汽油機燃油噴射技術(shù)的發(fā)展及應用

截至2016年年底，全國汽車(chē)保有量已達1. 94億輛，汽油機因其燃燒柔和、升功率高、振動(dòng)噪聲小和結構緊湊等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作輕型車(chē)輛和乘用車(chē)的主要動(dòng)力。隨著(zhù)我國汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)排放對大氣環(huán)境的污染日益嚴重。汽油機排放的有害污染物主要有CO、HC、NOx、固體懸浮顆粒、鉛及硫氧化合物等，這些污染物將直接危害人類(lèi)的身體健康。

汽油機電控技術(shù)能夠控制發(fā)動(dòng)機在各工況下的空燃比和點(diǎn)火定時(shí)，改善混合氣體的形成、分配與燃燒，從而降低油耗和減少有害物質(zhì)排放。自20世紀6 0 年代以來(lái)，美、德、日、韓等工業(yè)發(fā)達國家相繼研發(fā)出多種汽油機電控噴射系統，目前這些技術(shù)已經(jīng)很成熟;我國自20世紀90年代開(kāi)始這些技術(shù)的研究，目前的技術(shù)水平還相對落后。面對日益嚴格的排放法規，提高汽油發(fā)動(dòng)機噴射系統電控化技術(shù)是我國汽車(chē)工業(yè)的重要發(fā)展方向。

電子控制式燃油噴射系統是指ECU(ElectronicControl Units，電子控制單元)根據傳感器信號，經(jīng)過(guò)數學(xué)計算和邏輯判斷處理后，直接控制執行器噴射燃油的系統。按噴油器噴射燃油的位置可將發(fā)動(dòng)機燃油噴射系統分為進(jìn)氣道噴射和缸內噴射兩種類(lèi)型。
1、進(jìn)氣道噴射技術(shù)

進(jìn)氣道噴射(PFI)系統是指噴油器將燃油噴射在節氣門(mén)或進(jìn)氣門(mén)附近進(jìn)氣管內的噴射系統，按執行機構的不同可分為單點(diǎn)噴射和多點(diǎn)噴射兩種類(lèi)型。

1 . 1 多點(diǎn)燃油噴射系統（MPI）
多點(diǎn)燃油噴射系統（MPI）是在每個(gè)氣缸都安裝有噴油器的噴射系統。zui早的電控汽油噴射技術(shù)始于美國B(niǎo)endix公司于1957年試制的電控噴油器，但其并未付諸實(shí)用。1958年德國osch公司購得此項后，于1967年研制出D-Jetronic型電控汽油噴射系統并應用于大眾VW-1600型和奔馳280SE型轎車(chē)上，其燃油經(jīng)濟性、排氣凈化能力與動(dòng)力性等均優(yōu)于化油器式發(fā)動(dòng)機。1973年Bosch公司利用空氣流量傳感器替代D型壓力傳感器控制噴油量，提高了控制精度，成為現在被廣泛使用的L型電控汽油噴射系統。具有代表性的有L-Jetronic、LH-Jetronic電控噴射系統，應用車(chē)型主要有豐田凱美瑞、馬自達、別克、凌志等。 1979 年，德國B(niǎo)osch公司又開(kāi)始研制集電控汽油噴射系統與點(diǎn)火系統于一體的M型數字式電控系統，其由一個(gè)ECU實(shí)現點(diǎn)火提前角和噴油時(shí)間的控制。德國于20世紀90年代又推出了Bosch ME7發(fā)動(dòng)機管理系統，實(shí)現了真正意義上的集中控制。桑塔納2000GSi/3000型、捷達AT和紅旗轎車(chē)均裝備了改進(jìn)型的M型噴射系統。

1 . 2 單點(diǎn)燃油噴射系統（SPI)

單點(diǎn)燃油噴射系統（SPI)是指在多缸發(fā)動(dòng)機節氣門(mén)上方安裝有一只或并列安裝兩只噴油器同時(shí)噴油的燃油噴射系統。因其噴油器在節氣門(mén)中央集中噴射燃油，又稱(chēng)為節氣門(mén)體噴射系統(TBI)或集中噴射系統(CFI) 。美國通用汽車(chē)公司在1980年投人生產(chǎn)使用T B I 系統，于1985年改進(jìn)開(kāi)發(fā)出新型低壓?jiǎn)吸c(diǎn)噴射系統，其噴油壓力只有0. 1 M P a 。盡管單點(diǎn)噴射系統有些性能略低于多點(diǎn)噴射系統，但所用的噴油器數量少，X#燃油霧化質(zhì)量要求不高，成本比多點(diǎn)噴射系統低很多，又因其具有結構簡(jiǎn)單、工作可靠以及維修調整方便等優(yōu)點(diǎn)，成為早期發(fā)展的對象。典型的單點(diǎn)噴射系統有德國B(niǎo)0sch 公司的單點(diǎn)噴射系統（M O N O - Jetronic)、美國Ford公司的CF1 中央噴射系統和日本三菱公司的E C I 電控噴射系統以及德國B(niǎo)osch公司的Mono - Motronic系統等。

進(jìn)氣道噴射技術(shù)主要依靠壁面溫度與廢氣倒流的溫度促進(jìn)燃油蒸發(fā)從而形成可燃混合氣。由于其蒸發(fā)不*容易在進(jìn)氣道形成油膜，進(jìn)而使燃油不能快速進(jìn)人燃燒室，可能導致燃油瞬時(shí)燃燒不能作到控制。尤其在變工況與冷啟動(dòng)工況下，需要增加燃油的噴人量，導致有較多的未燃碳氫化合物排放造成大氣污染。隨著(zhù)噴射技術(shù)和排氣后處理技術(shù)的進(jìn)步以及發(fā)動(dòng)機管理系統的不斷改進(jìn)，發(fā)動(dòng)機性能得到改善，進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機幾經(jīng)改進(jìn)和變形，噴射技術(shù)現已日趨成熟，人們逐漸將視野轉換到直噴式汽油機。缸內直噴汽油機具有顯著(zhù)的節能效

果及靈活的燃料噴射性能，已成為汽油機研究的熱點(diǎn)和主流技術(shù)。

2、缸內直噴技術(shù)

缸內直噴(G D I )是噴油器將燃油以較高噴油壓力直接噴射到氣缸燃燒的噴射。缸內直噴系統均為多點(diǎn)噴射系統，其噴油器安裝在火花塞附近的氣缸蓋上，需要較高的噴油壓力，對噴油器的技術(shù)水平和加工精度要求較高。

1996年日本三菱公司應用傳統渦旋式噴油器和逆向滾流技術(shù)成功開(kāi)發(fā)出*款GDI系統。隨后世界各大主要汽車(chē)公司都相繼推出自己的GDI方案，如Ford公司的P R 0 C 0 燃燒系統、三菱（Mitsubishi)公司的A G 9 3 系統、豐田（Toyota)公司的D - 4 系統(豐田雷克薩斯（Lexus) G S 300)、日產(chǎn)（Nissan)公司的E C C S 系統、奔馳公司的Mercedes - B e n z燃燒系統。奧迪（Audi)公司（RS4 、Audi R 8 ) 、Ricardo 公司、A V L 公司、F E V 公司也都加人研究的行列，目前典型的缸內直噴技術(shù)有大眾汽車(chē)FSI、通用SIDI和梅賽德斯-奔馳、C G I 奔馳(E 200、E 300L )等。

2 . 1 燃油分層噴射技術(shù)(FSI)

德國大眾汽車(chē)公司在2 0 0 0年推出燃油分層噴射技術(shù)(FSI) ，FSI有分層燃燒、均質(zhì)稀燃模式和均質(zhì)燃燒模式三種。相比于進(jìn)氣道噴射系統其動(dòng)態(tài)響應好、功率和扭矩可以同時(shí)提升、燃油消耗降低。由于噴霧的氣化冷卻作用，優(yōu)化了充氣效率，提高壓縮比實(shí)現了均質(zhì)調節，大大降低了進(jìn)氣損失。分層燃燒時(shí)節氣門(mén)不*打開(kāi)，保證進(jìn)氣管內有一定真空度。將有限的燃料盡可能多地轉化成工作能量，增大滿(mǎn)負荷的輸出功率并降低燃油消耗。在均質(zhì)稀燃模式下混合氣形成時(shí)間長(cháng)，點(diǎn)火時(shí)間選擇范圍寬，通過(guò)控制噴油，可以達到較低的混合氣濃度。充分體現了其動(dòng)態(tài)響應好，扭矩和功率高的特點(diǎn)。
2 . 2 雙增壓分層直噴技術(shù)(TSI)

2 0 0 6年大眾汽車(chē)公司推出2. 0E A 8 8 8 系列發(fā)動(dòng)機，其將渦輪增壓技術(shù)與F S I巧妙地結合，推出了T S I發(fā)動(dòng)機。與傳統發(fā)動(dòng)機相比，大眾2. 0T S I發(fā)動(dòng)機體積、質(zhì)量明顯減小，在FS I技術(shù)的基礎上，安裝渦輪增壓器和機械增壓器，機械增壓可以保證在怠速狀態(tài)下為發(fā)動(dòng)機提供增壓效果，彌補了渦輪增壓延時(shí)的缺點(diǎn)，是一種率的發(fā)動(dòng)機增壓形式。同時(shí)其憑借新一代動(dòng)力學(xué)優(yōu)化法，利用進(jìn)氣氣流的分布狀態(tài)降低能量損耗，使渦輪增壓器能更快啟動(dòng)、響應反應更靈敏。在低速時(shí)產(chǎn)生高扭矩，并在很寬的轉速范圍內保持zui大扭矩輸出，使動(dòng)力輸出持續飽滿(mǎn)。在高負荷時(shí)，通過(guò)增加進(jìn)氣量從而產(chǎn)生更高的動(dòng)力，產(chǎn)生與大排量發(fā)動(dòng)機相同甚至更優(yōu)的動(dòng)力性能。

2 . 3 火花點(diǎn)燃直接噴射技術(shù)（SIDI)

2 0 0 0年，通用汽車(chē)集工程技術(shù)力量，完成了四缸"引擎"系列的大規模研發(fā)，并將其命名為Ecotec發(fā)動(dòng)機。該款發(fā)動(dòng)機采用SIDI火花點(diǎn)燃直接噴射技術(shù)，目前已被廣泛應用于通用汽車(chē)旗下包括龐蒂亞克、薩博、歐寶、雪佛蘭等多款車(chē)型上，成為普及率zui高的四缸發(fā)動(dòng)機系列之一。Ecotec是一種采用智能缸內直接噴射技術(shù)的汽油發(fā)動(dòng)機，其將多點(diǎn)噴射供油系統替換成可變氣門(mén)缸內直噴系統，噴油嘴直插在汽缸內部，通過(guò)高壓將燃油霧化噴人汽缸內并混合空氣進(jìn)行點(diǎn)燃，依靠缸內均質(zhì)燃燒來(lái)提升效率。該系列發(fā)動(dòng)機還具有D -V V T 電子可變雙氣門(mén)正時(shí)技術(shù)，可以實(shí)現燃油分層燃燒和均質(zhì)燃燒雙模式。當車(chē)輛啟步或以低轉速運行時(shí)，發(fā)動(dòng)機采用分層燃燒模式，將燃油分成數層直接噴人汽缸內的不同位置，保證其能zui充分地燃燒。當車(chē)輛高速勻速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機采用均質(zhì)燃燒模式，保證燃燒效率的恒定。2 0 1 5 年通用推出的Ecotec1.5T 發(fā)動(dòng)機具有升功率高、壓縮比大、燃油效率高、有害物質(zhì)排放少、易于維修、壽命長(cháng)等特點(diǎn)，其性能已超越一直作為業(yè)內*的大眾1. 8TSI。

3、混合噴射技術(shù)

缸內直噴技術(shù)雖然使汽油機燃油經(jīng)濟性和動(dòng)力性得到提升，但G D I 汽油機燃油霧化時(shí)間短，燃油碰壁現象時(shí)有發(fā)生，導致燃油與空氣不能充分混合，存在局部濃混合氣區域，微粒物排放顯著(zhù)增加。而PFI汽油機在點(diǎn)火前將燃油和空氣充分混合，形成均質(zhì)混合氣，排放微粒物少。歐V 法規對G D I 汽油車(chē)的微粒質(zhì)量排放進(jìn)行了嚴格限制，為了應對更為嚴苛的排放法規，混合噴射技術(shù)應運而生?；旌蠂娚浼夹g(shù)在低負荷工況下由歧管?chē)娪妥煸跉飧走M(jìn)氣行程時(shí)噴油，配合壓縮行程時(shí)氣缸內噴油嘴噴油，從而實(shí)現了分層燃燒;高負荷工況時(shí)只在壓縮行程進(jìn)行缸內直噴，提高發(fā)動(dòng)機的工作效率，避免在低負荷工況下因氧氣過(guò)量導致的排放問(wèn)題。2 0 0 5年豐田公司在2 G R - F S E 發(fā)動(dòng)機上配備D 4 - S 混合噴射技術(shù)，豐田86、斯巴魯B R Z 、本田N S X 等多種車(chē)型早已應用這項技術(shù)。在此之后該技術(shù)在大眾公司的第三代E A 8 8 8發(fā)動(dòng)機、凌渡、奧迪A 3 和高爾夫R 等車(chē)型上得到應用。

4、結束語(yǔ)

汽油機在未來(lái)3 0 年內將繼續是轎車(chē)市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，采用"軟噴射"或稱(chēng)"噴霧引導"型缸內直噴方法可以提高平均燃油效率1 5 % 。采用均質(zhì)壓燃技術(shù)可以使平均燃油效率提高2 5 % ~ 3 0 % ，汽油機熱效率提升潛力巨大。完善汽油機電控技術(shù)是車(chē)用發(fā)動(dòng)機領(lǐng)域內研究和發(fā)展的必然方向，汽油機電控噴射系統的應用使得車(chē)用發(fā)動(dòng)機的性能得到全面提升，隨著(zhù)汽車(chē)排放標準日益嚴格，電控汽油噴射技術(shù)的發(fā)展將是有效控制汽車(chē)排放污染物的有效手段。