现代汽油机燃油喷射技术的发展及应用

李文熙， 王猛猛

(北京林业大学工学院，北京 100083)

综 述

现代汽油机燃油喷射技术的发展及应用

李文熙， 王猛猛*

(北京林业大学工学院，北京 100083)

从提高汽车排放性能的角度阐述了汽油发动机燃油喷射技术的研究进展，对进气道喷射、缸内直喷技术及混合喷射技术进行了技术特点和应用车型对比分析。在排放法规日趋严格的大形势下，发展电控汽油喷射系统是必然趋势。

进气道喷射；缸内直喷；混合喷射；汽车排放

截至2016年年底，全国汽车保有量已达1.94亿辆，汽油机因其燃烧柔和、升功率高、振动噪声小和结构紧凑等优点，被广泛用作轻型车辆和乘用车的主要动力[1]。随着我国汽车工业的发展，汽车排放对大气环境的污染日益严重。汽油机排放的有害污染物主要有CO、HC、NOX、固体悬浮颗粒、铅及硫氧化合物等，这些污染物将直接危害人类的身体健康。汽油机电控技术能够精确控制发动机在各工况下的空燃比和点火定时，改善混合气体的形成、分配与燃烧，从而降低油耗和减少有害物质排放。自20世纪60年代以来，美、德、日、韩等工业发达国家相继研发出多种汽油机电控喷射系统，目前这些技术已经很成熟；我国自20世纪90年代开始这些技术的研究，目前的技术水平还相对落后。面对日益严格的排放法规，提高汽油发动机喷射系统电控化技术是我国汽车工业的重要发展方向。

电子控制式燃油喷射系统是指ECU(Electronic Control Units，电子控制单元)根据传感器信号，经过数学计算和逻辑判断处理后，直接控制执行器喷射燃油的系统[2]。按喷油器喷射燃油的位置可将发动机燃油喷射系统分为进气道喷射和缸内喷射两种类型。

1 进气道喷射技术

进气道喷射(PFI)系统是指喷油器将燃油喷射在节气门或进气门附近进气管内的喷射系统，按执行机构的不同可分为单点喷射和多点喷射两种类型[3]。

1.1 多点燃油喷射系统(MPI)

多点燃油喷射系统(MPI)是在每个气缸都安装有喷油器的喷射系统。最早的电控汽油喷射技术始于美国Bendix公司于1957年试制的电控喷油器，但其并未付诸实用。1958年德国Bosch公司购得此项专利后，于1967年研制出D-Jetronic型电控汽油喷射系统并应用于大众VW-1600型和奔驰280SE型轿车上，其燃油经济性、排气净化能力与动力性等均优于化油器式发动机[4]。1973年Bosch公司利用空气流量传感器替代D型压力传感器控制喷油量，提高了控制精度，成为现在被广泛使用的L型电控汽油喷射系统。具有代表性的有L-Jetronic、LH-Jetronic电控喷射系统，应用车型主要有丰田凯美瑞(CAMRY)、马自达MPV、别克(BUICK)、凌志(LEXUS)LS400等。1979年，德国Bosch公司又开始研制集电控汽油喷射系统与点火系统于一体的M型数字式电控系统，其由一个ECU实现点火提前角和喷油时间的控制。德国于20世纪90年代又推出了Bosch ME7发动机管理系统，实现了真正意义上的集中控制。桑塔纳2000GSi/3000型、捷达AT和红旗轿车均装备了改进型的M型喷射系统。

1.2 单点燃油喷射系统(SPI)

单点燃油喷射系统(SPI)是指在多缸发动机节气门上方安装有一只或并列安装两只喷油器同时喷油的燃油喷射系统。因其喷油器在节气门中央集中喷射燃油，又称为节气门体喷射系统(TBI)或集中喷射系统(CFI)。美国通用汽车公司在1980年投入生产使用TBI系统，于1985年改进开发出新型低压单点喷射系统，其喷油压力只有0.1 MPa。尽管单点喷射系统有些性能略低于多点喷射系统，但所用的喷油器数量少，对燃油雾化质量要求不高，成本比多点喷射系统低很多，又因其具有结构简单、工作可靠以及维修调整方便等优点，成为早期发展的对象。典型的单点喷射系统有德国Bosch公司的单点喷射系统(MONO-Jetronic)、美国Ford公司的CFI中央喷射系统和日本三菱公司的ECI电控喷射系统以及德国Bosch公司的Mono-Motronic系统等。

进气道喷射技术主要依靠壁面温度与废气倒流的温度促进燃油蒸发从而形成可燃混合气。由于其蒸发不完全容易在进气道形成油膜，进而使燃油不能快速进入燃烧室，可能导致燃油瞬时燃烧不能作到精确控制[5]。尤其在变工况与冷启动工况下，需要增加燃油的喷入量，导致有较多的未燃碳氢化合物排放造成大气污染。随着喷射技术和排气后处理技术的进步以及发动机管理系统的不断改进，发动机性能得到改善，进气道喷射发动机几经改进和变形，喷射技术现已日趋成熟，人们逐渐将视野转换到直喷式汽油机。缸内直喷汽油机具有显著的节能效果及灵活的燃料喷射性能，已成为汽油机研究的热点和主流技术[6]。

2 缸内直喷技术

缸内直喷(GDI)是喷油器将燃油以较高喷油压力直接喷射到气缸燃烧的喷射。缸内直喷系统均为多点喷射系统，其喷油器安装在火花塞附近的气缸盖上，需要较高的喷油压力，对喷油器的技术水平和加工精度要求较高。

1996年日本三菱公司应用传统涡旋式喷油器和逆向滚流技术成功开发出第一款GDI系统。随后世界各大主要汽车公司都相继推出自己的GDI方案，如Ford公司的PROCO燃烧系统、三菱(Mitsubishi)公司的AG93系统、丰田(Toyota)公司的D-4系统(丰田雷克萨斯(Lexus)GS300)、日产(Nissan)公司的ECCS系统、奔驰公司的Mercedes-Benz燃烧系统。奥迪(Audi)公司(RS4、Audi R8)、Ricardo公司、AVL公司、FEV公司也都加入研究的行列，目前典型的缸内直喷技术有大众汽车FSI、通用SIDI和梅赛德斯-奔驰、CGI奔驰(E200、E300L)等[7]。

2.1 燃油分层喷射技术(FSI)

德国大众汽车公司在2000年推出燃油分层喷射技术(FSI)，FSI有分层燃烧、均质稀燃模式和均质燃烧模式三种[8]。相比于进气道喷射系统其动态响应好、功率和扭矩可以同时提升、燃油消耗降低。由于喷雾的气化冷却作用，优化了充气效率，提高压缩比实现了均质调节，大大降低了进气损失。

分层燃烧时节气门不完全打开，保证进气管内有一定真空度。将有限的燃料尽可能多地转化成工作能量，增大满负荷的输出功率并降低燃油消耗。在均质稀燃模式下混合气形成时间长，点火时间选择范围宽，通过精确控制喷油，可以达到较低的混合气浓度。充分体现了其动态响应好，扭矩和功率高的特点。

2.2 双增压分层直喷技术(TSI)

2006年大众汽车公司推出2.0EA888系列发动机，其将涡轮增压技术与FSI巧妙地结合，推出了TSI发动机。与传统发动机相比，大众2.0TSI发动机体积、质量明显减小，在FSI技术的基础上，安装涡轮增压器和机械增压器，机械增压可以保证在怠速状态下为发动机提供增压效果，弥补了涡轮增压延时的缺点，是一种高效率的发动机增压形式。同时其凭借新一代动力学优化法，利用进气气流的分布状态降低能量损耗，使涡轮增压器能更快启动、响应反应更灵敏。在低速时产生高扭矩，并在很宽的转速范围内保持最大扭矩输出，使动力输出持续饱满[9]。在高负荷时，通过增加进气量从而产生更高的动力，产生与大排量发动机相同甚至更优的动力性能。

2.3 火花点燃直接喷射技术(SIDI)

2000年，通用汽车集全球优秀工程技术力量，完成了四缸“全球引擎”系列的大规模研发，并将其命名为Ecotec发动机。该款发动机采用SIDI火花点燃直接喷射技术，目前已被广泛应用于通用汽车旗下包括庞蒂亚克、萨博、欧宝、雪佛兰等多款车型上，成为全球普及率最高的四缸发动机系列之一。Ecotec是一种采用智能缸内直接喷射技术的汽油发动机，其将多点喷射供油系统替换成可变气门缸内直喷系统，喷油嘴直插在汽缸内部，通过高压将燃油雾化喷入汽缸内并混合空气进行点燃，依靠缸内均质燃烧来提升效率[10]。该系列发动机还具有D-VVT电子可变双气门正时技术，可以实现燃油分层燃烧和均质燃烧双模式。当车辆启步或以低转速运行时，发动机采用分层燃烧模式，将燃油分成数层直接喷入汽缸内的不同位置，保证其能最充分地燃烧。当车辆高速匀速行驶时，发动机采用均质燃烧模式，保证燃烧效率的恒定。2015年通用推出的Ecotec 1.5T发动机具有升功率高、压缩比大、燃油效率高、有害物质排放少、易于维修、寿命长等特点，其性能已超越一直作为业内标杆的大众1.8TSI。

3 混合喷射技术

缸内直喷技术虽然使汽油机燃油经济性和动力性得到提升，但GDI汽油机燃油雾化时间短，燃油碰壁现象时有发生，导致燃油与空气不能充分混合，存在局部浓混合气区域，微粒物排放显著增加。而PFI汽油机在点火前将燃油和空气充分混合，形成均质混合气，排放微粒物少[11-12]。欧V法规对GDI汽油车的微粒质量排放进行了严格限制，为了应对更为严苛的排放法规，混合喷射技术应运而生。混合喷射技术在低负荷工况下由歧管喷油嘴在气缸进气行程时喷油，配合压缩行程时气缸内喷油嘴喷油，从而实现了分层燃烧；高负荷工况时只在压缩行程进行缸内直喷，提高发动机的工作效率，避免在低负荷工况下因氧气过量导致的排放问题。2005年丰田公司在2GR-FSE发动机上配备D4-S混合喷射技术，丰田86、斯巴鲁BRZ、本田NSX等多种车型早已应用这项技术。在此之后该技术在大众公司的第三代EA888发动机、凌渡、奥迪A3和高尔夫R等车型上得到应用。

4 结束语

汽油机在未来30年内将继续是轿车市场的主流产品，采用“软喷射”或称“喷雾引导”型缸内直喷方法可以提高平均燃油效率15%。采用均质压燃技术可以使平均燃油效率提高25%～30%，汽油机热效率提升潜力巨大[13]。完善汽油机电控技术是车用发动机领域内研究和发展的必然方向，汽油机电控喷射系统的应用使得车用发动机的性能得到全面提升，随着汽车排放标准日益严格，电控汽油喷射技术的发展将是有效控制汽车排放污染物的有效手段。

[1] 帅石金，郑荣，王银辉，等.缸内直喷汽油机微粒排放特性的试验研究[J].汽车安全与节能学报，2014，5(3)：304-310.

[2] 舒华，姚国平.汽车新技术[M].北京：国防工业出版社，2012.

[3] 陈家瑞.汽车构造 [M].北京：人民交通出版社，1993.

[4] 蒋坚.直喷式汽油机电控燃油喷射系统及闭环控制算法的研究[D].大连：大连理工大学，2006.

[5] 何文华，王新雷.电控单点汽油喷射系统应用于492Q系列发动机中的研究[J].内燃机学报，1996(3)：302-308.

[6] 王建昕.高效车用汽油机的技术进步[J].内燃机学报，2008(S1).

[7] 顾赟.汽油机空气辅助缸内直接喷射系统的研究[D].杭州：浙江大学，2010.

[8] 朱余清，洪添胜，黄燕娟.透视德国大众汽车公司新型TSI发动机技术[J].汽车运用，2007(4)：31-33.

[9] 忻文.涡轮增压+直喷大众TSI发动机的核心技术[J].汽车与配件，2011(45)：22-23.

[10] 郑诚.通用发动机SIDI缸内直喷技术解析[J].汽车维修，2014(11)：6-7.

[11] 付海超，李昕晏，王建海，等.GDI与PFI汽油车微粒排放特性的试验研究[J].汽车工程，2014(10)：1163-1170.

[12] 李铭，董明明.浅析汽油机的混合喷射系统的优势——以大众第三代EA888发动机为例[J].科技展望，2016(19).

[13] 杨嘉林.车用汽油机的节油潜力及高效汽油机的可行性[J].内燃机学报，2008(S1).

(责任编辑 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年北京林业大学校级教学改革项目“机床综合实验教学改革与建设”(BJFU2013JG036)

李文熙(1996-)，男，北京林业大学本科生，研究方向为车辆工程，E-mail：lwxbjfu@163.com。

*通讯作者：王猛猛(1984-)，男，北京林业大学实验师，研究方向为车辆工程实践教学与研究。

TK421

A

2095-2953(2017)05-0009-03