详解雷克萨斯4GR-FSE发动机D-4系统工作原理及控制策略

一、系统介绍雷克萨斯4GR-FSE发动机的D-4系统是一种将燃油直接喷射到汽缸中的发动机。该系统在高喷射压力下将汽油直接喷入燃烧室，形成空燃混合汽，并在进气行程经开启的进气门进入的是燃烧用的空气。通过专门的直喷式喷油器将燃油（汽油）直接喷入燃烧室内。低压燃油泵以4～6bar的预输送压力将燃油输送到高压燃油泵，高压燃油流入和储存在油轨中，燃油压力传感器检测燃油压力，并通过燃油减压阀将燃油压力的可控范围在8-13MPa/1160.3-1885.5psi之间。直喷式喷油器安装在高压油轨上。发动机ECU不仅精确控制直喷式喷油器的喷射持续时间，还能精确控制其喷射正时，以将燃油喷入燃烧室。二、燃烧过程在燃油直接喷射时，燃烧过程定义为发生在燃烧室中空燃混合汽形成和能量转换的过程。与燃烧过程有关的空气流动是在燃烧室中发生的。燃油喷射和空气流动间的关系非常重要，首先是分层充量（分层空燃混合汽）的燃烧过程。为获得所需的充量分层，直喷式喷油器应将燃油喷入能使它蒸发的空气流中，随即空气流向火花塞方向输送空燃混合汽云，以在点火瞬间到达火花塞。燃烧过程通常由几种不同的、随发动机工况而变的工作模式组成。基本上可分为两种工作模式，即分层充量燃烧过程和均质充量（均质空燃混合汽）燃烧过程。1．均质充量燃烧过程均质充量燃烧过程通常在燃烧室中的空燃混合汽分布脉谱图上形成化学当量空燃混合汽，也就是保证过量空气系数λ=1。这样就可免除稀空燃混合汽工作时需要处理NOx排放的昂贵费用。均质充量方案是降低NOx排放的方案。均质充量燃烧过程常以均质充量工作模式工作。2．分层充量燃烧过程分层充量燃烧过程是指燃油直接喷射时，燃烧过程定义为发生在燃烧室中空燃混合汽形成和能量转换的过程。与燃烧过程有关的空气流动是在燃烧室中发生的。燃油喷射和空气流动间的关系非常重要，首先是分层充量（分层空燃混合汽）的燃烧过程。为获得所需的充量分层，直喷式喷油器应将燃油喷入能使它蒸发的空气流中，随即空气流向火花塞方向输送空燃混合汽云，以在点火瞬间到达火花塞。燃烧过程通常由几种不同的、随发动机工况而变的工作模式组成。基本上可分为两种工作模式，即分层充量燃烧过程和均质充量（均质空燃混合汽）燃烧过程。

一、系统说明

汽油直接喷射发动机在燃烧室中形成空燃混合汽，在进气行程经开启的进气门进入的只是燃烧用的空气。用专门的直喷式喷油器将燃油（汽油）直接喷入燃烧室内。汽油直接喷射系统的特征是在高喷射压力下将汽油直接喷入燃烧室。像柴油机那样，空燃混合汽的形成是在燃烧室内进行的（内部空燃混合汽形成）。

如图1所示，本文以雷克萨斯车系的4GR-FSE发动机的D-4（直喷式四冲程汽油机）系统为例展开阐述。该系统是一种将燃油直接喷射到汽缸中的发动机。低压燃油泵以4～6bar（1bar=100kPa）的预输送压力将燃油输送到高压燃油泵，根据发动机工况（要求的扭矩和转速）给高压燃油泵建立供油系统压力约12MPa/1740.5psi。高压的燃油流入和储存在油轨中，燃油压力传感器检测燃油压力，并通过燃油减压阀将燃油压力的可控范围在8-13MPa/1160.3-1885.5psi之间（可控范围因发动机工况而异）。直喷式喷油器安装在高压油轨上。发动机ECU不仅精确控制直喷式喷油器的喷射持续时间，还能精确控制其喷射正时，以将燃油喷入燃烧室。图2、图3分别为4GR-FSE发动机D-4系统示意图及控制策略示意图。

二、燃烧过程

在燃油直接喷射时，燃烧过程定义为发生在燃烧室中空燃混合汽形成和能量转换的过程（它由发动机燃烧室和进气歧管几何形状、燃油喷射正时和点火瞬间决定）。与燃烧过程有关的空气流动是在燃烧室中发生的。燃油喷射和空气流动间的关系非常重要，首先是分层充量（分层空燃混合汽）的燃烧过程。为获得所需的充量分层，直喷式喷油器应将燃油喷入能使它蒸发的空气流中，随即空气流向火花塞方向输送空燃混合汽云，以在点火瞬间到达火花塞。燃烧过程通常由几种不同的、随发动机工况而变的工作模式组成。基本上可分为两种工作模式，即分层充量燃烧过程和均质充量（均质空燃混合汽）燃烧过程。

1．均质充量燃烧过程

均质充量燃烧过程通常在燃烧室中的空燃混合汽分布脉谱图上形成化学当量空燃混合汽，也就是保证过量空气系数λ=1。这样就可免除稀空燃混合汽工作时需要处理NOx排放的昂贵费用。均质充量方案是降低NOx排放的方案。均质充量燃烧过程常以均质充量工作模式工作。

2．分层充量燃烧过程

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