jì)90年代才開(kāi)始著手研究電控噴射技術(shù)，所以技術(shù)水平相對(duì)落后。面對(duì)日益嚴(yán)格的國(guó)Ⅵ排放法規(guī)，改善汽油機(jī)電控噴油系統(tǒng)是未來(lái)重要的發(fā)展方向。

1 燃油噴射技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 進(jìn)氣道噴射技術(shù)

隨著汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，在追求高性能、低污染的情況下，出現(xiàn)了進(jìn)氣道燃油噴射系統(tǒng)（PFI）。其工作過(guò)程是將燃油噴在節(jié)氣門(mén)或進(jìn)氣門(mén)附近，由氣缸壁的高溫和進(jìn)氣閥打開(kāi)時(shí)，廢氣回流的溫度促進(jìn)形成混合氣體。與傳統(tǒng)化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，進(jìn)氣道燃油噴射系統(tǒng)提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率，降低了燃油消耗和廢棄排放量，在發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性[2]。進(jìn)氣道噴射按噴油器的數(shù)量和位置分為單點(diǎn)和多點(diǎn)噴射。

單點(diǎn)燃油噴射（SPI）又叫進(jìn)氣道總管?chē)娚洌侵冈诙喔装l(fā)動(dòng)機(jī)的多個(gè)氣缸共用一個(gè)噴油器供油的噴油方式，也稱集中噴射（CFI）。單點(diǎn)噴射結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)電動(dòng)燃油泵的要求低、維護(hù)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、排放性優(yōu)越，但不能保證節(jié)氣門(mén)后至進(jìn)氣門(mén)的管壁上完全不產(chǎn)生油膜，也不能保證在所有的工況下保持最理想的混合氣分配。多點(diǎn)燃料噴射（MPI）是指在發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)氣缸進(jìn)氣門(mén)前面的進(jìn)氣歧管上全都配備一個(gè)噴油器的噴油方式。這些噴油器由ECU控制且相互獨(dú)立工作，將燃油霧化成盡可能小的顆粒，提高燃油混合氣的品質(zhì)。噴射器的噴嘴形狀和噴射角度需與進(jìn)氣管或氣缸蓋進(jìn)氣口的形狀相匹配。多點(diǎn)燃油噴射具有燃油壓力低、響應(yīng)速度快、噴油量和噴油正時(shí)精確控制等特點(diǎn)，可使進(jìn)氣管與燃燒空氣的流動(dòng)進(jìn)行最佳匹配。

1.2 缸內(nèi)直噴技術(shù)

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代，實(shí)現(xiàn)于福特在20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)ProCo系統(tǒng)采用的一種分層燃燒技術(shù)。1996年，三菱開(kāi)發(fā)了一種采用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)直噴技術(shù)的自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)；1998年，豐田推出了D4直噴系統(tǒng)；2006年，梅賽德斯-奔馳推出了直接噴射技術(shù)CGI，并于2010年推出了新的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)直噴技術(shù)BlueDirect[3]。隨著技術(shù)水平的不斷提高，各汽車(chē)公司也開(kāi)始引入自己的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)直噴技術(shù)。缸內(nèi)直噴是噴油器在高壓力下將燃油直接噴射到氣缸內(nèi)的一種噴射方式，由于汽油是在進(jìn)氣結(jié)束時(shí)噴射到汽缸中，所以汽缸內(nèi)的膨脹氣體被冷卻，體積效率提高，爆震傾向減??；同時(shí)，缸內(nèi)直噴容易引起電荷分層，便于稀薄燃燒，還能改善汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)運(yùn)行和冷卻啟動(dòng)時(shí)的排放，降低部分負(fù)荷條件下的燃油消耗水平，提高滿負(fù)荷動(dòng)態(tài)。缸內(nèi)直噴系統(tǒng)都是多點(diǎn)噴射系統(tǒng)，且噴射器一般安裝在火花塞附近的氣缸蓋上，高壓力的噴射決定了噴油器的高加工精度和高技術(shù)水平。缸內(nèi)直噴技術(shù)具有低油耗、高壓縮比、升功率大的優(yōu)點(diǎn)，但這種技術(shù)與傳統(tǒng)電噴技術(shù)相比，更容易產(chǎn)生積碳，需頻繁更換火花塞等汽車(chē)零件，導(dǎo)致使用成本增加。

1.2.1 燃油分層噴射技術(shù)

燃油分層噴射技術(shù)（FSI）即為燃料分層注射。這一技術(shù)由大眾公司推出，通過(guò)高壓油泵將燃油通過(guò)分流軌道送至高壓噴射閥進(jìn)行電磁控制，從而精確控制燃油進(jìn)入汽缸燃燒的噴射量，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、功率和扭矩同時(shí)提升、燃油消耗率低的優(yōu)點(diǎn)。在高濃度混合氣被點(diǎn)燃之后，燃燒迅速擴(kuò)散到外層，使燃油充分燃燒，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。FSI分層稀燃的區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)節(jié)油20%～25%，提高燃油利用率的同時(shí)，還降低了排放污染[4]。其特征在于在進(jìn)氣通道中產(chǎn)生可變渦流，使得進(jìn)氣流形成渦流形式進(jìn)入燃燒室，并用分層填充的方式進(jìn)行推動(dòng)，使混合氣體集中在位于燃燒室中心的火花塞周?chē)?。通過(guò)氣缸內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)，在火花塞周?chē)纬梢子邳c(diǎn)燃的高濃度混合氣，而外層的混合氣開(kāi)始逐漸變得稀薄。

1.2.2 雙增壓分層直噴技術(shù)

雙增壓分層直噴技術(shù)（TSI）是大眾公司在FSI的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，增加了渦輪增壓和機(jī)械增壓雙增壓裝置。渦輪增壓利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出廢氣時(shí)的慣性力推動(dòng)渦輪機(jī)，渦輪機(jī)再帶動(dòng)葉輪給空氣濾清器輸送進(jìn)來(lái)的空氣加壓，并將加壓的空氣推送入氣缸中。渦輪增壓裝置在較低轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)產(chǎn)生延遲，這時(shí)機(jī)械增壓裝置就發(fā)揮作用，增大動(dòng)力輸出、加大進(jìn)氣壓力、提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。TSI技術(shù)增加了輸出功率，減小功率損耗，并且可以用小位移獲得扭矩和馬力，從而獲得更大的動(dòng)力。其在低速時(shí)能產(chǎn)生高扭矩，且能在很廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持最大扭矩的輸出；在高負(fù)荷時(shí)能給與發(fā)動(dòng)機(jī)同樣甚至更優(yōu)的動(dòng)力性能[5]。

1.2.3 火花點(diǎn)燃直接噴射技術(shù)

火花點(diǎn)燃直接噴射技術(shù)（SIDI）是由美國(guó)通用汽車(chē)研究開(kāi)發(fā)的一款缸內(nèi)直噴技術(shù)。SIDI用可變氣門(mén)缸內(nèi)直噴系統(tǒng)取代多點(diǎn)噴射燃料供給系統(tǒng)，將噴油器移到氣缸內(nèi)部，燃料通過(guò)高壓霧化噴入氣缸，與空氣混合進(jìn)行燃燒，從而實(shí)現(xiàn)氣缸中的稀薄燃燒并提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。其具有較高的升功率、升扭矩，燃油經(jīng)濟(jì)性高、油耗低，有效降低了有害物質(zhì)的排放量，減少了震動(dòng)和噪聲，延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。SIDI系列發(fā)動(dòng)機(jī)還配備發(fā)動(dòng)機(jī)管理模塊ECM和電子可變雙氣門(mén)正時(shí)技術(shù)D-VVT，可以根據(jù)汽車(chē)的行駛狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整燃燒模式。當(dāng)汽車(chē)處于起步或低速行駛狀況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)電腦將控制噴油器采用分層燃燒模式，將燃油分層噴入氣缸內(nèi)的不同位置，確保燃料能完全燃燒；當(dāng)汽車(chē)處于恒定速度行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)電腦將控制噴油器采用均勻燃燒模式，以確保恒定的燃料燃燒效率。

2 燃油噴射技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 混合噴射技術(shù)

進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)直噴組合而成的系統(tǒng)稱為混合噴射系統(tǒng)，混合動(dòng)力噴射系統(tǒng)結(jié)合了傳統(tǒng)的氣缸直噴技術(shù)和外部噴射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為一種新的發(fā)展趨勢(shì)。大眾汽車(chē)公司新開(kāi)發(fā)的第三代EA888發(fā)動(dòng)機(jī)就采用了進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)直噴組合運(yùn)用的渦輪增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低負(fù)荷時(shí)，汽車(chē)ECU基于壓力傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)噴油器在進(jìn)氣口上噴射的油量，并且還調(diào)節(jié)缸內(nèi)噴油器噴射的油量，形成最經(jīng)濟(jì)的混合氣；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷增加時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供應(yīng)系統(tǒng)從缸外噴射變?yōu)楦變?nèi)噴射，進(jìn)氣口上的噴油器噴射的油量逐漸減少，并且從缸內(nèi)噴油器噴射的油量逐漸增加；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到全負(fù)荷時(shí)，燃油完全由缸內(nèi)噴油器噴射以達(dá)到最大功率。這縮短了響應(yīng)時(shí)間，提供了濃混合氣，更好地滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷下對(duì)混合氣濃度的要求。然而，這種技術(shù)對(duì)電子控制系統(tǒng)的要求也明顯提高，ECU必須控制得更加精確和準(zhǔn)時(shí)[6]。

2.2 定容式燃燒多段噴射

在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)中，同一工作循環(huán)時(shí)一般只采用單次噴射，如進(jìn)氣和壓縮沖程時(shí)，噴油器只會(huì)噴一次油，多段噴射則采用多次噴射，也叫多級(jí)噴射。其可以控制噴射滲透，有效改善分層混合氣的燃料當(dāng)量比分布，提高發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷下的燃燒效率和排放性能。定容式燃燒是指在氣缸內(nèi)，燃油與氧氣的容積保持不變的情況下進(jìn)行的燃燒。定容式燃燒多段噴射就是將定容式燃燒和多段缸內(nèi)直噴技術(shù)結(jié)合起來(lái)的一種新型電控燃油噴射技術(shù)，在2016年由李騰忠[7]根據(jù)Michela Costa、Bae Choongsik、李相超等對(duì)兩段噴射的研究實(shí)驗(yàn)提出，主要分析研究融合了高充量濃度的燃油噴射及噴霧宏觀形態(tài)區(qū)別的試驗(yàn)研究和相關(guān)機(jī)理，使得燃油的經(jīng)濟(jì)性和排放性能達(dá)到最優(yōu)組合。這一技術(shù)目前還處于研發(fā)階段，尚未實(shí)際運(yùn)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

新能源汽車(chē)現(xiàn)在尚未成為主流，未來(lái)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)仍是汽車(chē)市場(chǎng)的主導(dǎo)，汽油電控噴射系統(tǒng)的應(yīng)用提高了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，電控技術(shù)的研發(fā)和升級(jí)亦是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域必然的發(fā)展趨勢(shì)。隨著國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，電控汽油噴射技術(shù)的不斷發(fā)展將成為控制汽車(chē)尾氣排放的直接有效手段。降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排放量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能也是未來(lái)燃油噴射技術(shù)的重要挑戰(zhàn)，研發(fā)多款高性能的電控燃油噴射系統(tǒng)勢(shì)在必行。