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