3．壁面引导／气流引导分层充量燃烧过程

    在壁面引导／气流引导分层充量燃烧过程时直喷式喷油器通常位于两进气门之间，燃油喷射压力为50～150bar。壁面引导依靠燃烧室壁面将燃料输送到火花塞附近形成空燃混合汽。通常通过一个特殊设计的活塞凹坑来引导浓混合汽到火花塞附近。然而在发动机运行中仅靠活塞凹坑难以达到满意的混合汽输送效果，因此，还需要特殊设计气流运动来支持合理的混合汽形成。气流运动带走壁面油膜处的浓混合汽，使之输送到火花塞周围。为了避免后燃和不完全燃烧导致的高HC排放，燃油喷雾、活塞形状和气流运动需要优化设计。复杂的活塞凹坑设计导致燃烧室形状不规则，这对于发动机全负荷运行是不利的。而对于冷启动，分层混合汽也受到限制，因为蒸发过程受活塞顶部温度的影响显著。气流引导依靠气流运动将燃料输送到火花塞附近形成可燃混合汽。气流引导系统中直喷式喷油器和火花塞布置上通常有较大距离。燃油喷射是朝向点火源，但不是直接喷射到火花塞。燃烧室设计需要考虑喷雾形态和气流运动，燃料输送到火花塞主要是依靠缸内流动。由于避免了壁面油膜，这种系统在降低HC排放方面有很大的潜力，但在低速时气流运动太弱，不足以输送混合汽到火花塞附近。因此，可以通过节流（增加了泵气损失）来提高气流运动强度，同时保证三元催化转换器所需的排气温度。雷克萨斯的4GR-FSE发动机通过安装在进气道上的电子涡流控制阀（SCV）形成的不同角度的斜向进气涡流；燃烧室为半球屋顶形，活塞顶部设有唇型深皿凹坑；采用高压（8～13MPa）单缝喷嘴型喷油器，实现高度微粒化。在燃烧室壁面与涡／滚结合的气流运动引导下，通过进气冲程中的扇形喷雾结合缸内强滚流以及燃烧室形状的完美搭配，引导燃油向火花塞方向运动，在这个过程中全部气化并与空气混合，最终在火花塞周围形成较浓的适于点燃的混合汽区域，而在周围区域形成极稀的混合汽。同时，为控制分层燃烧时NOx的产生，采用了电控EGR系统，排放控制采用紧凑藕合三元催化转换器和NOx吸附还原型稀燃催化转换器。

    注：滚流的含义一进气过程中，绕垂直于汽缸轴线旋转的滚流可更有效的将燃油喷雾或浓混合汽散布于整个汽缸容积中；在压缩过程中，滚流的动量衰减较少；在活塞接近于压缩上止点时，大尺度的滚流被破碎成许多小尺度的涡流和湍流，可大大改善混合燃烧过程。

 

    4GR-FSE发动机的D-4系统能够将燃油直接喷射到汽缸中，支持以下三种燃烧模式。

    目前的主流是“化学当量D-4”（化学当量燃烧：理想燃烧的化学当量A/F控制），其中不进行分层燃烧，如表1所示。

1．分层空燃混合汽工作模式（分层燃烧）

    如图4所示，在分层空燃混合汽工作模式下，发动机在压缩行程的后半部分首次喷射燃油时，燃油只与一部分空气制备空燃混合汽，形成完美的，被纯新鲜空气包围的分层空燃混合汽云。在分层空燃混合汽工作模式下，燃油喷射正时非常重要。在点火瞬间分层空燃混合汽云不仅要充分均质化，而且要位于火花塞位置。因为化学当量空燃混合汽只是在分层空燃混合汽工作模式中的局部区域，所以这部分空燃混合汽总体上是处于稀空燃混合汽包围中，虽整体上非常稀薄，却仍可确保高水平的燃烧稳定性。与均质空燃混合汽工作模式相比，分层空燃混合汽工作模式降低了泵送损失，喷射燃油的蒸发可冷却压缩空气并提升充气效率。然而，在分层空燃混合汽工作模式过程中，废气中的氧密度变得非常高，传统的三元催化转换器不足以净化NOx。因此，三元催化转换器现在被NOx存储还原催化转换器所取代，该催化转换器临时存储分层空燃混合汽工作模式阶段产生的NOx，并在均质空燃混合汽工作模式阶段净化之前将其还原。分层空燃混合汽工作模式只能在一定的工况范围工作，因为在较高负荷时，冒碳烟和／或NOx排放急剧增加并失去整个均质空燃混合汽工作模式时燃油消耗低的优点。在较低负荷时分层空燃混合汽工作模式受废气熔的限制，也就是废气温度不能达到催化转换器的工作温度。在这种工作模式下，发动机转速不能超过3000r/min，因为超过这个阂值，可用的时间窗口不再能使分层空燃混合汽云充分均质化。因此被空气包围的分层空燃混合汽云外围区域变稀，在燃烧时该区域的原始NOx排放增加。在这种工作模式下，采用高废气再循环率补救措施可降低燃烧温度，从而降低与温度有关的NOx排放。