現代汽油發動機燃油噴射技術綜述*

雷先華，楊啟正，葉 幸

（湖南交通工程學院機電工程學院，湖南衡陽 421000）

0 引言

1954年，德國奔馳公司在汽車展會上展出了裝用機械控制式（K型）汽油噴射系統的汽車。20世紀60年代之前，汽車發動機主要使用傳統的化油器，在發動機工作產生的真空狀態下，利用吸入空氣的動能將汽油霧化，根據發動機的工作狀態配比出合適的混合氣，從而實現發動機運轉；20世紀60年代末期，K型的改進型——機電控制式（KE型）汽油噴射系統開始廣泛應用起來，與K型汽油噴射系統相比，增加了一個由電腦控制的電液式壓差調節器和各種傳感器；20世紀70年代，由于電子技術的飛速發展與能源危機，傳統的噴射方式產生創新的改變[1]，現代開始采用電控燃油噴射系統（Electronic Fuel Injection，EFI）。

電子控制式燃油噴射系統是指電子控制單元根據汽車各自關鍵傳感器信號，經過汽車電腦的數學計算和邏輯判斷處理后，控制信號直接傳至執行器做出相關動作，可以在發動機各工況下按照已經預存的數據，精確控制發動機的空燃比和點火正時，改善燃料燃燒過程，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氣道噴射（PFI）和缸內噴射（GDI）。從20世紀60年代開始，美國、德國、日本和韓國等發達國家先后開發了各種汽油電控噴射系統，這些技術現在已經成熟。在國內，汽車行業起步較晚，從20世紀90年代才開始著手研究電控噴射技術，所以技術水平相對落后。面對日益嚴格的國Ⅵ排放法規，改善汽油機電控噴油系統是未來重要的發展方向。

1 燃油噴射技術現狀

1.1 進氣道噴射技術

隨著汽車技術的發展，在追求高性能、低污染的情況下，出現了進氣道燃油噴射系統（PFI）。其工作過程是將燃油噴在節氣門或進氣門附近，由氣缸壁的高溫和進氣閥打開時，廢氣回流的溫度促進形成混合氣體。與傳統化油器式發動機相比，進氣道燃油噴射系統提高了發動機的充氣效率，降低了燃油消耗和廢棄排放量，在發動機的轉速范圍內，提高了發動機的運行穩定性[2]。進氣道噴射按噴油器的數量和位置分為單點和多點噴射。

單點燃油噴射（SPI）又叫進氣道總管噴射，是指在多缸發動機的多個氣缸共用一個噴油器供油的噴油方式，也稱集中噴射（CFI）。單點噴射結構簡單，對電動燃油泵的要求低、維護簡單，經濟性、動力性、排放性優越，但不能保證節氣門后至進氣門的管壁上完全不產生油膜，也不能保證在所有的工況下保持最理想的混合氣分配。多點燃料噴射（MPI）是指在發動機的每個氣缸進氣門前面的進氣歧管上全都配備一個噴油器的噴油方式。這些噴油器由ECU控制且相互獨立工作，將燃油霧化成盡可能小的顆粒，提高燃油混合氣的品質。噴射器的噴嘴形狀和噴射角度需與進氣管或氣缸蓋進氣口的形狀相匹配。多點燃油噴射具有燃油壓力低、響應速度快、噴油量和噴油正時精確控制等特點，可使進氣管與燃燒空氣的流動進行最佳匹配。

1.2 缸內直噴技術

汽油發動機缸內直噴技術出現于20世紀20年代，實現于福特在20世紀70年代開發ProCo系統采用的一種分層燃燒技術。1996年，三菱開發了一種采用汽油發動機直噴技術的自然吸氣式發動機；1998年，豐田推出了D4直噴系統；2006年，梅賽德斯-奔馳推出了直接噴射技術CGI，并于2010年推出了新的汽油發動機直噴技術BlueDirect[3]。隨著技術水平的不斷提高，各汽車公司也開始引入自己的汽油發動機直噴技術。缸內直噴是噴油器在高壓力下將燃油直接噴射到氣缸內的一種噴射方式，由于汽油是在進氣結束時噴射到汽缸中，所以汽缸內的膨脹氣體被冷卻，體積效率提高，爆震傾向減小；同時，缸內直噴容易引起電荷分層，便于稀薄燃燒，還能改善汽油發動機的瞬態運行和冷卻啟動時的排放，降低部分負荷條件下的燃油消耗水平，提高滿負荷動態。缸內直噴系統都是多點噴射系統，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水平。缸內直噴技術具有低油耗、高壓縮比、升功率大的優點，但這種技術與傳統電噴技術相比，更容易產生積碳，需頻繁更換火花塞等汽車零件，導致使用成本增加。

1.2.1 燃油分層噴射技術

燃油分層噴射技術（FSI）即為燃料分層注射。這一技術由大眾公司推出，通過高壓油泵將燃油通過分流軌道送至高壓噴射閥進行電磁控制，從而精確控制燃油進入汽缸燃燒的噴射量，具有動態響應快、功率和扭矩同時提升、燃油消耗率低的優點。在高濃度混合氣被點燃之后，燃燒迅速擴散到外層，使燃油充分燃燒，提高了燃油經濟性。FSI分層稀燃的區域可以實現節油20%～25%，提高燃油利用率的同時，還降低了排放污染[4]。其特征在于在進氣通道中產生可變渦流，使得進氣流形成渦流形式進入燃燒室，并用分層填充的方式進行推動，使混合氣體集中在位于燃燒室中心的火花塞周圍。通過氣缸內的空氣運動，在火花塞周圍形成易于點燃的高濃度混合氣，而外層的混合氣開始逐漸變得稀薄。

1.2.2 雙增壓分層直噴技術

雙增壓分層直噴技術（TSI）是大眾公司在FSI的基礎上進一步優化，增加了渦輪增壓和機械增壓雙增壓裝置。渦輪增壓利用發動機排出廢氣時的慣性力推動渦輪機，渦輪機再帶動葉輪給空氣濾清器輸送進來的空氣加壓，并將加壓的空氣推送入氣缸中。渦輪增壓裝置在較低轉速時會產生延遲，這時機械增壓裝置就發揮作用，增大動力輸出、加大進氣壓力、提高發動機效率。TSI技術增加了輸出功率，減小功率損耗，并且可以用小位移獲得扭矩和馬力，從而獲得更大的動力。其在低速時能產生高扭矩，且能在很廣的轉速范圍內保持最大扭矩的輸出；在高負荷時能給與發動機同樣甚至更優的動力性能[5]。

1.2.3 火花點燃直接噴射技術

火花點燃直接噴射技術（SIDI）是由美國通用汽車研究開發的一款缸內直噴技術。SIDI用可變氣門缸內直噴系統取代多點噴射燃料供給系統，將噴油器移到氣缸內部，燃料通過高壓霧化噴入氣缸，與空氣混合進行燃燒，從而實現氣缸中的稀薄燃燒并提高發動機的效率。其具有較高的升功率、升扭矩，燃油經濟性高、油耗低，有效降低了有害物質的排放量，減少了震動和噪聲，延長了發動機的使用壽命。SIDI系列發動機還配備發動機管理模塊ECM和電子可變雙氣門正時技術D-VVT，可以根據汽車的行駛狀態實時調整燃燒模式。當汽車處于起步或低速行駛狀況時，發動機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的不同位置，確保燃料能完全燃燒；當汽車處于恒定速度行駛時，發動機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 燃油噴射技術發展趨勢

2.1 混合噴射技術

進氣道噴射和缸內直噴組合而成的系統稱為混合噴射系統，混合動力噴射系統結合了傳統的氣缸直噴技術和外部噴射技術的優點，現已成為一種新的發展趨勢。大眾汽車公司新開發的第三代EA888發動機就采用了進氣道噴射和缸內直噴組合運用的渦輪增壓式發動機。當發動機處于低負荷時，汽車ECU基于壓力傳感器的信號調節噴油器在進氣口上噴射的油量，并且還調節缸內噴油器噴射的油量，形成最經濟的混合氣；當發動機的負荷增加時，發動機的燃料供應系統從缸外噴射變為缸內噴射，進氣口上的噴油器噴射的油量逐漸減少，并且從缸內噴油器噴射的油量逐漸增加；當發動機達到全負荷時，燃油完全由缸內噴油器噴射以達到最大功率。這縮短了響應時間，提供了濃混合氣，更好地滿足了發動機在不同負荷下對混合氣濃度的要求。然而，這種技術對電子控制系統的要求也明顯提高，ECU必須控制得更加精確和準時[6]。

2.2 定容式燃燒多段噴射

在GDI發動機中，同一工作循環時一般只采用單次噴射，如進氣和壓縮沖程時，噴油器只會噴一次油，多段噴射則采用多次噴射，也叫多級噴射。其可以控制噴射滲透，有效改善分層混合氣的燃料當量比分布，提高發動機在部分負荷下的燃燒效率和排放性能。定容式燃燒是指在氣缸內，燃油與氧氣的容積保持不變的情況下進行的燃燒。定容式燃燒多段噴射就是將定容式燃燒和多段缸內直噴技術結合起來的一種新型電控燃油噴射技術，在2016年由李騰忠[7]根據Michela Costa、Bae Choongsik、李相超等對兩段噴射的研究實驗提出，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區別的試驗研究和相關機理，使得燃油的經濟性和排放性能達到最優組合。這一技術目前還處于研發階段，尚未實際運用。

3 結束語

新能源汽車現在尚未成為主流，未來汽油發動機仍是汽車市場的主導，汽油電控噴射系統的應用提高了汽車發動機的性能，電控技術的研發和升級亦是汽車發動機領域必然的發展趨勢。隨著國Ⅵ排放標準的提高，電控汽油噴射技術的不斷發展將成為控制汽車尾氣排放的直接有效手段。降低發動機的排放量，提高發動機的動力性能也是未來燃油噴射技術的重要挑戰，研發多款高性能的電控燃油噴射系統勢在必行。