李文熙， 王猛猛

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

綜 述

現(xiàn)代汽油機燃油噴射技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

李文熙， 王猛猛*

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

從提高汽車排放性能的角度闡述了汽油發(fā)動機燃油噴射技術(shù)的研究進展，對進氣道噴射、缸內(nèi)直噴技術(shù)及混合噴射技術(shù)進行了技術(shù)特點和應(yīng)用車型對比分析。在排放法規(guī)日趨嚴(yán)格的大形勢下，發(fā)展電控汽油噴射系統(tǒng)是必然趨勢。

進氣道噴射；缸內(nèi)直噴；混合噴射；汽車排放

截至2016年年底，全國汽車保有量已達1.94億輛，汽油機因其燃燒柔和、升功率高、振動噪聲小和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，被廣泛用作輕型車輛和乘用車的主要動力[1]。隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車排放對大氣環(huán)境的污染日益嚴(yán)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的身體健康。汽油機電控技術(shù)能夠精確控制發(fā)動機在各工況下的空燃比和點火定時，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(jì)60年代以來，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(tǒng)，目前這些技術(shù)已經(jīng)很成熟；我國自20世紀(jì)90年代開始這些技術(shù)的研究，目前的技術(shù)水平還相對落后。面對日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，提高汽油發(fā)動機噴射系統(tǒng)電控化技術(shù)是我國汽車工業(yè)的重要發(fā)展方向。

電子控制式燃油噴射系統(tǒng)是指ECU(Electronic Control Units，電子控制單元)根據(jù)傳感器信號，經(jīng)過數(shù)學(xué)計算和邏輯判斷處理后，直接控制執(zhí)行器噴射燃油的系統(tǒng)[2]。按噴油器噴射燃油的位置可將發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)分為進氣道噴射和缸內(nèi)噴射兩種類型。

1 進氣道噴射技術(shù)

進氣道噴射(PFI)系統(tǒng)是指噴油器將燃油噴射在節(jié)氣門或進氣門附近進氣管內(nèi)的噴射系統(tǒng)，按執(zhí)行機構(gòu)的不同可分為單點噴射和多點噴射兩種類型[3]。

1.1 多點燃油噴射系統(tǒng)(MPI)

多點燃油噴射系統(tǒng)(MPI)是在每個氣缸都安裝有噴油器的噴射系統(tǒng)。最早的電控汽油噴射技術(shù)始于美國Bendix公司于1957年試制的電控噴油器，但其并未付諸實用。1958年德國Bosch公司購得此項專利后，于1967年研制出D-Jetronic型電控汽油噴射系統(tǒng)并應(yīng)用于大眾VW-1600型和奔馳280SE型轎車上，其燃油經(jīng)濟性、排氣凈化能力與動力性等均優(yōu)于化油器式發(fā)動機[4]。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(xiàn)在被廣泛使用的L型電控汽油噴射系統(tǒng)。具有代表性的有L-Jetronic、LH-Jetronic電控噴射系統(tǒng)，應(yīng)用車型主要有豐田凱美瑞(CAMRY)、馬自達MPV、別克(BUICK)、凌志(LEXUS)LS400等。1979年，德國Bosch公司又開始研制集電控汽油噴射系統(tǒng)與點火系統(tǒng)于一體的M型數(shù)字式電控系統(tǒng)，其由一個ECU實現(xiàn)點火提前角和噴油時間的控制。德國于20世紀(jì)90年代又推出了Bosch ME7發(fā)動機管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了真正意義上的集中控制。桑塔納2000GSi/3000型、捷達AT和紅旗轎車均裝備了改進型的M型噴射系統(tǒng)。

1.2 單點燃油噴射系統(tǒng)(SPI)

單點燃油噴射系統(tǒng)(SPI)是指在多缸發(fā)動機節(jié)氣門上方安裝有一只或并列安裝兩只噴油器同時噴油的燃油噴射系統(tǒng)。因其噴油器在節(jié)氣門中央集中噴射燃油，又稱為節(jié)氣門體噴射系統(tǒng)(TBI)或集中噴射系統(tǒng)(CFI)。美國通用汽車公司在1980年投入生產(chǎn)使用TBI系統(tǒng)，于1985年改進開發(fā)出新型低壓單點噴射系統(tǒng)，其噴油壓力只有0.1 MPa。盡管單點噴射系統(tǒng)有些性能略低于多點噴射系統(tǒng)，但所用的噴油器數(shù)量少，對燃油霧化質(zhì)量要求不高，成本比多點噴射系統(tǒng)低很多，又因其具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠以及維修調(diào)整方便等優(yōu)點，成為早期發(fā)展的對象。典型的單點噴射系統(tǒng)有德國Bosch公司的單點噴射系統(tǒng)(MONO-Jetronic)、美國Ford公司的CFI中央噴射系統(tǒng)和日本三菱公司的ECI電控噴射系統(tǒng)以及德國Bosch公司的Mono-Motronic系統(tǒng)等。

進氣道噴射技術(shù)主要依靠壁面溫度與廢氣倒流的溫度促進燃油蒸發(fā)從而形成可燃混合氣。由于其蒸發(fā)不完全容易在進氣道形成油膜，進而使燃油不能快速進入燃燒室，可能導(dǎo)致燃油瞬時燃燒不能作到精確控制[5]。尤其在變工況與冷啟動工況下，需要增加燃油的噴入量，導(dǎo)致有較多的未燃碳氫化合物排放造成大氣污染。隨著噴射技術(shù)和排氣后處理技術(shù)的進步以及發(fā)動機管理系統(tǒng)的不斷改進，發(fā)動機性能得到改善，進氣道噴射發(fā)動機幾經(jīng)改進和變形，噴射技術(shù)現(xiàn)已日趨成熟，人們逐漸將視野轉(zhuǎn)換到直噴式汽油機。缸內(nèi)直噴汽油機具有顯著的節(jié)能效果及靈活的燃料噴射性能，已成為汽油機研究的熱點和主流技術(shù)[6]。

2 缸內(nèi)直噴技術(shù)

缸內(nèi)直噴(GDI)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(nèi)直噴系統(tǒng)均為多點噴射系統(tǒng)，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(yīng)用傳統(tǒng)渦旋式噴油器和逆向滾流技術(shù)成功開發(fā)出第一款GDI系統(tǒng)。隨后世界各大主要汽車公司都相繼推出自己的GDI方案，如Ford公司的PROCO燃燒系統(tǒng)、三菱(Mitsubishi)公司的AG93系統(tǒng)、豐田(Toyota)公司的D-4系統(tǒng)(豐田雷克薩斯(Lexus)GS300)、日產(chǎn)(Nissan)公司的ECCS系統(tǒng)、奔馳公司的Mercedes-Benz燃燒系統(tǒng)。奧迪(Audi)公司(RS4、Audi R8)、Ricardo公司、AVL公司、FEV公司也都加入研究的行列，目前典型的缸內(nèi)直噴技術(shù)有大眾汽車FSI、通用SIDI和梅賽德斯-奔馳、CGI奔馳(E200、E300L)等[7]。

2.1 燃油分層噴射技術(shù)(FSI)

德國大眾汽車公司在2000年推出燃油分層噴射技術(shù)(FSI)，F(xiàn)SI有分層燃燒、均質(zhì)稀燃模式和均質(zhì)燃燒模式三種[8]。相比于進氣道噴射系統(tǒng)其動態(tài)響應(yīng)好、功率和扭矩可以同時提升、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，提高壓縮比實現(xiàn)了均質(zhì)調(diào)節(jié)，大大降低了進氣損失。

分層燃燒時節(jié)氣門不完全打開，保證進氣管內(nèi)有一定真空度。將有限的燃料盡可能多地轉(zhuǎn)化成工作能量，增大滿負(fù)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間長，點火時間選擇范圍寬，通過精確控制噴油，可以達到較低的混合氣濃度。充分體現(xiàn)了其動態(tài)響應(yīng)好，扭矩和功率高的特點。

2.2 雙增壓分層直噴技術(shù)(TSI)

2006年大眾汽車公司推出2.0EA888系列發(fā)動機，其將渦輪增壓技術(shù)與FSI巧妙地結(jié)合，推出了TSI發(fā)動機。與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，大眾2.0TSI發(fā)動機體積、質(zhì)量明顯減小，在FSI技術(shù)的基礎(chǔ)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)動機提供增壓效果，彌補了渦輪增壓延時的缺點，是一種高效率的發(fā)動機增壓形式。同時其憑借新一代動力學(xué)優(yōu)化法，利用進氣氣流的分布狀態(tài)降低能量損耗，使渦輪增壓器能更快啟動、響應(yīng)反應(yīng)更靈敏。在低速時產(chǎn)生高扭矩，并在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持最大扭矩輸出，使動力輸出持續(xù)飽滿[9]。在高負(fù)荷時，通過增加進氣量從而產(chǎn)生更高的動力，產(chǎn)生與大排量發(fā)動機相同甚至更優(yōu)的動力性能。

2.3 火花點燃直接噴射技術(shù)(SIDI)

2000年，通用汽車集全球優(yōu)秀工程技術(shù)力量，完成了四缸“全球引擎”系列的大規(guī)模研發(fā)，并將其命名為Ecotec發(fā)動機。該款發(fā)動機采用SIDI火花點燃直接噴射技術(shù)，目前已被廣泛應(yīng)用于通用汽車旗下包括龐蒂亞克、薩博、歐寶、雪佛蘭等多款車型上，成為全球普及率最高的四缸發(fā)動機系列之一。Ecotec是一種采用智能缸內(nèi)直接噴射技術(shù)的汽油發(fā)動機，其將多點噴射供油系統(tǒng)替換成可變氣門缸內(nèi)直噴系統(tǒng)，噴油嘴直插在汽缸內(nèi)部，通過高壓將燃油霧化噴入汽缸內(nèi)并混合空氣進行點燃，依靠缸內(nèi)均質(zhì)燃燒來提升效率[10]。該系列發(fā)動機還具有D-VVT電子可變雙氣門正時技術(shù)，可以實現(xiàn)燃油分層燃燒和均質(zhì)燃燒雙模式。當(dāng)車輛啟步或以低轉(zhuǎn)速運行時，發(fā)動機采用分層燃燒模式，將燃油分成數(shù)層直接噴入汽缸內(nèi)的不同位置，保證其能最充分地燃燒。當(dāng)車輛高速勻速行駛時，發(fā)動機采用均質(zhì)燃燒模式，保證燃燒效率的恒定。2015年通用推出的Ecotec 1.5T發(fā)動機具有升功率高、壓縮比大、燃油效率高、有害物質(zhì)排放少、易于維修、壽命長等特點，其性能已超越一直作為業(yè)內(nèi)標(biāo)桿的大眾1.8TSI。

3 混合噴射技術(shù)

缸內(nèi)直噴技術(shù)雖然使汽油機燃油經(jīng)濟性和動力性得到提升，但GDI汽油機燃油霧化時間短，燃油碰壁現(xiàn)象時有發(fā)生，導(dǎo)致燃油與空氣不能充分混合，存在局部濃混合氣區(qū)域，微粒物排放顯著增加。而PFI汽油機在點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[11-12]。歐V法規(guī)對GDI汽油車的微粒質(zhì)量排放進行了嚴(yán)格限制，為了應(yīng)對更為嚴(yán)苛的排放法規(guī)，混合噴射技術(shù)應(yīng)運而生?；旌蠂娚浼夹g(shù)在低負(fù)荷工況下由歧管噴油嘴在氣缸進氣行程時噴油，配合壓縮行程時氣缸內(nèi)噴油嘴噴油，從而實現(xiàn)了分層燃燒；高負(fù)荷工況時只在壓縮行程進行缸內(nèi)直噴，提高發(fā)動機的工作效率，避免在低負(fù)荷工況下因氧氣過量導(dǎo)致的排放問題。2005年豐田公司在2GR-FSE發(fā)動機上配備D4-S混合噴射技術(shù)，豐田86、斯巴魯BRZ、本田NSX等多種車型早已應(yīng)用這項技術(shù)。在此之后該技術(shù)在大眾公司的第三代EA888發(fā)動機、凌渡、奧迪A3和高爾夫R等車型上得到應(yīng)用。

4 結(jié)束語

汽油機在未來30年內(nèi)將繼續(xù)是轎車市場的主流產(chǎn)品，采用“軟噴射”或稱“噴霧引導(dǎo)”型缸內(nèi)直噴方法可以提高平均燃油效率15%。采用均質(zhì)壓燃技術(shù)可以使平均燃油效率提高25%～30%，汽油機熱效率提升潛力巨大[13]。完善汽油機電控技術(shù)是車用發(fā)動機領(lǐng)域內(nèi)研究和發(fā)展的必然方向，汽油機電控噴射系統(tǒng)的應(yīng)用使得車用發(fā)動機的性能得到全面提升，隨著汽車排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，電控汽油噴射技術(shù)的發(fā)展將是有效控制汽車排放污染物的有效手段。

[1] 帥石金，鄭榮，王銀輝，等.缸內(nèi)直噴汽油機微粒排放特性的試驗研究[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報，2014，5(3)：304-310.

[2] 舒華，姚國平.汽車新技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012.

[3] 陳家瑞.汽車構(gòu)造 [M].北京：人民交通出版社，1993.

[4] 蔣堅.直噴式汽油機電控燃油噴射系統(tǒng)及閉環(huán)控制算法的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[5] 何文華，王新雷.電控單點汽油噴射系統(tǒng)應(yīng)用于492Q系列發(fā)動機中的研究[J].內(nèi)燃機學(xué)報，1996(3)：302-308.

[6] 王建昕.高效車用汽油機的技術(shù)進步[J].內(nèi)燃機學(xué)報，2008(S1).

[7] 顧赟.汽油機空氣輔助缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[8] 朱余清，洪添勝，黃燕娟.透視德國大眾汽車公司新型TSI發(fā)動機技術(shù)[J].汽車運用，2007(4)：31-33.

[9] 忻文.渦輪增壓+直噴大眾TSI發(fā)動機的核心技術(shù)[J].汽車與配件，2011(45)：22-23.

[10] 鄭誠.通用發(fā)動機SIDI缸內(nèi)直噴技術(shù)解析[J].汽車維修，2014(11)：6-7.

[11] 付海超，李昕晏，王建海，等.GDI與PFI汽油車微粒排放特性的試驗研究[J].汽車工程，2014(10)：1163-1170.

[12] 李銘，董明明.淺析汽油機的混合噴射系統(tǒng)的優(yōu)勢——以大眾第三代EA888發(fā)動機為例[J].科技展望，2016(19).

[13] 楊嘉林.車用汽油機的節(jié)油潛力及高效汽油機的可行性[J].內(nèi)燃機學(xué)報，2008(S1).

(責(zé)任編輯 王琦)

Development and Application of Modern Gasoline EngineFuel Injection Technology

LI Wen-xi， WANG Meng-meng*

(College of Technology，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China)

The research progress of the gasoline engine fuel injection technology is discussed in this paper from the angle of vehicle emission performance improvement，and the comparative analysis of port fuel injection，gasoline direct injection and mixed injection technology are made in terms of technological characteristics and different vehicle application models.In the situation that the vehicle emission standards are increasingly stringent，it’s an inevitable trend to develop the electronic controlled gasoline injection systems.

port fuel injection；gasoline direct injection；mixed injection；vehicle emissions

2017-02-24

2013年北京林業(yè)大學(xué)校級教學(xué)改革項目“機床綜合實驗教學(xué)改革與建設(shè)”(BJFU2013JG036)

李文熙(1996-)，男，北京林業(yè)大學(xué)本科生，研究方向為車輛工程，E-mail：lwxbjfu@163.com。

*通訊作者：王猛猛(1984-)，男，北京林業(yè)大學(xué)實驗師，研究方向為車輛工程實踐教學(xué)與研究。

TK421

A

2095-2953(2017)05-0009-03