现代缸内直喷式汽油机(十七)
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缸内直喷技术(新技术) ppt课件
TSI
• 在国外大众的1.4T发动机上以及进口发动机，TSI代 表的是Twincharger Fuel Stratified Injection这几个单 词首字母的缩写，可以理解为双增压+分层燃烧+喷 射。
• 国内生产的1.4T发动机则省掉了机械增压和分层燃烧
，仅保留了涡轮增压和缸内直喷。
• 大众1.8/2.0TSI中的“TSI”则代表着Turbo Fuel Stratified Injection,可以理解为涡轮增压+分层燃烧+ 缸内直喷的意思，不过国内则省掉了分层燃烧。
传统多点燃油喷射
PPT课件
2
在对能源和环保要求日趋严格的今天，传统多点燃 油喷射技术已不能满足人们要求，于是更为精确的燃油
喷射技术诞生，那就是缸内直喷技术。
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3
•
汽油机直喷技术是指发动机采取和柴油机相同的
喷射工作方式，直接向气缸内喷射汽油。因此也有人
认为汽油直喷技术就是将柴油机的形式移植到汽油发
• 稀薄燃烧是提高汽油机燃油经济性的重要手段。缸内直喷汽 油机稀薄燃烧技术可以分为均质稀燃和分层燃烧两种燃烧模 式。
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在火花塞间隙周围局部形成具有良好着火 条件的较浓混合气（12~13.4），在燃烧室大 部分区域是较稀混合气，两者之间为了有利于 火焰传播，混合气浓度从火花塞开始由浓到稀 逐步过渡，这就是所谓的分层燃烧。
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2、进气歧管翻板关闭时的均匀燃烧
在发动机转速低于3750 转/分 或发动机负荷低于40% 时， 进气歧管翻板是关闭的。 下部进气道被封闭，于是被吸 入的空气就会通过上部进气道 加速后呈紊流状流入燃烧室， 利于混合气的形成与雾化。
缸内直喷简介
因此，在大负荷工况时，一个工作循环中，喷 因此，在大负荷工况时，一个工作循环中， 油器发生两次脉冲信号， 油器发生两次脉冲信号，必须是用瞬时高电压 和大电流“峰值保持型”驱动方式（ 100～ 和大电流“峰值保持型”驱动方式（用100～ 110V和17～20A打开 110V和17～20A打开） 。 打开） 两次喷射”也可在起动工况、 “两次喷射”也可在起动工况、急加速工况出 以调节空燃比A/F的大小 改善使用性能。 的大小， 现，以调节空燃比A/F的大小，改善使用性能。 可见，只有在等速稳定工况行驶，才能节油。 可见，只有在等速稳定工况行驶，才能节油。
检测方法： 检测方法： 可燃混合气较浓， （1）在小负荷工况时 可燃混合气较浓，输出 ）在小负荷工况时—可燃混合气较浓 电压应为0.66v左右；在中等负荷工况时 可燃混 左右； 电压应为 左右 在中等负荷工况时—可燃混 合气较稀，输出电压应为3.3v左右。 左右。 合气较稀，输出电压应为 左右 （2）连续地快速加减油门踏板，输出电压应连 ）连续地快速加减油门踏板， 续的变化，反应时间应为1.1s为好（与传统数据 为好（ 续的变化，反应时间应为 为好 相近， 相近，10s＞8次）。 ＞ 次 3）宽带氧传感器，也有多组故障代码， （3）宽带氧传感器，也有多组故障代码，如： P1133—A/F传感器反应速度过慢； 传感器反应速度过慢； 传感器反应速度过慢 P0171—混合气稀。等等 混合气稀。 混合气稀 等等----
5、高压旋流式喷油器— 高压旋流式喷油器— ECU直接用脉冲电流 由ECU直接用脉冲电流 的宽度， 的宽度，控制喷油量的多 利用特殊的喷孔形状， 少，利用特殊的喷孔形状， 向气缸内喷出旋转的雾状 燃油， 燃油，与挤压涡流快速的 混合，以便点火燃烧。 混合，以便点火燃烧。它 没有进气管沉积油膜的缺 又因喷油压力较高， 点，又因喷油压力较高， 喷油器的自洁功能高， 喷油器的自洁功能高，不 易产生脏堵故障。 易产生脏堵故障。
最新型的缸内多次喷射的直喷式汽油机(二)
稳定 的边缘 涡流 区。同时 ，
在充量分层运转时采用废 行时 ，在绝热过 程控制或等 程开发 中应用 了三维流动模 容燃烧情况下具 有明显 大的 拟 计算 。在 图７ 左图上 的纵
这 种 由喷 射 产 生 的 油 束 感 应 气再循环来减少Ｎ ｘ Ｏ 的生成。
流 动 引起 了非 常 有 利 的 空 气 废 气 从 车 厢 前 围板 以后 的 左 潜力。这主要是 由于 充量稀 剖 面 示 出 了 在 火 花 塞 范 围 内
１热 力学 ．
范 围内实现 充量分层 运行 。 ２多次喷射 ．
射 的 无 断火 范 围要 比 采 用 双
次喷射 时明显 大。喷油终 了
与进 气道 喷射 或壁 面 引
首 先 ，压 电式 喷油器 的开 时的喷油量越 多 ，三次 喷射
实 ，向外 开 启 的 喷 油 嘴 和 ２ 导缸 内直接 喷射燃烧过程相 闭 十 分 迅 速 ，能 够 在 发 动 机 对混合气形成 的有 利作 用就 ０
３ 主要部件组成 ： 个 喷油嘴部 雾 束照片。这样 的喷雾 束只 下 ，向外开启的喷油嘴 喷出 件 、压电模块和补偿元件（ 有在各次 喷油之 间的波动 非 的油 束具 有高的动量 ，在所 图
４。喷油 嘴喷 出的锥形 油束 的 常 微 小 的 情 况 下 才 能 提 供 。 ）
热力学分析表 明，与所有 更 快 速 更 完全 ， 因此 能 够 获 隔对不 着火频率 的影响。在
较 大 ，喷 射 相 同油 量 所 必需 其 它 方 案相 比 ，采 用 过 量 空 得 有利 的热力学燃烧重心位 无断火范 围内 ，在保持喷油
的时间也要短得 多。这可 以 气 运 行 的油 束 引 导 燃 烧 过 程 置 ，低 的Ｈ 排 放 ，同时 发动 结 束 时刻 不 变 的情 况 下 可 以 Ｃ 结合压 电直接控制来予 以解 具 有最 大的降低燃油耗 的潜 机 还 能 在 更 大 的 特 性 曲线 场 改 变 点 火 时 刻 。 采 用 三 次 喷 释 ，并且 由此将显示 出更多 力 。 的燃烧过程优点。 上述介 绍 的试 验结 果证
缸内直喷式汽油机燃烧特性分析
4 周龙保 等 1 内燃机学 1 北京 :机械工业出版社 ,1999 5 林杰伦 1 内燃机工作过程数值计算 1 西安 :西安交通大学出版
社 ,1986
环变动率较小 , 在
5 %左右 , 发动机运
转十分平稳 。从图
中可以看出 ,随着负 荷的增加 ,循环变动
图 2 发动机循环变动率
率降低 。这是因为当负荷增加时 ,循环供油量增加 ,
混合气变浓 ,火焰传播速度加快 ,降低了循环变动 。
从图中还可以看出 ,随着转速的增加 ,循环变动出现
了先增加后降低的趋势 。当转速较低时 ,采用分层
(1) 缸内直喷式汽油机的最大燃烧压力要高于 传统化油器式汽油机 ,最大压力升高率与传统化油 器式汽油机相当 ,且最大压力升高率所在的曲轴转 角在 5～10°CA A TDC 之间 ,处于较为理想的位置 , 燃烧具有较好的定容度和较高的热效率 ,能实现低 噪声柔和运转 。 (2) 缸内直喷式汽油机的燃烧循环变动在 5 % 左右 ,发动机运转十分平稳 。
燃烧的方式 ,火焰能否快速稳定地传播依赖于混合
气的浓度分布 ;当转速增加时 ,缸内气流运动增强 ,
导致火花塞间隙附近混合气浓度和气流速度的变动
增加 ,使循环变动加大 ;当转速进一步增加时 ,发动
机采用均质混合气预混燃烧的方式 ,混合气在缸内
均匀分布 ,因此缸内气流运动的增强能加快火焰的
传播速度 ,可以降低循环变动 。
(3) 缸内直喷式汽油机采用均质预混合燃烧时 , 曲线的形状与传统的预混和汽油机的放热率曲线完 全一致 。
(4) 采用分层燃烧 ,当转速和负荷较高时 ,与传 统的预混和汽油机的放热率曲线相似 ,但是燃烧初 期速率明显要高于传统的预混和汽油机 ;当转速和 负荷较低时 ,瞬时燃烧率曲线存在类似柴油机燃烧 率曲线的双峰 ,存在比较明显的扩散燃烧 。
社 ,1986
环变动率较小 , 在
5 %左右 , 发动机运
转十分平稳 。从图
中可以看出 ,随着负 荷的增加 ,循环变动
图 2 发动机循环变动率
率降低 。这是因为当负荷增加时 ,循环供油量增加 ,
混合气变浓 ,火焰传播速度加快 ,降低了循环变动 。
从图中还可以看出 ,随着转速的增加 ,循环变动出现
了先增加后降低的趋势 。当转速较低时 ,采用分层
(1) 缸内直喷式汽油机的最大燃烧压力要高于 传统化油器式汽油机 ,最大压力升高率与传统化油 器式汽油机相当 ,且最大压力升高率所在的曲轴转 角在 5～10°CA A TDC 之间 ,处于较为理想的位置 , 燃烧具有较好的定容度和较高的热效率 ,能实现低 噪声柔和运转 。 (2) 缸内直喷式汽油机的燃烧循环变动在 5 % 左右 ,发动机运转十分平稳 。
燃烧的方式 ,火焰能否快速稳定地传播依赖于混合
气的浓度分布 ;当转速增加时 ,缸内气流运动增强 ,
导致火花塞间隙附近混合气浓度和气流速度的变动
增加 ,使循环变动加大 ;当转速进一步增加时 ,发动
机采用均质混合气预混燃烧的方式 ,混合气在缸内
均匀分布 ,因此缸内气流运动的增强能加快火焰的
传播速度 ,可以降低循环变动 。
(3) 缸内直喷式汽油机采用均质预混合燃烧时 , 曲线的形状与传统的预混和汽油机的放热率曲线完 全一致 。
(4) 采用分层燃烧 ,当转速和负荷较高时 ,与传 统的预混和汽油机的放热率曲线相似 ,但是燃烧初 期速率明显要高于传统的预混和汽油机 ;当转速和 负荷较低时 ,瞬时燃烧率曲线存在类似柴油机燃烧 率曲线的双峰 ,存在比较明显的扩散燃烧 。
缸内直喷工作原理
缸内直喷工作原理
缸内直喷是一种汽车发动机燃油喷射技术，在发动机活塞顶部附近的缸内直接喷射燃油。
它的工作原理如下：
1. 压缩冲程：在压缩冲程时，活塞向上运动，将进气气体压缩到缸内。
同时，缸内喷油器会将燃油以高压喷射到气缸内。
2. 燃烧冲程：当活塞到达燃烧冲程时，喷射进入气缸的燃油会立即形成一个混合气云。
在喷油器中使用的压力和喷油量的精确控制下，燃烧室内的空气与燃油的混合物达到理想的空燃比。
3. 点火：当活塞达到顶点位置时，点火器将在混合气云中产生一个火花，引发燃烧过程。
由于直接喷射技术，混合气云在燃烧之前与环境中的空气进行了更好的混合，这导致更高的燃烧效率和更低的尾气排放。
4. 排气：在燃烧冲程完成后，活塞再次向下运动，将燃烧产生的废气排出汽缸，进行下一个循环。
通过缸内直喷技术，燃料能够更有效地燃烧，发动机的燃油利用率得到提高。
缸内直喷还可以减少废气排放和燃油消耗，提高发动机的动力性能和经济性。
汽油机缸内直喷GDI
缸内燃油喷射定时和进气运动更易实现混合气分层；
瞬态响应特性改善； 燃油喷射雾化混合气的形成质量改善，进气温度影响
较小，充气效率提高； 可以采用高的压缩比或高的增压比，或同等情况下降 低对燃料辛烷值的要求； 取消节气门，减少泵气损失，发动机的经济性改善 高压缩比时缸内混合气的温度压力提高，改善了点火 和燃烧条件，可降低冷起动时未燃碳氢排放； 便于采用多次喷射、后喷射等冷起动排放控制策略； 通过后燃喷射等提高排气温度及能量，提高增压器的 快速响应性能。
用优化设计的进气道与活塞形 成空气流动，实现混合气在缸 内பைடு நூலகம்层分布，由此可获得在传 统发动机中不可达到的稀空燃 比（如40:1），实现超稀薄混 合气稳定燃烧。
6
前两种方式有可能形成壁面油膜，是造成碳氢排放高的主要原 因；后一种方式则与喷雾特性、喷射时刻关系密切，但控制起 来比前两种要难。
7
同常规汽油机空燃比为
难以在全部运转范围内实现混合气理想的分层（负荷分
段控制策略）； 喷油器内置气缸内，喷孔容易结垢，影响喷雾特性和喷 油量（研制具有自洁功能的喷嘴）； 低负荷时HC排放高，高负荷时NOx排放高，有碳烟生 成 （采用二次混合、二次燃烧和反应式排气管、废气再 循环EGR等技术）； 部分负荷时，混合气稀于理论空燃比，三效催化器转化 效率下降，需采用选择性催化转化技术（采用稀燃催化 器）； 气缸和燃油系统磨损增加（开发抗磨损能力强、功率消 耗低的供油系统和燃油喷射系统）。
采用NOX催化反应器；
采用两次喷油的控制方法；
辅喷油阶段：在发动机运行进气行
程时，发动机会进行一次喷油，喷 油的数量不大，这部分少量的汽油 会汽化挥发吸收热量的，这样就能 降低汽缸内的温度，气缸内混合气 密度增大。所以这次喷油的后果在 给气缸降温的同时，还可以提高进 气密度，让更多的空气进入到汽缸， 而且能确保汽油跟空气均匀的混 合。 主喷油阶段：第二次喷射是主喷油 过程。当活塞即将达到发动机压缩 行程的上止点时，在火花塞点火之 前，会有一定量的汽油再次被喷出， 这次喷射被成为主喷油。
发动机的缸内直喷技术与工作原理
发动机的缸内直喷技术与工作原理发动机是现代交通工具中不可或缺的重要组件，而其中的缸内直喷技术在汽车发动机领域中起着关键作用。
本文将介绍缸内直喷技术的工作原理以及其在汽车行业中的应用。
一、缸内直喷技术概述缸内直喷技术是指将燃油直接喷射到发动机缸内燃烧室中的一种燃油喷射技术。
相比传统的多点喷射技术，缸内直喷技术具有更高的燃油利用率和较低的尾气排放。
它通过控制喷油系统的喷油时间、喷油量和喷油方式，使燃油与空气更好地混合，从而提高燃烧效率和动力输出。
缸内直喷技术已成为现代汽车行业的主流技术，被广泛应用于各类汽车发动机中。
二、缸内直喷技术的工作原理1. 喷油系统缸内直喷技术的关键是喷油系统。
喷油系统由高压燃油泵、燃油滤清器、高压喷油器和电子控制单元（ECU）等组成。
高压燃油泵负责将燃油压力提升至较高的压力，以满足后续喷油的需求。
燃油滤清器可对燃油进行过滤处理，确保燃油的纯净度。
高压喷油器则负责将燃油以高压喷射进入发动机缸内。
2. 喷油方式缸内直喷技术有两种喷油方式：单脉冲喷射和多脉冲喷射。
单脉冲喷射是将一次全量的燃油在一个喷油周期内完成喷射，适用于低负荷工况下的发动机。
多脉冲喷射是将一次喷油分为多个小脉冲，通过多次喷油来实现更精细的燃油控制，适用于高负荷工况下的发动机。
3. 燃油与空气混合喷射到缸内的燃油会与进入缸内的空气混合，形成可燃气体。
为了确保燃油与空气更好地混合，缸内直喷技术通常采用了多个喷油孔和特殊喷油器设计。
优化的喷油孔和喷油器设计可以实现更好的燃油雾化和湍流效果，从而提高燃油与空气的混合质量。
4. 燃油点火最后，燃油与空气混合物被点火燃烧，产生高温高压的燃烧气体，推动活塞向下运动，从而驱动发动机工作。
缸内直喷技术能够实现更精准的燃烧控制，提高燃烧效率，减少尾气排放。
三、缸内直喷技术的应用缸内直喷技术在汽车行业中得到了广泛的应用。
它不仅可以提高燃油利用率和动力输出，还能减少尾气排放。
许多汽车发动机制造商都将缸内直喷技术应用于其发动机中，以提升产品竞争力。
汽车新技术之汽油机缸内直喷培训课件(ppt 45张)
图4.福特PROCO稀薄燃烧系统
4.缸内直喷技术现状
• 燃油供给和喷射系统 • 喷射模式 • 燃烧系统 • 缸内空气运动的组织
4· 1.燃油供给和喷射系统
• 现代的GDI发动机燃油供给系统设计，为了 达到分层稀薄混合气所要求的喷雾质量和 灵活的喷油定时，均采用了精度高、响应 快的柔性电控手段。高压共轨喷射系统加 电磁驱动喷油器被认为是满足缸内灵活喷 射要求的喷射系统之一。 • 该系统由低压输油泵、燃油压力传感器、 喷油压力控制阀、高压油泵、蓄压燃油轨、 喷油器等组成。
• 缸内直喷就是将燃油喷嘴安装 于气缸内，直接将燃油喷入气 缸内与进气混合。喷射压力也 进一步提高，使燃油雾化更加 细致，真正实现了精准地按比 例控制喷油并与进气混合，并 且消除了缸外喷射的缺点。同 时，喷嘴位置、喷雾形状、进 气气流控制，以及活塞顶形状 等特别的设计，使油气能够在 整个气缸内充分、均匀的混合， 从而使燃油充分燃烧，能量转 化效率更高。
图1.丰田D—4稀薄燃烧系统
3· 1.分层燃烧缸内直喷
• 三菱4G稀燃系统(图2)与丰田D一4系统相近。 进气采用立式进气道，能够产生强大的进 气气流，直接流入气缸，流速可达40m/s 一50 m/s，充气效果好，以保证高度的纵 向涡流及充气系统。活塞顶部的凹坑浅， 且壁面有一定的斜度。在部分负荷输出时， 油束与壁面碰撞后飞溅的油滴，随含有汽 油蒸气和细小油滴的气流斜向上运动(图2中 倒滚流)，被位于缸盖中部的火花塞点燃。
汽车新技术之汽油机缸内直喷
汽油机缸内直喷技术
1.缸内直喷技术概述 2.缸内直喷技术的工作原理 3.缸内直喷技术特点 4.缸内直喷技术现状 5.缸内直喷技术的实际应用 6.缸内直喷发动机目前存在的问题 7.缸内直喷技术推广应用的主要问题 8.缸内直喷技术今后的研究开发方向
4.缸内直喷技术现状
• 燃油供给和喷射系统 • 喷射模式 • 燃烧系统 • 缸内空气运动的组织
4· 1.燃油供给和喷射系统
• 现代的GDI发动机燃油供给系统设计，为了 达到分层稀薄混合气所要求的喷雾质量和 灵活的喷油定时，均采用了精度高、响应 快的柔性电控手段。高压共轨喷射系统加 电磁驱动喷油器被认为是满足缸内灵活喷 射要求的喷射系统之一。 • 该系统由低压输油泵、燃油压力传感器、 喷油压力控制阀、高压油泵、蓄压燃油轨、 喷油器等组成。
• 缸内直喷就是将燃油喷嘴安装 于气缸内，直接将燃油喷入气 缸内与进气混合。喷射压力也 进一步提高，使燃油雾化更加 细致，真正实现了精准地按比 例控制喷油并与进气混合，并 且消除了缸外喷射的缺点。同 时，喷嘴位置、喷雾形状、进 气气流控制，以及活塞顶形状 等特别的设计，使油气能够在 整个气缸内充分、均匀的混合， 从而使燃油充分燃烧，能量转 化效率更高。
图1.丰田D—4稀薄燃烧系统
3· 1.分层燃烧缸内直喷
• 三菱4G稀燃系统(图2)与丰田D一4系统相近。 进气采用立式进气道，能够产生强大的进 气气流，直接流入气缸，流速可达40m/s 一50 m/s，充气效果好，以保证高度的纵 向涡流及充气系统。活塞顶部的凹坑浅， 且壁面有一定的斜度。在部分负荷输出时， 油束与壁面碰撞后飞溅的油滴，随含有汽 油蒸气和细小油滴的气流斜向上运动(图2中 倒滚流)，被位于缸盖中部的火花塞点燃。
汽车新技术之汽油机缸内直喷
汽油机缸内直喷技术
1.缸内直喷技术概述 2.缸内直喷技术的工作原理 3.缸内直喷技术特点 4.缸内直喷技术现状 5.缸内直喷技术的实际应用 6.缸内直喷发动机目前存在的问题 7.缸内直喷技术推广应用的主要问题 8.缸内直喷技术今后的研究开发方向
缸内直喷技术
缸内直喷技术缸内直喷（GDI），就是直接将燃油喷入气缸内与进气混合的技术。
优点是油耗量低，升功率大，压缩比高达12，与同排量的一般发动机相比功率与扭矩都提高了10%。
它的劣势是零组件复杂，而且价格通常要贵。
缸内喷注式汽油发动机与一般汽油发动机的主要区别在于汽油喷射的位置，普通电喷汽油发动机上所用的汽油电控喷射系统，是将汽油喷入进气歧管或进气管道上，与空气混合成混合气后再通过进气门进入气缸燃烧室内被点燃作功；而缸内直喷式汽油发动机顾名思义是在汽缸内喷注汽油，它将喷油嘴安装在燃烧室内，将汽油直接喷注在气缸燃烧室内，空气则通过进气门进入燃烧室与汽油混合成混合气被点燃作功，这种形式与直喷式柴油机相似，因此有人认为缸内直喷式汽油发动机是将柴油机的形式移植到汽油机上的一种创举。
喷射压力也进一步提高，使燃油雾化更加细致，真正实现了精准地按比例控制喷油并与进气混合，并且消除了缸外喷射的缺点。
同时，喷嘴位置、喷雾形状、进气气流控制，以及活塞顶形状等特别的设计，使油气能够在整个气缸内充分、均匀的混合，从而使燃油充分燃烧，能量转化效率更高。
因此有人认为缸内直喷式汽油发动机是将柴油机的形式移植到汽油机上的一种创举。
缸内直喷式汽油发动机的优点是油耗量低，升功率大。
空燃比达到40:1(一般汽油发动机的空燃比是14.7:1)，也就是人们所说的“稀燃”。
汽车缸内直喷技术Gasoline Direct Injection（GDI）在不同汽车品牌中各自有着不同的学名，比如奔驰CGI/ BlueDIRECT、宝马HPI、奥迪TFSI、大众TSI、通用SIDI、福特EcoBoost、丰田D4、本田Earth Dreams Technology （地球梦）、尼桑DIG、马自达SKYACTIV（创驰蓝天）、现代GDI等在近来各厂采用的发动机科技中，最炙手可热的技术非缸内直喷莫属。
这套由柴油发动机衍生而来的科技目前已经大量使用在包含VAG、BMW、Mercedes-Benz、GM以及Toyota(Lexus)车系上。
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可变气门定时机构
进气门 + 排气门(双VVT-i)
燃油喷射系统
进气道喷射+缸内直喷 (D-4S)
缸内直喷 (D-4)
压缩比
11.8
11.5
最大功率 (kW/r/min)
234/6400
188/6200
最大扭矩 (Nm/r/min)
380/4800
314/3600
90%最大扭矩的转 速范围(r/min)
5000 2GR-FSE
4000
改进方向
90%最大扭矩范围[r/min]
3000
55
60
65
70
比功率[Kw/L]
图136 比功率和90 %最大扭矩范围
进气道喷射喷油器 火花塞
高流量进气道
缸内直接喷射高压喷油器 浅坑形活塞 图137 D-4S系统配置
V6-3.5L-2GR-FSE汽油机是以V63L-3GR-FSE直喷式汽油机结构为基础， 通过加大汽缸直径来增大排量，同时加大 进 排 气门，重 新 设 计 大 流 量 进 气 道，并 采 用新型的D-4S汽油直接喷射系统。
为此，缸内直接喷射技术越来越受到轿车汽油 机制造厂商的青睐。欧洲和日本相继推出了多款直喷 式 汽 油 机 轿车，特 别 是 德 国大 众公司在中国同步 推 出并批量生产其最新型的该类车型及其直喷式汽油 机，受到国内业内人士的高度关注。
但是，对轿车汽油机而言，无论是进气道喷射还 是缸内直接喷射都各有利弊。在低速低负荷工况，缸 内直 接 喷 射不能确 保 最 佳 的 混合 汽 形成，而在全 负 荷范围内，进气道喷射又由于受到进气节流的影响， 进气量不足而限制了汽油机功率的提高。
常规化学计量的汽油直接喷射系统 的优点在于能够提高充气效率，而燃油直 接 喷 入 汽 缸 其 汽化 潜 热 有 利 于 提 高 压 缩 比，但是这种系统要求高的滚流比和滚流 控制阀，以使喷入汽缸的燃油形成均质空 燃 混合 汽，这 将产生 进 气 阻 力，并 妨 碍 这 种系统优点的充分发挥。而在新开发的汽 油 机 上，由于 采 用了新 开发 的 D - 4 S 汽 油 直接喷射系统，进气阻力反而降低了，并且 能够像进气道喷射一样提供良好的直接 喷射油束。
另外，通 过 采 用高 刚 度 滚 轮 摇臂、轻 型陶瓷止回球阀式液压挺柱以及高刚度正 时链条等技术措施来提高发动机转速。同 时，由于应用了新型的D-4S汽油直接喷射 系 统，改 进了汽 缸 盖 冷 却以 及 降 低了排气 系统的压力损失，使得能够采用更高的压 缩比。 11.1 提高性能
提高性能是该汽油机开发工作中最优 先考虑的重点。下列5项技术被用来改善燃 烧，提高功率，降低燃油耗和排放：
新 开发 的 这种 3 . 5 L- 2 G R - F S E 汽 油 机 是丰田 GR汽油机系列中的顶级机型，首先搭载于GS 450h 和LS 460雷克萨斯轿车以及后轮驱动的Luxury高 级运动型轿车上,旨在改善批量生产汽油机的动态性 能,同时满足环境对低燃油耗和低排放的要求。作为
一种自然吸气汽油机，该汽油机配备了新型的D-4S 汽油直接喷射系统(D-直接喷射；4-四冲程汽油机； S-高档方案)和进气道喷射两种喷油器，以充分发挥 汽油直接喷射的优势，并改善全负荷性能，同时还通 过采取进一步的技术措施，例如改进进排气系统加 快进气空气流动，加大气门传动机构刚度等提高发 动 机 转 速，降 低各种 零 部件 的摩擦以 及 提高压 缩比 来 提 升功 率 。因 此，这 种 新 型 汽 油 机 除了达 到 具 有 世界一流水平的234 kW功率(比功率为67.7kW/L)和 3 8 0 N·m 最 大扭 矩 之 外，该 机 还 具有宽广的高扭 矩 范围，从 2 0 0 0 r/ m i n开始就 发出至 少 9 0 %的最 大 扭 矩，因此装用这种汽油机的凌志轿车的动力性能名列 世界最顶级水平，同时最佳的10-15工况燃油耗达到 了10km/L，并已被证实该汽油机能够满足日本特超 低排放汽车(SULEV)的排放限值。
功率[kW]
扭矩[Nm]
采用提高转速和改进气
240 230
道口技术措施的效果
220
2GR-FSE
210 200
380 D-4S技术效果 360
190 180
340
320
300
280
260
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
发动机转速[r/min]
图135 发动机特性曲线
常规油束
新开发的油束 稀
图139 不同油束形状空燃混合气的比较(在火 花塞剖面上)
表2 喷油系统的技术规格
缸内直接喷射
油束形状
双扇形油束
喷油嘴型式 双缝隙(宽：0.52mm,长：0.13mm)
燃油压力
4～13MPa
喷油速率
948cc/min(在12MPa时)
进气道喷射
油束形状
12孔
喷油嘴型式
多孔(φ0.19×12)
11. 发动机概况和主要技术规格
表10列出了这种新型汽油机的主要技术规格， 图134是其纵横剖视图。
表10 发动机主要技术规格
发动机型号
2GR-FES
3GR-FES
排量(L)
3.456
2.994
汽缸直径(mm)
94
87.5
行程(mm)
83
缸心距(mm)
105.5
汽缸排列
V6
气门传动机构 4气门，双顶置凸轮轴链传动，滚轮摇臂
鉴此，日本丰田Tochter Lexus公司新开发了一 种不用复杂的可调式进气管，也不用会产生节流影响 的 滚 流调 节阀，而是 组合应 用进 气 道喷 射 和 缸内直 接 喷 射 的 新 型自然 吸 气 汽 油 机，它将 这两 种系 统 的 优点集成于一体，根据功率需求，或采用单纯的缸内 直接喷射运行，或采用两种系统组合运行。在低负荷 和中等负荷范围内，由进气道喷射和缸内直接喷射共 同实现可能是迄今为止最好的混合汽形成(图133)， 而在全负荷范围内，由单纯的缸内直接喷射获得尽可 能最高的功率，同时缸内直接喷射时汽油油滴蒸发 的冷却效果又能降低爆震倾向，这样就能够采用更 高的压缩比。原则上，这种新型汽油机采用均质混合 汽运行，仅仅在冷启动以后，借助于压缩行程期间附 加 的 缸内直 接 喷 射 形成 分层 充 量，以便 提 高 废 气 温 度和缩短催化器的预热时间。
(接上期) 现代汽车工业面临的形势越来越严峻，既要承
受全球环境恶化的重压，面对越来越苛刻的废气排 放法规，必须不断地降低汽车的尾气排放；又面临世 界石油能源紧缺，汽车的燃油经济性越来越受到人 们的关注；同时还必须满足用户对车辆动力性能的要 求。汽车制造 厂商的任 务就 是 要协调 所有 面临的这 些相互矛盾的要求，这是一项非常困难的任务，尤其 是在对动力性能要求特别高的高档运动型轿车领域 内更是如此。
① 新型的D-4S汽油直接喷射系统； ② 重新设计进气道，改善进气流量系 数； ③ 提高转速的技术措施； ④ 降低机械摩擦和泵吸损失的技术 措施； ⑤ 提高压缩比的技术措施。
针阀 密封面 压力室 缝隙
油束形状 图138 双扇形油束 2800r/min，全负荷
24°上止点前 火花塞
浓 化学计量 空燃比
●：气道喷射(丰田) ▲：缸内直接喷射(丰田)
12
2GR-FSE
11
进气道喷射
10
9 75 80 85 90 95 100 105
汽缸直径[mm]
2000-6500
2000-4200
排放标准
J-SULEV
化学计量燃油空气混合汽
进气
压缩
(进气道喷射和
缸内直接喷射)
点火
燃烧
图133 进气道喷射和缸内直接喷射组合运行时的混合气 形成
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-CHINA ·July
栏目编辑：牛纪元 editor1@
图134 2GR-FES-V6-3.5L汽油机纵横剖视图
基础知识讲座 Master The Basics
范明强 (本刊专家委员会委员) 教授级高级工程师，曾任 中国第一汽车集团公司 无锡研究所发动机研究 室主任、湖南奔腾动力科 技有限公司轿车柴油机 项目部 总 工程师、无 锡 柴油机厂高级技术顾问 和多所高校客座教授。
现代缸内直喷式汽油机(十七) 文/江苏 范明强
2011/7· 汽车维修与保养 37
基础知识讲座 Master The Basics
与气门机构设计值的偏差 压缩比
相对于进气道喷射发动机 扭矩改善的效果[%]
10
新开发的系统
8
6 常规直喷式汽油机
4
2
0
-2 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
发动机转速[r/m]
图140 相对于进气道喷射发动机的扭矩改善效果
0.7 新汽油机
0.6
进气道喷射汽油机
流量系数
0.5
缸内直接喷射汽油机 (高滚流比)
0.4 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 滚流比
图141 新发动机的流量系数
凸轮轴 气门弹簧
摇臂
挺柱
气门
液压挺柱
止回球阀
图142 气门传动机构和液压挺柱示意图
新设计的形状
原先的形状
图143 气门摇臂形状的改进
①气门传动机构技术 在发动机高转速区域，由于液压挺柱 (图142)中的止回球阀延迟关闭导致液压挺 柱总排量增大，同时由于进排气门直径加 大，惯性质量增加而引起作用在摇臂上的 弯曲负荷增大，导致气门总升程偏离设计 值 。作为对 策，采 用陶瓷 止回 球阀 来 减 轻 阀球的质量，改善液压挺柱在高转速下的 响 应性，结 果 使 挺 柱 总排 量得以 减 小 。此 外，通过加大摇臂的弯曲刚度(图143)降低 了弯曲负荷。如图144所示，由于这些改进 措施改善了气门传动机构的响应性，使得 发动机能够以更高的转速运转。 ②正时链条技术 气门升程的加大和发动机转速的提高 导致凸轮轴旋转扭矩波动幅度和正时链条