现代缸内直喷式汽油机(十七)
文/江苏 范明强
(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。
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。
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。
新开发的这种3.5L-2GR-FSE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
380N·m最大扭矩之外，该机还具有宽广的高扭矩
范围，从2000r/min开始就发出至少90%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。
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
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)
2000-6500 2000-4200
排放标准 J-SULEV
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
化学计量燃油空气混合汽
进气压缩 点火 燃烧
(进气道喷射和
缸内直接喷射)V6-3.5L-2GR-FSE汽油机是以V6-
3L-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。
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：
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。
正如图135所示，这些技术措施使得
该机达到了具有世界一流水平的234 kW功
率(比功率为67.7kW/L)和380N·m最大扭
矩，同时该机还具有宽广的高扭矩区，在
2000～65000r/min范围内发出至少90%
的最大扭矩(图136)。
11.2 应用D-4S技术提高功率
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-4S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。
图137示出了这种系统的配置，表2列
出了其喷油系统的技术规格。这种新型汽
油机采用6只12孔喷嘴以最高0.4 MPa压
力将燃油喷入进气道，并采用高功率燃油
泵通过共轨将最高13MPa压力的汽油供
应给实现缸内直接喷射的6只双缝隙喷油
器，它们各具有两个0.52×0.13mm大小的
长方形狭缝状喷孔，将平面双扇形油束倾
斜喷向活塞顶面(图138)，以替代常规的单
扇形油束。由于这种双扇形油束将空燃混
合汽带向排气门而不会进入活塞顶上的凹
坑中去，而进气道的造型和专门设计的活
塞顶形状可产生旋流效应，将进气空气或
空燃混合汽形成最佳涡流，因此即使应用
了气体流动较弱的大流量进气道，也能够
在汽缸内实现更均匀的空燃混合汽分布，
这从图139对用计算流体动力学(CFD)模
型计算得到的常规油束和新开发双扇形油
束所形成的缸内混合汽状况进行的对比可
以看得很清楚。因而，这种系统能够应用
大流量进气道来替代高滚流比进气道，并
无需滚流控制阀，因此降低了进气阻力，
充分发挥了缸内直接喷射的优势，改善了
全负荷性能。具体来讲，在发动机整个转
速范围内其扭矩比进气道喷射提高了7%
左右(图140)。
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)
燃油压力 0.4MPa
喷油速率 295cc/min
图134 2GR-FES-V6-3.5L汽油机纵横剖视图
矩[Nm]扭
380
360
340
320
300
280
260
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
发动机转速[r/min]
240
230
220
210
200
190
180
率[kW]功
采用提高转速和改进气
道口技术措施的效果
2GR-FSE
D-4S技术效果
图135 发动机特性曲线
改进方向
围0%最大扭矩范9[r/min]
5000
4000
3000
55 60 65 70
比功率[Kw/L]
2GR-FSE
图136 比功率和90 %最大扭矩范围
图137 D-4S系统配置
浅坑形活塞
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
针阀
密封面
压力室
缝隙
油束形状
图138 双扇形油束
浓
化学计量
空燃比
稀
2800r/min，全负荷
24°上止点前 火花塞
常规油束 新开发的油束
图139 不同油束形状空燃混合气的比较(在火
花塞剖面上)