现代汽油发动机燃油喷射技术综述*

雷先华，杨启正，叶 幸

（湖南交通工程学院机电工程学院，湖南衡阳 421000）

0 引言

1954年，德国奔驰公司在汽车展会上展出了装用机械控制式（K型）汽油喷射系统的汽车。20世纪60年代之前，汽车发动机主要使用传统的化油器，在发动机工作产生的真空状态下，利用吸入空气的动能将汽油雾化，根据发动机的工作状态配比出合适的混合气，从而实现发动机运转；20世纪60年代末期，K型的改进型——机电控制式（KE型）汽油喷射系统开始广泛应用起来，与K型汽油喷射系统相比，增加了一个由电脑控制的电液式压差调节器和各种传感器；20世纪70年代，由于电子技术的飞速发展与能源危机，传统的喷射方式产生创新的改变[1]，现代开始采用电控燃油喷射系统（Electronic Fuel Injection，EFI）。

电子控制式燃油喷射系统是指电子控制单元根据汽车各自关键传感器信号，经过汽车电脑的数学计算和逻辑判断处理后，控制信号直接传至执行器做出相关动作，可以在发动机各工况下按照已经预存的数据，精确控制发动机的空燃比和点火正时，改善燃料燃烧过程，从而降低油耗，减少有毒有害气体的排放。按喷油器安装的位置可分为进气道喷射（PFI）和缸内喷射（GDI）。从20世纪60年代开始，美国、德国、日本和韩国等发达国家先后开发了各种汽油电控喷射系统，这些技术现在已经成熟。在国内，汽车行业起步较晚，从20世纪90年代才开始着手研究电控喷射技术，所以技术水平相对落后。面对日益严格的国Ⅵ排放法规，改善汽油机电控喷油系统是未来重要的发展方向。

1 燃油喷射技术现状

1.1 进气道喷射技术

随着汽车技术的发展，在追求高性能、低污染的情况下，出现了进气道燃油喷射系统（PFI）。其工作过程是将燃油喷在节气门或进气门附近，由气缸壁的高温和进气阀打开时，废气回流的温度促进形成混合气体。与传统化油器式发动机相比，进气道燃油喷射系统提高了发动机的充气效率，降低了燃油消耗和废弃排放量，在发动机的转速范围内，提高了发动机的运行稳定性[2]。进气道喷射按喷油器的数量和位置分为单点和多点喷射。

单点燃油喷射（SPI）又叫进气道总管喷射，是指在多缸发动机的多个气缸共用一个喷油器供油的喷油方式，也称集中喷射（CFI）。单点喷射结构简单，对电动燃油泵的要求低、维护简单，经济性、动力性、排放性优越，但不能保证节气门后至进气门的管壁上完全不产生油膜，也不能保证在所有的工况下保持最理想的混合气分配。多点燃料喷射（MPI）是指在发动机的每个气缸进气门前面的进气歧管上全都配备一个喷油器的喷油方式。这些喷油器由ECU控制且相互独立工作，将燃油雾化成尽可能小的颗粒，提高燃油混合气的品质。喷射器的喷嘴形状和喷射角度需与进气管或气缸盖进气口的形状相匹配。多点燃油喷射具有燃油压力低、响应速度快、喷油量和喷油正时精确控制等特点，可使进气管与燃烧空气的流动进行最佳匹配。

1.2 缸内直喷技术

汽油发动机缸内直喷技术出现于20世纪20年代，实现于福特在20世纪70年代开发ProCo系统采用的一种分层燃烧技术。1996年，三菱开发了一种采用汽油发动机直喷技术的自然吸气式发动机；1998年，丰田推出了D4直喷系统；2006年，梅赛德斯-奔驰推出了直接喷射技术CGI，并于2010年推出了新的汽油发动机直喷技术BlueDirect[3]。随着技术水平的不断提高，各汽车公司也开始引入自己的汽油发动机直喷技术。缸内直喷是喷油器在高压力下将燃油直接喷射到气缸内的一种喷射方式，由于汽油是在进气结束时喷射到汽缸中，所以汽缸内的膨胀气体被冷却，体积效率提高，爆震倾向减小；同时，缸内直喷容易引起电荷分层，便于稀薄燃烧，还能改善汽油发动机的瞬态运行和冷却启动时的排放，降低部分负荷条件下的燃油消耗水平，提高满负荷动态。缸内直喷系统都是多点喷射系统，且喷射器一般安装在火花塞附近的气缸盖上，高压力的喷射决定了喷油器的高加工精度和高技术水平。缸内直喷技术具有低油耗、高压缩比、升功率大的优点，但这种技术与传统电喷技术相比，更容易产生积碳，需频繁更换火花塞等汽车零件，导致使用成本增加。

1.2.1 燃油分层喷射技术

燃油分层喷射技术（FSI）即为燃料分层注射。这一技术由大众公司推出，通过高压油泵将燃油通过分流轨道送至高压喷射阀进行电磁控制，从而精确控制燃油进入汽缸燃烧的喷射量，具有动态响应快、功率和扭矩同时提升、燃油消耗率低的优点。在高浓度混合气被点燃之后，燃烧迅速扩散到外层，使燃油充分燃烧，提高了燃油经济性。FSI分层稀燃的区域可以实现节油20%～25%，提高燃油利用率的同时，还降低了排放污染[4]。其特征在于在进气通道中产生可变涡流，使得进气流形成涡流形式进入燃烧室，并用分层填充的方式进行推动，使混合气体集中在位于燃烧室中心的火花塞周围。通过气缸内的空气运动，在火花塞周围形成易于点燃的高浓度混合气，而外层的混合气开始逐渐变得稀薄。

1.2.2 双增压分层直喷技术

双增压分层直喷技术（TSI）是大众公司在FSI的基础上进一步优化，增加了涡轮增压和机械增压双增压装置。涡轮增压利用发动机排出废气时的惯性力推动涡轮机，涡轮机再带动叶轮给空气滤清器输送进来的空气加压，并将加压的空气推送入气缸中。涡轮增压装置在较低转速时会产生延迟，这时机械增压装置就发挥作用，增大动力输出、加大进气压力、提高发动机效率。TSI技术增加了输出功率，减小功率损耗，并且可以用小位移获得扭矩和马力，从而获得更大的动力。其在低速时能产生高扭矩，且能在很广的转速范围内保持最大扭矩的输出；在高负荷时能给与发动机同样甚至更优的动力性能[5]。

1.2.3 火花点燃直接喷射技术

火花点燃直接喷射技术（SIDI）是由美国通用汽车研究开发的一款缸内直喷技术。SIDI用可变气门缸内直喷系统取代多点喷射燃料供给系统，将喷油器移到气缸内部，燃料通过高压雾化喷入气缸，与空气混合进行燃烧，从而实现气缸中的稀薄燃烧并提高发动机的效率。其具有较高的升功率、升扭矩，燃油经济性高、油耗低，有效降低了有害物质的排放量，减少了震动和噪声，延长了发动机的使用寿命。SIDI系列发动机还配备发动机管理模块ECM和电子可变双气门正时技术D-VVT，可以根据汽车的行驶状态实时调整燃烧模式。当汽车处于起步或低速行驶状况时，发动机电脑将控制喷油器采用分层燃烧模式，将燃油分层喷入气缸内的不同位置，确保燃料能完全燃烧；当汽车处于恒定速度行驶时，发动机电脑将控制喷油器采用均匀燃烧模式，以确保恒定的燃料燃烧效率。

2 燃油喷射技术发展趋势

2.1 混合喷射技术

进气道喷射和缸内直喷组合而成的系统称为混合喷射系统，混合动力喷射系统结合了传统的气缸直喷技术和外部喷射技术的优点，现已成为一种新的发展趋势。大众汽车公司新开发的第三代EA888发动机就采用了进气道喷射和缸内直喷组合运用的涡轮增压式发动机。当发动机处于低负荷时，汽车ECU基于压力传感器的信号调节喷油器在进气口上喷射的油量，并且还调节缸内喷油器喷射的油量，形成最经济的混合气；当发动机的负荷增加时，发动机的燃料供应系统从缸外喷射变为缸内喷射，进气口上的喷油器喷射的油量逐渐减少，并且从缸内喷油器喷射的油量逐渐增加；当发动机达到全负荷时，燃油完全由缸内喷油器喷射以达到最大功率。这缩短了响应时间，提供了浓混合气，更好地满足了发动机在不同负荷下对混合气浓度的要求。然而，这种技术对电子控制系统的要求也明显提高，ECU必须控制得更加精确和准时[6]。

2.2 定容式燃烧多段喷射

在GDI发动机中，同一工作循环时一般只采用单次喷射，如进气和压缩冲程时，喷油器只会喷一次油，多段喷射则采用多次喷射，也叫多级喷射。其可以控制喷射渗透，有效改善分层混合气的燃料当量比分布，提高发动机在部分负荷下的燃烧效率和排放性能。定容式燃烧是指在气缸内，燃油与氧气的容积保持不变的情况下进行的燃烧。定容式燃烧多段喷射就是将定容式燃烧和多段缸内直喷技术结合起来的一种新型电控燃油喷射技术，在2016年由李腾忠[7]根据Michela Costa、Bae Choongsik、李相超等对两段喷射的研究实验提出，主要分析研究融合了高充量浓度的燃油喷射及喷雾宏观形态区别的试验研究和相关机理，使得燃油的经济性和排放性能达到最优组合。这一技术目前还处于研发阶段，尚未实际运用。

3 结束语

新能源汽车现在尚未成为主流，未来汽油发动机仍是汽车市场的主导，汽油电控喷射系统的应用提高了汽车发动机的性能，电控技术的研发和升级亦是汽车发动机领域必然的发展趋势。随着国Ⅵ排放标准的提高，电控汽油喷射技术的不断发展将成为控制汽车尾气排放的直接有效手段。降低发动机的排放量，提高发动机的动力性能也是未来燃油喷射技术的重要挑战，研发多款高性能的电控燃油喷射系统势在必行。