Home第一節缸內直噴式汽油機第二節柴油機共軌技術第二章發動機燃油噴射新技術Home第一節缸內直噴式汽油機一、基本結構及特點二、大眾FSI三、三菱GDI第二章發動機燃油噴射新技術Home一、基本結構及特點這里以Bosch公司電控缸內直接噴射系統的機型為例來介紹各相關系統的基本結構及特點。該系統主要有進氣系統、噴油系統、點火系統、排氣后處理系統和電子控制系統等五大系統，所用的傳感器和執行部件大體上與進氣道噴射汽油機相似，但為適應缸內直噴式汽油機工作原理的特點而有所不同。圖2-1-1為采用Bosch公司MotronicMED7電控汽油機缸內直接噴射系統的主要部件布置圖。這種高壓噴油系統是一種共軌蓄壓式噴射系統，燃油能夠按電控單元的指令，在任何時刻以所需要的壓力由電控噴油器精確計量并直接噴入氣缸，而所要求的發動機輸出扭矩值（即負荷大小）是由駕駛員根據行駛的需要踩下或松開加速踏板模塊，通過其中的“節氣門”位置傳感器發出的電信號通知電控單元來調節噴油量而實現的。為了使發動機能夠實現分層燃燒與均質燃燒兩種運行方式，必須將進氣量調節與加速踏板調節（負荷調節）分開，以便能夠在低負荷工況時節氣門全開，實現發動機無節流運行，而在高負荷工況時又能用節氣門來調節進氣空氣量。進氣空氣質量可由電子節氣門（EGAS）自由調節，并應用熱膜空氣質量流量計來精確測量氣缸吸入的空氣質量。而混合氣控制由一個普通氧傳感器（λ傳感器）來實現，用于進行λ=1的均質燃燒運行或分層稀薄燃燒運行調節，以及實現對NOx吸附式催化器的精確控制。第二章發動機燃油噴射新技術Home第二章發動機燃油噴射新技術Home進氣系統由圖2-1-1可知，缸內直噴式汽油機的進氣系統包括熱膜空氣質量流量計、電子節氣門（EGAS）、進氣管壓力傳感器、廢氣再循環（EGR）閥和進氣滾流閥（或渦流閥）等。在此只重點介紹缸內直噴式汽油機所應用的進氣滾流閥和渦流閥。缸內直噴式汽油機應用的進氣空氣運動方式有兩種：進氣滾流和進氣渦流。發動機的基本結構對于氣體流動方式的選擇起著決定性的作用。在四氣門汽油機上，若氣門夾角較大，則采用滾流支持的直噴式燃燒過程比較有利，而氣門夾角較小時則采用渦流支持的直噴式燃燒過程。對于兩氣門汽油機而言，則大多選擇渦流支持的直噴式燃燒過程。第二章發動機燃油噴射新技術Home（1）進氣滾流缸內直噴式汽油機所應用的進氣滾流是進氣空氣通過進氣道的導向而在氣缸中形成的繞垂直于氣缸中心線的軸線旋轉的充量運動。根據滾流形成的方式又可細分為正向滾流（圖2-1-2）和逆向滾流（圖2-1-3）兩種。第二章發動機燃油噴射新技術Home逆向滾流通常由直立式進氣道產生，進氣空氣直接沿著同側的氣缸壁面進入氣缸而形成充量的旋轉運動，流動順暢，具有較好的流量系數，但其氣缸蓋高度較高，會增加發動機的總體高度。如圖2-1-3所示為法國標志雪鐵龍信團（PSA）生產的2.0LHPi直噴式汽油機壁面引導式燃燒過程所應用的直立式進氣道及其逆向滾流。正向滾流的進氣道則大多傾斜布置在氣缸蓋的一側，而噴油器布置在其下方。圖2-1-4所示為奧迪A3轎車2.0LFSI直噴式汽油機應用這種進氣道和滾流閥的情況，此時火花塞就可以對稱地布置在氣缸中央，對燃燒過程十分有利。第二章發動機燃油噴射新技術Home（2）進氣渦流缸內直噴式汽油機所應用的進氣渦流是進氣空氣通過進氣道的導向而在氣缸中形成的繞氣缸軸線旋轉的充量運動。進氣渦流既適合于分層混合氣形成，也是均質混合氣形成所需要的。歐寶（Opel）動力總成公司2.2LEcotec直噴式汽油機采用均質混合氣運行，每缸具有兩個完全分開的進氣道：切向進氣道（也可采用螺旋氣道）和充氣進氣道（圖2-1-5）在充氣進氣道中裝有渦流調節閥，在部分負荷工況時由伺服電動機通過杠桿機構能將充氣進氣道連續關小直至完全關閉，越來越多的進氣空氣通過切向進氣道進入氣缸，從而提高渦流強度，提高充量均質化，并有利于提高發動機對EGR的相容性。全負荷工況時渦流調節閥完全打開，以充分利用充氣進氣道的流通能力來改善空氣供應獲得高功率，此時得到與進氣道噴射汽油機相同的空氣流動特性。第二章發動機燃油噴射新技術Home2.噴油系統缸內直噴式汽油機噴油系統要求能夠自由選擇噴油時刻和可變的噴油壓力。共軌式噴油系統具有很大的控制自由度，能夠在任意一個時刻通過電控噴油器將存儲在共軌中達到運行工況所要求壓力的燃油精確計量直接噴入燃燒室。首先由燃油箱內的低壓電動燃油泵供油模塊產生0.35～0.40MPa的初級輸油壓力。按需要向由發動機直接傳動的高壓燃油泵供油，它可將燃油共軌中的燃油壓力最高提高到12MPa。噴油器直接連接在燃油共軌上，由電控單元發出的控制信號（噴油脈沖，其寬度即通電持續時間）來確定噴油始點和噴油量。共軌中的燃油壓力由燃油壓力傳感器采集，并由同樣安裝在共軌上的燃油壓力調節器調節到噴油脈譜圖所規定的壓力值。燃油壓力調節器根據負荷狀況調節共軌通往回油管路的通道截面，以控制回油量。但這些多余的燃油量并不是返回到燃油箱，而是直接返回到高壓燃油泵的進油口。這樣就能夠盡可能地減少高壓燃油泵的能量消耗，有利于降低燃油耗。（1）低壓輸油泵缸內直噴式汽油機的低壓輸油泵通常采用與進氣道噴射汽油機一樣的電動燃油泵。大眾公司1.4L/1.6LFSI直噴式汽油機采用了一種可調節供油量的電動燃油泵。為此在低壓進油油路中安裝了一個壓力傳感器，根據此壓力信號，發動機電控單元控制電動燃油泵只供應實際所必需的燃油量，以保持0.40MPa的初級輸油壓力，而不再有多余的燃油回流到燃油箱，這樣有利于降低燃油耗，還具有改變低壓進油壓力的可能性。第二章發動機燃油噴射新技術Home（2）高壓燃油泵直噴式汽油機高壓燃油泵的任務是將燃油壓力由0.35～0.40MPa的初級輸油壓力提高到12MPa，甚至最高達20MPa，并要求泵油流量變化小，以減小共軌中的壓力波動，并應避免燃油與機油混合。高壓燃油泵應具備比發動機全負荷噴油量要求的最大供油量更大的泵油量，以滿足實際運轉中動態壓力變化的需要。缸內直噴式汽油機所應用的高壓燃油泵的結構類型大致有軸向柱塞泵、徑向柱塞泵和直立式柱塞泵三種。從各方面綜合評價的結果來看，徑向柱塞泵更為有利，其中三個柱塞徑向均勻布置，對驅動軸的徑向作用力可部分抵消，而且結構長度較短，特別是可由發動機凸輪軸直接驅動，因此在使用壽命和工作效率方面均具有優勢，直噴式汽油機應用最廣，如圖2-1-6所示。第二章發動機燃油噴射新技術Home這種徑向柱塞泵的供油量波動性主要取決于柱塞的數目。為了獲得較小的供油波動，至少需要三個柱塞交替泵油。徑向柱塞泵由發動機凸輪軸直接驅動在裝配、效率和成本等方面更為有利。大眾1.4L/1.6LFSI分層直噴式汽油機和奧迪A32.0LFSI分層直噴式汽油機都采用了Bosch公司新開發的可按需要調節供油量的HDP2型單柱塞高壓燃油泵（圖2-1-7）。這種高壓燃油泵不僅具有較輕的質量、較小的外形尺寸和較高的效率，而且泵油量能按需調節，降低了高壓燃油泵的驅動功率（約40%），具有明顯的節油效果。第二章發動機燃油噴射新技術Home（3）燃油共軌燃油共軌是一種管狀鑄鋁件，并具有與高壓燃油泵、噴油器、燃油壓力調節閥和燃油壓力傳感器連接的接頭。考慮到燃油的可壓縮性和填充共軌容積所需要的時間，其蓄壓容積的設計應遵循這樣的原則：一方面要求具有較大的蓄壓容積，以便能抑制向噴油器周期性供油而引起的壓力波動以及高壓泵供油的波動性，盡量保持共軌燃油壓力的平穩；另一方面又要求具有盡量小的蓄壓容積，以便共軌壓力能夠足夠迅速地建立起發動機運轉所需要的燃油壓力。一般來講，就排量為2.2L的直噴式汽油機而言，共軌蓄壓容積為45cm3較為合適。第二章發動機燃油噴射新技術Home（4）共軌壓力調節器共軌壓力調節器的基本結構如圖2-1-8所示，其任務是在發動機整個運轉范圍內按照脈譜圖的規定值來調節共軌壓力，而與高壓燃油泵的供油量和噴油器的噴油量無關。這是通過調節其節流閥和閥座之間的橫截面積控制回油體積流量來實現的。由于作用在節流閥上的電磁線圈激勵的電磁力與液壓力保持著動態平衡，所以共軌壓力和勵磁電流之間存在著直接關系，可采用脈寬調制信號來控制電磁線圈中的勵磁電流，從而達到調節共軌壓力的目的。由于這種方式產生的磁性銜鐵的強迫振動沒有摩擦力，并且能幾乎無滯后地動作，因而具有非常高的燃油共軌壓力調節精度。第二章發動機燃油噴射新技術Home（5）共軌壓力傳感器共軌壓力傳感器用于測量共軌中的燃油壓力，其中焊有一片貴金屬薄膜作為傳感元件，在它上面應用薄膜技術制有測量電阻，通過傳感器殼體中的專用集成電路上集成的平衡電路、補償電路和計值電路，即可輸出與共軌燃油壓力相對應的電信號。（6）電控噴油器電控噴油器是缸內直噴式汽油機噴油系統中的核心部件，一方面必須滿足噴油器在結構緊湊的氣缸蓋上的裝配條件，另一方面噴油器必須滿足對較短的噴油持續時間和較大的噴油量線性動態流量范圍等方面特別高的要求，同時燃油噴束特性對于調節分層混合氣燃燒過程又具有特別重要的作用。第二章發動機燃油噴射新技術Home①噴油嘴型式的選擇噴油嘴型式除應具有良好的霧化品質之外，還必須不易積炭，并能夠實現傾斜于噴油器軸線的噴射油束，以及易于加工和適合于大批量生產。表2-1-1為三種噴油嘴型式的綜合評價，其中噴油嘴針閥的開啟方式存在著原則的區別，對其性能產生重大的影響。第二章發動機燃油噴射新技術HomeA型噴嘴針閥向外開啟，具有較好的抗積炭能力，但噴射油束形狀是一個透明的空心圓錐體，霧化品質略差，呈現有限的傘狀油束，較為適合于噴射油束引導的分層燃燒過程。I型旋流噴嘴的針閥向內開啟，并能在密封座面上方產生燃油的橫向旋流，因而能形成良好的霧化品質，并能產生傾斜于噴油嘴軸線的噴射油束，便于噴油器在氣缸蓋上的布置，特別適合于空氣滾流引導和壁面引導的分層燃燒過程。這種霧化方法及其油束方位的靈活性和不易積炭的特點，使其具有明顯的優勢，從而獲得了廣泛應用。多孔噴嘴特點是可通過每一個噴孔噴射出界限分明的單個油束，霧化品質不如旋流噴嘴，但可通過有針對性地設計各個噴孔的長度與孔徑比，調整油束在燃燒室中的位置和單個分支錐形油束的貫穿度，能靈活地適應燃燒室的幾何形狀。第二章發動機燃油噴射新技術Home②噴油器結構及其特點缸內直噴式汽油機噴油系統應用的噴油器，按針閥控制的方式可分為電磁閥控制式噴油器和壓電控制式噴油器兩種：a.電磁閥控制式噴油器缸內直噴式汽油機一般采用電磁閥控制式噴油器。針閥的運動質量較小，能達到高頻率噴油必須快速開關的時間要求，從而在最大噴油持續時間5ms的情況下獲得了噴油量1∶12的線性動態流量范圍，能夠滿足一般缸內直噴式汽油機的要求。這種汽油噴油器的頭部細長，并選用盡可能小的噴油器套直徑，有利于在發動機氣缸蓋上的布置，這樣可以使氣缸蓋有足夠的冷卻水套。但是，隨著升功率的提高，對噴油器最小和最大噴油量之間的噴油量跨度，即噴油量的線性動態流量范圍的要求也有明顯提高。西門子威迪歐（SiemensVDO）汽車電子子公司開發了新一代Deka-D1-XL2型電磁閥控制式噴油器，其噴油量動態范圍＞20。這種新一代噴油器具有的噴油量跨度能適用于升功率高達95kW/L的渦輪增壓汽油機。第二章發動機燃油噴射新技術Homeb.壓電控制式噴油器壓電噴油器，具有更迅速的針閥開關特性，能夠獲得更精確的燃油計量和更小的噴油量，不但能夠降低噪聲和燃油耗，還能減少有害物的排放。圖2-1-9所示的是SiemensVDO公司開發的壓電噴油器。這種噴油器最重要的特點是壓電執行器以及由其直接操縱的向外開啟的針閥和機油阻尼熱補償器等，具有高的抗結焦能力和非常短的開關時間（0.2ms），并能實現多次噴射以及噴嘴針閥的全升程和部分升程。其最短的噴油時間可達0.1ms，同時具有高的靜態流量值，大大拓展了噴油器的動態流量范圍。壓電噴油器具有重復性較好的高計量精度、穩定的錐形油束和高的抗結焦能力，特別適合于油束引導燃燒過程，并能夠在很大的運行范圍內實現充量分層運轉，從而使汽車獲得特別好的行駛經濟性。第二章發動機燃油噴射新技術Home3.點火系統缸內直噴式汽油機的點火系統普遍采用分缸獨立高能點火系統，各缸的高能點火線圈直接與火花塞相連，因而對火花塞提出了更高的要求：（1）高的耐熱性能為了實現分層燃燒，混合氣應有足夠的時間暴露在火花塞觸點周圍，點火點應盡量深入到易于點燃的、足夠濃的混合氣區域，并且為了保證穩定可靠地點燃，火花塞電極周圍處于著火界限內的混合氣區域應足夠大，因此缸內直噴式汽油機的火花塞要位于燃燒室較深的部位，其端部的溫度也要比進氣道噴射汽油機更高，因而必須具有更高的耐熱性能。為了使火花塞能夠更好地散熱，采用以下措施：①采用突出的金屬殼來降低接地電極的溫度；②采用銅芯接地電極來傳熱。（2）高的抗積炭性能分層燃燒時，較濃的混合氣集中在火花塞周圍，特別是油束引導的分層燃燒過程噴射的油束會直接碰撞到火花塞，導致火花塞更容易積炭，這將會降低火花塞的絕緣性能而引起漏電，從而導致火花塞不點火，因此缸內直噴式汽油機用的火花塞應具有自潔能力和高抗積炭性能。為此，采用以下措施來提高火花塞的抗積炭性能：①采用直徑較小的直形絕緣體末端來提高自潔能力；②減小火花塞間隙，防止積炭；③采用兩段直徑中心電極來提高自潔能力；④采用半表面放電型設計來提高自潔能力。第二章發動機燃油噴射新技術Home（3）高的點火性能和耐久性為了實現分層稀燃，必須確保在稀混合氣中穩定可靠地點火，因此要求火花塞具有高的點火能量和較長的火花持續時間，并用銥合金的觸點來提高火花塞的耐久性。目前用于缸內直噴的火花塞的類型、特征及性能見表2-1-2。第二章發動機燃油噴射新技術Home4.排氣后處理系統均質燃燒直噴式汽油機由于與進氣道噴射汽油機一樣，在所有運轉工況下都用過量空氣系數或空燃比來表示混合氣濃度。無論是HC還是NOx排放都與進氣道噴射汽油機差不多，因此排氣后處理相對比較簡單。可采用進氣道噴射汽油機已廣泛應用的三效催化轉化器系統來進行排氣后處理。在三效催化轉化器中三種主要污染物CO、HC和NOx能同時被高效地凈化，當發動機的過量空氣系數在1附近時，其轉化效率最高。為此由發動機電控系統中的空燃比調節功能（圖2-1-10），通過進氣空氣質量流量計和安裝在三效催化轉化器前的λ傳感器（氧傳感器）來調節噴油量，以實現所需要的精確的過量空氣系數。第二章發動機燃油噴射新技術Home三效催化轉化器的芯子由圓形或橢圓形的蜂窩狀多孔陶瓷（MgO2、Al2O3、SiO2）載體及其表面的催化涂層所組成，其體積是汽油機排量的50%～80%左右。為了在較小的體積內具有較大的催化表面，將三效催化轉化器的芯子載體做成蜂窩狀通道，蜂窩密度越大，單位體積中的催化表面越大，一般為400目（蜂窩通道數/英寸），蜂窩通道壁厚在0.2mm左右，單位體積中的載體表面在28cm2/cm3以上，能承受980℃以上高溫。載體蜂窩通道壁表面涂層（圖2-1-11）的主要活性催化材料是貴金屬鉑（Pt）和銠（Rh），用量為每升載體1.4～1.7g。鉑（Pt）主要催化HC和CO的氧化反應，而銠（Rh）則催化NOx的還原反應。兩者的用量比例為5∶1。第二章發動機燃油噴射新技術Home當汽油機以過量空氣系數等于1的混合氣運行，排氣流經三效催化轉化器蜂窩通道時，其中的CO和HC在鉑（Pt）的催化作用下被剩余的O2氧化凈化成CO2+H2O，而所產生的H2和沒有氧化凈化完的CO和HC作為NOx還原反應凈化成N2所必需的還原劑。這樣，三種主要污染物CO、HC和NOx就能同時轉化凈化。如果混合氣太稀（λ＞1），空氣過量，排氣中的O2就富余，CO和HC及其氧化反應所產生的H2就會首先被完全氧化掉，因此NOx的還原凈化反應因缺乏還原劑而無法進行。相反，如果混合氣太濃（λ＜1），空氣不足，排氣中的O2就不足以使得CO和HC被氧化凈化。三效催化轉化器對CO、HC和NOx的轉化凈化效率還與溫度有關，通常將催化轉化效率達到50%的溫度稱為三效催化轉化器的起燃溫度，一般為250℃左右。為了提高轉化凈化效率和防止過熱，三效催化轉化器的使用溫度應控制在350～450℃。采用三效催化轉化器的汽油機轎車，在城市標準測試循環中排放污染物的50%～80%是在冷啟動后1min內排放的。因此提高三效催化轉化器在冷啟動時的轉化凈化效率是滿足越來越嚴格的排放標準的關鍵。為此，缸內直噴式汽油機將三效催化轉化器置于與排氣管緊密耦聯的位置，以便減少經過連接管路時的熱量損失，使得三效催化轉化器能在冷啟動時迅速升溫以及在低負荷時保持足夠高的工作溫度，有利于提高其催化轉化效率。第二章發動機燃油噴射新技術Home隨著使用時間的增長，三效催化轉化器的活性表面也會老化失效，具體表現為轉化凈化效率下降，起燃溫度上升。通常，汽車經過15萬公里行駛以后，三效催化轉化器的起燃溫度會從250～270℃提高到350℃以上，而CO和HC的轉化凈化效率減少20%～30%，NOx的轉化凈化效率減少50%。三效催化轉化器老化的主要原因有兩個：（1）過熱老化：由于使用溫度過高造成催化轉化器載體表面燒結而導致活性損失，一般三效催化轉化器的使用溫度不宜超過900℃。在日常使用中應盡量避免長時間高速高負荷行駛或急加速。（2）化學毒化：燃油和潤滑油中的一些元素（如鉛、硫等）和催化轉化器載體表面活性材料反應，或覆蓋在催化轉化器載體的活性表面上，造成催化轉化器轉化效率下降，因此使用三效催化轉化器的汽油機必須使用無鉛汽油，并對使用的潤滑油的成分提出了新的要求，在日常使用中必須使用規定的汽油和潤滑油牌號，絕不能任意更換。5.電子控制系統均質燃燒缸內直噴式汽油機由于運行狀況與進氣管噴射汽油機相似，電控系統也基本相似。第二章發動機燃油噴射新技術Home大眾燃油分層直噴技術FSI(FuelStratifiedInjection)是近幾年在汽車工程界脫穎而出的汽油發動機技術。FSI發動機在2000年開始應用在批量生產的車型上，先后塔載在大眾高爾夫、波羅、帕薩特、奧迪等不同型號的車型上。現在的FSI發動機有三種工作方式：分層充氣模式、均質稀混合氣模式、均質混合氣模式，在不同的工況下采用不同的混合氣濃度。FSI發動機按照發動機負荷工況，可以自動選擇在低負荷時采用分層充氣模式；在高負荷時則采用均質混合氣模式；在中間負荷狀態時，采用均質稀混合氣模式。在三種運行模式中，燃料的噴射時間有所不同，真空作用的開關閥進行開啟/關閉來控制進氣氣流的形態。二、大眾FSI第二章發動機燃油噴射新技術Home1.分層充氣模式如圖2-1-12所示，在這種工作模式中過量空氣系數為1.6～3。在分層充氣模式下，空氣經過接近全開的節氣門（節氣門不能完全打開，因為總要保持一定的真空用于活性碳罐裝置和廢氣再循環裝置）引入燃燒室。此時，進氣歧管翻板會將下部進氣道完全關閉，這樣吸入的空氣在上部進氣道流動的速度就加快了，于是空氣會呈旋渦狀流入氣缸內。活塞上的凹坑會增強這種渦旋流動效果，與此同時，節氣門會進一步打開，以便盡量減小節流損失。在壓縮行程上止點前約60時，高壓燃油以50～110bar的壓力噴入到火花塞附近。燃油的噴射時刻對混合氣的形成有很大的影響，混合氣形成只發生在40～50曲軸角之間，如果曲軸角小于這個范圍就無法點燃混合氣，如果曲軸角大于這個范圍，混合氣就變成均質充氣了，如此稀薄的均質混合氣是無法點燃的。由于燃油噴射角非常小，燃油霧氣實際并不與活塞頂接觸，所以稱為“空氣引入”方式，并且只在火花塞附近聚集了具有良好點火性能的混合氣，這些混合氣在壓縮行程中被點燃。另外在燃燒后，被點燃的混合氣與氣缸壁之間會出現一個隔離用的空氣層，它的作用是降低通過發動機缸體散發掉的熱量，提高了熱效率。分層充氣模式并不是在整個特性曲線范圍內都能實現的。特性曲線范圍受到限制，這是因為當負荷增大時，需要使用較濃的混合氣，燃油消耗方面的優勢也就隨之下降了。另外，當過量空氣系數小于1.4時，燃燒穩定性就變差了，這是因為轉速升高后，混合氣準備時間就不足了，且空氣的渦旋流動也對燃燒穩定性產生不利的影響。第二章發動機燃油噴射新技術Home第二章發動機燃油噴射新技術Home2.均質稀混合氣模式如圖2-1-13所示，這種工作模式的過量空氣系數為1.55左右，在這種工作模式下也和分層充氣一樣，節氣門開度大，進氣歧管關閉，不過是在點火上止點前300℃左右時噴入燃油，這樣形成混合氣的時間比較長，有利于形成均勻的稀混合氣，這種工作模式稱為均質稀混合氣模式。均質稀混合氣模式是一種特殊的工作模式，同分層充氣模式一樣，也只能在一定的轉速范圍內正常工作，并且還需要滿足以下條件：（1）沒有與排放系統有關的故障。（2）冷卻液溫度必須超過50℃。（3）氮氧化物催化轉換器的溫度為250～500℃范圍內。（4）進氣閥必須保持關閉狀態。在均質稀薄燃燒這種運行模式中，燃油在進氣沖程噴射，并且由于產生加速稀薄混合氣燃燒的縱渦流，開關閥被關閉。這時，阻礙燃燒的廢氣再循環（EGR）暫不進行。與均質理論空燃比燃燒不同的是，吸入空氣量超過燃油噴射量燃燒的需要，此時的過量空氣系數大于1。第二章發動機燃油噴射新技術Home第二章發動機燃油噴射新技術Home3.均質混合氣模式如圖2-1-14所示，均質混合氣模式的過量空氣系數為1。節氣門開度按照油門踏板的位置來控制，在發動機負荷較大且轉速較高時，進氣歧管翻板就會完全打開，于是吸入的空氣就經過上、下進氣道進入氣缸。燃油噴射并不是像分層充氣模式那樣在壓縮行程時發生，而是發生在進氣行程中，這樣燃油和空氣就有更充足的時間來混合，并且可以利用空氣流動旋轉的渦流來擊碎燃油顆粒，使之混合更加充分。均質模式的優點在于燃油是直接噴入燃燒室內，而吸入的空氣可抽走一部分燃油汽化時所產生的熱量。這種內部冷卻可以降低爆震趨勢，因此可以提高發動機的壓縮比和熱效率。在高負荷中所進行的均質理論空燃比燃燒中，燃油則是在進氣沖程中噴射。理論空燃比的均質混合氣易于燃燒，不必借助渦流作用，由于進氣阻力減少，開關閥打開。而在全負荷以外，進行廢氣再循環，限制泵吸損失，采用直噴化可使壓縮比提高到12∶1，即使在均質理論空燃比混合氣燃燒中，仍能降低燃油消耗。第二章發動機燃油噴射新技術Home第二章發動機燃油噴射新技術Home大眾FSI發動機具有獨特的燃燒室和活塞頂的結構，發動機工作時，在一個工作循環過程中進行兩次噴油，當發動機進入進氣行程時，噴油器第一次向氣缸內噴入較少的燃油，這與普通的電噴發動機在進氣管內噴油類似，但由于噴油量較小，氣缸內混合氣濃度也相對較稀。在進入壓縮行程后，較稀的混合氣甚至不能在火花塞發出的電弧下發火燃燒，這樣就避免了汽油在高壓縮比下產生爆燃。當進入壓縮行程末段時，活塞還未運動到上止點時，噴油器在氣缸內進行第二次噴油。此時，高速噴出的燃油在高壓下，借助活塞頂部的特殊凹陷結構在氣缸內形成強渦流，運動到燃燒室頂部，在火花塞附近形成一個混合氣濃度相對較高的區域，此處混合氣的濃度足以保證火花塞放出的電弧能將其引燃，在渦流的作用下，火焰也很快從混合氣濃度較高的區域擴散到濃度較低的區域。利用這一過程，較高的壓縮比和強大的渦流就使稀薄的混合氣可以在氣缸內充分燃燒，提高了汽油的燃燒效率，達到增大功率的同時又節省了燃油的消耗量。這就是大眾的FSI發動機的工作過程。實際上，在這一過程中為了實現稀薄燃燒的目的，燃油的分層燃燒才是最核心的技術，而將燃油直接噴射到氣缸中，只是實現燃油分層燃燒的技術基礎第二章發動機燃油噴射新技術Home三、三菱GDI三菱GDI(GosolineDirectInjection)發動機采用更為主動的方法實現分層燃燒。利用噴油器主動向火花塞附近噴油，噴出的燃油會形成喇叭狀，越靠近噴油嘴的區域，混合氣濃度就越高，越遠離噴油嘴的區域，混合氣的濃度也就越低，利用這一原理將噴油器布置在火花塞附近，就更利于形成混合氣濃度較高的區域。GDI發動機和FSI發動機都是采用一個工作循環兩次噴油的供油方式，GDI發動機在第一次噴油時，其過程和所實現的目的與FSI發動機完全相同，而在第二次噴油時，GDI發動機則不需要利用渦流來形成混合氣濃度相對較高的區域，如圖2-1-15所示。表2-1-3列出了GDI的主要技術、目標和方法。第二章發動機燃油噴射新技術Home第二章發動機燃油噴射新技術Home第二章發動機燃油噴射新技術第二節柴油機共軌技術一、柴油機電控系統簡述二、燃油系統的組成及工作原理三、電控系統的構成及工作原理四、典型高壓共軌噴射系統介紹Home一、柴油機電控系統簡述柴油機電控系統的發展柴油機電控系統的發展經歷了三代：（1）第一代（位置控制方式）柴油機電控技術的發展保留了傳統柴油機供給系統的基本組成和結構，只是取消了機械控制部件（調速器等），增加了傳感器、ECU、執行器等組成的控制系統，使控制精度和響應速度得以提高。柴油機的結構幾乎不需改動，便于對現有柴油機進行升級換代，但響應慢，控制精度不高，供油壓力不能控制。在直列柱塞泵上實施位置控制的有：日本電裝公司的ECD-P1、ECD-P2、ECD-P3系統，德國博世（Bosch）公司的EDR系統，美國卡特皮勒（Caterpiller）公司的PEEC系統等。在分配泵上實施位置控制的有：日本電裝（Denso）公司的ECD-V1系統，德國Bosch公司的EDC系統，美國思達耐（Standyne）公司的PCF系統等。第二章發動機燃油噴射新技術Home（2）第二代（時間控制方式）第二代柴油機電控系統基本保留了傳統燃油供給系統的組成和結構，通過高速電磁閥直接控制高壓燃油的適時噴射。一般情況下，電磁閥關閉，執行噴油；電磁閥打開，噴油結束。因此既可實現供油量控制，又可實現供油正時的控制。控制自由度更大，供油加壓與供油調節在結構上相互獨立，使噴油泵結構得以簡化，強度得到提高。高壓噴油能力大大加強，但供油壓力無法控制。在分配泵上實施時間控制的有日本電裝公司的ECD-V3系統，美國Standyne公司的DS型和RS型（DS型已用于GM公司1994年的增壓柴油機，RS型已用于GM公司的客貨兩用車和越野車），日本豐田公司的ECD-2系統；電控泵噴嘴系統有德國Bosch公司的PDE27/PDE28系統等。第二章發動機燃油噴射新技術Home（3）第三代（時間-壓力控制方式）該方式基本改變了傳統燃油供給系統的組成和結構，主要以電控共軌（各缸噴油器共用一個高壓油管）式噴油系統為特征，直接對噴油器的噴油量、噴油正時、噴油速率和噴油規律、噴油壓力等進行時間-壓力控制。油壓油泵并不直接控制噴油，而僅僅向共軌供油以維持所需的共軌壓力，并通過連續調節共軌壓力來控制噴射壓力，可實現高壓噴射（最高達200MPa），噴射壓力獨立于發動機轉速，可實現理想噴油規律，具有良好的噴射特性。目前在卡車和轎車柴油機上得到廣泛應用，發展迅速。國外典型共軌噴射系統有日本電裝公司的ECD-U2系統，美國Caterpiller公司的HEUI系統等。第二章發動機燃油噴射新技術Home2.柴油機燃油噴射系統的優點（1）改善低溫起動性電子控制系統能夠以最佳的程序替代駕駛員進行麻煩的起動操作，使柴油機低溫起動更容易。（2）降低氮氧化物的排放和煙度采用柴油機電控技術，可精確地將噴油量控制在不超過冒煙界限的適當范圍內，同時根據發動機工況調節噴油時刻，從而有效地抑制排煙。（3）提高發動機運轉穩定性采用柴油機電控系統，無論負荷怎樣增減，都能保證發動機怠速工況下以最低的轉速穩定運轉，有利于提高其經濟性。（4）提高發動機的動力性和經濟性柴油機電控系統中，ECU根據傳感器信號精確計算噴油量和噴油正時，從而提高發動機的動力性和經濟性。（5）精確控制渦輪增壓采用電子控制技術可以對增壓裝置進行精確的控制。（6）適應性廣只要改變ECU的控制程序和數據，一種噴油泵就能廣泛應用在各種柴油機上，而且柴油機燃油噴射控制可與變速器控制、怠速控制等各種控制系統進行組合實現集中控制，有利于縮短柴油機電控系統開發周期，降低成本，從而擴大柴油機電控系統的應用范圍。第二章發動機燃油噴射新技術Home汽車柴油機電控高壓共軌噴油系統由低壓供油部分和高壓供油部分組成，如圖2-2-1、圖2-2-2所示。二、燃油系統的組成及工作原理第二章發動機燃油噴射新技術Home第二章發動機燃油噴射新技術Home1.低壓部分低壓部分向高壓部分提供足夠的燃油，其主要組成部件如圖2-2-3所示。（1）輸油泵輸油泵的任務是在任何工況下，為燃油提供所需壓力，并在整個使用壽命期內，向高壓泵提供足夠的燃油。目前輸油泵有兩種類型，即電動輸油泵（滾子葉片泵）和機械驅動的齒輪泵。電動輸油泵用于乘用車和輕型商用車。除了向高壓泵輸送燃油外，電動輸油泵在監控系統中還起到了在必要時中斷燃油輸送的作用；齒輪輸油泵用于乘用車和輕型商用車的共軌噴油系統中，向高壓泵輸送燃油。其裝在高壓泵中，與高壓泵共用驅動裝置，或裝在發動機旁配有單獨的驅動裝置。驅動裝置一般為聯軸節、齒輪或齒帶。（2）燃油濾清器燃油中的雜質可能使泵油元件、出油閥和噴油嘴損壞，因此使用滿足噴油系統要求的燃油濾清器是保證發動機正常工作和延長使用壽命的前提條件。第二章發動機燃油噴射新技術Home2.高壓部分高壓部分除了產生高壓力的組件外，還有燃油分配和計量組件，如圖2-2-4所示。第二章發動機燃油噴射新技術Home（1）高壓泵高壓泵（圖2-2-5）位于低壓部分和高壓部分之間，它的任務是在車輛所有工作范圍和整個使用壽命期間，在共軌中持續產生符合系統壓力要求的高壓燃油，以及快速啟動過程和共軌中壓力迅速升高時所需的燃油儲備。高壓泵通常裝在柴油機上，以齒輪、鏈條或齒形皮帶連接在發動機上，最高轉速為3000r/min，依靠燃油潤滑。調壓閥通常直接裝在高壓泵旁，或固定在共軌上。第二章發動機燃油噴射新技術Home燃油是由高壓泵內三個相互呈120徑向布置的柱塞壓縮的。由于每轉一圈有三個供油行程因此驅動峰值扭矩小，泵驅動裝置受載均勻。驅動扭矩為16N·m，僅為同等級分配泵所需驅動扭矩的1/9左右，所以共軌噴油系統對泵驅動裝置的驅動要求比普通噴油系統低，泵驅動裝所需的動力隨共軌壓力和泵轉速（供油量）的增加而增加。排量為2L的柴油機，額定轉速下共軌壓力為135MPa時，高壓泵（機械效率約為90%）所消耗功率為3.8kW。噴油嘴中的泄漏和所需的噴油量，及調壓閥的回油，使其實際功消耗率要更高些。燃油通過輸油泵加壓經帶油水分離器的濾清器送往安全閥，通過安全閥上的節流孔將燃油壓到高壓泵的潤滑和冷卻回路中。帶偏心凸輪的驅動軸或彈簧根據凸輪形狀相位的變化而將泵柱塞推上或壓下。如果供油壓力超過了安全閥的開啟壓力（0.05～0.15MPa），則輸油泵可通過高壓泵的進油閥將燃油壓入柱塞腔（吸油行程）。當柱塞達到下止點后而上行時，進油閥被關閉，柱塞腔內的燃油被壓縮，只要達到共軌壓力就立即打開排油閥，被壓縮的燃油進入高壓回路。到上止點前，柱塞一直泵送燃油（供油行程）。達到上止點后，壓力下降，排油閥關閉。柱塞向下運動時，剩下的燃油降壓，直到柱塞腔中的壓力低于輸油泵的供油壓力時，吸油閥再次被打開，重復進入下一工作循環。第二章發動機燃油噴射新技術Home第二章發動機燃油噴射新技術（2）調壓閥調壓閥的任務是根據發動機的負荷狀況調整和保持共軌中的壓力：共軌壓力過高時，調壓閥打開，一部分燃油經回油管返回油箱；共軌壓力過低時，調壓閥關閉，高壓端對回油管封閉。調壓閥（圖2-2-6）有安裝法蘭，用以固定在高壓泵或共軌上。銜鐵銷將鋼球壓在密封座上，以使高壓端對低壓端密封。一方面彈簧將銜鐵銷往下壓，另一方面電磁線圈還對銜鐵銷有作用力。為進行潤滑和散熱，整個電磁閥周圍都有燃油流過。調壓閥有兩個調節回路：低速電調節回路，用于調整共軌中可變化的平均壓力值；高速機械液壓調節回路，用于補償高頻壓力波動。Home第二章發動機燃油噴射新技術共軌或高壓泵出口處的高壓燃油通過高壓油進口作用在調壓閥上。由于無電流的電磁線圈不產生作用力，燃油的高壓力大于彈簧力，調壓閥打開。根據供油量的大小，調壓閥調整打開的開度。該彈簧是按最大壓力約10MPa設計的。如果要提高高壓回路中的壓力，就必須在彈簧力的基礎上再建立電磁力。當電磁力和彈簧力與燃油高壓力達到平衡時，調壓閥停留在某個開啟位置，燃油壓力保持不變。泵油量的變化和燃油從噴油器中噴出時，調壓閥通過不同的開度予以補償。電磁閥的電磁力與控制電流成正比，而控制電流的變化通過脈寬調制來實現。脈寬的調制頻率為1kHz，可避免銜鐵銷的運動干擾共軌中的壓力波動。（3）共軌共軌的任務是存儲高壓燃油，高壓泵的供油和噴油所產生的壓力波動由共軌的容積進行緩沖。在輸出較大燃油量時，所有氣缸共用的共軌壓力也應保持恒定，從而確保噴油器打開時噴油壓力不變。由于發動機的安裝條件不同，帶流量限制器（選裝件）、共軌壓力傳感器、調壓閥和限壓閥的共軌（圖2-2-7、圖2-2-8）可進行不同的設計。Home第二章發動機燃油噴射新技術Home第二章發動機燃油噴射新技術（4）噴油器噴油始點和噴油量用電子控制的噴油器調整，它替代了普通噴油系統中的噴油嘴和噴油器總成。與直噴式柴油機中的噴油器體相似，噴油器用卡夾裝在氣缸蓋中。共軌噴油器在直噴式柴油機中的安裝不需要氣缸蓋在結構上有很大改變。噴油器由孔式噴油嘴、液壓伺服系統、電磁閥組件構成。如圖2-2-9所示，燃油從高壓接頭經進油通道送往噴油器，并經過進油節流孔進入閥控制室，而閥控制室經由電磁閥控制的回油節流孔與回油孔相通。出油節流孔在關閉狀態時，作用在閥控制活塞上的液壓力大于作用在噴油嘴針閥承壓面上的力，噴油嘴針閥被壓在其座面上，緊緊關閉通往噴油孔的高壓通道，因而沒有燃油噴入燃燒室。電磁閥動作時，打開回油節流孔，閥控制室內的壓力下降，只要作用在閥控制活塞上的液壓力小于作用在噴油嘴針閥承壓面上的力，噴油嘴針閥立即打開，燃油經過噴孔噴入燃燒室。用電磁閥不能直接產生迅速關閉針閥所需的力，因此采用經液力放大系統間接控制噴油嘴針閥。其間除噴入燃燒室的燃油量之外，附加的控制油量經控制室的回油節流孔進入回油通道，此外還有針閥導向和閥活塞導向部分的泄油。這種控制油量和泄油量經集油管（溢流閥、高壓泵和調壓閥也與集油管接通）的回油通道返回油箱。Home第二章發動機燃油噴射新技術在發動機和高壓泵工作時，噴油器的功能可分為四個工作狀態：噴油器關閉（依靠其中存有的高壓）、噴油器打開（噴油開始）、噴油器完全打開、噴油器關閉（噴油結束）。上述工作狀態是通過噴油器構件上力的分配產生的。發動機不工作和共軌中沒有壓力時，噴油嘴彈簧將噴油器關閉。①噴油器關閉（靜止狀態）電磁閥在靜止狀態不被控制，因此是關閉的，如圖2-2-9（a）所示。回油節流孔關閉時，銜鐵的鋼球通過閥彈簧壓在回油節流孔的座面上。閥控制室內建立起共軌高壓，同樣的壓力也存在于噴油器的內腔容積中。共軌壓力在控制柱塞端面上施加的力和噴油嘴彈簧力使針閥克服作用在其承壓面上的開啟力而處于關閉狀態。Home第二章發動機燃油噴射新技術Home第二章發動機燃油噴射新技術②噴油器打開（噴油開始）噴油器處于靜止狀態時，一旦電磁線圈通入吸動電流，電磁線圈的吸力大于閥彈簧力，銜鐵就將回油節流孔打開，如圖2-2-9（b）所示。由于磁路的空隙較小，因此有可能在極短的時間內，急劇升高的吸動電流轉換成較小的電磁閥保持電流。隨著回油節流孔的打開，燃油從閥控制室流入其上面的空腔，并經回油通道返回油箱，使閥控制室內的壓力下降，而進油節流孔可防止壓力完全平衡，導致閥控制室內的壓力小于噴油嘴內腔容積中的壓力，從而針閥被打開，開始噴油。針閥的開啟速度取決于進、回油節流孔之間的流量差。控制柱塞達到其上極限位置，并在該處固定在進、回油節流孔之間的燃油墊上。此時噴油器完全被打開，燃油以近似共軌壓力噴入燃燒室。噴油器上的力分布大致等于開啟階段中的力分布。Home第二章發動機燃油噴射新技術③噴油器關閉（噴油結束）如果電磁閥控制電流結束，則銜鐵在閥彈簧力的作用下向下將鋼球壓在閥座上，關閉回油節流孔。銜鐵被設計成由兩部分組合，雖然銜鐵盤由銜鐵銷帶著一起向下運動，但它是壓著回位彈簧一起向下運動的，因此銜鐵和鋼球的落座沒有較大的向下沖擊力。由于回油節流孔的關閉，進油節流孔的進油又使控制室中建立起與共軌中相同的壓力，從而使作用在控制活塞上的力增加，再加上彈簧力，超過了噴油嘴內腔容積中的液壓力，于是針閥關閉。Home第二章發動機燃油噴射新技術三、電控系統的構成及工作原理電控系統的組成電控系統由噴油泵、油軌、噴油器、ECU、電子油門踏板、傳感器和執行器等組成。現有Bosch共軌系統分輕型和重型，輕型系統主要適用于3.5噸以下卡車和乘用車，該系統采用EDC16控制系統，重型車采用EDC7控制系統。Home第二章發動機燃油噴射新技術2.電控系統的工作原理ECU根據駕駛員的需求，即電子油門踏板的位置（輸入到ECU里的油門電壓信號），以及發動機和車輛當前的工況（發動機轉速、冷卻液溫度、當前負載等），在ECU內計算出駕駛員需要的噴油量、噴油時刻、噴油次數和噴油壓力（噴油時的軌壓），并發出指令使軌壓控制在需要值和讓噴油器按計算結果噴油。ECU典型功能介紹：軌壓控制功能：軌壓的控制是閉環控制，ECU發出指令要求軌壓控制到設定值，軌上的軌壓傳感器會回饋當前軌壓信息給ECU，形成一個閉環。

EGR系統：ECU根據不同工況下在標定數據中計算出的需要的新鮮進氣量，總進氣量減去新鮮進氣則為需要的廢氣再循環量，通過控制真空電磁閥來控制EGR閥的開度，以得到需要的廢氣循環量。ECU發出指令要求新鮮的進氣量為設定值，空氣流量計回饋當前新鮮進氣量。此控制也是一個閉環控制過程。修正功能：ECU還可以根據發動機的溫度、大氣壓力傳感器的數據，進行噴油量、噴油始點、噴油次數、噴油壓力及預熱時間等的修正以適應特定的工況，例如得到在低溫下更好的冷起動性能，在高原上盡可能保證動力性的情況下得到更好的排氣煙度等。預熱功能：歐III預熱控制系統與歐II系統相比，安裝布置和原理未更改，只是ECU控制策略不同。歐II系統預熱策略、控制和預熱塞加電都由預熱ECU完成。歐III系統控制策略、控制由ECU完成，預熱控制器（GCU）只是執行ECU的指令，為預熱塞加電，僅起繼電器作用。Home第二章發動機燃油噴射新技術四、典型高壓共軌噴射系統介紹德國Bosch高壓共軌系統到目前為止，Bosch公司總共規劃和設計了四代高壓共軌系統。圖2-2-10所示為Bosch公司的高壓共軌噴射系統。第一代已經于1997年批量投放市場，噴射壓力達135MPa，主要應用于轎車。第二代于2000年開始量產，最大系統壓力為160MPa，并開始使用具有油量調節功能的高壓泵，經改進的電磁閥噴油器噴射循環由預噴射、主噴射和多級噴射等多次噴射組成，主要適用于功率在55kW/L以下的發動機，采用降噪新技術。Home第二章發動機燃油噴射新技術Home第二章發動機燃油噴射新技術2003年5月，Bosch公司開始生產創新的壓電直列技術的第三代共軌系統。前兩代的共軌系統Bosch公司主要重視提高噴油壓力，而第三代共軌系統的重心轉移到系統的技術復雜度和精密度上，其壓力暫時保持在160MPa。第三代共軌系統的特殊之處在于它采用了一個快速開關的緊湊的壓電直列噴油器。一個壓電執行器內置于噴油器軸體上，且非常靠近噴油器噴嘴針閥。新的噴油器減少了約75%的運動件及75%的質量（圖2-2-11）。與電磁閥執行器的共軌系統噴油器