汽油機燃油噴射技術的發展及應用

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、振動噪聲小和結構緊湊等優點，被廣泛用作輕型車輛和乘用車的主要動力。隨著我國汽車工業的發展，汽車排放對大氣環境的污染日益嚴重。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的身體健康。

汽油機電控技術能夠控制發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排放。自20世紀6 0 年代以來，美、德、日、韓等工業發達國家相繼研發出多種汽油機電控噴射系統，目前這些技術已經很成熟;我國自20世紀90年代開始這些技術的研究，目前的技術水平還相對落后。面對日益嚴格的排放法規，提高汽油發動機噴射系統電控化技術是我國汽車工業的重要發展方向。

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，經過數學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動機燃油噴射系統分為進氣道噴射和缸內噴射兩種類型。
1、進氣道噴射技術

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

1 . 1 多點燃油噴射系統（MPI）
多點燃油噴射系統（MPI）是在每個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型轎車上，其燃油經濟性、排氣凈化能力與動力性等均優于化油器式發動機。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，應用車型主要有豐田凱美瑞、馬自達、別克、凌志等。 1979 年，德國Bosch公司又開始研制集電控汽油噴射系統與點火系統于一體的M型數字式電控系統，其由一個ECU實現點火提前角和噴油時間的控制。德國于20世紀90年代又推出了Bosch ME7發動機管理系統，實現了真正意義上的集中控制。桑塔納2000GSi/3000型、捷達AT和紅旗轎車均裝備了改進型的M型噴射系統。

1 . 2 單點燃油噴射系統（SPI)

單點燃油噴射系統（SPI)是指在多缸發動機節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。因其噴油器在節氣門中央集中噴射燃油，又稱為節氣門體噴射系統(TBI)或集中噴射系統(CFI) 。美國通用汽車公司在1980年投人生產使用T B I 系統，于1985年改進開發出新型低壓單點噴射系統，其噴油壓力只有0. 1 M P a 。盡管單點噴射系統有些性能略低于多點噴射系統，但所用的噴油器數量少，X#燃油霧化質量要求不高，成本比多點噴射系統低很多，又因其具有結構簡單、工作可靠以及維修調整方便等優點，成為早期發展的對象。典型的單點噴射系統有德國B0sch 公司的單點噴射系統（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Bosch公司的Mono - Motronic系統等。

進氣道噴射技術主要依靠壁面溫度與廢氣倒流的溫度促進燃油蒸發從而形成可燃混合氣。由于其蒸發不*容易在進氣道形成油膜，進而使燃油不能快速進人燃燒室，可能導致燃油瞬時燃燒不能作到控制。尤其在變工況與冷啟動工況下，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。隨著噴射技術和排氣后處理技術的進步以及發動機管理系統的不斷改進，發動機性能得到改善，進氣道噴射發動機幾經改進和變形，噴射技術現已日趨成熟，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和主流技術。

2、缸內直噴技術

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成功開發出*款GDI系統。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（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有大眾汽車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(FSI)

德國大眾汽車公司在2 0 0 0年推出燃油分層噴射技術(FSI) ，FSI有分層燃燒、均質稀燃模式和均質燃燒模式三種。相比于進氣道噴射系統其動態響應好、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，優化了充氣效率，提高壓縮比實現了均質調節，大大降低了進氣損失。分層燃燒時節氣門不*打開，保證進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，增大滿負荷的輸出功率并降低燃油消耗。在均質稀燃模式下混合氣形成時間長，點火時間選擇范圍寬，通過控制噴油，可以達到較低的混合氣濃度。充分體現了其動態響應好，扭矩和功率高的特點。
2 . 2 雙增壓分層直噴技術(TSI)

2 0 0 6年大眾汽車公司推出2. 0E A 8 8 8 系列發動機，其將渦輪增壓技術與F S I巧妙地結合，推出了T S I發動機。與傳統發動機相比，大眾2. 0T S I發動機體積、質量明顯減小，在FS I技術的基礎上，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下為發動機提供增壓效果，彌補了渦輪增壓延時的缺點，是一種率的發動機增壓形式。同時其憑借新一代動力學優化法，利用進氣氣流的分布狀態降低能量損耗，使渦輪增壓器能更快啟動、響應反應更靈敏。在低速時產生高扭矩，并在很寬的轉速范圍內保持zui大扭矩輸出，使動力輸出持續飽滿。在高負荷時，通過增加進氣量從而產生更高的動力，產生與大排量發動機相同甚至更優的動力性能。

2 . 3 火花點燃直接噴射技術（SIDI)

2 0 0 0年，通用汽車集工程技術力量，完成了四缸"引擎"系列的大規模研發，并將其命名為Ecotec發動機。該款發動機采用SIDI火花點燃直接噴射技術，目前已被廣泛應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，成為普及率zui高的四缸發動機系列之一。Ecotec是一種采用智能缸內直接噴射技術的汽油發動機，其將多點噴射供油系統替換成可變氣門缸內直噴系統，噴油嘴直插在汽缸內部，通過高壓將燃油霧化噴人汽缸內并混合空氣進行點燃，依靠缸內均質燃燒來提升效率。該系列發動機還具有D -V V T 電子可變雙氣門正時技術，可以實現燃油分層燃燒和均質燃燒雙模式。當車輛啟步或以低轉速運行時，發動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。當車輛高速勻速行駛時，發動機采用均質燃燒模式，保證燃燒效率的恒定。2 0 1 5 年通用推出的Ecotec1.5T 發動機具有升功率高、壓縮比大、燃油效率高、有害物質排放少、易于維修、壽命長等特點，其性能已超越一直作為業內*的大眾1. 8TSI。

3、混合噴射技術

缸內直噴技術雖然使汽油機燃油經濟性和動力性得到提升，但G D I 汽油機燃油霧化時間短，燃油碰壁現象時有發生，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，形成均質混合氣，排放微粒物少。歐V 法規對G D I 汽油車的微粒質量排放進行了嚴格限制，為了應對更為嚴苛的排放法規，混合噴射技術應運而生?；旌蠂娚浼夹g在低負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噴油嘴噴油，從而實現了分層燃燒;高負荷工況時只在壓縮行程進行缸內直噴，提高發動機的工作效率，避免在低負荷工況下因氧氣過量導致的排放問題。2 0 0 5年豐田公司在2 G R - F S E 發動機上配備D 4 - S 混合噴射技術，豐田86、斯巴魯B R Z 、本田N S X 等多種車型早已應用這項技術。在此之后該技術在大眾公司的第三代E A 8 8 8發動機、凌渡、奧迪A 3 和高爾夫R 等車型上得到應用。

4、結束語

汽油機在未來3 0 年內將繼續是轎車市場的主流產品，采用"軟噴射"或稱"噴霧引導"型缸內直噴方法可以提高平均燃油效率1 5 % 。采用均質壓燃技術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是車用發動機領域內研究和發展的必然方向，汽油機電控噴射系統的應用使得車用發動機的性能得到全面提升，隨著汽車排放標準日益嚴格，電控汽油噴射技術的發展將是有效控制汽車排放污染物的有效手段。