第二節 燃油噴射系統的發展、分類與主要特點

現代發動機燃油噴射系統是由早期的燃油噴射裝置逐步發展而成的。在我國，汽車剛剛開始進入家庭，未來市場對汽車多元化要求程度也非常高，所以在一定時期內，汽車發動機上裝備的燃油噴射系統（EFI）從較早的到最新的將同時并存。

一、早期的燃油噴射系統

燃油噴射技術早在20世紀20年代就已經面世，當時主要用于航空發動機，直到第二次世界大戰后，才被逐漸應用到汽車發動機上。60年代前，燃油噴射主要采用機械驅動的柱塞泵，噴油量也由機械裝置控制，1967年，德國博世公司研制出K-Jetronic燃油噴射系統，首先采用在節氣門前安裝機械聯動裝置把噴油量和進氣量聯系起來，70年代，該公司在此基礎上推出了第一代計算機控制的KE-Jetronic燃油噴射系統，如圖2-8所示。

圖2-8 第一代KE-Jetronic燃油噴射系統

1—發動機控制單元 2—濾清器 3—蓄壓器 4—燃油泵 5—燃油分配器和空氣流量傳感器 6—冷起動噴油器 7—噴油器 8—冷起動計時器 9—氧傳感器

安裝在各缸進氣門前的噴油器在發動機運行中連續噴油（化油器也是連續供油），燃油從燃油分配器輸送到各個噴油器，電動燃油泵將燃油從燃油箱經過蓄壓器和濾清器輸送到燃油分配器，蓄壓器用于防止燃油壓力的波動。燃油從燃油分配器和壓力調節器返回燃油箱。一個擺動式的空氣流量傳感器的感知板被安置在進氣道內，如圖2-9所示。當發動機停機時，感知板將關閉進氣道的通道，分配器內的柱塞將回位頂住空氣流量傳感器的控制桿。

當發動機轉速升高時，進氣道內空氣的流速也會相應地使流量傳感器的感知板開啟。感知板的運動用來精確控制噴油器的油量。壓差調節閥的線圈周期地接通和斷開是由發動機控制單元來控制的，這可使壓差調節閥中的柱塞上下移動，進而控制燃油分配器下腔內的燃油壓力，給各個噴油器提供精確的燃油量和空燃比。

連接到發動機控制單元的輸入信號傳感器隨具體車輛而不同，但都有氧傳感器和冷卻液溫度傳感器。控制單元可以對發動機的空燃比、點火提前、排放控制裝置和怠速等進行集中控制。

在美國，直到20世紀80年代，汽車制造商才開始用燃油噴射來代替化油器。早期的電子燃油噴射系統大多是節氣門體噴射系統（TBI）。如圖2-10、圖2-11所示，燃油噴射點在節氣門上方。節氣門體大小和形狀都與化油器類似，并且就像化油器一樣也被安裝在進氣總管上，噴油器將燃油向下噴射到節氣門體的混合室內，該混合室通向進氣歧管。由進氣歧管將空燃混合氣送到各個氣缸。

圖2-9 連續供油空氣流量傳感器和燃油分配器

1—燃油入口 2—到壓力調節閥的燃油回路 3—向噴油器供油 4—空氣流量感知板 5—上腔 6—下腔 7—壓差調節閥8—控制柱塞

圖2-10 節氣門體噴射系統

圖2-11 節氣門體噴射單元

與化油器相比，KE-Jetronic燃油噴射系統和節氣門體（TBI）燃油噴射系統在節氣門上方沒有和極少發生燃油附著管壁的現象，可提供更為精確的燃油量。而與KE-Jetronic燃油噴油系統相比，TBI系統還能夠實現間歇噴射，且制造成本較低，診斷和維修較容易，并且它與進氣門前噴射系統不同，在噴油器堵塞時不會造成各缸噴油不均的問題。

但是與進氣門前燃油噴射系統相比，TBI系統的效率相對較低。其缺點主要與進氣歧管有關，燃油不能被均勻分配到各個氣缸，并且在進氣歧管溫度較低時會使燃油在進氣歧管內凝結，而且同化油器一樣，TBI系統必須被安裝在燃燒室的上方，這樣就不可能設計出更高效的進氣歧管。

二、現代燃油噴射系統

電子工業的飛速發展，促使汽車控制的電子化在20世紀的后30年逐漸成為各國汽車工業的重要發展方向。首先是德國博世公司成功研制并開始批量生產出D-Jetronic電控燃油噴射系統（D型EFI），如圖2-12所示。這種電控燃油噴射系統是速度—密度型電子燃油噴射系統，它可將進氣歧管絕對壓力信號和轉速信號輸送到發動機控制單元，由發動機控制單元根據該信號計算出基本進氣量，再由進氣溫度傳感器、冷卻液溫度傳感器、節氣門位置等信號修正后發出與之相對應的噴油脈寬信號，控制噴油器噴射出適量的燃油。國產桑塔納2000GLi、奧迪C3及A6、北京切諾基、東風富康、豐田威馳以及豐田皇冠車都采用D型燃油噴射系統。

圖2-12 D-Jetronic電控燃油噴射系統

為克服D型EFI在某些工況下進氣歧管絕對壓力不夠穩定、間接測量進氣量不夠精確的問題，博世公司在該系統基礎上，用翼板式體積型空氣流量傳感器代替進氣歧管絕對壓力傳感器檢測進氣量，這種系統簡稱為L-Jetronic電控燃油噴射系統（L型EFI），如圖2-13所示。豐田佳美、豐田大霸王以及馬自達MPV多用途汽車都采用這種燃油噴射系統。

由于L型EFI在進氣道設置了一個空氣流量感知板，造成發動機進氣阻力增加，進而限制了發動機功率的提高；另外，它測量的體積流量并不能直接獲取進入發動機氣缸的空氣質量，所以博世公司又研制出LH-Jetronic系統。如圖2-14所示，它是用熱線式或熱膜式空氣質量流量傳感器（MAF）代替翼板式空氣體積流量傳感器來檢測發動機的進氣量。因它可直接檢測進氣質量，所以無需用進氣溫度和大氣壓力進行修正，并且進氣阻力較低，對駕駛人加速意圖響應比較快。這種燃油噴射系統在桑塔納2000GSi、捷達、別克、日產等轎車上都已采用，是目前比較先進的燃油噴射系統。

圖2-13 L型EFI電控燃油噴射系統

圖2-14 LH型電子燃油噴射系統

不久前，通用汽車公司推出了中央多點燃油噴射系統（CMFI）。如圖2-15所示，該系統兼具節氣門體噴射系統和進氣門前噴射系統的許多特點，使用一個中央噴油器就可對流向幾個（圖中為6個）提升式噴油器的燃油進行控制。CMFI噴油器總成由燃油檢測體、壓力調節器、一個中央噴油器，6個提升噴油器以及密封墊組成。中央噴油器通過一個多孔分配墊片分配經過檢測的燃油。該墊片在中央噴油器以及分別與6個提升噴油器相連的6根燃油油管之間進行密封。

如圖2-16所示，在每個噴油器內都裝有一個由單向球閥、閥座和拉伸彈簧組成（它們被固定在一起）的總成來調節燃油流量。當高壓燃油作用在單向閥上時，噴油器打開，將霧化的燃油送到各個氣缸。當噴油器被ECU控制時（使用電磁噴油器），可以實現順序噴射。目前，中央多點燃油噴射系統（CMFI）多用于大排量發動機。

圖2-15 中央多點燃油噴射系統

1—中央噴油器總成 2—排水孔 3—分隔壁 4—氣缸進排氣口 5—尼龍管 6—提升式噴油器 7—排水孔 8—下半部分進氣歧管

圖2-16 中央噴油器和提升噴油器

1—電線接柱 2—電磁線圈 3—提升式噴油器 4—中央噴油器 5—回位彈簧

圖2-17 缸內直接燃油噴射系統GDI

最新公布的燃油噴射系統是缸內直接燃油噴射系統（GDI），如圖2-17所示。進氣門前燃油噴射系統是將燃油噴射到進氣門附近，而GDI系統同柴油噴射系統類似，是將燃油直接噴入燃燒室內。GDI系統的燃油壓力遠遠高于普通的燃油噴射系統，可高達10MPa。在如此高的壓力下，汽油一噴入氣缸內就會汽化。對GDI系統來說，空燃混合氣可以更稀（空燃比可達35∶1）。這樣，可將燃油經濟性提高30%，并且可顯著減少在進氣門出現燃油積垢和積炭的現象。

比較典型的缸內噴射系統有福特PROCO缸內噴射系統、豐田D-4缸內噴射系統和三菱4G缸內噴射系統。目前這種技術還處在完善和提高階段，其中領先的是日本的三菱公司，到1998年2月為止，它的缸內直噴發動機已經售出200000臺，到2010年，三菱公司計劃把本公司的所有汽油機都實現直噴化。GDI系統可能會逐步取代傳統的進氣門前噴射系統，得到廣泛應用。

在燃油噴射技術發展的同時，燃油噴射系統很自然地與共用許多資源的點火系統融為一體，并不斷地增加了諸如故障報警、故障診斷、進氣控制、排放控制以及自動變速器控制等功能，逐步發展成為發動機管理系統，如圖2-18所示。

圖2-18 發動機管理系統

近年來，隨著汽車控制自動化程度越來越高，各系統之間的聯系也越來越復雜。顯然，此時若還采用通常的線路連接既不可靠也不經濟，于是汽車網絡控制系統應運而生，其中比較典型的是博世公司開發的CAN系統（Controller Area Network），又稱為多路傳輸系統。圖2-19所示為某奔馳轎車上使用的CAN系統。汽車上不同系統的控制模塊、一些共用的傳感器等都通過CAN總線連接成網絡，進行相互通信和資源共享。

圖2-19 某奔馳轎車CAN系統示意圖

隨著半導體芯片價格的不斷降低，汽車網絡系統已不再是高檔轎車的專利，很多國產車型，如奧迪、寶來、帕薩特、派里奧等都已經使用了基于CAN數據總線的網絡技術。

綜上所述，發動機燃油噴射系統的發展可以由圖2-20和圖2-21來表示。

圖2-20 發動機燃油噴射系統（EFI）的發展（一）

三、燃油噴射系統的分類和主要特點

如前所述，燃油噴射系統在不斷發展，試圖對其進行有效的分類是困難的，為學習方便，將其分類和主要特點描述如下：

1）按噴油器的布置方式不同，燃油噴射系統可以分為：節氣門體燃油噴射系統（又稱單點燃油噴射系統）、進氣門前燃油噴射系統（又稱多點燃油噴射系統）和中央多點燃油噴射系統。這是燃油噴射系統的主要分類。

節氣門體燃油噴射系統（TBI）是在節氣門體上安裝一個或兩個噴油器，如圖2-22所示。其結構和控制方式簡單，成本低；但對混合氣的控制精度較低，各個氣缸混合氣的均勻性也比較差。由于噴射時間多與曲軸位置無關，在各行程中連續噴射，所以又稱為連續燃油噴射系統。

圖2-21 發動機燃油噴射系統（EFI）的發展（二）

圖2-22 節氣門體噴射系統（單點燃油噴射系統）

進氣門前燃油噴射是指在每一個氣缸的進氣門前安裝一個噴油器，所以又稱多點燃油噴射，如圖2-23所示。噴油器噴射出燃油后，在進氣門附近與空氣混合形成可燃混合氣，這種噴射系統能較好地保證各缸混合氣總量和濃度的均勻性。目前大多數車型采用進氣門前燃油噴射系統。

進氣門前燃油噴射系統一般在進氣行程時才噴射，所以又稱為間歇燃油噴射系統，間歇燃油噴射開始時間（噴油正時）與活塞行程有關。

進氣門前燃油噴射系統根據各缸噴油組合方式不同分為：同時噴射方式、分組噴射方式和順序噴射方式。

①同時噴射方式：在一個工作循環中（曲軸轉兩周），各缸噴油器同時噴射1～2次。每個工作循環只需要一個噴油信號且與點火順序無關，控制最簡單，但燃油需在進氣口前停留較長時間。

②分組噴射方式：按照點火順序，相鄰的2～3個氣缸的噴油器編為一組，在一個工作循環中（曲軸轉兩周）每組噴油器同時噴射1～2次，不同組氣缸的噴油器順序噴射。它兼具同時噴射和順序噴射的特點，常用于多缸發動機，如圖2-24所示。

圖2-23 進氣門前燃油噴射系統 （多點燃油噴射系統）

圖2-24 進氣門前燃油噴射系統的分組噴射方式

③順序噴射方式：在一個工作循環中（曲軸轉兩周），按照點火順序，每缸噴油器一般在進氣循環噴射1次，這是最精確、最理想的燃油噴射方式。但由于各缸燃油噴射時刻與點火時刻有關，所以需要氣缸判別信號和曲軸轉角信號，控制系統較復雜。

2）按進氣量檢測方式不同，燃油噴射系統（EFI）可分為：速度密度型EFI，體積流量型EFI和質量流量型EFI。

速度密度型EFI：系統使用進氣歧管絕對壓力傳感器，通過檢測進氣歧管絕對壓力間接檢測進氣量。如博世公司的D型EFI。

體積流量型EFI：系統使用葉片式或卡門渦旋式等體積型空氣流量傳感器檢測進氣量。如博世公司的L型EFI。

系統根據以上兩種方式計算出的噴油量都需要用進氣溫度傳感器信號進行修正。

質量流量型EFI：系統使用熱線式或熱膜式等空氣質量流量傳感器檢測進氣量。如博世公司的LH型EFI。由于此種方式可以檢測出發動機實際進氣質量，所以是目前較為精確的燃油噴射系統，得到了日益廣泛使用。