电动汽车发动机的燃油喷射技术有哪些？

电动汽车发动机的燃油喷射技术有哪些？

你算是问对人了。
我就是搞汽油电喷的，曾经在各大强势OEM，驾驶调教干废无数量试验车，踏过祖国无数的大好山河，去调教、验证那些电喷逻辑和电喷参数。。。伴随着发动机的“衰落”，现在说来惭愧，沦落到某tier1落魄地在搞电驱，根据扭矩磁链公式，闭环调节iq/id，然后，发PWM波。。。
我刚毕业那会儿，搞的就是1.2T L3 250bar的GDI国五喷射系统，后来开始搞2.0T L4 300bar GDI国六喷射系统，再后来搞3.0T V6 350bar国六混合喷射系统。适配过的车型，包括标致408/308，雪铁龙C6，牧马人，大指挥官，自由光，金刚炮，坦克500等一批车型。大家根据我描述的车型，应该大概能猜出我待过哪些公司了，估计看到这篇文章的从业者都能猜出我是谁了。。。


前言

总喷射方式来分的话，有三种：PFI、GDI、PFI+GDI。简单来说PFI，就是把汽油喷到进气道里，然后被气流带到气缸里面，GDI呢就是直接把汽油喷射到气缸里面，而PFI+GDI呢就是结合前面两种啦。
但是这是侠义的电喷系统，由于排放的要求越来越严格，到国三以后，发动机的油耗/排放控制系统开始占到发动机的核心地位，而动力性的要求，不能说越累越低，只能说是没有以前那么重要了，OEM和电喷厂的重点，都放在了油耗/排放控制上来。那么广义的电喷，其实包含了更多的油耗/排放控制的成分，这里有：混合气系统（配比空燃比）、蒸发排放系统（减少汽油蒸发污染大气的）、后处理系统（燃烧后的尾气处理系统减少污染空气）。
电喷系统特别是高压喷射系统，是我认知范围内最为复杂地一套机电液软耦合装置。当年我刚开始接触这些复杂的东西，一脸茫然，到后面多年的坎坷、换工作，遇到了不同的背景的师父，正是他们的循循善诱，让我逐渐有了清晰的认识。
特别鸣谢：来自联合汽车电子的各位师父、来自德尔福电子的各位师、来自标致/克莱斯勒的各位师父。
特别鸣谢：来自清华大学的三位师父、来自交通大学的两位师父、来自吉林大学的两位师父、来自同济大学的许多位师父、以及毕业于中国各大发动机院校的各位师父。
总体架构

由于发动机是及其发杂的系统，下面我在描述每一个系统的时候，都会先描述系统，再描述系统的控制，展现一个灵活、丰满，有血有肉，生动活泼的动力系统装置。但是控制比较复杂，就不详细展开了，给大家简单描述一下各个子系统的控制目标即可。
看下面这个图，很复杂吧，这是博世公司一张PPT的内容，发动机上面有很多传感器和执行器，估计能把你绕晕，今天我不讲这个图，我讲用我学习发动机简单的思维模型，给大家描绘一幅比较 直观、感性的电喷系统图。


由于今天题主专门问的是电控燃油喷射，那么气路、火路、扭矩路以及热管理、诊断系统、通讯系统救不谈了。专门讲一讲我多年来从事和研究的燃油控制系统。当然有对其他模块有兴趣的朋友也可以留言交流，如果大家有特别感兴趣的热点，我也可以再写写技术帖。
高压喷射系统

高压喷射系统描述：低压泵+高压泵+油轨+喷油器四大构件
都是单相流动的哦，当然高压油轨有过压回流装置，但是一般不会启动的，就简单理解吧！


高压喷射控制系统描述：泵油和喷射的精确控制
泵油控制的目标是实现目标油轨压力的精准控制，你需要根据预测和反馈来控制高压泵溢流阀的开启和关闭时刻。但是低压泵的控制就很简单了，低压泵是一个BLDC电机，把低压回路的压力控制到5bar即可。
喷油控制的目的则是实现喷油质量的精准控制，也就是我们要把准备参与燃烧的燃油质量精准地喷射到气缸中完成气体混合，但是喷油器命令是通过脉冲信号（ms级）来实现的，这里就存在一个喷射质量和脉宽的转换关系。当然喷射质量我们要进过大量的修正，喷射脉宽也要根据比如电瓶电压进行修正。
此外我们还有多次喷射的策略，就是是为了实现传说中的分层燃烧，最大程度上降低有害排放物。
混合气系统

混合气系统描述：混合器气统本身是比较抽象的，不存在一个明显的实体物理系统，唯一涉及的就是有个氧传感器，可以用来反馈燃烧的结果。不过后面可能会有粒子电流传感器来观测燃烧结果，估计会多一个传感器。


混合气控制系统描述：基于燃烧模式的目标空燃比控制+基于氧传感器反馈的空燃比闭环控制
混合器控制的核心，其实在于燃烧结果的观测，然后把偏浓或者偏细的信号反馈给燃油喷射主线，从而达到预期的空燃比，从而控制排放生成物最少和催化器效率最高。空燃比观测器会非常复杂，一个关键的特点就是你得到的燃烧结果其实是几十或者一百多毫秒以前的燃烧数据，而且氧传感器本身也有滞后，这就是一个非线性迟滞系统观测器，你如何去根据这个特性去设计观测器是比较有挑战的。
蒸发排放系统

蒸发排放系统描述：碳罐+高压邮箱两大构件


后处理控制系统描述：碳罐的冲洗控制和高压油箱的泄压控制
一方面要控制碳罐在发动机运行的时候进行冲洗，另一方面你要去估计碳罐的浓度。估计浓度的方法也比较复杂，可以根据燃烧结果观测，也可以根据停机时间进行估计。碳罐冲洗控制的核心在于在尽可能多冲洗，但是你的冲洗必然会影响发动机的燃烧，你冲洗的这部分油，必须要从喷射系统中扣除，而冲洗又是有延迟的，也就是说冲洗要经过一段时间才能进去气缸，喷射减油的实际也要考虑到这个因素。
而高压油箱的控制，就是控制在合理的实际把泄压阀打开，从而保证高压油箱的安全和对加油人员的安全，当比亚迪就是因为没搞这个被长城举报了。
后处理排放系统

后处理系统描述：三元催化器+颗粒捕集器两大构件


后处理系统控制描述：
三元催化器一是要控制其快速起燃，也就是冷启动后快速加热三元催化器，否则它是不工作的。二是要注意运行中的排温，如果排温过高要及时加浓，防止三元催化器被烧坏。
而GPF控制的核心在于一是观测其内部的累碳，二是累碳达到一定程度进行再生，防止其堵塞。这里要提一下我研究生的毕业论文写的就是GPF累碳观测器研究，受到了各位同济老师的一致好评，虽然推荐评优，但是奈何我没有SCI也没有EI，专利也是申请未授权状态，因此没有能最终评优。
结论和展望

虽然发发动机现在情况并不好（目前问下来各大OEM的投资都比较可怜，新项目不是很多），不过永磁同步电机系统及其控制我也学的差不多了，我坚信发动机可以和永磁同步电机进行深度耦合，也就是实现发动机的电动化。
正如今年我暂时离开发动机给发动机的承诺是我必然回归，今天看来我必然会回归，但是是带着永磁同步电机技术及其资源进行回归，给发动机来一场深度的耦合变身。当然这仅仅是开始，伴随着灵活燃料的出现，发动机必然会引来新的能源供给系统，传统发动机面临稳定能源形态的过去将会不复存在，传统的汽油、柴油必然被扔到历史的回收站，人们利用光能、风能，工厂废气、废热形成的循环能源生态系统，将会产生一种全新的液体能源，那么我们将会引来发动机低碳化时代。
当然、随着芯片算力的提升和云计算的兴起，发动机在实现预测规划控制，自适应抗扰控制等方面也有着巨大的挖掘潜力，利用现在火爆的被无人驾驶挖掘出来的各种牛掰算法，将会赋予发动机更加智能的控制形式。那么我们也必然会拥抱发动的智能化。
真正的产业壁垒来自于健全的产业体系、来自于复杂的研发链路，来自于多样的生态体系，我坚信能够给中国带来真正的产业变革的产品，绝不是靠单纯的电池、电机、车机、智能驾驶来实现的。虽然发动机似乎快要被人们遗忘，但是我们如果能够静下来思考，把这些资源整合起来，新一代灵活燃料智能动力装置，不就在眼前了嘛？
最后，欢迎各位仍然对发动机充满信心，或者仍然对发动机充满怀念的各位同志、工友、学友们，就本文涉及的发电喷相关技术、发动机发展的未来等各个方面展开深入的批评、探讨、和交流，本人知无不言言无不尽，和各位共同进步，为促进中国汽车工业的发展近一点绵薄之力。

电控燃油喷射系统这个名字，乍一看有些不太好理解。
但它说到底，其实就是为了让发动机更省油而诞生的技术。
形象点看，如果把内燃机需要解决的问题想象成高考里各种科目的话，那这个技术就是“省油”这个主科里头，一个非常有用的定理。
就有点像，勾股定理。



勾股定理的历史地位：千古第一定理

在数学里，三角形这个结构虽然很基础，但和它有关的定理可以说花样百出。从简单的内角和定理到复杂的三角函数，应有尽有。
而燃油喷射系统顾名思义，就是把燃油从油箱吸出来喷进发动机的结构。虽然道理很简单，但为了省油，人们对其的进行的各种设计也是层出不穷。
咱们就暂且，把燃油喷射系统理解成发动机里的三角形吧。

<hr/>化油器：三角形内角之和等于180°的基础定理

一开始，人们对于三角形的理解就是很简单的：三个内角和加起来等于180°。
同样，最初发动机上的燃油喷射系统也是非常简单的机构，名为化油器。而它喷油的原理，就和我们洗车用的泡沫喷枪差不多：



手持泡沫喷枪

气体流速越大的地方压强越小，而化油器就是通过发动机进气时高速的气体流动，将汽油吸入发动机内。而为了增加吸油的效率，化油器内还设计了文丘里管，也就是让空气流动的速度更快，也就能吸上更多的油。
因为是纯机械的结构，所以化油器在可靠性上有着巨大的优势，甚至很多军队车辆现在都还在用。



化油器原理简化图

但同时，它却非常不省油，因此成了主科里最大的扣分项。
因为化油器的位置一般都是放在节气门的前方，所谓化油器喷出的汽油很多都会粘在节气门和管道壁上，造成不必要的浪费。同时，纯物理的结构受环境因素的影响相对更大，比如在低温的时雾化的效果就会不好。比如使用化油器的车子在冬天，就需要热车一会才能开。
因此，我国早在2001年就禁止厂家在轿车上使用化油器。就像三角形内角和定理在上了高中以后，就不太用了一样。
<hr/>电控燃油喷射系统：万能的勾股定理
随着数学的发展，人们对三角形的理解也更深了，勾股定理随之诞生。其最大的优点，就是能快速的算出直角三角形的边长，主打一个效率。
而我们的主角：电控燃油喷射系统（以下简称EFI）在这也正式登场了。它和化油器之间最大的区别，就是加入了电控系统来控制高压喷油嘴，从而精准控制燃油喷射量。



EFI喷嘴结构

精准喷射的意义是什么呢？在当时，工程师们发现，14.7的空燃比，也就是14.7份的空气和一份燃油混合，就能让汽油最高效的燃烧。而EFI，就能通过空气流量传感器和电控高压喷嘴，时刻保证混合器的空燃比尽量接近14.7，也就是能让汽油处在最高效的燃烧状态。
自然，就能避免不必要的浪费。
此外，EFI还能实现根据不同环境温度和发动机工况灵活调节喷油量，配合电控火花塞更能调整发动机的点火提前角，从底层决定一个发动机的输出模式。



EFI系统结构

所以题主的问题到这应该也就回答清楚了，EFI 就是一种通过电控的方式来降低发动机燃油消耗的技术。精准、省油和高效就是它最大的优点。
然而就像人们对于三角形的研究没有停止在勾股定理上一样，汽车界对于省油的追求也是愈发严格。因此在 EFI 之后，依然出现了各种各样的电控燃油喷射技术。
就像各种三角函数和复杂定理一样。
<hr/>缸内直喷：初级三角函数

比如，当勾股定理解决不了复杂的函数问题时，三角函数就出现了。什么sin和cos，难度比之前上了一个台阶。
而一开始的EFI的高压喷嘴，其实是设置在发动机的进气歧管上的。虽然相比化油器离气缸近了一些，但其喷出来的燃油还是很容易附着在管壁上。日积月累，还是浪费。
就和勾股定理一样，有短板了。
为了解决这个问题，电控缸内直喷技术应运而生。顾名思义，这个技术就是把高压喷嘴直接放在了发动机的气缸里，不用通过进气歧管，就能直接往里喷油。几乎杜绝了燃油的浪费，极大程度降低车辆的油耗水平。



歧管喷射和缸内直喷对比

就像只要学会了初级三角函数，和三角形有关的计算基本上就都不在话下了。
<hr/>稀薄燃烧技术：高阶三角函数

然而，就算前面的三角函数能够搞定大部分的考题，用来回答压轴的大题多少也有些吃力。
因此，为了让发动机在省油的考卷上再多拿点分数，工程师们在基本上已经发展到顶的发动机里，搞出了一个名为稀薄燃烧的技术。



稀薄燃烧技术

我们在前面说过，14.7的空燃比是最适合汽油燃烧的。而稀薄燃烧，就是在电控缸内直喷技术的基础上，通过大幅提高空燃比，也就是让燃油混合气里的汽油变少来节省燃油的消耗。
可一旦汽油量变少，混合气就没有那么容易燃烧了。所以采用稀薄燃烧技术的车型，一般会拥有更高的压缩比，也就是气缸会把混合气的体积压缩的更小，密度更大也就更容易点燃。
当然，还有一个更加天才的解决方案，叫分层燃烧。
它可以让进入缸内的混合气形成涡流，由内至外混合气是由浓到稀分布。火花塞附近浓度最高，也最易点燃。中间的混合气点燃以后就能顺势带动较远处较稀的混合气体的燃烧，从而解决了不好点燃的问题。
<hr/>预燃烧室技术：傅里叶级数（三角函数的难度天花板）

F1赛车发动机同款主动预燃烧室技术，是目前内燃机上最复杂的技术之一。


这个技术的原理，其实就是在气缸的上方再布置一个极小的预燃烧室。在气缸点火之前，喷油嘴会先把一小部分的混合气提前喷到预燃烧室里点燃。
点燃后的火焰，会通过一些小孔喷射到下方的气缸中，从多个角度同时点燃气缸里的混合气。也就能让高空燃比的混合气以更高的温度，更充分的燃烧并减少爆震和污染物的产生。


我们雷神动力，也有着采用稀薄燃烧技术的发动机，并且还通过对预燃室不同的设计状态，进行了多轮的迭代研究，开发了兼顾油耗、稳定性、爆震抑制、燃烧速度的最佳预燃室方案——射流点火系统。大幅度拓宽了稀燃极限、提升了燃烧稳定性。
总结

电控燃油喷射其实就是通过电控的方式来降低发动机燃油消耗的技术，精准、省油和高效就是它最大的优点。同时，在它的基础之上，也研发出了更多更省油的技术。

电控汽油喷射系统顾名思义由发动机控制单元ECU（Engine Control Unit）控制汽油机燃油喷射时刻、喷射脉宽和喷射规律的系统。由于汽油易于挥发的特性，便于在气缸外部形成均质的可燃混合气，因此在很长时间内采用了装在进气总管上的化油器供给方式。这种燃料供给系统由于不能根据不同工况精确控制混合器的空燃比，因此被电控汽油喷射方式所取代。汽油喷射方式按喷油器安装位置与工作原理的不同可分为进气道多点喷射（MFI）、进气总管或中央单点喷射（SPI）和缸内直接喷射（GDI）三种。
电控燃油喷射系统优点：能准确控制混合气的质量，保证气缸内的燃料燃烧完全，使废气排放物和燃油消耗都能够降得下来，同时它还提高了发动机的充气效率，增加了发动机的功率和扭矩。
电控汽油喷射系统顾名思义由发动机控制单元ECU（Engine Control Unit）控制汽油机燃油喷射时刻、喷射脉宽和喷射规律的系统。由于汽油易于挥发的特性，便于在气缸外部形成均质的可燃混合气，因此在很长时间内采用了装在进气总管上的化油器供给方式。这种燃料供给系统由于不能根据不同工况精确控制混合器的空燃比，因此被电控汽油喷射方式所取代。汽油喷射方式按喷油器安装位置与工作原理的不同可分为进气道多点喷射（MFI）、进气总管或中央单点喷射（SPI）和缸内直接喷射（GDI）三种。
各种传感器与开关，它们可以将驾驶员的意图、汽油机的工况与环境信息及时、真实地传输给电控器，电控器根据来自各个传感器的输入信号以其他开关信号，用控制软件并结合存贮的各种标定数据与图表进行分析运算，决定应如何控制，并以相应的电信号向各个执行器发出各种控制指令，执行器产生相应的动作以实现所要求的控制。

写通俗点吧。
讲电控喷油技术以前要讲机械喷油技术。
以前有p泵，ve泵。
但是简要说其原理，就是有点类似打针的注射器，把燃油呲出去。
这个是很简单，但是机械的东西要做到精确控制很难。因为不同的发动机，不同缸径燃烧室，不同形状燃烧室，需要匹配不同的喷油量。发动机在不同的转速下，也要匹配不同的喷油量。
所以p泵，ve泵有一套复杂的机械系统，而且因为要求精确，它里面的柱塞，号称是发动机三大偶件之一。加工精度非常高。
它怎么喷油呢？简单说就是从发动机曲轴上引出来动力，用一个凸轮顶着活塞，凸轮顶一下，就喷一下油。
电控喷射系统有很多，共轨，单体泵等等。现在大家都一般都默认的是共轨。博世的技术。
共轨技术从原理上讲更简单。你发动机不是需要高压喷射么？不是需要精确控制么？好办，共轨系统先用高压泵，把燃油加压到一个很高的压力，然后储存在一根钢管里。因为这里压力相同，所以叫共轨管（就这样理解吧。哈）。然后用电控的喷油嘴连接共轨管。这时候，以前那些复杂的柱塞呀什么的都不需要了，你只需要标定好，在什么转速，什么油门，什么大气压等等条件下，我喷油嘴的阀门打开多长时间，这个时间就是喷油量。你想怎么喷油就怎么喷油，不再受制于机械系统的复杂程度。
说完这些再说优点。刚才说了机械泵需要用凸轮顶着活塞喷油。决定喷油的时间，大小，是需要凸轮和一系列机械机构配合的。但是机械结构毕竟有限制，而且油道里面燃油在流动，也是一个很复杂的流体问题。很多时候一些喷油要求很难做到。
当共轨电控出来之后，这些一下子就变简单了，反正头上有一个高压共轨管，里面已经有高压油了。你想要喷多少就喷多少。
自由呀！
用一个比喻来说，以前的机械喷油，就像你去洗澡，脚下有个踏板，你踩一下，花洒流点水，踩深了多点，踩少了少点。想要一只洗，就要一直踩。
共轨就是头上有个水箱，想要洗澡，拧开水龙头就行了。想关就关，想开就开！