注射系统

翁德沃彭：

间接和直接喷射
间接喷射燃油压力控制
注入策略多点注入
电磁喷射器 (MPI)
压电喷射器 (DI)
喷射策略直喷
双注射
测量多点喷油器的电压和电流特性
喷射正时与曲轴位置的关系
ECU电流限制
确定所需燃料量
VE表
AFR表

间接喷射和直接喷射：
汽油机喷射系统的类型分为节气门间接喷射、每缸间接喷射和直接高压喷射。本页的段落解释了这些不同的注射系统。

间接注入：
节气门前面有一个喷油器。燃油喷射到节流阀上，与流过的空气混合。主要缺点是没有准确的每缸燃油用量；一个气缸总是比另一个气缸多一点或少一点。因此，该系统不可调节，因此根据环境要求不再使用。该系统也称为中央注射（Monopoint）。

间接注入：
每个气缸都有自己的喷油器。喷油器将燃油喷入进气门。流过的空气还确保空气燃料混合物进入燃烧室之前在该系统中进行混合。与间接喷射相比的优点是可以更准确地控制燃油量。该系统也称为 MPI（多点喷射）或 PFI（端口燃油喷射）。

直接喷射：
DI（直接喷射）或 DISI（直接喷射火花点火）喷油器位于燃烧室顶部的火花塞旁边。在进气冲程期间，燃油通过该喷油器以大约 200 bar 的高压喷射。该系统的主要优点是可以更准确地调节燃油量，在进气冲程期间可以进行多次喷射，并且空气燃料混合物更冷。这使得制造商可以提高发动机的压缩比。喷射器可以设计为压电或磁线圈喷射器。

DI 比 MPI / PFI 需要更高的注射压力，因为注射发生在压缩冲程期间；当气缸内的空气被压缩时，燃油必须充分雾化。这就是 DI 配备独立高压泵的原因。高压泵在燃油通道中建立燃油压力。喷油器通过管道连接到该燃油通道。一旦发动机管理系统向喷油器发送信号，喷油器就会在所需的时间打开和关闭。

与 PFI 相比，DI 的优点包括：

注射更精准；
可多次注射；
注射时间可调节；
活塞上方的有效压力可能更高（从而能够以更高的压缩比缩小尺寸）；
更低的油耗，更低的二氧化碳排放。

缺点包括：

由于高压燃油泵、先进的喷油器、更复杂的气缸盖，系统成本更高；
烟尘排放量增加（PM 排放量）；
直接喷射到燃烧室提供冷却而不是燃料蒸发所需的热量。

双喷射发动机利用了两种系统的优点。可根据工况切换直接喷射和间接喷射。双注射的操作和应用在本页的同名段落中有描述。

间接喷射燃油压力控制：
恒定的燃油压力是精确控制燃油喷射的先决条件。燃油压力（轨压）位于喷油器顶部，进气歧管压力位于底部。进气歧管中的压力随着发动机负载的变化而变化，如果没有压力调节器，则会影响燃油压力差，从而影响喷射量。因此，我们使用燃油压力调节器。在本节中，我们将深入研究该控制器的操作和用途。

下图显示了采用多点喷射的间接喷射汽油发动机的组件。我们查看从油箱中的泵到喷油器的燃油流量。

当ECU控制燃油泵继电器时，泵运行。该泵从油箱的最低部分吸入燃油，并迫使燃油流向燃油滤清器。燃油中的污垢颗粒保留在过滤材料中。过滤后的燃油然后到达燃油通道。在大多数情况下，燃油通道直接安装在喷油器入口上。

油道中存在恒定压力：只有当喷油器由 ECU 电控时（见蓝线），喷油器才会打开，燃油会喷入进气歧管，到达打开的进气门。喷射的燃油量取决于：

喷射时间（由ECU通过延长或缩短喷射信号来确定）；
燃油压力（喷射时间为 2 毫秒，如果燃油压力过高，喷油器将喷射超过 ECU 计算的量）。

燃油通道中的燃油压力（也称为油轨压力）根据发动机负载进行调整。我们将在下一节中更详细地讨论这一点。

如果不使用压力调节器，则会出现以下情况：

在怠速时，进气歧管中的较高真空（即低气压）会产生不希望有的较高燃油压力；
加速时，真空度较低甚至几乎没有（满载），燃油压力会下降，而需要较高的燃油压力。

燃油压力调节器根据进气歧管中的气压来增加或减少燃油通道中的汽油压力。我们可以将燃油压力调节器视为动态阀，它允许燃油泵的供给管路和回流管路之间存在开口。

在右侧，我们看到燃油压力图，其中由于压力调节器的作用，所有条件（怠速、部分负载和满载）下的相对压力差为 4 bar。

下面的说明参考了显示压力调节器在无真空和有真空情况下的图像。右边是博世的燃油压力调节器，多家汽车制造商都在使用。

无真空（左）：
压力调节器在静止时关闭：弹簧将隔膜压紧，防止供应的燃油到达回流管。

带真空（中）：
当隔膜上方的压力降低时，供给侧的燃油压力克服弹簧力向上推动隔膜。形成一个开口，供应的燃油通过该开口通过回流管排出至燃油箱。

注入策略多点注入：
对于（间接）多点注入，使用三种不同的注入方法：

同时：所有气缸同时进行喷射。
组：每组进行注射；一个或多个组之间存在区别。
顺序式：每个喷油器单独控制，因此有自己的喷射时刻。

下图中的发动机管理系统说明了组注入。 1 号和 2 号气缸的喷油器具有公共电源（红色），并且同时接地（绿色）。气缸 3 和 4 的喷油器相同，但与气缸 1 和 2 分开控制。

电磁喷射器 (MPI)：
电磁喷射器用于许多不使用单独的高压泵进行（直接）高压喷射的汽油发动机。燃油在喷油器入口处处于 1 bar 的恒定压力下。燃油压力由油箱内的燃油泵提供。对于多点喷射（这将在本页后面进行描述），每个气缸都有自己的喷油器。该喷油器安装在进气歧管中，在阀门打开之前以高达 6 bar 的压力喷射燃油。当进气门开始打开时，燃料有足够的时间与流入气缸的所有氧气（图中深蓝色箭头所示）混合。

发动机控制单元查看曲轴的位置来调节喷射正时和点火正时。根据多种因素（发动机和环境温度、负载、速度等），它会在适当的时间向喷油器发出打开信号。该喷油器的插头包含两根电线。一根电线的恒定正值约为 14伏。另一根线通过 ECU 连接到地，以允许电流流过喷油器线圈。当线圈充分充电时，喷油器针阀克服弹簧力打开。当控制停止时，弹簧将喷油器针阀压缩回来。然后关闭燃油供应，当控制停止时，线圈仍然带电，线圈中的能量形成感应峰值，可以在示波器上观察到，感应电压短暂在60伏左右。

这些喷油器由燃油轨（也称为燃油通道）提供燃油。燃油箱中的增压泵提供燃油轨中的压力。油轨中的燃油压力恒定（约 4 巴）。由于压力非常低，喷油器上附有锁定夹和 O 形圈以进行密封。尤其是在系统被拆除的旧车中，明智的做法是在安装前更换 O 形圈。

注射器的外壳通常由塑料制成。在外壳的顶部，我们找到了插头连接，它在内部连接到线圈。顶部有一个橡胶 O 形圈，燃油通道在其上滑动。 O 形圈或聚四氟乙烯密封圈位于底部。 O型圈主要用于低压喷射的MPI喷油器，而特氟龙环则用于高压喷射的发动机，例如FSI发动机。

线圈缠绕在喷油器的铁芯上。在附图中，线圈以红色突出显示。在喷油器的中心，也在线圈的内部，有一个柱塞。该柱塞与针头有机械耦合。柱塞上方是一个弹簧，用于将柱塞和针固定在其底座上，从而关闭注射口。

静止时，线圈两端的相对地电压约为 14 伏。为了启动喷油器，发动机 ECU 为线圈的一侧提供接地，而另一侧则接收正电压。此时，电流开始流过线圈，从而形成磁场。该磁场将柱塞向上拉，从而将注射针向上拉。

当需要停止喷射时，ECU断开接地，导致磁场消失。弹簧将柱塞向下推，导致针阀关闭燃烧室的燃油供应。

注射器通常有多个开口。这些开口非常小，因此燃料以雾状从喷射器喷入燃烧室。雾气越细，就越容易蒸发。

压电喷射器 (DI)：
压电喷射器可用于汽油和柴油发动机。宝马是第一个在汽油发动机中使用压电技术的品牌，但在较新的发动机中已停止这样做。
压电喷射器是高压喷射的一部分。单独的高压泵向燃油轨提供压力。该燃油轨将燃油分配到所有喷油器（见图）。由于压力非常高，因此使用带压盖的铝管。必须始终以正确的力拧紧压盖（拧到管道和喷油器上）。这在相关发动机的维修手册中有说明。

当正电压或负电压连接到喷射器中的压电元件时，其长度会发生变化。这与注射器一起使用。一旦发动机控制单元提供大约 100 至 150 伏的控制电压，压电元件就会膨胀大约 0,03 毫米。这种长度的变化足以在高压室和低压室之间建立连接。注射立即开始。压电元件可以在千分之一秒内打开和关闭。再加上高达 2000 bar 的极高注射压力，可实现非常快速和准确的注射。这些速度还允许相继进行多次注射。
进气冲程期间的多次喷射具有使空气-燃料混合最佳的优点。高压使燃料液滴被超细雾化，从而与空气更好地混合。进气冲程期间最多可以进行 8 次喷射。这对燃料消耗、电力和废气排放产生积极影响。

喷射策略直接喷射：
直喷的喷射策略有不同的变体：壁引导、空气引导和喷射引导（见下图）。在这些情况下，存在分层燃烧过程。这并不适用于所有操作条件。

壁引导：活塞将燃油云引导至火花塞。火花塞与喷油器之间的距离较大。适用于GDI和HPI发动机。
空气引导：空气运动将燃料云带到火花塞。火花塞与喷油器之间的距离较大。适用于FSI和JTS发动机。
喷射引导：火花塞位于燃料云的边缘。喷油器和火花塞之间的距离很小。适用于宝马发动机。

如前所述，直喷汽油发动机并非在所有工况下都具有分层燃烧。采用喷射引导直接喷射的发动机可以在部分负荷下分阶段运行。分层燃烧过程是指燃烧空间内存在各种空气层。靠近火花塞，lambda 值为 1。远离火花塞，lambda 值变得更高（更稀薄，因此空气更多）。该空气提供了绝缘空气层。在分层工艺中，注射时间晚于均质工艺。借助分层喷射，节气门可以完全打开，从而减少空气的窒息。由于吸入的空气经过除气处理，因此阻力较小，因此更容易被吸入。由于分层喷射的燃烧空间内有隔离空气层，因此拉姆达值小于1，因此不会对燃烧造成任何问题。在分层过程中，燃料消耗减少。

对于均匀混合物，λ 值在任何地方都是 1。这意味着在汽油发动机中，空气和燃油的比例为 14,7:1（14,7 千克空气加 1 千克燃料）。每个电机都能均匀运行。如果发生浓缩，则 lambda 值将减小，如果混合物变得更稀，则 lambda 值将增加：

<1 = 富有
>1 = 差

发动机总是会在浓油和稀油之间波动，以保持催化转化器正常工作。这氧传感器将数据发送至发动机管理系统。

满载时，电机始终均匀运行。这比分层工艺提供了更高的扭矩。如果发动机运转均匀，则燃油会提前喷射。当车辆脱离静止状态时，发动机也能均匀运转。与发动机以分层方式运行相比，会产生更高的启动扭矩。

下面的特性曲线显示了与不同速度下的运行情况相比燃烧压力，使用和不使用 EGR 的情况。

双注射：
VAG 集团使用双喷射汽油发动机来满足当前的排放标准。在双喷射发动机中，有两个燃油喷射系统：低压系统和高压系统。

低压系统包含已使用数十年的 MPI 喷油器。 MPI喷油器安装在进气歧管中，以4至5巴的压力喷射到进气门；
高压系统包含高压喷射器，直接喷射到燃烧室，喷射压力最大为 150 至 200 bar。

发动机管理系统确定控制哪个喷油器。

下图显示了带有两个燃油系统的气缸盖的横截面。

MPI 喷射可更好地混合空气和燃油。直接喷油器在怠速和满负荷下使用。通过直接喷射，可以实现更好的冷却，从而实现更高的压缩比。然而，空气和燃料的混合并不是最佳的。这会导致更多的烟尘排放。因此，现在采用直喷技术的发动机都配备了颗粒过滤器。这不是双注入的问题。 “可变拇指系统”，缩写为 VTS，是可变进气歧管的一个版本，可提供更好的气流。 “滚滚”是进入气缸时形成涡流的气流。空气涡流对于将来自 MPI 喷油器的燃油与空气正确混合是必要的。

双喷射与 VTS 相结合可确保更好的废气排放。另一个优点是进气门由 MPI 喷油器清洁。直喷式发动机经常会遇到进气道（进气歧管和进气门）脏污的问题，从而导致空气供应有限等问题。在极端情况下，进气口变得如此堵塞，以至于气缸盖上的进气门无法再正常关闭，并最终因无法充分散热而燃烧。

据了解，美国的同款发动机仅配备直喷，而VAG发动机则采用双喷射。进气歧管被盖住。这是因为，在撰写本文时，欧洲的环境要求比美国更严格，并且出于成本原因，制造商不会为排放标准不那么严格且昂贵的系统的市场提供发动机。

测量多点喷油器的电压和电流特性：
示波器只能测量电压。测量电缆可以并联连接在电气元件上。无法测量串联电流。可以使用感应电流钳测量电流。电流钳中的霍尔传感器测量磁场并将其转换为电压。电压可以用示波器测量。在这种情况下，转换系数为每安培 10 mv；电流钳每传输 0,010 伏，就可以转换为 1 安。

下图显示了电磁喷射器的电压和电流曲线。

红色：电压梯度；
黄色：电流。

静止时电压为 14 伏。现在插头处没有电压差，因此没有电流流动。 ECU 将一根电线接地以控制喷油器。电压差导致电流流过喷射器线圈。

黄线表示电流：当电压降至 0 伏时，电流开始累积。加载线圈需要时间。电流增加的幅度不会超过约 0,9 A。在电流积累的中途，我们看到线路出现弯曲：此时已积累了足够的磁力，可将针从其底座上抬起。注射器开始注射。

ECU 断开接地以停止控制。线圈中的剩余能量提供大约 60 伏的感应电压。由于弹簧将针头推回到其座中，注射器停止注射。这可以在示波器图像中通过电压信号的凸起看出。

如果发动机运转不正常，出现气缸失火，可能是由多种原因造成的：

由于火花塞、火花塞电缆或点火线圈有缺陷而没有火花或火花不良；
由于燃油滤清器堵塞、压力调节器故障、燃油泵或喷油器问题而限制燃油供应；
由于活塞环、缸盖垫片或阀门密封件出现问题而导致压缩损失。

在诊断过程中，可以使用示波器检查喷油器是否仍然正常工作。在本节的开头，显示了没有故障的测量结果。蓝线显示了有缺陷的喷油器的电压和电流曲线的示例。

如果喷油器的控制正确，但在电压和电流图像中看不到扭结，则可以断定喷油器针没有移动。由于一个气缸的喷油器无法正常工作，而其他喷油器却正常工作，因此可以轻松地相互比较不同喷油器的图像。

如果轻轻敲击注射器，注射器针可能会松动。在这种情况下，发动机将立即更加安静地运行，并且扭结将在示波器图像中再次可见。然而，这并不能保证永久解决；问题很可能会在短时间内再次出现。需要更换相关的喷油器。

喷油器中的针仅在线圈充分充电后打开。因此，当ECU开始控制喷油器时，喷油器不会立即喷射燃油。驱动完成后，弹簧将喷油器针压到其座上。这也需要时间。控制时间通常不等于注射时间。下图显示了与上图相同的喷油器的电压和电流曲线，但速度有所提高。

控制开始：ECU将控制线接地。电流流过喷油器线圈以将其打开。流型中的扭结表示喷油器针阀打开的时刻。然后电流会稍微增加，因此保持恒定。喷油器针保持打开状态。
控制结束：如前所述，我们通过电压图像中的凸起识别喷油针关闭的时刻。

控制需要 4 ms，但实际喷射时间为 3 ms。我们将它们之间的差异称为“延迟”，翻译成荷兰语为“延迟”。因此，ECU 控制喷油器 4 毫秒，使其喷射 3 毫秒。

喷油正时与曲轴位置的关系：
可以使用示波器查看注入时刻。通道 A（红色）位于喷油器地线上，通道 B（黄色）位于喷油器线上曲轴位置传感器连接的。当发动机运行时，我们可以使用此示波器图像来确定喷射正时和喷射时间。

示波器图像是在怠速时拍摄的。红色电压图像显示喷油器的打开和关闭（请参阅章节：测量多点喷油器的电压和电流特性）。在时间 -2,860 ms 时控制开始；电压从 12 伏降至 0 伏。这是喷油器线圈接地且电流流动的点。当红线再次上升时，喷油器控制结束。由于线圈中积聚的能量，会产生超过 60 伏的感应电压。然后电压逐渐下降到12伏；此时喷油器再次关闭。

红色交流电压来自电感曲轴位置传感器。每当脉冲轮的齿转动经过曲轴传感器时，就会产生正弦交流电压。脉冲轮有 60 个齿，其中 2 个已磨掉。两个磨齿形成参考点，发动机管理系统在该参考点识别 1 号和 4 号气缸的活塞在 TDC（上止点）之前位于 90⁰ 和 120⁰ 之间。识别出缺失的齿后，发动机管理系统有时间（可能与凸轮轴传感器）以确定正确的喷射和点火时刻，并在活塞到达上止点之前激活喷油器和点火线圈。

示波器图像显示注射开始的时间；喷射从曲轴传感器发出的第四个脉冲开始。假设有 60 - 2 个齿，曲轴每旋转 6⁰ 圈（360 圈/1 个齿为 60⁰）后，注射将在参考点之后 24 度处进行。缺失齿位于 TDC 之前 90⁰，因此注射在 TDC 之前开始 (90⁰ – 24⁰) = 66⁰。
随着速度增加 2000 rpm，感应曲轴传感器的脉冲更加靠近。该信号的频率由发动机管理系统转换为速度。根据速度，负载（通过测量地图传感器）和温度进气和冷却液的混合物，确定所需的喷射时间。喷射时间提前，喷油器在地面停留的时间更长：喷油器喷射更早且时间更长。

从激活开始到触发点（喷油器关闭处的箭头），激活时间约为 5,2 ms。喷油器启动的时间并不等于实际喷油的时间（见上一段）。

在下面的示波器图像中，感应曲轴信号显示为红色，喷油器信号显示为黄色。当速度增加到大约 3000 rpm 时，可以看到两个喷油器控制装置。可以清楚地看到，曲轴每旋转两圈就会对气缸 1 进行燃油喷射。

ECU 中的电流限制：
正如“测量多点喷油器上的电压和电流”部分中的测量结果所示，启动喷油器针和实际打开喷油器针之间存在延迟。在这种情况下，打开需要 1,5 毫秒。
如果通过线圈的电流增加得更快，喷油器针就会打开得更快。电流取决于线圈的电阻：电阻越低，电流建立得越快。测量发动机中使用的高阻抗喷油器的电阻为 16 欧姆。当板载电压为 14 伏时，将流过小电流：

电流足以打开喷油器针，但不能太高，以免因功率太高而变得太热：

因为仅建立低功率，所以没有必要使用电流控制。这对于低阻抗注入器来说是必要的。

低阻抗注入器的优点是电流积累从一开始就迅速增加。这导致喷油器针阀快速打开，几乎没有延迟。
低欧姆喷油器的电阻约为 2,8 欧姆。低电阻导致高电流流动：

力量也急剧增加：

功耗几乎是高阻抗喷油器的七倍。如果电流增加太多，喷油器和控制装置的输出级就会产生热量。为了限制电流，在短时间内多次接通和断开电压。喷油器针打开后，只需很少的能量即可保持针打开。开启和关闭期间电流减小。这种进展可以在示波器图像中看到。

所需燃油量的确定：
制造商已在存储在 ECU ROM 存储器中的各种特征字段中确定了所需的燃油量。它发动机管理系统从这些图表中读取无需修正需要多少燃料。这当然取决于发动机转速、温度和负载。确定正确燃油量的最重要参数在本节中解释为 VE 表和 AFR 表。

VE表：
VE表代表每个发动机转速和进气歧管压力下的容积效率和空燃比。容积效率是测量的填充气缸的空气量与静态情况下填充气缸的空气量之间的比率，具体取决于发动机转速和进气歧管压力。 ECU 使用表中的值来确定当前的空气质量，从而确定填充水平。该数据用于计算要喷射的燃油量。

这种理论方法与现实不同。这里尚未考虑发动机规格。考虑气门图（气门重叠，或者可能是可变气门正时）、进气道中的空气阻力等。这就是为什么应用修正因子来给出线性关系的偏差。校正因子如上图中的虚线所示。曲线表明线性关系的正确程度。在 60 kPa 压力下，与显示线性关系的线的偏差约为 50%。校正因子可以形成为百分比。

在 VE 表中，每个单元格表示负压相对于速度的百分比。该百分比在扭矩最高的速度处最高。毕竟，那里的发动机效率最高，因为发动机的填充效果最好。

本节后面的 VE 和 AFR 表中的值源自大众高尔夫 1.8 20v 发动机的扭矩和功率曲线。

下图显示了作为填充表的 VE 表以及使用“TunerStudio”程序中的扭矩和功率曲线创建的三维表示。该程序主要用于为MegaSquirt或Speeduino等可编程ECU提供软件。欲了解更多信息：请参阅相关页面 MegaSquirt 项目。
纵轴显示从15kPa（大量负压）到100kPa（外部气压）的MAP（歧管气压）。 MAP 表示发动机负载。水平轴表示怠速和最大发动机转速之间的发动机转速。
VE 表中的单元格显示发动机的加注液位。换句话说; 发动机在一定速度和负载下的效率如何。发动机在扭矩最高的转速（4200 rpm 左右）附近效率最高；这里的百分比是最高的。这是发动机“填充”得最好的地方。应用增加填充水平的技术，例如可变气门正时、进气歧管调整或使用涡轮机，将有利于百分比。

AFR表：
所需的空气/燃料成分记录在 AFR 表中。 AFR是“空燃比”的缩写。在化学计量混合比（lambda = 1）下，燃烧 14,7 千克汽油需要 1 千克空气。并非在所有情况下都需要化学计量混合物。

稀薄的混合气有利于燃油消耗；
丰富的混合物可以提供更高的功率。

当发动机必须提供更多动力 (P) 时，就会发生浓缩。较浓的混合物还可以提供冷却作用。加浓至 λ = 0,8 意味着适用 11,76 千克空气与 1 千克汽油的混合比 (AFR)。因此，与化学计量混合物相比，燃烧 1 公斤燃料所需的空气要少。另一方面，稀混合气可以提供更好的燃油消耗（be），但也有更多的爆震机会。富集或贫化混合物必须始终保持在燃烧极限内。

怠速时，速度在 600 至 900 rpm 之间。气阀几乎完全关闭，负压很高：在25至40 kPa之间。在此速度范围内，混合物是化学计量的（14,7:1）。
当有部分负载时，发动机转速将增加至 4200 rpm。节气门进一步打开，进气歧管内的真空度降至 40 – 75 kPa。随着发动机负荷的增加，负压减小；发生浓缩（AFR 为 13:1）。在低发动机负载下可以产生稀混合气。满载时节气门完全打开。负压降至 100 kPa（外部气压），发生最大富集 (12,5:1)。

拉姆达值不仅影响功率和油耗，还影响废气排放。更浓的混合物可确保更低的氮氧化物含量，但也能提高二氧化碳和碳氢化合物的排放量。混合物较稀时，燃料颗粒之间的距离更远，因此燃烧不再是最佳状态；结果HC排放量也增加。
当使用催化剂时，需要确保喷射在浓和稀之间不断交替。在浓混合气中，由于缺氧而形成一氧化碳，催化剂利用它还原氮氧化物。稀混合气含有过量的氧气，会氧化 CO 和 HC。

控制单元确定应喷射多少燃油。首先，从特征字段中读取基本注入数据。 VE 和 AFR 表中的值等均包含在喷射量的计算中。还考虑了制造商确定的以下值：

浓缩程度取决于冷却剂和进气温度；
（快速）打开油门时的短时加速浓缩；
由于板载电压的变化而进行的校正。

除了这些确定的值之外，还仔细考虑了 lambda 传感器发送到控制单元的电压。这些电压取决于废气中的氧气含量。这是一个不断变化的可变因素。这些传感器电压的输入被称为所谓的“燃油调整”合并。

VE 和 AFR 表的值以及其他提到的设置是如何确定的，请参见执行的页面。 MegaSquirt 项目。