汽油机燃油喷射技术详解

文章来源:汽车维修技术与知识 发布时间:2021-04-08
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汽油机燃油喷射技术主要有进气歧管喷射技术、缸内直喷技术和复合喷射技术等,其中进气歧管喷射技术是目前的主流,缸内直喷技术日渐普及,复合喷射是未来发展方向,它们采用的喷射系统都属于电控燃油喷射系统。
汽油机燃油喷射技术主要有进气歧管喷射技术、缸内直喷技术和复合喷射技术等,其中进气歧管喷射技术是目前的主流,缸内直喷技术日渐普及,复合喷射是未来发展方向,它们采用的喷射系统都属于电控燃油喷射系统。

电控燃油喷射系统
电控燃油喷射系统(Electronic Fuel Injection,EFI)是指在一定的压力下,利用喷油器将一定数量的燃料直接喷入气缸或进气道内的燃油供给装置。电控燃油喷射系统是以电控单元(Electronic Control Unit,ECU)为控制中心,利用安装在发动机不同部位上的各种传感器,检测发动机的各种参数,按照ECU 中设定的控制程序,通过喷油器精确地控制喷油量,使发动机在各种工况下均能获得合适空燃比的混合气。
汽油机电控燃油喷射系统的组成如下图所示,它主要由进气系统、燃油供给系统和电控系统等组成。
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汽油机电控燃油喷射系统
进气系统
进气系统又称为空气供给系统,其主要作用是为发动机提供、测量和控制燃油燃烧时所需要的空气量。进气系统主要由空气滤清器、空气流量计、节气门、怠速调整螺钉、怠速控制阀、进气总管、进气歧管等组成。空气经空气滤清器过滤后,由空气流量计测量,通过节气门进入进气总管,再分配到各进气歧管。在进气歧管内,从喷油器喷出的燃油与空气混合后形成可燃混合气,被吸入气缸内燃烧。汽车行驶时,空气的流量由加速踏板带动节气门的开度来控制。怠速时,节气门关闭,空气由怠速调整螺钉和怠速控制阀控制的旁通气道通过。
燃油供给系统
燃油供给系统主要是为气缸或进气歧管提供一定压力的高压燃油,现在大部分轿车发动机使用的是多点喷射系统,它的喷射压力为250 ~ 300kPa 时才能保证燃油雾化更均匀,缸内直喷的发动机要求喷油压力更高,才能更好实现燃油的分层燃烧。
燃油供给系统一般由油箱、电动燃油泵、燃油滤清器、燃油分配管、油压调节器、喷油器和供油管等组成。电动燃油泵将燃油从油箱中泵出,经燃油滤清器和供油管,将其送到燃油分配管中,由油压调节器加压,经供油管送到各个喷油器中;当ECU 检测出在某一时刻,该缸的活塞位于排气行程上止点某一位置时,ECU 通过控制喷油器打开时间的长短来控制喷油量的多少;当发动机的运行工况不需要那么多的高压燃油,而电动燃油泵又在不断泵送时,有的发动机上安装有燃油压力调节器,当系统压力高于调节器压力时,它将帮助把燃油系统的油压维持在某一固定值,此时通过与回油管相接的燃油压力调节器的帮助回油到油箱。
电控系统
电控系统要根据发动机实际运行的状态信息,去控制燃油喷射量和点火时刻,尽量将这两项控制在最佳状态,满足发动机运行工况的要求。电控系统由各种传感器、ECU 和执行器组成,其中传感器包括节气门位置传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、转速传感器、水温传感器、氧传感器等,其功用是检测发动机运行状态的电量参数、物理参数和化学参数,并将这些参数转换成计算机能够识别的电信号输入ECU ;ECU 是发动机控制系统的核心部件,其功用是接收各种传感器传来的信号后,经过计算确定满足发动机运转状态的燃油喷射量和喷油时间等;执行器包括喷油器、怠速控制阀等,其功用是接收ECU输出的各种控制指令完成具体的控制动作,从而使发动机处于最佳工作状态。
ECU 通过来自进气歧管压力传感器或空气流量计的信号来计算进气量,根据进气量和转速计算出基本喷油持续时间,供给发动机的汽油量就是由喷油持续时间来控制的;然后进行温度、海拔高度、节气门开度等各种工作参数的修正,得到发动机在这一工况下运行的最佳喷油时间,精确地控制喷油量。

汽油机进气歧管喷射技术
汽油机进气歧管喷射技术是指喷油器安装在进气歧管上,喷油器把汽油喷入进气歧管中,喷入的汽油和空气在进气歧管中混合,在进气行程被吸入气缸。再利用时间和空间的均质混合,完成可燃混合气的形成,点火燃烧做功。下图为歧管喷射结构。
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歧管喷射结构
喷油量的大小主要与喷油嘴内部阀针开启的时间以及油轨内的压力有关,在同等汽油压力的条件下,阀针开启的时间越长,喷射出的汽油量就越多,反之则喷油量变少;如果油轨内的压力升高,则在单位时间内由喷油嘴喷射出的汽油量就会更多。喷油嘴阀针的开启/ 关闭以及汽油泵的工作状态都由发动机电脑进行调整。
歧管喷射技术成熟,制造和使用成本低,系统具备一定自净能力,是目前发动机燃油喷射技术的主流;缺点是有燃油浪费的现象,在低速时动力输出下降。

汽油机缸内直喷技术
直喷(Gasoline Direct Injection,GDI)技术是将高压喷油嘴设置在进排气门之间,直接将燃油喷射在缸内,在气缸内直接与空气混合。ECU 可以根据吸入的空气量精确地控制燃油的喷射量和喷射时间,高压的燃油喷射系统可以使油气的雾化和混合效率更加优异,使符合理论空燃比的混合气体燃烧更加充分,从而降低油耗,提高发动机的动力性能。下图为缸内直喷结构。

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缸内直喷结构

缸内直喷与歧管喷射相比,增加了高压油泵和高压共轨,如下图所示。
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缸内直喷系统结构
缸内直喷技术优点:直喷发动机高压燃油喷入燃烧室,是以细小的雾状进入的,当它蒸发时吸收热量,可冷却气缸;能稀薄燃烧,可提高燃烧效率20%,提高燃油经济性;进气量比传统发动机多,燃烧充分,减少了CO 的产生;允许更高的压缩比,发动机功率得以提升。
缸内直喷技术缺点:系统更为复杂,在中小负荷下未燃HC 排放较多,同时对油品要求较高。
近年来缸内直喷技术被很多的厂商开始采用,包括大众、奥迪、宝马、奔驰、福特、通用、丰田等主流厂商都使用了这种技术。
汽油机复合喷射技术
歧管喷射和缸内直喷技术各有优缺点,为了发挥这两种喷射方式的优点,实现更高的燃烧效率和更宽泛的良好动力性,推出了复合喷射技术。复合喷射的基本构思是将发动机每个循环所需的燃油量分为两部分进行喷射:一部分如进气歧管喷射方式,由进气歧管进入缸内,该部分燃油在进气歧管中与空气形成均质稀混合气分布在整个燃烧室内;另外一部分由缸内喷油器直接喷入燃烧室内,该部分燃油将火花塞附近的混合气适当加浓,达到在发动机不同负荷下,实现最理想的空燃比或者过量空气系数。
对于采用复合喷射技术的发动机,在发动机启动工况下,缸内混合气主要是直喷喷油器的燃油和进气管的空气混合,利用涡流的运动进行混合气的传播,可以实现启动迅速,汽油雾化程度较好,不需要像进气歧管喷射汽油发动机一样,大量喷射汽油,导致混合气极浓,HC 的排放增加,利用缸内直喷冷启动产生的未燃HC 排放可进一步降低。在中等负荷工况,气缸内的混合气由两部分组成:一部分是由进气管进入的优质均质混合气,汽油的雾化和蒸发传播效果好,保证火花塞远端不会发生熄火现象;再由缸内喷油器提供另一部分燃油,形成火花塞处较浓混合气,利于火核形成并传播。这种复合喷射就改变了原先浓混合气占多数的局面,形成气缸内占主体的是均质的混合气,火花塞旁边小部分浓混合气的状态,基本达到了理论混合气的数值,解决了直喷汽油机易出现的混合气局部过浓和局部过稀所带来的未燃HC 排放问题。
日本丰田公司推出的复合喷射系统D-4S,即歧管喷射+ 缸内直喷双喷射系统,如下图所示。冷启动/ 怠速/ 低负荷使用歧管喷射,中等负荷两套喷射系统协调工作,高负荷采用缸内直喷。这样的配合既解决了缸内直喷发动机低转速、低负荷下容易积炭的问题,又提高了发动机在高负荷下的动力输出效率,且歧管喷油可以混合得更加充分,而且可以清洗气道,避免气道、气门积炭及活塞顶部积炭的形成,减少氮氧化物排放等问题;另外,混合喷射模式,可以调配出两种不同浓度的油气混合物,进一步提升燃油利用率。总之,D-4S 喷射系统可以实现动力和转矩的提升,以及良好的燃油经济性。

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汽油机复合喷射结构

丰田公司开发的复合喷射系统,除了在雷克萨斯部分车型上装备外,在斯巴鲁的BRZ、丰田GT-86 等车型上也装备了全新的复合喷射系统—丰田86 水平对置发动机,如下图所示。这台2.0L 水平对置发动机借助丰田最新的复合喷射技术,不依仗任何增压技术,便实现了147kW 的最大功率,而峰值功率转速更是达到了7000r/min。

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丰田86 复合喷射发动机

德国大众公司旗下的第3 代EA888 发动机也装备了复合喷射系统,如下图所示。大众新的复合喷射系统不但获得了均衡的高低转速动力性能,同时也降低了排放。当然,双喷射系统加上更高的直喷压力对燃油系统的稳定性也提出了更高的要求。

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大众EA888 复合喷射系统

目前,由于汽油机复合喷射技术复杂和成本高的关系,量产车型装备这项技术的并不算多,并没有得到广泛的应用。可以预见的是,在对于发动机动力性、经济性与排放标准要求越来越高的未来,为了提升汽油机的综合性能,汽油机复合喷射技术一定是未来的发展方向。


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