缸内直喷汽油机与高压共轨柴油机 燃油供给系统对比

王茂美，孔晓林，牛雅丽，刘敏杰

（北京电子科技职业学院，北京 100176）

汽油机缸内直喷技术是当今汽油机发展的前沿技术之一，随着能源危机和各国排放法规越来越严格，汽油机缸内直喷技术备受各大汽车厂商的青睐。汽油机缸内直喷技术采用和柴油机相同的燃油喷射工作方式，直接向气缸内喷射燃油。这是汽车史上的一个创举，实现了人类对于汽车低油耗低排放的设想，缸内直喷发动机也是21世纪最具潜力的发动机之一。

日趋严重的能源危机使柴油机成为全世界内燃机行业关注的焦点，相比传统汽油机，柴油机燃油经济性好，高压共轨技术解决了柴油机排放控制的难点，使得柴油机市场越来越被看好，柴油车越来越受到用户青睐。

1 燃油供给系统总成对比

1.1 缸内直喷汽油机燃油供给系统总成

1.低压燃油系统结构

低压燃油系统结构如图1所示。

图1 低压燃油系统结构

区别于传统的进气道燃油喷射系统，缸内直 喷汽油机的低压油路增加了燃油泵门控开关、燃油低压压力传感器G410、油泵控制单元J538。当驾驶员侧车门开启时，燃油泵门控开关即控制燃油泵开始工作，燃油泵被触发2 s，同时车门开关信号被送至发动机控制单元。燃油泵提前工作是为了迅速建立高压以缩短车辆的启动时间。燃油低压压力传感器G410采用的是传统的三线式。部分车辆还具有碰撞燃油切断装置，当车辆发生碰撞时，切断装置通过燃油泵继电器断开燃油泵，以防爆炸事故的发生。

2.高压燃油系统结构

（1）第二代高压燃油系统

第二代高压泵高压油路系统由高压油泵、燃油压力调节器、燃油压力传感器、燃油导轨、喷油器、限压阀及低压回油燃油管等组成，如图2所示。

图2 第二代高压燃油系统结构图

（2）第三代高压燃油系统

第二代和第三代高压燃油系统结构和工作原理相近，第三代高压油路系统中的限压阀集成在高压油泵中，燃油分配管至燃油泵的回油管已省去。目前，第三代高压燃油系统占据市场主流，如图3所示。

图3 第三代高压燃油系统

（3）高压喷油器

缸内直喷汽油机是在发动机压缩行程末喷入气缸燃油，燃油压力必须高于缸内气体压力，燃油才能雾化喷射，因此需采用高压喷油器。常见的是多孔式喷油器，其内部结构与传统喷油器相似。喷油器上具有加工精度极高的喷油孔，可以喷射出圆锥形的雾状燃油，此种喷油器结构的设计使得节气门全开或预热三元催化转化器的二次喷射中，避免燃油的喷射覆盖整个活塞顶部，此举可极大地降低HC化合物的排放。当发动机冷机时，此种喷油器的结构可以使用很少的燃油混入发动机机油中，防止发动机机油被稀释，影响发动机润滑能力。喷油器的末端设计成细长状，目的是提高冷却效果，如图4所示。

图4 缸内直喷高压喷油器

喷油器由于工作时，燃油室内的压力比较大，采用电瓶电压无法完成动作。在脉冲编码调制（Pulse Code Modulation, PCM内部有升压转换器，在喷油器工作时，提供大约65 V的电压。

（4）高压油泵

目前，国内汽车厂商大都采用第三代高压油泵，它可以在燃油压力调节器不通电的状态下产生高的油压，此时进油阀依赖于吸油冲程中的压力开启。高压油腔也可以在燃油压力调节器不通电的情况下充填。

第三代高压油泵在发动机启动过程开始的时候，就向燃油输送压力，不需要让电子控制单元（Electronic Control Unit, ECU）先将燃油压力调节器“调节到状态”时才送压。高压油泵是通过进气凸轮轴上的凸轮来驱动的，压力与发动机转速有关。车辆在冷启动时，这种驱动能快速产生压力。除此以外，高压油泵通过较大的柱塞直径（10 mm），促进压力的快速形成。基于这些因素，车辆在冷启动时进气阶段开始后只要0.5 s的时间，在燃油导轨中的油压就可以达到6 MPa以上，如图5所示。

图5 第三代高压油泵

第三代高压油泵具有大容量的减压腔，有两个减压器膜集成安装在高压油泵内，此种设计防脉动减压效果好。减压器膜隔出的上、下的单个室腔的通道是互相连通的。

当高压燃油管路到达目标燃油压力时，PCM控制燃油计量阀，使用打开一定的开度，使多余的燃油流回低压燃油管路，如图6所示。

图6 燃油计量器

1.2 高压共轨式柴油机燃油供给系统总成

高压共轨式柴油机燃油供给系统主要由低压供油部分和高压供油部分等组成。低压供油部分包括燃油箱、吸入侧燃油滤清器（粗滤）、电动输油泵、低压输油泵、压力侧燃油滤清器（细滤）及低压油管。高压供油部分包括带燃油泵执行器的高压燃油泵、高压油管、作为高压存储器的共轨、油轨减压阀和喷油器、回油管等，如图7所示。

图7 高压共轨式燃油供给系统

1.高压燃油泵

高压燃油泵是高压油路和低压油路的分界面，在发动机的所有工况下，它主要负责供给燃油系统足够的高压燃油，同时还必须保证发动机迅速启动时所需要的额外的供油量和压力要求。高压燃油泵不断地产生油轨所需的系统压力，意味着在每个单一的喷射过程燃油不必都被压缩。

高压燃油泵安装在柴油机缸体一侧，它是通过带轮法兰、带轮、齿形带由发动机驱动，其最高转速不超过3 000 r/min。高压泵借以低压油路过来的燃油润滑。高压燃油泵上装有燃油泵执行器，燃油通过精密的柱塞偶件被加压后通过两个油道进入油轨。 高压燃油泵回油管、喷油器和油轨回油管最后集合在一个油路中流回油箱。如图8所示。

图8 高压燃油泵

2.燃油泵执行器

燃油泵执行器安装在高压燃油泵上，接收引擎控制模块（Engine Control Module, ECM）发出的脉冲宽度调制信号（Pulse Width Modulation, PWM），控制进入高压泵腔的燃油量。它是一个常开电磁阀，不加电时，燃油泵执行器在弹簧作用下，保持打开状态。通电时，执行器线圈的电磁力克服弹簧弹力，使阀向关闭方向运动，减少进入高压泵腔的燃油量，维修中可以单独更换。如图9所示。

图9 燃油泵执行器

3.喷油器

喷油器（Extreme Pressure Injection, XPI），即超高压喷射喷油器。ECM通过给喷油电磁阀通电，来控制喷油正时和喷油持续时间。此喷油器具备多次喷射的能力，如图10所示。

图10 XPI喷油器

1.3 缸内直喷汽油机和高压共轨柴油机燃油供给系统对比

缸内直喷汽油机和高压共轨柴油机燃油供给系统对比如表1所示。

表1 缸内直喷汽油机和高压共轨柴油机燃油供给系统对比表

2 燃油供给系统控制策略对比

燃油喷射控制系统一般都是由传感器、电子控制单元ECU和执行器等三部分组成。各种传感器为ECU提供发动机的工况和使用条件的信息，使ECU做出判断和计算，并向执行器喷油器和点火电子组件（缸内直喷系统）、喷油器和供油泵（高压共轨式燃油喷射系统）发出指令电信号，调节喷油量和喷油定时（或点火正时）等，以达到调节发动机运行状态的目的。

2.1 燃油喷射控制

1.缸内直喷汽油机燃油喷射控制

缸内直喷燃油喷射压力高，喷射和混合气形成的时间短。一台接近怠速运转的发动机最多只有1 ms～3 ms的时间可用于燃油喷射和混合气的形成。这对喷射系统和喷油策略提出极高的要求。

（1）喷油器控制信号

为了获得精确喷射，喷油器必须用一个复杂的电路来控制。由于针阀克服缸内的压力及油轨中的压力，需要一个预磁化电流，如图11所示，这个电流相对较小，只有最大不到1.5 A的电流。预磁化后，使用最大达16.5 A的电流来使喷油器针阀快速上升。此时控制电压最大达到65 V。在针阀开启后，一个小的控制电流便可满足保持针阀的开启位置。如图11所示，保持电流只有大约2.8 A。由图11我们可以看到，针阀完成打开的时间，要滞后于最大电流的时间。而针阀开启时间的长短，决定喷油量的多少。

图11 喷油器控制信号

喷油器波形控制，在针阀开启阶段，提供65 V电压，并持续不到0.5 ms的时间。在保持阶段， 提高蓄电池电压，由于保持只需要2.8 A就可以，所以采用占空比控制。如图12所示，最后阶段的波形是由于针阀关闭产生的自感波形。

图12 喷油器波形

（2）喷油时间控制

图13为怠速工况与加速工况两种工况下喷油器控制波形对比。通过对比可以发现，增加的喷油量，只增加了针阀保持时的电流时间就可以达到需求。而对于喷油量的控制，直喷系统不仅可以通过增加喷油时间，还可以通过改变喷油压力实现。压力的增加还能改善雾化程度。

图13 喷油时间控制

（3）喷油正时控制

喷射时刻对缸内直喷发动机的平稳运转与排放有重大影响。喷射太提前，混合气形成时间长，碳氢化合物排放增加。延迟喷射，由于混合气形成时间太短，容易导致碳烟排放增加。

图14为福特缸内直喷发动机的曲轴位置传感器信号与喷油时刻的对比图，可以粗略算出喷油时刻，缺口后第一个齿为压缩上止点前90°，缺口为3个齿，距离喷油时刻约26个齿，每个齿距为6°。得出喷油时刻约为压缩上止前246°，也就进气下止点前66°，喷油时刻为进气冲程。

图14 喷油正时控制

2.2 高压共轨柴油机燃油喷射控制

1.喷油特性

带有预喷射和主喷射的共轨喷油系统对发动机的任何一个工况点，喷油压力和喷油量的确定都可以是互为独立的。喷油开始初期（即喷油开始到燃烧开始之间的着火延迟期内）的喷油量应尽可能小。如图15所示。

图15 喷油特性

2.喷油正时控制

喷油正时是通过电控系统中的角度-时间系统来控制的。为此在曲轴上装有一个转速传感器，并且为了识别缸序或相位，在凸轮轴上也装有一个相位传感器。

（1）预喷射

预喷射在压缩上止点前90°内进行，如果预喷射的喷油始点早于上止点前40°曲轴转角，则燃油可能喷到活塞顶面和气缸壁上，导致润滑油稀释失去润滑能力。预喷射时，少量燃油会喷入气缸，促使燃烧室产生“预调节”，从而提高燃烧效率。压缩压力由于预反应或局部燃烧而略有提高，因此缩短了主喷油量的着火延迟期，降低了燃烧压力上升幅度和燃烧压力峰值，燃烧较为柔和。从而降低了燃烧噪声和油耗，某些工况的排放也有所降低。

（2）主喷射

主喷射提供了发动机输出功率所需的能量，从而基本上决定了发动机的扭矩。在高压共轨燃油喷油系统中，整个喷油过程的喷油压力近似恒定不变。如图16所示。

图16 喷油正时控制

2.3 缸内直喷与高压共轨燃油喷射对比

缸内直喷与高压共轨燃油喷射对比如表2所示。

表2 缸内直喷与高压共轨燃油喷射对比表

3 结论

缸内直喷汽油机和高压共轨柴油机燃油系统都由低压油路和高压油路组成，缸内直喷汽油机低压油路只有一级输油泵，高压共轨柴油机低压油路有两级输油泵，电动输油泵和齿轮泵。都采用高压输油泵，缸内直喷汽油机靠凸轮轴驱动，高压共轨柴油机靠皮带轮驱动。柴油机不易挥发的特点，使得高压共轨柴油机的高压远远高于直 喷汽油机的高压，均采用电磁式高压喷油器，靠ECU控制。

缸内直喷汽油机的燃油经过油泵加压之后入油轨，油轨和燃烧室之间存在压力差。ECU控制高压喷油器开启，可以实现对喷油量和喷油正时的控制，控制精度和可靠性很高。

高压共轨式柴油机燃油喷射技术通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量。