王茂美，孔曉林，牛雅麗，劉敏杰

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176）

汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)是當(dāng)今汽油機(jī)發(fā)展的前沿技術(shù)之一，隨著能源危機(jī)和各國(guó)排放法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)備受各大汽車(chē)廠商的青睞。汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)采用和柴油機(jī)相同的燃油噴射工作方式，直接向氣缸內(nèi)噴射燃油。這是汽車(chē)史上的一個(gè)創(chuàng)舉，實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)對(duì)于汽車(chē)低油耗低排放的設(shè)想，缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)也是21世紀(jì)最具潛力的發(fā)動(dòng)機(jī)之一。

日趨嚴(yán)重的能源危機(jī)使柴油機(jī)成為全世界內(nèi)燃機(jī)行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，相比傳統(tǒng)汽油機(jī)，柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性好，高壓共軌技術(shù)解決了柴油機(jī)排放控制的難點(diǎn)，使得柴油機(jī)市場(chǎng)越來(lái)越被看好，柴油車(chē)越來(lái)越受到用戶青睞。

1 燃油供給系統(tǒng)總成對(duì)比

1.1 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)燃油供給系統(tǒng)總成

1.低壓燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

低壓燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 低壓燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

區(qū)別于傳統(tǒng)的進(jìn)氣道燃油噴射系統(tǒng)，缸內(nèi)直 噴汽油機(jī)的低壓油路增加了燃油泵門(mén)控開(kāi)關(guān)、燃油低壓壓力傳感器G410、油泵控制單元J538。當(dāng)駕駛員側(cè)車(chē)門(mén)開(kāi)啟時(shí)，燃油泵門(mén)控開(kāi)關(guān)即控制燃油泵開(kāi)始工作，燃油泵被觸發(fā)2 s，同時(shí)車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)信號(hào)被送至發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元。燃油泵提前工作是為了迅速建立高壓以縮短車(chē)輛的啟動(dòng)時(shí)間。燃油低壓壓力傳感器G410采用的是傳統(tǒng)的三線式。部分車(chē)輛還具有碰撞燃油切斷裝置，當(dāng)車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)，切斷裝置通過(guò)燃油泵繼電器斷開(kāi)燃油泵，以防爆炸事故的發(fā)生。

2.高壓燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）第二代高壓燃油系統(tǒng)

第二代高壓泵高壓油路系統(tǒng)由高壓油泵、燃油壓力調(diào)節(jié)器、燃油壓力傳感器、燃油導(dǎo)軌、噴油器、限壓閥及低壓回油燃油管等組成，如圖2所示。

圖2 第二代高壓燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（2）第三代高壓燃油系統(tǒng)

第二代和第三代高壓燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理相近，第三代高壓油路系統(tǒng)中的限壓閥集成在高壓油泵中，燃油分配管至燃油泵的回油管已省去。目前，第三代高壓燃油系統(tǒng)占據(jù)市場(chǎng)主流，如圖3所示。

圖3 第三代高壓燃油系統(tǒng)

（3）高壓噴油器

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)是在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮行程末噴入氣缸燃油，燃油壓力必須高于缸內(nèi)氣體壓力，燃油才能霧化噴射，因此需采用高壓噴油器。常見(jiàn)的是多孔式噴油器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)噴油器相似。噴油器上具有加工精度極高的噴油孔，可以噴射出圓錐形的霧狀燃油，此種噴油器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得節(jié)氣門(mén)全開(kāi)或預(yù)熱三元催化轉(zhuǎn)化器的二次噴射中，避免燃油的噴射覆蓋整個(gè)活塞頂部，此舉可極大地降低HC化合物的排放。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)時(shí)，此種噴油器的結(jié)構(gòu)可以使用很少的燃油混入發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油中，防止發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油被稀釋?zhuān)绊懓l(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑能力。噴油器的末端設(shè)計(jì)成細(xì)長(zhǎng)狀，目的是提高冷卻效果，如圖4所示。

圖4 缸內(nèi)直噴高壓噴油器

噴油器由于工作時(shí)，燃油室內(nèi)的壓力比較大，采用電瓶電壓無(wú)法完成動(dòng)作。在脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation, PCM內(nèi)部有升壓轉(zhuǎn)換器，在噴油器工作時(shí)，提供大約65 V的電壓。

（4）高壓油泵

目前，國(guó)內(nèi)汽車(chē)廠商大都采用第三代高壓油泵，它可以在燃油壓力調(diào)節(jié)器不通電的狀態(tài)下產(chǎn)生高的油壓，此時(shí)進(jìn)油閥依賴(lài)于吸油沖程中的壓力開(kāi)啟。高壓油腔也可以在燃油壓力調(diào)節(jié)器不通電的情況下充填。

第三代高壓油泵在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程開(kāi)始的時(shí)候，就向燃油輸送壓力，不需要讓電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）先將燃油壓力調(diào)節(jié)器“調(diào)節(jié)到狀態(tài)”時(shí)才送壓。高壓油泵是通過(guò)進(jìn)氣凸輪軸上的凸輪來(lái)驅(qū)動(dòng)的，壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。車(chē)輛在冷啟動(dòng)時(shí)，這種驅(qū)動(dòng)能快速產(chǎn)生壓力。除此以外，高壓油泵通過(guò)較大的柱塞直徑（10 mm），促進(jìn)壓力的快速形成?；谶@些因素，車(chē)輛在冷啟動(dòng)時(shí)進(jìn)氣階段開(kāi)始后只要0.5 s的時(shí)間，在燃油導(dǎo)軌中的油壓就可以達(dá)到6 MPa以上，如圖5所示。

圖5 第三代高壓油泵

第三代高壓油泵具有大容量的減壓腔，有兩個(gè)減壓器膜集成安裝在高壓油泵內(nèi)，此種設(shè)計(jì)防脈動(dòng)減壓效果好。減壓器膜隔出的上、下的單個(gè)室腔的通道是互相連通的。

當(dāng)高壓燃油管路到達(dá)目標(biāo)燃油壓力時(shí)，PCM控制燃油計(jì)量閥，使用打開(kāi)一定的開(kāi)度，使多余的燃油流回低壓燃油管路，如圖6所示。

圖6 燃油計(jì)量器

1.2 高壓共軌式柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng)總成

高壓共軌式柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng)主要由低壓供油部分和高壓供油部分等組成。低壓供油部分包括燃油箱、吸入側(cè)燃油濾清器（粗濾）、電動(dòng)輸油泵、低壓輸油泵、壓力側(cè)燃油濾清器（細(xì)濾）及低壓油管。高壓供油部分包括帶燃油泵執(zhí)行器的高壓燃油泵、高壓油管、作為高壓存儲(chǔ)器的共軌、油軌減壓閥和噴油器、回油管等，如圖7所示。

圖7 高壓共軌式燃油供給系統(tǒng)

1.高壓燃油泵

高壓燃油泵是高壓油路和低壓油路的分界面，在發(fā)動(dòng)機(jī)的所有工況下，它主要負(fù)責(zé)供給燃油系統(tǒng)足夠的高壓燃油，同時(shí)還必須保證發(fā)動(dòng)機(jī)迅速啟動(dòng)時(shí)所需要的額外的供油量和壓力要求。高壓燃油泵不斷地產(chǎn)生油軌所需的系統(tǒng)壓力，意味著在每個(gè)單一的噴射過(guò)程燃油不必都被壓縮。

高壓燃油泵安裝在柴油機(jī)缸體一側(cè)，它是通過(guò)帶輪法蘭、帶輪、齒形帶由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其最高轉(zhuǎn)速不超過(guò)3 000 r/min。高壓泵借以低壓油路過(guò)來(lái)的燃油潤(rùn)滑。高壓燃油泵上裝有燃油泵執(zhí)行器，燃油通過(guò)精密的柱塞偶件被加壓后通過(guò)兩個(gè)油道進(jìn)入油軌。 高壓燃油泵回油管、噴油器和油軌回油管最后集合在一個(gè)油路中流回油箱。如圖8所示。

圖8 高壓燃油泵

2.燃油泵執(zhí)行器

燃油泵執(zhí)行器安裝在高壓燃油泵上，接收引擎控制模塊（Engine Control Module, ECM）發(fā)出的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)（Pulse Width Modulation, PWM），控制進(jìn)入高壓泵腔的燃油量。它是一個(gè)常開(kāi)電磁閥，不加電時(shí)，燃油泵執(zhí)行器在彈簧作用下，保持打開(kāi)狀態(tài)。通電時(shí)，執(zhí)行器線圈的電磁力克服彈簧彈力，使閥向關(guān)閉方向運(yùn)動(dòng)，減少進(jìn)入高壓泵腔的燃油量，維修中可以單獨(dú)更換。如圖9所示。

圖9 燃油泵執(zhí)行器

3.噴油器

噴油器（Extreme Pressure Injection, XPI），即超高壓噴射噴油器。ECM通過(guò)給噴油電磁閥通電，來(lái)控制噴油正時(shí)和噴油持續(xù)時(shí)間。此噴油器具備多次噴射的能力，如圖10所示。

圖10 XPI噴油器

1.3 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)和高壓共軌柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng)對(duì)比

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)和高壓共軌柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng)對(duì)比如表1所示。

表1 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)和高壓共軌柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng)對(duì)比表

2 燃油供給系統(tǒng)控制策略對(duì)比

燃油噴射控制系統(tǒng)一般都是由傳感器、電子控制單元ECU和執(zhí)行器等三部分組成。各種傳感器為ECU提供發(fā)動(dòng)機(jī)的工況和使用條件的信息，使ECU做出判斷和計(jì)算，并向執(zhí)行器噴油器和點(diǎn)火電子組件（缸內(nèi)直噴系統(tǒng)）、噴油器和供油泵（高壓共軌式燃油噴射系統(tǒng)）發(fā)出指令電信號(hào)，調(diào)節(jié)噴油量和噴油定時(shí)（或點(diǎn)火正時(shí)）等，以達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的目的。

2.1 燃油噴射控制

1.缸內(nèi)直噴汽油機(jī)燃油噴射控制

缸內(nèi)直噴燃油噴射壓力高，噴射和混合氣形成的時(shí)間短。一臺(tái)接近怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)最多只有1 ms～3 ms的時(shí)間可用于燃油噴射和混合氣的形成。這對(duì)噴射系統(tǒng)和噴油策略提出極高的要求。

（1）噴油器控制信號(hào)

為了獲得精確噴射，噴油器必須用一個(gè)復(fù)雜的電路來(lái)控制。由于針閥克服缸內(nèi)的壓力及油軌中的壓力，需要一個(gè)預(yù)磁化電流，如圖11所示，這個(gè)電流相對(duì)較小，只有最大不到1.5 A的電流。預(yù)磁化后，使用最大達(dá)16.5 A的電流來(lái)使噴油器針閥快速上升。此時(shí)控制電壓最大達(dá)到65 V。在針閥開(kāi)啟后，一個(gè)小的控制電流便可滿足保持針閥的開(kāi)啟位置。如圖11所示，保持電流只有大約2.8 A。由圖11我們可以看到，針閥完成打開(kāi)的時(shí)間，要滯后于最大電流的時(shí)間。而針閥開(kāi)啟時(shí)間的長(zhǎng)短，決定噴油量的多少。

圖11 噴油器控制信號(hào)

噴油器波形控制，在針閥開(kāi)啟階段，提供65 V電壓，并持續(xù)不到0.5 ms的時(shí)間。在保持階段， 提高蓄電池電壓，由于保持只需要2.8 A就可以，所以采用占空比控制。如圖12所示，最后階段的波形是由于針閥關(guān)閉產(chǎn)生的自感波形。

圖12 噴油器波形

（2）噴油時(shí)間控制

圖13為怠速工況與加速工況兩種工況下噴油器控制波形對(duì)比。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，增加的噴油量，只增加了針閥保持時(shí)的電流時(shí)間就可以達(dá)到需求。而對(duì)于噴油量的控制，直噴系統(tǒng)不僅可以通過(guò)增加噴油時(shí)間，還可以通過(guò)改變噴油壓力實(shí)現(xiàn)。壓力的增加還能改善霧化程度。

圖13 噴油時(shí)間控制

（3）噴油正時(shí)控制

噴射時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)與排放有重大影響。噴射太提前，混合氣形成時(shí)間長(zhǎng)，碳?xì)浠衔锱欧旁黾印Ｑ舆t噴射，由于混合氣形成時(shí)間太短，容易導(dǎo)致碳煙排放增加。

圖14為福特缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸位置傳感器信號(hào)與噴油時(shí)刻的對(duì)比圖，可以粗略算出噴油時(shí)刻，缺口后第一個(gè)齒為壓縮上止點(diǎn)前90°，缺口為3個(gè)齒，距離噴油時(shí)刻約26個(gè)齒，每個(gè)齒距為6°。得出噴油時(shí)刻約為壓縮上止前246°，也就進(jìn)氣下止點(diǎn)前66°，噴油時(shí)刻為進(jìn)氣沖程。

圖14 噴油正時(shí)控制

2.2 高壓共軌柴油機(jī)燃油噴射控制

1.噴油特性

帶有預(yù)噴射和主噴射的共軌噴油系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的任何一個(gè)工況點(diǎn)，噴油壓力和噴油量的確定都可以是互為獨(dú)立的。噴油開(kāi)始初期（即噴油開(kāi)始到燃燒開(kāi)始之間的著火延遲期內(nèi)）的噴油量應(yīng)盡可能小。如圖15所示。

圖15 噴油特性

2.噴油正時(shí)控制

噴油正時(shí)是通過(guò)電控系統(tǒng)中的角度-時(shí)間系統(tǒng)來(lái)控制的。為此在曲軸上裝有一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，并且為了識(shí)別缸序或相位，在凸輪軸上也裝有一個(gè)相位傳感器。

（1）預(yù)噴射

預(yù)噴射在壓縮上止點(diǎn)前90°內(nèi)進(jìn)行，如果預(yù)噴射的噴油始點(diǎn)早于上止點(diǎn)前40°曲軸轉(zhuǎn)角，則燃油可能?chē)姷交钊斆婧蜌飧妆谏希瑢?dǎo)致潤(rùn)滑油稀釋失去潤(rùn)滑能力。預(yù)噴射時(shí)，少量燃油會(huì)噴入氣缸，促使燃燒室產(chǎn)生“預(yù)調(diào)節(jié)”，從而提高燃燒效率。壓縮壓力由于預(yù)反應(yīng)或局部燃燒而略有提高，因此縮短了主噴油量的著火延遲期，降低了燃燒壓力上升幅度和燃燒壓力峰值，燃燒較為柔和。從而降低了燃燒噪聲和油耗，某些工況的排放也有所降低。

（2）主噴射

主噴射提供了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率所需的能量，從而基本上決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩。在高壓共軌燃油噴油系統(tǒng)中，整個(gè)噴油過(guò)程的噴油壓力近似恒定不變。如圖16所示。

圖16 噴油正時(shí)控制

2.3 缸內(nèi)直噴與高壓共軌燃油噴射對(duì)比

缸內(nèi)直噴與高壓共軌燃油噴射對(duì)比如表2所示。

表2 缸內(nèi)直噴與高壓共軌燃油噴射對(duì)比表

3 結(jié)論

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)和高壓共軌柴油機(jī)燃油系統(tǒng)都由低壓油路和高壓油路組成，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)低壓油路只有一級(jí)輸油泵，高壓共軌柴油機(jī)低壓油路有兩級(jí)輸油泵，電動(dòng)輸油泵和齒輪泵。都采用高壓輸油泵，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)靠凸輪軸驅(qū)動(dòng)，高壓共軌柴油機(jī)靠皮帶輪驅(qū)動(dòng)。柴油機(jī)不易揮發(fā)的特點(diǎn)，使得高壓共軌柴油機(jī)的高壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于直 噴汽油機(jī)的高壓，均采用電磁式高壓噴油器，靠ECU控制。

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的燃油經(jīng)過(guò)油泵加壓之后入油軌，油軌和燃燒室之間存在壓力差。ECU控制高壓噴油器開(kāi)啟，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油量和噴油正時(shí)的控制，控制精度和可靠性很高。

高壓共軌式柴油機(jī)燃油噴射技術(shù)通過(guò)共軌直接或間接地形成恒定的高壓燃油，分送到每個(gè)噴油器，并借助于集成在每個(gè)噴油器上的高速電磁開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟與閉合，定時(shí)、定量地控制噴油器噴射至柴油機(jī)燃燒室的油量。