奥托发动机的名称源于Nicolaus.August.Otto。在1876年奥托按四冲程工作原理工作的第一台煤气发动机在道依茨气体发动机有限公司（Deutz AG）运转，并于1877年8月4日得到专利授权[1]。四冲程工作原理同样在柴油机上应用。无论是点燃式发动机还是柴油发动机也可按二冲程工作方式工作。常规点燃式发动机与柴油发动机的主要区别特征是：节流调节负荷、均匀的气缸充量、外部混合气形成接着压缩点火。
与柴油机相比，点燃式发动机的主要缺点是在部分负荷的节流损失。点燃式发动机汽车未来的解决方案是：力图克服常规点燃技术的原理性缺点；目标是限制外部混合气形成；解决均匀的气缸充量。这样保留了与柴油机的主要区别是点火/着火方式。如英语表示的名称SI为（火花点火）和CI（压缩点火）。
判断未来的动力装置需确定一些标准。在所有考虑的使用情况下，可靠性和使用寿命无疑是用户的首选标准。毕竟，用户接受新的动力装置时，其经济性十分重要。经济性不但指生产成本，而且也指日常的使用成本。燃料消耗直接影响使用成本。从保护资源的理由和因为与燃烧古生物燃料相联系的CO2排放的间接使用成本也正在公开讨论中。
在全球范围飙升的交通密度问题催生了立法者的行动——乘用车动力装置的排放要不断遵守日趋严格的法规，这是对未来乘用车动力装置的另一个重要选择标准。同样，动力装置的噪声辐射扰乱和加重道路交通的正常秩序，必须降下来。噪声也直接影响乘员的舒适性。从努力降低汽车重量和尽可能紧凑的汽车结构引申出对动力装置高功率密度的要求。发动机动态工作性能不但是一个激情特征的标准，也是一个与合理概念“主动行驶安全性”相关的要求。
特别是在开发高压直喷乘用车柴油机取得重大进步以来，常规点燃式发动机的原理性缺点已为大家关注。无节流装置的点燃式发动机方案是可变气门控制以及稀薄混合气工作。常规点燃式发动机可能的均匀燃料（空气混合气工作方式）变为优越的稀薄混合气工作循环会受到混合气点火边界的限制。所以在最近几年，作为替代方案采用汽油直喷和分层气缸充气。稀薄混合气发动机方案要求在富氧的排气中重新解决排气净化问题。减小汽车尺寸和减轻重量（Downsizing）方案可以从与改变发动机工况相关的无节流装置发动机中吸取到无节流装置发动机可较大降低燃料消耗的优点。
由于点燃式发动机在高负荷时出现的爆燃问题而限制压缩比直接影响到理想循环的热效率，所以要在发动机的功率密度和部分负荷热效率之间寻找一个折中。可变压缩比就可解决热效率问题。特别是采用增压和应运而生的Downsizing效果可较大地节省燃料消耗。
1.充量更换
充量更换是用新鲜空气或新鲜混合气交换燃烧废气。进排气系、气门和气门开启特性决定工作气缸的充量。用充气系数（容积效率）定义充量更换品质。它是实际吸入气缸的新鲜充量mL与在给定的气缸容积下理论上可能的充气量mth之比：
λL=mL/mth
气缸的新鲜充量是：
在内部混合气形成时mZ=mZL。
在外部混合气形成时mZ=mZB+mZL。
只有在尽可能多的空气也就是氧气进入气缸并留在气缸中时，才可为完全燃烧供入或喷入更多的燃料，发动机也才可发出更多的功率。
根据气缸盖上的充量更换机构和充量更换时的气流导向，可以把充量更换原理分为对流原理和横流原理。在气流对流的气缸盖上，进、排气道在气缸盖同侧（有时也称气流直流的气缸盖），进气气流和排气气流相反。对流原理常用在经典的两气门直列布置的发动机上。在气流横流的气缸盖上，进、排气道分置在气缸盖两侧。这种原理也用在两气门发动机上，但主要用在各种型式的多气门发动机上（每缸气门数≥3）。在气流横流的气缸盖上，“冷侧”与“热侧”分开，为管路和燃料装置提供更多的布置自由度。
图5.1-29 在不同的进气管设计时发动机平均有效压力随转速的变化
（1）进气系 发动机进气过程在约180～240°KW（曲轴转角）的较短时间内完成，这意味着发动机转速在1000～6000r/min工作时要在约3～0.5ms时间内完成。进气过程具有很高的动态特征，主要受进气压力波和负压力波的影响。利用有针对性的设定进气系的几何形状（进气管长度和直径），可以在一定转速范围优化充气系数。图5.1-29是不同进气管时发动机平均有效压力随转速的变化。在低转速、较细且长的进气管可得到最大转矩；较粗且短的进气管可得到最大功率。日常使用的汽车（Alltagsautos），通常侧重于设计在中低转速有高的转矩，而运动车设计在高转速有高的转矩。
进气管内表面应尽量光滑。坑洼棱边和急转弯会产生气流分离，需予防止。在多缸发动机上必须注意按点火顺序依次跟随的气缸进气不要受到干扰。这意味着在设计进气管时为保证每个气缸均匀的进气，单靠各缸的进气管长度和形状还不够，要通过仔细优化和借助于三维流动仿真计算（计算流体动力学CFD）可以防止进气气流局部扰动的动态影响。
在发动机上较多地采用可变进气管。利用蝶阀或转阀接通2个或3个不同长度的进气管或采用可连续调节长度的进气管，使在整个转速范围得到最佳的转矩特性。从进气口经空气滤清器到节气门的这段前置进气管影响充量更换。此外，还必须优化进气系的这段前置进气管的进气噪声。为阻尼各个谐振频率常采用亥姆霍兹谐振器（Helmholtz-Resonator）或利用在宽频带范围具有良好阻尼的宽带谐振器（Breitbandresonator）。
持续的成本压力和力求更好质量的大批量产品的压力，在过去几年促进了模块技术的发展。现代发动机的进气模块经常将与气流导向和燃料相关的所有零部件在功能和空间上组成预先装配好的和可以检查试验的一个整体。图5.1-30是进气模块实例。它带有多件塑料结构和铝结构的进气管、电控节气门、进气管长度可变装置、燃料分配管（共轨）和燃料喷嘴。
图5.1-30 进气模块（带可变进气管、电控节气门、燃料喷射装置，包括附设的电缆、软管）（西门子）
（2）排气系 为实现当前和未来的排放准则，需要迅速加热催化转化器。为此，除采用较厚的、较大热容量的铸铁弯管外，还采用先进的钢板弯管，实现有利于流动的管道形状和结构。钢板弯管较轻，很少吸收排气热量，从而可加速加热催化转化器。钢板弯管还加装钢板护套，以形成空气间隙，起到隔热与热障作用。采用新的工艺，如液压成型（见9.2.4小节），已开发出性能良好、能耐热负荷和振动负荷以及成本低廉的排气管（图5.1-31）。
图5.1-31 有空气隙隔热的钢板结构 排气弯管（实例：奥迪V8）
催化转化器位于排气弯管后面。随着排放法规的不断严格，迫切需要将催化转化器安装在靠近发动机处，使发动机冷起动后迅速加热催化转化器。但在发动机大负荷工作带来了现代催化转化器需要承受的高的热负荷。在富燃料—空气混合气工作条件下要防止催化转化器过热（部件保护）。
在充量更换时排气系的几何尺寸和几何形状（5.6节）影响排气性能。较贵的分级、分段组合的排气系（4缸发动机上4根排气管组合为2根，再组合为1根，即4in2in1）可得到均匀的全负荷转矩特性。后接的部件（催化转化器和消声器）应有较低的平均排气背压。消声器应有效，本身的噪声辐射表面尽量小。排气管采用不锈钢板或涂覆铝的钢板，以防腐蚀。
（3）气门正时 除了充量更换机构的几何尺寸和几何形状外，气门正时是成功充量更换（充气系数高）的关键。它关乎到发动机的高比功率。在理论上先排气再进气的严格的工作过程在实际上会或多或少地重叠。重叠的程度用重叠角表示，即在某一曲轴转角范围进、排气门同时开启的角度。
在发动机低速运动时，较大的气门重叠角则气缸中残余废气较多，从而显著地影响怠速的稳定性，造成怠速不稳。通过进气侧的充量运动优化燃烧过程以降低缸内残余废气。探讨残余废气的兼容也取得了成功，这就是废气的内部再循环，它可降低原始排放，特别是降低NO x排放，并减轻了排气净化对催化转化器的要求。在部分负荷废气再循环可达到发动机有限的无节流和节省一定的燃料消耗。这些例子表明，对现代点燃式发动机的功率、燃料消耗、排放和舒适性的各种要求是如何拿捏的，并在仔细协调这些要求时是如何权衡的。
（4）可变气门控制 发动机除采用稀薄混合气工作方式外，还采用可变的充量更换机构实现点燃式发动机无节气门控制。节气门控制造成充量更换损失功的显著增加，是点燃式发动机工作过程损失的重要组成部分。图5.1-32表示由测量缸内工质指示压力得到的充量更换功是发动机工作过程中给出的总的工质指示功的一部分[2]。随着发动机负荷减小，这部分损失功就大。这表明在改善燃料消耗方面有较大的潜力。
由此，可变气门控制在改善全负荷转矩特性、怠速稳定性、部分负荷燃料消耗以及排放性能等方面还有进一步的潜力。
可变气门控制系统已在5.1.4小节中叙述。下面说明的利用可变气门控制无节气门装置的点燃式发动机方案是根据前面介绍的控制气门正时和开启断面可变的系统。
如果吸入气缸的充量质量没有受到进气气流节流的影响，则常规点燃式发动机充量更换的大部分损失是可以避免的。在可变气门控制时在吸入期望的新鲜混合气质量后通过早关进气门（FES），或者多余的气缸充量质量重新排入进气行程后通过晚关进气门（SES）就可避免大部分充量更换损失（图5.1-33）。选择FES需要控制很短的进气门开启时间，以实现在无负荷工作时最少的新鲜混合气质量。SES的控制策略则相反，由于在任何负荷下过多的气缸充量的重复流动会产生较大的充量损失趋势。
图5.1-32 常规点燃式发动机充量更换损失
图5.1-33 部分负荷控制方式
可变气门正时也用于控制残余废气量（内部废气再循环）。原理上可考虑3个选择（图5.1-34）。在增大气门重叠角时较多的排气流入进气行程（“进气道废气再循环”），从而在进气道中稀释紧接着吸入的新鲜气量。这一选择可改善进气道中的混合气形成。在“排气道废气再循环”时，气门重叠角移到进气行程。在进气行程第一阶段，新鲜混合气通过进气门，废气通过排气门同时吸入气缸。在“燃烧室废气再循环”时，残余废气量由排气门早关确定。以后，停留在燃烧室中的残余废气由于活塞向上止点运动而被压缩，然后再膨胀。在气缸中的气体达到大气压力后开启进气门，并按FES（图5.1-33）策略开始进气过程（图5.1-33）。
在无节流的负荷控制中，取消促进燃料蒸发的进气管中的气体负压。但特别是在发动机冷起动和暖机时会出现混合气形成不佳的问题。对此，作为一个例子，可以用图5.1-35表示的晚开进气门的策略予以补救，以达到在进气门开启时刻（Eö）在气缸中的气体出现负压。这个负压促使流入气缸的新鲜混合气以声速流动。与这样的流动过程相关的节流损失在整个的观察过程中降低到微不足道的程度。因为在冷起动后又过渡到无节流的负荷调节。其他可能的调节方案是与已知的一些系统相关的可变气门升程（见5.1.4小节）。在低负荷时，利用气门间隙的影响可以改善混合气形成。
图5.1-34 残余废气控制方式
可变气门控制还可进一步改进发动机工作的潜力，如降低怠速从而降低燃料消耗；由于残余废气的优化控制，可以同时在低的爆燃边界提高气缸充量；发动机较高的全负荷转矩，特别在低转速范围，可扩大车桥传动比，通过工作点的转移可进一步降低燃料消耗。
图5.1-35 在进气门晚开时的p-V图[3]
为实现按发动机特性场控制关闭各个气缸，可以采用减活各个气门（使气门不运动处于关闭状态）的结构方案。由此，使没有关闭的工作气缸工作点向降低燃油消耗方向移动。这时的气门控制还可延伸到周期的间歇工作。可以在各个气缸的4个工作行程之间有选择地在中间接入一些空行程。
可变气门控制与增压结合可实现如米勒循环（Miller-verfahren）[30]。还可通过有目的地早开排气门，造成排气管中气体压力的脉动。在增压发动机中可以利用排气压力的脉动，改善增压发动机动态性能。
2.混合气形成
在点燃式发动机中混合气形成就是按混合气的成分与量进行混合气配置、准备输送和分配。常规点燃式发动机混合气形成的目标是尽可能形成均匀、符合空气（氧气）和燃料化学当量混合比的混合气。节气门调节的空气量是与喷入缸内的燃料量相匹配的。
进气系保证将空气均匀地分配到各个气缸（见5.1.4小节）。在现代点燃式发动机上，利用每个气缸盖上的喷油器保证精确、均匀地将燃料分配给每个气缸（多点喷射MPI）。喷油器总是安装在靠近气缸盖进气道的进气歧管上（燃料喷射口PEI）。混合气的准备（燃料蒸发和与吸入空气的混合）受燃料沸腾过程、温度、压力、流速、湍流、雾化品质、燃料浓度和提供给混合气混合的准备时间等因素的影响。
混合比用过量空气系数λ表示。过量空气系数是供入缸内的空气量与理论所需空气量的比值。在燃料富裕时过量空气系数λ＜1（浓混合气）；在空气富裕时过量空气系数λ＞1（稀混合气）。λ的大小决定发动机工作性能（图5.1-36）。在λ≈0.9时发动机达到最大转矩，有良好的运转性能；在λ≈1.1～1.2时达到最佳的燃料消耗。过量空气系数也影响发动机排放。在空气不足时（λ＜1），HC和CO排放增加；在空气充分时（λ＞1），NOx排放增加（见图5.1-55）。按稀薄混合气工作方式工作的发动机可实现部分的无节流调节负荷，降低点燃式发动机部分负荷的燃料消耗，这是过去努力的目标。为点燃稀薄混合气，在火花塞附近的混合气必须保持在λ≈0.8～1.2（燃料点火边界）。燃烧室中不均匀的分层气缸充量挖掘了扩大应用的潜力（见5.1.5小节）。但采用三效催化转化器后，放弃了过去追求的、按稀薄混合气工作方案，因为及时氧化HC、CO和还原NOx，迫使过量空气系数要保持在λ=1（见5.1.5小节）。
图5.1-36 过量空气系数λ和点火时刻αz对发动机和燃料消耗和转矩的影响
发动机在正常的热工作状态时混合气形成不会有什么问题。严重的情况发生在发动机冷起动和暖机时。在燃烧室部件温度低和由于燃烧室中低的气体流动速度和小的湍流，一部分喷入燃烧室内的燃料落在燃烧室壁上而不直接参与燃烧。为达到具有点燃能力的混合气，需要喷入过量燃料（冷起动富裕燃料）。但导致不完全燃烧和高的HC排放，而无法达到排放法规规定的限值。这时需要优化喷嘴位置、方向以及喷雾质量，以使这一问题减至最小。
图5.1-37 喷油器（Bosch）
1—喷油器轴针 2—针阀 3—电磁阀衔铁 4—闭合弹簧 5—电磁线圈 6—电气接头 7—燃料滤网
（1）均匀的混合气形成 采用催化转化器技术可以用汽油喷射完全代替过去或仍在使用的化油器。首先在安装化油器的进气弯管法兰处中央喷射燃料（单点喷射SPI）。但也出现很少的情况，进气管路被燃料湿润，发动机动态响应由于燃料在进气管路的聚积和蒸发而变得迟钝。为此，采用快速的单独喷射（多点喷射MPI）。每个气缸有一个单独的喷油器。它尽量靠近气缸盖安装，并指向进气门方向喷射（图5.1-37）。喷射是间歇的，由电磁阀控制。电磁阀通电，针阀升起，喷孔打开。电磁阀控制时间和燃料压力相对进气管内气体压力的表压决定喷入的燃料量。在有两个进气道的4气门气缸盖上通常使用向两个进气门方向喷射燃料的双喷束喷油器。
目前采用的是单独喷射（且是顺序喷射），喷油器分别控制，在每个工作循环的规定时刻（定时）向每个气缸喷射燃油。这个时刻可以在进气门开启前、进气门开启期间或与进气门开启时刻（定时）一样，它取决于发动机负荷、转速和温度。通过发动机控制（要通过仔细试验）可以掌握负荷或转速变化的动态过程而不会有过多或过少的燃料进入气缸。在汽车惯性行驶时可以完全切断燃料喷射（惯性行驶断油）。
通过燃料分配管（轨）将燃料供给喷油器。在顶部供油（top-feed）的喷油器上（图5.1-37），燃料分配管从上部插在直列排列的喷油器上。在底部供油（bottom-feed）的喷油器上，燃料管道组合在气缸盖法兰附近的进气管中。O形密封圈将喷油器体的下部供油孔与上部供油孔密封。燃料箱中的电动输送泵泵出燃料。燃料压力通常高出当时进气管气体压力的2～4bar（7.6节）。按进气管气体压力和燃料消耗量，设在燃料分配管（共轨）端部的压力调节器将燃料压力与进气管气体压力之间的压差调节到定值。多余的燃料量通过回流管系统回到燃料箱，并从回流管中分离出空气泡和燃料蒸气泡。新的系统没有回流管系统。燃料压力和燃料量调节装置组合在燃料泵中或安装在燃料箱中。燃料泵只按实际需要的燃料量输送到燃料分配器中。除已经提到的每个喷油器有一个或多个喷速的喷嘴型式外，还使用偏离喷油器轴心的喷束轴的喷嘴型式。到底采用何种喷嘴型式，需要在具体的发动机类型上进行良好的匹配与优化，特别是保证发动机在各种工作条件下和在整个的动转时间内喷束具有一样的雾化品质。在喷油器喷射处流入空气还可进一步改进雾化品质（空气包围的喷嘴）。这时，在节气门前分出一股空气流，并利用到进气管的气体压力差使喷嘴处的燃料与空气混合，再依靠高速气流产生更小的雾滴。
（2）汽油直接喷射 在燃烧室中汽油直接喷射时喷射过程的喷射时刻（定时）决定混合气形成的时间长短和压缩终了的充量状态。在较晚喷射实现的充量分层允许在部分负荷时使用平均值更稀的混合气。不管是采用无节气门装置发动机还是修改气缸充量的软件得到的热力循环的好处都会降低燃料消耗。在进气行程提早喷射汽油可得到整个缸内的均匀充量。汽油蒸发的冷却作用提高了充气效率、降低爆燃倾向和提高发动机全负荷的平均指示压力。
在均匀气缸充量的燃烧方式中，利用进气侧产生的充量运动可帮助新鲜混合气匀质化。为此，可在每个气缸附加一个进气管喷油器，并在气缸充气路径设计进气道[5]。
汽油直接喷射的其他场合是直接起动发动机[4]。这样可显著减少HC的起动排放。以起动时间300ms计，汽油直接喷射还可在起动—停机工作方式上使用[6]。
1）分层充量燃烧方式。汽油直接喷射燃烧方式的重要任务是在利用这种原理的优越条件下，在尽可能宽的发动机特性场范围可靠地控制发动机工作过程。与常规的点燃式发动机不同，特别是在较晚的直接喷射时只能给分层充量燃烧方式的点燃式发动机提供较短的混合气形成时间。为此，要采取特别措施使在点火前混合气就制备好，到点火时刻（定时）有点燃能力的混合气集中在火花塞附近，以确保可靠点燃和完全燃烧。从热效率角度，被空气，准确地说，被残余废气绝热包围的富油混合气区有利于减少壁面的热损失。
此外，分层充量燃烧方式应避免汽油直接喷射可能带来的负面伴生现象。应排除气缸工作面被汽油湿润和与此相关的润滑油膜被冲洗的危险。同样，要采取有效措施抑制由于冷却作用（淬火效应）形成变稀的混合气区而引起的不完全燃烧及过高的HC排放。为防止燃烧时产生微粒，要使喷射的汽油喷到火焰前峰时没有液态汽油油滴或过浓的混合气。沉积在喷嘴上的不完全燃烧残留物应最少。要排除由于热冲击作用使液态汽油直接喷到火花塞上。
为实现对分层充量燃烧方式的所有要求，必须仔细协调汽油喷射装置的性能、充量的缸内流动以及燃烧室形状。汽油喷嘴的主要设计标准是汽油喷束占据的空间和喷束随时间和空间的扩展。燃烧空气混入喷射的汽油中主要是由喷入空气中的汽油喷束，即二次流动效应引起的。另外，还利用进气过程中的充量运动，以帮助混合气形成。充量运动还输送蒸发的汽油，从而控制火花塞处顶部凹坑形状，还可有目的地引导汽油喷束（见壁导混合气形成燃烧方式）。此外，燃烧室形状还影响压缩过程的充量运动和充量运动的消失。
可以按上面所说的影响参量的重点分成几种不同的汽油直接喷射燃烧方式，即喷导、壁导和气导混合气形成燃烧方式。尽管实际所用的燃烧方式不总是明显地属于这三种燃烧方式的一种，但这样的分类有助于更好的理解燃烧方式的重要性。
①喷导混合气形成燃烧方式。在喷导混合气形成燃烧方式中，混合气形成和充量分层的构成主要基于汽油喷束的特性。这种燃烧方式在混合气形成过程中没有充量运动的帮助。燃烧室形状的设计尽可能影响喷束的形成。混合气分层的轮廓主要由汽油喷束形成的混合气云确定。在喷束最外边形成一层可点燃的混合气，火花塞就放在该处。喷导混合气形成燃烧方式的特点是在狭窄的空间设置喷嘴和火花塞。这样，即便在小喷油量时还可保证在火花塞处的混合气有可点燃的浓度。
在单缸试验机上进行的喷导混合气形成燃烧方式的原理性试验[7]表明，点火区只在喷束最外缘的薄层区出现。为此，对喷嘴的喷束散布范围提出高的要求。采用向外开启的喷嘴可以解决这方面的问题[8]。
图5.1-38 喷导混合气燃烧方式（梅赛德斯—奔驰M272）
在气缸盖中央布置的喷嘴和较陡的、靠近气缸中心的汽油喷束可得到有利于部分负荷的、在燃烧室内被空气—残余废气绝热包围的燃料—空气混合气浓度。喷导混合气形成燃烧方式能较大地降低部分负荷的汽油消耗；在全负荷工作时在尽量少的湿润缸壁时可得到良好的混合气制备（图5.1-38）。
②壁导混合气形成燃烧方式。在壁导混合气形成燃烧方式中，喷射的汽油与空气的混合气形成是基于将大部分汽油先喷涂在燃烧室壁上，再从壁上蒸发、与燃烧空气混合。通常利用活塞顶部表面作为燃烧室壁控制混合气。为此，活塞顶部有专门造型的凹坑。靠近壁面的富油区利用汽油喷束冲量的推动沿着壁面移动。通过相应的调整与火花塞相关的活塞凹坑的几何形状，可以帮助在点火区有易点燃的混合气浓度。但汽油喷束的固有运动不能达到满意的工作状态，还要辅以专门的、调整好的充量运动促使混合气形成。充量运动不断将新鲜的燃烧空气引向壁面富油区并将有汽油蒸气的富混合气从壁面轮廓引导到火花塞。可以考虑的充量运动方式有两种基本开态：旋流和滚流。在发动机实际应用的方案中通常是这两种涡流流动的混合形态。它们的主要区别是涡流轴的方向不同。
图5.1-39 壁导逆向滚流混合气燃烧方式[9]
可以将日本汽车生产厂家首次把汽油直接喷射发动机推入市场的壁导混合气形成燃烧方式作为这方面的典型代表（图5.1-39）。1996年在日本，1997年进入欧洲的日本三菱公司（Mitsubishi Motors Co.）的GDI发动机方案是一个4气门（每缸）、中央火花塞、4气缸双顶置凸轮轴（DOHC）、缸径81.0mm、行程89.0mm、压缩比12（欧洲机型为12.5）的发动机。其压缩比相当高的原因在于汽油直接喷射起到缸内冷却作用。活塞上有一个特别的凹坑，它的形状是从进气侧到喷嘴是低矮（扁平）的，从喷嘴到火花塞则较陡。为帮助混合气形成和输送，采用滚流。滚流的转动方向与通常的滚流转动方向不同，为逆向滚流。为建立这种充量运动，进气陡直变化，从而增加了发动机结构高度（包括进气管）。
在开发发动机方案中要仔细分析各种燃烧方式[9]。依靠激光方法可以深入研究混合气的形成过程以及分层的汽油—空气混合气的燃烧特点。为制备沉积在壁面的汽油并将混合气输送到火花塞，研究充量运动是十分重要的。三菱公司的GDI发动机激发了众多发动机开发者和科学家的共同兴趣。这项工作基本上证明生产厂家发布的消息，尽管先前论断的低燃油消耗的优点不是在全部工作范围实现的[10]。
在这期间，其他生产厂家在日本市场展示了汽油直接喷射点燃式发动机。丰田公司在原有的4气门（每缸）点燃式发动机基础上引入的直喷方案[11]同样基于壁导混合气形成燃烧方式（图5.1-40）。4缸发动机的工作容积为1.998L（缸径86.0mm，行程86.0mm）、压缩比为10（适度的高压缩）。汽油喷束对准活塞凹坑的边缘区。气体旋流帮助混合区形成。在切断作为充气道的第2个进气道时，通过旋流进气道（第1进气道）使进入气缸的气体旋转。气体的旋流加速刮走沉积在燃烧室壁面的汽油，并将混合气输送到火花塞。在发动机上止点，布置在气缸盖中央的火花塞稍微凸入活塞凹坑。
图5.1-40 壁导旋流混合气燃烧方式[11]
2002年戴姆勒—克莱斯勒公司展示的CGI混合气形成燃烧方式同样基于壁导混合气形成和旋流方案[12]。其主要特点是首次成批使用的汽油直接喷射与增压的组合，而前面介绍的方案是机械式压气机增压。尽管壁导混合气形成燃烧方式从列举的一些理由看，还没有完全利用热效率的潜力，但一系列的实际应用证明，由于它的工作稳定，即在汽车行驶时在各种边界条件下不会发生断火，所以具有重要的使用性能。
③气导混合气形成燃烧方式。在气导混合气形成燃烧方式中，混合气形成通过汽油喷束与剧烈的、定向的气缸充量的流动完成。混合气形成没有直接受到燃烧室壁的影响。对燃烧室形状的要求是：稳定在进气过程在进气道中产生的燃烧空气流动；将空气喷入汽油喷束后促使空气与喷束混合；将形成的混合气输送到火花塞。因此，汽油的喷束与喷导混合气形成燃烧方式的喷束不同，它不是直接指向火花塞电极。与壁导混合气形成的燃烧方式也不同，在气导混合气形成燃烧方式中汽油不是理想地到达燃烧室壁，而是在燃烧室内蒸发，再与燃烧空气混合。
图5.1-41 气导混合气形成燃烧方式
气导混合气形成燃烧方式的典型结构特征是：喷嘴与火花塞间的距离较大；汽油喷束指向点火区附近，但不直接喷到点火电极；燃烧室形状有利于喷束的扩散，在较晚喷射汽油时也是如此。图5.1-41表示由FEV发动机技术开发的、有充量滚流运动的混合气形成燃烧方式实例。公布的研究结果指出，根据气导混合气形成燃烧方式的混合气形成和输送原理可保证在发动机特性场的广阔范围有效[13]。充量滚流的混合气形成燃烧方式在没有断火时，部分负荷的汽油消耗较低，且有良好的全负荷工作性能。与其他的汽油直接喷射的燃烧方式相比，充量滚流的混合气形成燃烧方式在实际上无微粒排放的部分负荷工作时HC排放很低。
在开发气导混合气形成燃烧方式框架内采用激光检测和仿真计算分析混合气形成过程[14]。图5.1-42表示采用CFD（计算流体动力学）计算在汽油喷射结束和点火正时的混合气分布。由图可见，充量运动使汽油喷束向火花塞移动，并在火花塞处集合了可点燃的混合气。图5.1-42的计算实例还表明仿真计算法是一个有效的工具，它可为开发者有关修改或改变工作条件的结果作出很好的预测，仿真计算方法是在开发汽油直接喷射的混合气形成燃烧方法中确定下来的、不可放弃的一种方法。
由大众有限公司的路跑FSI发动机第一次批量使用的汽油直接喷射FSI技术首先归入气导混合气形成燃烧方式一类，尽管在这个方案中也存在壁导混合气形成燃烧方式的特征[15]。气导混合气形成燃烧方式基于充量的滚流，并借助汽油喷射将混合气移动到火花塞。活塞凹坑有两个分开的小凹坑。一个凹坑是汽油移动注入部分（汽油凹坑），另一个凹坑在压缩行程终了时使滚流偏转，将期望的混合气输送到火花塞。在开发中应用了数学仿真计算法和光学分析法。
由Grigo[16]在单缸试验机上进行的上述各种燃烧方式系统比较试验，由于一直保持边界条件，所以可对喷导、壁导、气导混合气形成燃烧方式的潜力作出预测。Grigo通过对这些燃烧方式的深入的热力学分析，找到了它们之间在工作过程中的重要差别（图5.1-43）。引人注目的首先是喷射结束和点火时刻间的时间间隔，也即曲轴转角的角度间隔不同。在喷导混合气形成燃烧方式中，角度间隔最小。这可以这样解释：喷束几乎可以说直接被点燃。而在壁导混合气燃烧方式中，通过活寒凹坑表面形成的混合气由于路径长，使混合气形成的角度间隔最大。由此也产生了不同燃烧方式的不同的燃烧延迟。喷导混合气形成燃烧方式的燃烧延迟角最大，需要最大的点火提前角。在气导混合气形成燃烧方式中，利用剧烈的充量运动，尽管它比壁导混合气形成燃烧方式的混合气制备角度间隔小，但仍可达到良好的混合气品质。与喷导混合气形成燃烧方式相比燃烧延迟角较小。
图5.1-42 用仿真计算法表示混合气分布[14]
图5.1-43 直接喷射混合气形成燃烧方式的过程变化比较[16]
上面提到的所有燃烧方式方案不是单一的，它只是一个基本的形态。另外，采用的许多直接喷射（DE）燃烧方式的界限更多的也是变动的，需进行试验，以将各种燃烧方式的好的性能有机地组合起来。努力降低部件、样品和生产设备成本也会影响到燃烧方式的设计。燃烧方式开发的任务在于在给定的边界条件内寻找一个合理的方案并优化。
2）喷射技术。为在点燃式发动机上实现直接喷射，在当前已批量生产的方案中采用高压燃油喷射，并辅以空气喷射，它将空气或残余废气吹入面对喷嘴的燃油中。
①高压燃油喷射。在高压燃油喷射中，利用高压泵将燃油供入燃油分配管（共轨）。系统最高压力的数量级达200bar。高压泵为径向或轴向结构型式的单柱塞或多柱塞泵，由凸轮轴直接驱动或通过发动机控制机构驱动。未来的电驱动高压泵方案正在开发中。调压泵使系统压力不变或按发动机特性场调节。其油轨向每个气缸上的喷油器输送燃油，经喷嘴将燃油喷入发动机燃烧室。图5.1-44是高压燃油泵系统图。
图5.1-44 高压燃油喷射
第一代喷油器为电磁阀控制。在喷油器压力达120bar时喷油器可以按发动机特性场和独立的循环控制喷油量和喷油定时。最新的喷油器为压电控制式，在喷射压力达200bar时可多次喷射[8]。喷束特性可用流量、喷束锥角、雾粒大小的分布确定。流量通常指质量流量，它由燃油压力为100bar连续喷向环境压力的介质中确定。在设计流量时要考虑在尽可能短的喷射持续时间内喷出怠速油量以及在标定功率点能喷出所需油量。与进气管喷射燃油相比，缸内燃油直接喷射时若要增加喷油量在原理上会受到限制。因为在全负荷直接喷射时只在进气过程喷射。较少的增加喷油量在必要时可通过燃油系统压力随负荷而调节的方式实现。
喷束锥角是设计燃烧方式的重要部分。给出的喷束锥角数据受多方面影响：一方面是喷束形状不完全是一个锥体；另一方面是喷束在空气中的传播，由于气动力学的作用受到空气密度和压力的很大影响。因此，需要在系统供货商与发动机开发者间的协议中加以说明。
雾粒大小分布定量说明燃油喷射的雾化品质。常用作为一维特征参数的Sauter直径定量确定雾化品质。它是有代表性的油滴的表面积—体积比的当量直径。Sauter直径的典型值为小于20μm的范围。优化喷嘴喷束的燃油流动性能是研究和开发工作的重要课题。在这些工作中不但应用测量喷束特性的光学方法，而且应用喷束模型的数值仿真计算（图5.1-45）。在旋流喷嘴向内开启时，通过燃油流动的切向分量形成喷束锥体。通过喷油器针阀座范围的相应造型可以达到所要求的燃油流动形态。按旋流器的型式，在很短的喷油持续时间内，准确地说，到喷油开始还没有完全达到所要求的燃油流动形态，而是形成很小锥体的、短粗的预喷射。
图5.1-45 测量和数值仿真计算喷束传播
直接喷射点燃式发动机工作稳定性主要取决于喷束在整个有效的喷油持续时间内保持在规定的散布范围内。基于这一原因，要避免燃烧室的沉积物落在喷嘴上。沉积物形成的主要影响因素是喷嘴端部的温度。中央布置的喷嘴的温度要比布置在进气侧的进气道上的喷嘴温度高。还要指出的是要尽可能简单地将喷嘴端部与燃烧室壁面隔开，有利于降低喷嘴端部的温度。而且也有可能，因为在喷嘴端部范围几乎不会出现涡流或死区。
除原先占统治地位的旋流喷油器外，这期间还使用了较自由的喷束结构到不对称喷束图形的孔式喷油器以及针阀向外开启的喷油器[8]。针阀向外开启的喷油器不易在端部形成沉积物和在小喷油量时具有好的雾化品质等优点。
②空气辅助喷油。喷射燃油的雾化可以在有空气辅助的低压下实现。计量的燃油进入辅助燃烧室，然后被压缩的空气或废气吹出。由于系统压力的限制，当然不能像在高压喷射燃油那样有同样的喷油正时自由度。
为空气辅助喷油提供的系统部件可供开发乘用车二冲程点燃式发动机使用。在一些快艇上也使用。空气辅助喷油系统与汽油直接喷射的四冲程点燃式发动机的匹配曾经是西门子和Orbital推动的联合开发项目。
（3）废气再循环 废气再循环是为控制内燃机原始NOx排放的一种熟悉的措施。其作用一方面是提高工质热容量；另一方面是减少氧气含量，从而降低混合气燃烧速度。两者的综合效果是降低燃烧时的工质峰值温度。在点燃式发动机和柴油机上都成功地采用废气再循环。特别是在用稀薄混合气工作的直接喷射点燃式发动机上，用常规的催化转化器不能达到NOx的转换效果。在本小节中单独探讨的在含氧废气中的排气净化的未来方案也不足以使NOx保持在限值以内。为此，必须采取发动机内的各种措施限制NOx排放。高度开发的直接喷射燃油的燃烧方式具有废气再循环（AGR）的高度兼容性。在部分负荷工作点（n=2000r/min，平均有效压力pme=2bar），废气再循环率的数量级30%是一个典型值。与废气再循环相关的是发动机总的过量空气系数会减小，随之而来的是废气温度增高。这是一个令人高兴的连带效果，不然在部分负荷时排气温度低于排气催化净化所需的温度。还可注意到废气再循环提高了混合气温度，促使混合气形成。
在直接喷射燃油的点燃式发动机上，废气再循环的优先形式是外部引入废气到发动机进气系。为实现废气再循环所需的进气管负压，发动机必须少许节流。这一措施在部分负荷时无论如何是必要的，以保证排气后处理有足够高的排气温度。
除集中地将再循环的废气通到进气总管外，还可在靠近喷油器处分散地将再循环的废气通到各个进气歧管。追求的目标是可以在汽车动态行驶以及在从分层充量—稀薄混合气工作到化学当量比的匀质混合气工作或浓混合气条件下工作，如为NOx吸收催化转化器的再生，需要浓混合气的工作方式转变时能自动匹配废气再循环率。但问题是AGR系统将各个进气歧管耦合在一起，在全负荷会损失一些燃烧空气。
可考虑采用调节气门正时实现内部废气再循环。但该系统需要大的凸轮调节角，以得到足够大的废气再循环率和在活塞上有相应的深的气门凹坑，以保证气门运动。这常常会与由燃烧方式确定的活塞顶部的造型发生冲突。
利用高废气再循环率探讨点燃式发动机受控的自行点火的新的尝试正在进行。废气再循环不但有点燃空气—燃料混合气必要的热状态能力，而且可以限制在燃烧室的不同地点开始燃烧的燃烧速度，这样就不会出现不允许的高的燃气压力升高速度。与在柴油机中随后出现的匀质燃烧方式（均质充量压缩着火HCCI-Homogeneous Charge Compression Ignition）不同，点燃式发动机不断采用称之为受控的自行点火（CAI-Controlled Auto Ignition）和空间点火。其效果是在高压的工作过程热效率高和NOx的原始排放特别低，只是在部分负荷需要另外的NOx后处理。
（4）充量运动 缸内充量的运动状态对发动机工作过程有重大影响。充量运动在进气过程产生，主要由进气门的布置和气缸盖进气道的几何形状和尺寸确定。充量运动有旋流和滚流两种基本形式，它们的运动形式不同。在旋流时，气缸充量绕气缸轴线旋转。它是由于气门的偏心或不对称布置和由于进气道的螺旋状造型引起的。在每个气缸多于1个进气门的发动机中还可能在部分负荷时将进气道中的一个进气道通过蝶阀减低流量（不能通过该进气道进气）或通过对进气门中的一个进气门减低流量（不能通过该进气门进气）。在充量滚流时，充量绕垂直气缸轴线的轴转动。为得到滚流，进气门需要对称布置。由于进气道的特殊造型，到气门的一定升程时会出现气流的局部分离，气流从气门断面处一边流入。
前面的几种汽油直接喷射点燃式发动机的燃烧方式清楚表明缸内充量的运动是各燃烧方式的极重要的优化参量。在目前批量生产的汽油直接喷射点燃式发动机中见到的有旋流方案和滚流方案。在大多数情况下充量运动不是明显的是这两种基本形态中的一种，而是两者的混合。在目前点燃式发动机结构边界条件下，几乎没有使用单纯的旋流，大多为充量在燃烧室流动中具有倾斜转轴的涡流。
分层气缸充量在部分负荷工作需要的充量运动按燃烧方式要有高的强度。要实现充量的高强度运动只有在修改进气道的流量通过能力时才有可能，即减小流通断面，增加空气流速。但发动机在全负荷工作时产生无法容忍的限制燃烧空气需要量的缺点。优先采用的方案是允许充量运动和流量的可变性。为此，进气道的设计要保证大流量的良好流通能力，在部分负荷时所需的高强度充量运动通过进气系的可控装置解决。
在多气门发动机上优先采用的旋流方案是关闭部分进气道。利用可控蝶阀减低两个进气道中的一个进气道的流量（图5.1-40）。各进气道由可控蝶阀在流动下游分开控制。当减低流量的进气道的进气气流节流到这样程度，即通过没有减低流量的进气道切向流入燃烧室的新鲜充量运动没有干扰而保持不变时，就可满足对可控蝶阀的密封要求。为减低流量，也可选择关闭气门，但在原理上没有优势。方案的决定还要考虑其他因素，特别是成本。
在两气门（每个气缸）发动机上，为使充量运动可变，要考虑分别激活进气道。进气道在进气门前的很短距离分开。两个分进气道中的一个分进气道通过可控的旋流蝶阀减低流量，也可选择在进气道中可转弯的蝶阀。利用该阀改变进气道中的气流，以达到气门流通断面处不均匀的气流分布。
在滚流方案中，通过可控的、分别减低进气道流量同样可改变充量运动。在多气门（每个气缸）发动机上，通过在连体进气道内铸入一个钢片，可以水平地分开进气道。由此形成的两个分开的进气道中的一个分进气道依靠可控的蝶阀减低流量。滚流强度由进气道的几何形状和尺寸、水平分开面的位置确定。图5.1-46是大众路跑FSI发动机（工作容积1.4L）上采用的这种可变滚流系统结构方案实例。蝶阀凸缘（法兰）布置在气缸盖和进气管之间，汽油分配管（油轨）还附加地组合在这个部件中。
图5.1-46 大众路跑FSI发动机的蝶阀凸缘（法兰）
3.点火系
点火系通过火花塞上的高压火花保证点燃燃烧室中的混合气。除了到点火时刻在火花塞形成的混合气状态外，点火能量和点火持续时间决定混合气能否点燃和燃烧火焰的传播。
早先所用的、具有下列功能部件的点火线圈点火系为：断开从汽车蓄电池到初级点火线圈电流的断电器，以将点火线圈的高压输出与按点火顺序对应的气缸盖上的火花塞相连的可转动的分电器以及由离心力和进气管进气负压控制的点火定时调节装置（点火提前角自动调节装置）。这种类型的点火系目前已不再使用。因为断电器易烧损，需要高的维护费用；另外点火正时的配合受到很大的限制。
在晶体管点火系中，断电器被无触点的感应式传感器或霍尔（Hall）传感器以及电子开关替代，这样就不会烧损。分电器和点火正时调节装置与点火线圈点火系中的一样。高压电容点火（HKZ）系或可控硅点火系替代储存在点火线圈中的电磁感应能量而使用储存在电容器中的电荷，火花持续时间为0.1～0.3ms，明显短于晶体管点火系的火花持续时间，因而不能总是保证可靠地点燃混合气。高压电容点火系或可控硅点火系目前几乎没有采用。
当前主要采用具有“静止”的高压分配点火系或单火花点火线圈点火系（图5.1-47）。目前使用的点火系，甚至火花塞完全是免维护的。
与早先使用的点火系不同，全电子点火系点火正时在宽广的范围可自由编程，使点火正时与发动机负荷和转速匹配。图5.1-48是全电子点火优化和机械调节点火的典型点火特性场比较。全电子点火系的点火正时可与发动机的特别工作条件（如起动、暖机）相适应。通过在起动后短暂地延迟点火可提高排气温度，以快速加热催化转化器。在发动机高负荷工作范围，太早的点火正时导致爆燃，太晚的点火正时会损失转矩，在极端情况下还会出现后燃。与集成在发动机电控中的爆燃闭环控制一起，可以根据有爆燃边界安全距离的发动机体的噪声信号，将点火正时调节在发动机最佳热效率状态。这时，点火正时也可自动适应燃料品质的变化。采取点火正时控制发动机还可进一步干预驱动轮防滑转闭环控制和汽车行驶动力学闭环控制。
图5.1-47 全电子点火系简图（BOSCH）
1—火花塞 2—单火花点火线圈 3—节气门开关 4—电控单元 5—发动机温度传感器 6—爆燃传感器 7—转速和基准标记传感器 8—传感器轮 9—蓄电池 10—点火-起动开关
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图5.1-48 在不同点火正时下燃烧室中工质压力随点火角的变化和随负荷、转速变化的点火特性场
在化学当量混合气中，点燃混合气的火花能量约为0.2mJ。在浓和稀混合气中所需的点火的火花能量超过了3mJ。但实际上火花能量要远大于此值，约大20～30倍。这是为保证发动机在最不利的各种情况下需要的点火能量。火花塞足够长地伸入燃烧室、较大的电极距离和较细的电极可改善混合气的点燃，并使发动机运转平稳，HC排放低。
高压点火线圈导致火花塞电极侵蚀性磨损，使电极距离增大，所需的点火电压随之增高，从而出现随机地点燃混合气，直至断火。在火花冲击部位采用高耐磨材料（即耐高温材料）和耐化学腐蚀的铂沉积层可很好解决火花对电极的侵蚀。火花塞的更换间隔为60000km，甚至达100000km（图5.1-49）。火花塞的其他创新点是滑动火花火花塞。点火火花首先通过绝缘体罩到达搭铁电极（图5.1-49），从而防止在频繁冷起动和经常距离行驶时出现的火花塞积炭。
图5.1-49 长寿命火花塞，滑动火花路径原理（Beru）
火花塞火花也会直接冲击活塞中央的顶部（STP-Spark to Piston）。这种情况发生在高负荷时点火正时接近上止点。在低负荷和较大的点火提前角时，能通过特有的大电极距离的火花塞形成的火花路径有助于点燃非常稀薄的混合气。
点火线圈既是能量储存器，也是变压器。它是一个有效的感应式电压转换器。一次绕组由汽车电气上的蓄电池供电，二次绕组的高压电供给火花塞高压电流和所需的能量。二次绕组电压为20～35kV，点火能量约为60～100mJ。火花持续时间约2ms。常使用3种型式的点火线圈（图5.1-50）：
a）用于发动所有气缸的点火线圈。高压电缆从点火线圈引到分电器，由凸轮轴带动旋转的分电器分火头，并用电缆连接到正要点火的气缸。
b）“静止配电”的双火花点火线圈。在一个线圈有两个相隔360°曲轴转角点火气缸（如在4缸发动机上的第1缸与第4缸）。它取消旋转的分火头和一个磨损件。4缸、6缸发动机上常将2个或3个双火花点火线圈组成一个整体。
图5.1-50 点火线圈结构型式
a）分电器点火线圈 b）6缸点火模块（双火花方案） c）接插式点火线圈
c）单独火花的点火线圈。它直接安装在每个气缸盖上的火花塞上（接插式），取消高压电缆。在爆燃传感器识别发动机爆燃时，电控发动机可以单独调节每个气缸的点火正时。
在系统集成框架内，目前将点火系的所有部件组合在“杆状点火模块”中[17]。新的开发方向是交流电压点火（WSZ-Wechselspannungszünd）。它可以按需设定点火能量，从而提高火花塞寿命。另一个重要的优点是利用火花塞实现离子流测量，直接识别气缸的点火中断。而对有更多气缸的多缸发动机，用确定曲轴不平稳运转的间接方法识别断火是困难的。采用火花塞离子流测量法可实现车载诊断系统（OBD）的要求[18]。在充电时，最大点火能量（包括安全性增加的点火能量）都储存在点火线圈中和在每次点火时的能量转换，可采用交流电压点火（WSZ）间歇输出能量（Paketen），以调节总的能量。在每一间歇后，能对火花塞的离子流测量，电控发动机可以判断混合气是否点燃。如果没有点燃，要一直改变间歇输出能量，直至确认点火。可以单独和按需地根据离子流信号的变化过程，区别延迟燃烧或爆燃的燃烧过程。这样还开创了优化燃烧过程理想闭环控制新概念的可能性。
除目前流行的火花点火外，正在探讨其他一些功能原理性的研究计划，如等离子体点火和激光点火[19]。探讨的目的是可以在燃烧室中移动点火地点，而与安装在燃烧室壁上的火花塞位置无关，这是进一步引导燃烧过程的有力保障。
4.减小汽车尺寸和增压
现代乘用车柴油机增压广泛使用时，点燃式发动机的增压直到不久前还只在少数的发动机上使用。点燃式发动机增压是提高功率的重要途径，还能减小动力总成的尺寸和重量。所以增压是减小汽车尺寸、减轻汽车重量、降低燃料消耗的重要方案，即Downsizing方案。这主要是发动机工作点在它的特性场中移动所致。
（1）工作点移动 等速行驶时的汽车行驶功率可从对应于行驶速度的发动机转速和克服行驶阻力（空气阻力、滚动摩擦阻力）所需的转矩的发动机特性场中确定发动机的工作点。汽车与发动机的这种关联可从发动机特性场中的行驶阻力线中再现。从图5.1-51自然吸气发动机的实例可见，行驶阻力线在发动机特性范围中的走向离开最佳燃油消耗率。其原因是发动机在部分负荷范围利用节气门节流，并在低负荷时摩擦损失在输出的有用功中占有较大份额。
如在实例中清晰可见，将发动机工作容积从3L减到2L，发动机工作点在特性场范围向最小的燃料消耗率方向移动。在调整燃烧方式时特别要注意最小的燃料消耗率范围不应向高负荷方向移动，因为上面所述的优点在高负荷已用尽。所有改善转矩（特别是改善低速转矩）的措施对在汽车行驶时发动机的燃料消耗特性会产生好的影响，因为与改善低速转矩相关的是采用较大的车桥减速比，以实现发动机工作的进一步移动。在工作容积减小的增压发动机上，经常会感觉汽车起步力矩不够，需要减小传动比。为此，就这点而论需要开发最低燃料消耗的增压发动机。
图5.1-51 工作点移动
在乘用车生产厂家不断增多的背景下，在提供的各种发动机型号中出现功率相同的增压发动机和工作容积较大的自然吸气发动机两种选择。低燃料消耗的优点扩大采用增压发动机的趋势。但要注意在增压时为防止爆燃，要降低发动机的几何压缩比，这样会降低高压工作过程热效率。当然，增压发动机的趋势是仍会不断提高压缩比。而与高压缩比相关的在全负荷发生爆燃可通过适当措施予以限制。采用的措施有：增压空气充分冷却；减小进、排气门重叠角，以减少缸内残余废气量。经常采用晚点火（点火提前角减小），但为改善部分负荷热效率而要容忍全负荷工作时燃料消耗的增加。
增压与汽油直接喷射相结合，并采用增压空气中冷是一个有吸引力的方案。在2004年奥迪股份公司“Turbo FSI”汽油直喷、2.0L涡轮增压点燃式发动机已批量生产[38]。压缩比ε=10.5的该增压发动机清楚表明，增压可以使内部混合气形成更加完善。与先前的外部混合气形成相比，发动机在没有采用可控稀薄混合气燃烧时，在整个特性场范围燃料消耗可降低6%。Turbo FSI发动机具有优越的转矩特性，特别在汽车动态行驶时，由于能很快达到全负荷转矩而显露出来。增压发动机的低燃料消耗和相应的附加成本降低，使增压、汽油直喷发动机有不断增长的势头。
有关增压的课题将在5.3节中详细说明。这里就增压发动机的应用列出一些要点：
1）废气涡轮增压发动机由于高的热效率和低的动力装置成本，在市场上居于重要地位。早期许多废气涡轮增压发动机出现的低速转矩特性差和转矩不稳定的缺点（“涡轮空洞”）在现代增压发动机上几乎不存在。采取的主要措施是增压与汽油直接喷射的组合[12，20]。它采用双废气涡轮增压配置，惯性力矩小[21]；以及使用可变涡轮喉口截面（VTG）的废气涡轮增压[21]。使用优质涡轮材料可承受高达1050℃的废气温度，在需要富混合气工作时不会损坏涡轮。
2）通过电动机或机械传动机构直接驱动附加的压气机装置，以辅助废气涡轮增压器，可以进一步改善发动机转矩特性。
3）用于机械增压的装置有罗茨（Roots）泵、螺杆式压气机和螺旋式压气机。尽管它们的成本较高，但转矩特性好。
（2）可变压缩比 从热力学角度，内燃机的压缩比与工作过程的热效率（卡诺效率）直接相关。点燃式发动机压缩比由于受爆燃影响而受到限制。特别是在全负荷工作时需要限制，而在部分负荷较高的压缩比可以降低燃料消耗而不会发生爆燃的危险。点燃式发动机增压由于工作过程中工质的压力和温度增加而更易出现爆燃的危险，需降低压缩比予以控制。但降低压缩比使发动机热效率下降，在部分负荷工作时会多消耗一些燃料，这样又会抵消一部分Downsizing方案（减小汽车尺寸、减轻汽车重量、降低燃料消耗）带来的优点。
图5.1-52 采用可变压缩比时部分负荷的燃料消耗
可变压缩比装置的成功在于降低压缩比仅限于有爆燃危险的全负荷工作范围。在较大的压缩比范围，甚至还可能在部分负荷工作时，在常规点燃发动机压缩比基础上再提高一点，以进一步降低部分负荷的燃料消耗。图5.1-52是在可变压缩比发动机上得到的燃料消耗的降低。原始点是压缩比为ε=10的增压发动机。假设为达到Downsizing方案的效果，采取的高增压发动机其压缩比必须降低2个单位。这样，在试验特性场的部分负荷工作的发动机燃料消耗要增加7%。采用可变压缩比后不但避免了燃料消耗的增加，而且还可提高部分负荷工作时的压缩比。在试验条件下可节省燃料消耗6%。可见可变压缩比对增压点燃式发动机具有很大的潜能。为真正实现可控的、往复活塞式曲柄连杆机构压缩比，提出了不少结构方案的建议。在评判这些方案时要确定一些标准或准则。其主要是：与发动机工作过程有关的燃烧室形状；在整个调节范围燃烧室尽量紧凑，火焰传播距离短；调整过程应尽量快，使在汽车行驶时发动机压缩比与汽车动态性能匹配；在改变曲柄连杆机构几何位置的方案中，曲柄连杆机构的摩擦和调节压缩比的机构损失没有显著增加。
图5.1-53是曲柄连杆机构与可转动的偏心安置曲轴的实例。利用气缸体上的调节轴可以转动偏心安置的曲轴主轴承到偏心位置。FEV发动机技术在一辆1.8L、4缸涡轮增压发动机的试验汽车上证明这种技术方案的可行性[23]。实现的压缩比调节范围为ε=8～15。与功率相同的常规点燃式发动机相比，增压到升功率为89kW/L的发动机可节省25%的燃料消耗。其中约17%是由于Downsizing的效果，8%是可变压缩比的效果。为平衡曲轴端部飞轮侧和传动机构侧，采用专门的与曲轴平行的传动机构。
为能节省更多的燃料，在点燃式发动机上进行了很多努力，如已应用的：燃料直接喷射、减小气缸工作容积、减少气缸数目、闭缸、可变气门正时、可变压缩比。准确地说，它们间到底以怎样的组合方式出现在一种型式的发动机上目前还不能精确地预言。许多设想似乎是增压、可变压缩比和燃料直接喷射的组合。准确地说是增压和机电气门控制的组合，这种组合比常规的点燃式发动机可节省燃料消耗达30%。
5.燃烧
在燃烧室内的燃烧过程受充量更换、充量更换产生的运动、混合气形成以及点火的重大影响。燃烧过程影响发动机热效率和排气组分。优化燃烧过程的目的是使燃烧过程尽量逼近理想等容加热过程。除上述一些影响因素外，气体温度、燃烧室壁传热和燃烧室的几何形状也是重要影响因素。为使火焰传播路径短，燃烧室空间应尽量紧凑；燃烧室没有狭窄的，会使火焰熄灭（火焰淬火）空气间隙；也没有“热点”和沉积物，它们会引起爆燃甚至炽热点火。
图5.1-53 带可变压缩比的往复活塞式曲柄连杆机构
在燃料与空气当量混合时燃烧产物只是CO2和H2 O，而实际上化学反应取决于混合气的压力、温度、各个反应组分的浓度和反应时间。在膨胀行程时，工质温度急剧下降和在达到平衡前部分化学反应“冻结（停止）”，在废气中保留了反应的中间产物。另外，在整个当量混合中还出现局部的不均匀，使CO增加。
在高温时，N2分子链被拆开（打断），在富氧下形成NO。这种不希望产生的副产物可在发动机高负荷（高温）和过量空气系数λ＞1时形成。随着燃烧室中以残余废气形式存在的惰性气体量的增加，燃烧最高工质温度下降，从而阻止NOx的形成。废气再循环（AGR）就是利用这种效果。它可以通过在充量更换时适配的气门正时（即内部AGR）影响残余废气份额；也可将废气（必要时中间冷却）搀入进气中（即外部AGR）。
当部分燃料在冷态发动机时沉积在燃烧室壁上或沉淀在燃烧室中，或在火焰前峰没有到达燃烧室的所有地方[火焰不会进入燃烧室中的狭窄空气间隙（活塞火力岸、气缸密封垫）]则没有燃烧的HC留下来。没有燃烧的HC和部分蒸发的燃料一起随废气排出，构成HC排放。
燃烧过程实际上是由大量化学反应组成的。这些反应是同时的、一个接着一个进行，并相互影响。至今，还不能用数学描述和计算化学反应的所有子过程。可以做到的是在考虑反应路径和用等效化学反应模型后可接近实际的燃烧过程。
利用压电传感器可以检测气缸内工质压力随曲轴转角的瞬时变化。能过燃烧模型的仿真计算程序和输入充量流入状态、传热等边界条件就可计算、分析燃烧过程。燃烧函数是已燃烧的燃料量与进入气缸内的总燃料量之比。燃烧函数可从它们之间的比值随曲轴转角的变化得到。按经验，燃烧过程约在上止点后8～12°KW达到最大值，在约上止点后60～65°KW为零。它们之间的偏差在于点火正时不当、由于压缩比不是最佳而出现爆燃或延迟燃烧（后燃）、或充量运动不够。
图5.1-54 实测的点燃式发动机缸内工质压力相对曲轴转角的变化，并由它的平均变化算出燃烧过程和燃烧函数
图5.1-54是1.8L自然吸气发动机在低的部分负荷工作点缸内工质压力的实际变化。引人注目的是虽然整个发动机正常和均匀运转，但发动机从一个工作循环到另一个工作循环缸内工质压力有很大波动。点燃式发动机的这种典型特性需要通过仔细分析缸内工质压力为什么会变化来了解。压力的很大波动，一方面是在检测缸内工质压力时是各个工作循环的平均值，它以图中表示的最低部分的燃烧过程为基础对每个工作循环的缸内工质压力变化进行统计、求值；考虑了最大压力的大小和位置的特征值散布和最大压力升高速度的散布；以及考虑每个工作循环的平均指示压力值和平均指示压力值与总的平均值的标准偏差，以评定发动机工作过程。
对开发工程师来说，在优化发动机时这些信息十分有用。现代测试设备的显示和求值、分析系统可以在发动机试验台上在线提供这些特征参数。为节省计算费用，常使用标准条件下的简化模型，以有目的地匹配各种参数。简化模型能提供相对的结论。
点火中断和爆燃是点燃式发动机的严重故障。点火中断使未燃烧的燃料进入排气系，造成不允许的HC排放。在最不利的边界条件时，除了恶化混合气形成，还会引起喷射系统或点火系故障。碳氢化合物在催化转化器中的后反应使温度升高，导致催化转化器损坏。
在火焰前峰到达前，燃料—混合气自行点火（自燃）称为爆燃。火焰前峰在整个燃烧室内的正常传播速度约为25～30m/s，而在混合气充量中未燃烧部分由于压力和温度升高出现的爆燃，其传播速度可达500m/s。这种失控的燃烧过程引起缸内介质的高频压力波（爆燃或敲缸噪声）与高的机械载荷、高的热负荷，造成活塞和曲柄连杆机构损伤。爆燃危险可采取各种措施抑制：采用中央布置的火花塞缩短燃烧路程和紧凑的燃烧室；利用燃烧室中的湍流提高火焰传播速度；避免燃烧室中的“热点”（局部高温）；限制压缩比到允许的程度。另外，使用较高辛烷值的汽油，阻止自行点火。因为寻求最低的燃料消耗，发动机总是在接近爆燃边界的较早的点火提前角工作，所以在电控发动机中有一个爆燃闭环控制。在发动机结构合适的部位，爆燃传感器记录爆燃的高频振动信号。根据预先设定的调节深度，推迟调节点火正时（减小点火提前角），然后再一步步往前移动（增大点火提前角），直至重新接近爆燃边界。
6.废气净化
在理想条件下，燃料完全燃烧只生成CO2和H2O以及放出热能。实际上所有的燃料并不是完全地燃烧反应，还出现燃烧中间产物。此外，燃烧空气中所含的N2与空气中的O2生成不希望有的NOx。
一系列的排气组分中有一部分是“有害物质”，为排放法规所限制（2.2.5节）。
一氧化碳（CO）是直接的有害气体，它主要出现在发动机怠速。长期以来CO用作正确调节燃料—空气混合比的测量参量。CO不稳定，在大气中不久转变为CO2。
一氧化氮（NO）是刺激粘膜的气体，在大气中参与众多的反应，还与形成靠近地面的臭氧（O3）有关。在大气中转变为NO2。通常将NO、NO2统称为NOx。
图5.1-55 过量空气系数和发动机负荷对点燃式发动机有害物排放的影响
碳氢化合物（HC）是含在废气中的多种化合物。一部分是燃料中的高分子组分，但大部分是燃烧的子化学反应和中间化学反应的产物。HC对人类的危害作用包括从刺激性到致癌性。碳氢化合物在大气中参与各种反应过程，并对空气产生二次污染。图5.1-55是过量空气系数和发动机负荷对点燃式发动机有害物排放的影响。
固体物质包括除水的所有物质。在正常条件下以固体（灰尘、炭烟）或液体形式含在废气中。
世界范围排放立法规定的废气组成是单独列出或按组列出的。但在严格的规定中有很大的区别。最高的要求当属美国加利福尼亚州，其他州和欧洲、日本的排气立法规定在细节上有些差别，但都需要花费大约相同的费用，以在发动机内部和在外部排气管使用催化转化器降低排放。
（1）三效催化转化器20世纪60年代为加利福尼亚汽车市场制订了限制废气排放法规后，单纯的发动机内部排气净化措施不能达到限制的CO、HC和NOx排放限值。这样又回到了催化技术的原点。三效催化转化器可同时氧化CO和HC，以及降低NO（图5.1-56）。在整个化学反应过程中要同时氧化和还原只有一种可能，即整个混合气的过量系数λ=1，且保持最小的偏差。氧传感器（二氧化锆）即氧传感器，可以控制正确的燃料—空气混合比。氧传感器对含在废气中的O2有反应，并在浓混合气与稀混合气间的过渡状态（λ=1时）阶跃一个电压信号。
催化转化器（图5.1-56）有一个陶瓷芯，或波纹片卷柱（图5.1-57），在它们的很多小通道中形成很大的表面。每个横断面上的通道数越多，表面越大，但流动阻力也大，所以要在这两者间取得折中。通道或小室的密度用每平方英寸的目数cpsi表示，一般为400～1600cpsi。金属催化转化器是用专门的、表面滚压成波状的钢箔或专门设计的通道制成的（图5.1-57）。废气流过通道时由于湍流作用而与催化转化器充分接触。
陶瓷芯或金属体只是催化剂的载体。在载体表面涂上洗涂层（Washcoat，为γ-Al2 O3）。它还可再一次扩大化学反应表面。催化物质嵌入洗涂层中，催化物质促进氧化和还原反应。催化物质（催化剂）为贵金属铂（Pt）、铑（Rh）和钯（Pd）。催化剂的用量和混合百分数是不同的。为提高汽油的抗爆燃性而添加的铅或铅化合物会弱化催化剂的催化作用，在使用催化转换技术时必须使用无铅汽油。
催化转化器的效率可用转换率表示。转换率主要与工作温度有关。低于250℃实际上不发生催化反应。良好的转换和长寿命的理想工作条件是温度为400～800℃。超过1000℃导致热老化和催化转化器损坏。安装在靠近废气弯管处的催化转化器由于加速加热而较快工作，并在发动机起动不久就可净化废气。但发动机在高功率时高的排气温度危及催化转化器。直至采用最新的、严格的排放限值前，在大多数汽车上催化转化器曾安装在离发动机较远的汽车底部。
图5.1-56 有氧传感器的三效催化转化器的结构和工作原理
1—氧传感器 2—陶瓷芯 3—金属丝编织网支撑 4—隔热双层外壳
为在发动机起动后快速加热催化转化器，采用多种方案。通常是暂时晚点火（减小点火提前角），使混合气延迟燃烧，以提高排气温度。但这种措施会增加燃料消耗以及与它相关的原始排放的增多。可选择的方案是“二次空气系统”，即在发动机起动后发动机短时间用浓混合气工作，增加的二次空气系统中的空气泵将二次空气送入有很多未燃烧的碳氢化物的热废气中，在排气系中产生放热后反应，从而大幅提高催化转化器前的废气温度。由于发动机暂时以浓混合气工作，这种方案以燃料消耗的增加为代价。其他的选择是采用电加热金属载体催化转化器（图5.1-57）。在原来的催化转化器部分前安装一个较短的金属载体催化转化器。在发动机起动时或在起动前短时对催化转化器电加热，到催化转化器工作的静止时间突然停止。
按规定的试验方法，在定义的行驶条件时汽车必须符合排放限值。在转鼓试验台上检测汽车有害物质。试验台的转鼓阻力与汽车重量和行驶阻力匹配。汽车以规定速度和档位（手动换档变速器）驶过规定的距离（模拟）。图5.1-58是在欧洲试验循环规程中定义的新的欧洲行驶循环（NEFZ或“MVEG A”）和在美国应用的FTP75检测循环。在整个检测时间按定容采样法（CVS-Constant Volume Sanpling）将废气采集在塑料袋中，然后对HC、CO、NOx、CO2、O2分析。利用一种算法（同样是规定的）算出每km的排放量（g/km）或每mile的排放量（g/mile）和每100km燃料消耗（L/100km）或每gal燃油可行驶的英里数（mpg）。
表5.1-2给出了点燃式发动机乘用车在欧洲（从EuroⅡ到EuroⅣ）和美国（49个州，2007年起）生效的排放限值。从一个阶段到另一阶段的排放限值的减小（更为严格）标志着技术水平取得的进步与突破。在美国是分阶段实施（phase in），按此思路，每年要有一定比例的新车达到新的排放限值，直至在规定期限内完全实现排放限值。在2004～2007年间要转为新的排放限值。整个的规程内容繁多。各个汽车组的规程是不同的（重量等级、使用类型）。规定了燃料品质和很多细节的处理。在规程中的说明和数据只是便于了解乘用车的一些典型参数。
图5.1-57 催化转化器载体（实例Emitec）
a）通道结构的效果 b）通道结构 c）可加热的催化转化器 d）金属载体，S形催化转化器
表5.1-2 欧洲和美国排放限值（摘录）
（续）
图5.1-58 欧洲排放检测循环NEFZ和美国检测循环FTP 75
（2）NOx催化转化器 在常规点燃式发动机上考验过的贵金属催化转化器也可在稀薄混合气工作的直接喷射点燃式发动机上实现高转换率的HC和CO排放的氧化后处理，而NOx排放在含氧的废气中的还原反应路径实际上是无效的。因此，直接喷射点燃发动机在稀薄混合气工作时需要新的解决方案以还原发动机排出的NOx。这些新的解决方案中的一些方案已在柴油机上使用并分别推行。
在起初，利用替代的催化剂提高转换器的NOx选择性效果后，在这期间还采用了NOx储存技术。在稀薄混合气工作时的NOx排放要用化学方法中间储存，使在化学当量混合气工作时重新释放NOx，和按常规点燃式发动机熟知的三效催化原理减少NOx[25]。这要求发动机轮换工作，在NOx储存阶段后总是NOx再生（回收）。图5.1-59是NOx储存和再生的工作原理。第一步将废气中存在的NOx主要部分NO在贵金属催化转化器中氧化为NO2，接着将NO2吸收在储存元件上成为硝酸盐化合物。碱性金属和碱土金属用作储存NO2的储存元件被证实特别有效。
图5.1-59 吸收
储存原理的效率与温度有关。新开发的高NOx转换率具有足够宽的温度范围。工作温度太低，转换率主要受原有的、不参与催化辅助的NO2的限制。在工作温度太高时NO2又分解为NO，这样就不再成为硝酸盐储存起来。另外，随着温度增加，硝酸盐的稳定性变差，储存的NOx重新释放。要避免过高的转换温度，否则会产生储存元件的热老化。由于贵金属组分的分散性并和吸收剂与氧化的载体间的化学反应而造成持久的活性损失[26]。要优先考虑吸收催化转化器安装在远离发动机的位置，并与靠近发动机安装的氧化催化剂转换器组合可以起到特别好的废气净化作用。在低的排气温度和起动后的短时间内，氧化催化转化器可帮助NO生成NO2。
在低的部分负荷稀薄混合气工作时能达到低燃料消耗的优点，但在高部分负荷时，从燃烧方式看会失去稀薄混合气燃烧热效率好的优点，且使排气后处理系统由于太高的排气温度而无法足够地限制NOx排放。为解决这一冲突，开发了降低排气温度的一个专门装置，即将汽车行驶风的冷却气流导入排气管和NOx催化转化器中。如大众路跑FSI首次使用的冷却气流从排气管经靠近发动机的前催化转化器至NOx催化转化器的进口端[27]或先经蝶阀再到NOx催化转化器（如梅赛德斯CGI）[28]。在较高负荷时蝶阀将废气引到较大路程和较大断面的通路中，再进入NOx储存催化转化器。
当吸收剂达到它的储存容量时必须再生吸收剂。这时发动机短时间（典型值为几秒）以小于化学当量混合气工作，并自动释放储存的NOx和在废气中浓组分下，三效催化转化器对浓组分分解。再生过程的持续时间和频度直接影响燃料消耗。由此引起的燃料消耗量比按欧洲检测循环要多1%～2%。
再生过程的效率取决于是否为再生和接着在三效催化转化器中的三效反应提供废气的浓组分。由于催化转化器的储氧能力，首先要对一部分HC和CO氧化，而不会在再生过程中结合。前置氧化催化转化器的储氧能力很小，其表面要有涂层，提高储氧能力。
用作NOx储存催化转化器的碱土金属和贵金属也吸收发动机燃烧时由含在燃料中的硫产生的硫酸盐。硫酸盐的热稳定性明显高于硝酸盐。硫的再生首先要比前面所说的三效催化转化器再生的温度高。随着时间的增加，导致储存元件堵塞，使NOx储存能力严重下降。基于这一理由，要求燃料中的含硫量减至最小。法规要求燃料中的含硫量限制在50×10-6以下。如Quissek等人的试验指出，即使是最小的硫浓度，在持续一段时间后也还使NOx吸收剂活性降低[29]。因此，在过渡时间，至少要对“Super Plus”燃料品质的最低含硫量调整到10×10-6以下。
无论如何，为脱硫要规定专门的再生策略。通过的再生程序要求发动机在小于化学当量混合气和在长达几分钟的高温下工作。这时就会提出这样的问题，在汽车的各种行驶状态如何能满足这种条件？这只有多消耗一些燃料才有可能，但这样会抵消燃料直接喷射、稀薄混合气工作发动机低燃料消耗的部分优点。由于废气净化要增加燃料总消耗的2%～3%，这样，汽油直接喷射发动机在用户方面可节省的燃料消耗潜力为8%～12%。
在富氧废气中NOx还原的另一个可能性是使用附加的、有选择作用的还原剂。在大发电厂以及在热电站的固定式内燃机上使用的选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）法优先采用氨作为还原剂工作。为在乘用车上使用SCR法，正在讨论采用水溶性尿素或固体还原剂[30]。众所周知，SCR法具有还原NOx的较大潜力和对催化转化器的中毒不像由于燃料中含有硫而引起催化转化器中毒那样敏感的优点。问题是尿素的管理以及尿素作为汽车上附加使用的工作介质的必要性。
7.发动机管理
一方面是微电子和机电传感器的技术发展；另一方面是不断严格的限制有害物质排放法规和要求监控所有以排放有重大影响的系统，不断出现高工作能力的发动机控制和监控系统。发动机电控可对发动机实现多方面的管理。在考虑各种物理参数、机械参数条件下，发动机电控可以有针对性、有意识地对发动机工作过程进行干预，以及在发生没有预见到的事件时自动干预发动机。
（1）发动机控制 在电控单元（ECU-Electronic Control Unit）中对所有的输入信息进行处理，由此输出控制指令和信息。图5.1-60是发动机和与它相关的、属发动机控制范围的各个部件的总体结构图。图5.1-61是发动机控制的方框图。图中表示了各种输入、输出的功能部件及相应的参量。目前电控单元配置16bit或有时32bit的处理器，这样可及时处理发动机在高转速和动态过程中的必要的信息量。可对6缸发动机在最大转速的两次点火之间只约3ms时间进行处理。
按汽车的总体配备，要考虑与其他电子控制系统，如自动变速器、自动有级换档变速器、制动系统或空调设备的相互作用与联系。这方面有两种基本方式：所有的电子控制系统以中央结构形式统一控制；或相互联网的所有电子控制系统分散组合。
传感器信号在输入电路中进行信号处理并置于统一的电平范围内。模数转换器将处理的信号以数字形式传输到微型计算机，再在其中进一步处理。以数字形式得到的输出信号必须进行数模反变换，并将信号提升到控制环节所需的功率水平。所有的程序（逻辑和算法）和特性场（应用数据）从半导体存储器中读出。
除前面讲过的燃料喷射、喷射正时、喷射持续时间、点火正时、排放（λ闭环控制、废气再循环）等内容外，还有：
图5.1-60 发动机管理系统部件（资料来源：Bosch）
1—活塞炭罐 2—空气进气阀 3—再生阀 4—燃油压力调节器 5—喷油器 6—压力控制器 7—点火线圈 8—相位传感器 9—二次空气泵 10—二次空气阀 11—空气质量流量计 12—电控单元 13—节气门传感器 14—怠速调节器 15—空气温度传感器 16—废气再循环阀 17—燃油滤清器 18—爆燃传感器 19—转速传感器 20—发动机温度传感器 21—氧传感器 22—蓄电池 23—诊断接口 24—诊断指示灯 25—差压传感器 26—电动燃油泵
1）爆燃闭环控制，即如果出现爆燃，实施点火提前角反馈控制。
2）怠速控制调节，通过点火和燃料喷射控制。可能还有高的怠速负荷，如空调压缩机、发电机或辅助转向泵。
3）燃料箱通风，即活性炭燃料蒸气分离器“卸载”。
4）根据发动机转速和可能还有发动机负荷控制凸轮轴相位。
5）增压发动机增压空气压力调节。
在扩大线控（x-by-wire）方面，加速踏板和节气门间的机械耦合被加速踏板传感器和电子节气门（E-GAS）替代，从而可取消驾驶人对节气门的直接操纵。这样可在总的能量平衡基础上，由加速踏板传达驾驶人对发动机负荷的期盼和其他系统的负荷需要（空调设备、用电器件等），由发动机能提供的能量（如当前的功率储备、功率提升功能）及限制条件（如牵引力控制、再生功能）确定节气门位置的设定值。
图5.1-61 发动机控制框图（资料来源：Bosch）
现代发动机控制的基本要素是系统适应能力[31]。在设定边界以内，控制一些部件的功能偏差，如λ特性场、怠速小空气量、节气门角度（开度）。这样可降低在产品和用户服务部门的调整和校正工作的费用。另一个例子是点火提前角特性场对爆燃传感器的适应能力还与燃料品种有关。
现代发动机控制的其他性能是智能自诊断。除经典的故障诊断法外，当前还应用基本模型的先进方法，直至动态神经网络[32]。可以检测出现的故障和干扰，并分析可能的原因及影响。
利用可以确定边界的逻辑值和重要参数值以及检测这些值的变化情况，监控所有的部件和系统。从而可以确定复杂系统中的故障范围及故障诊断。
在出现故障时保护敏感部件，如点火中断会由于混合气在催化转化器中燃烧而损坏催化转化器。如果在一个气缸中多次识别到点火中断，则停止向这个气缸喷射燃料。
保证紧急运转。如果传感器或执行器有故障则要定义替代值，这样可以维持汽车的应急行驶状态。如负荷信号（空气质量流量、进气管空气压力）失效，则由发动机转速和节气门角度得到一个替代参数。它可以保证汽车应急行驶至车间，再寻找故障。
存储详细信息。如果诊断系统识别出故障，则可在电控单元的故障存储器中读出专门的、以故障码形式编写的数据。为此，还要在发生故障时同时存储发动机的环境条件和工作条件数据。
与排放有关的车载诊断系统（OBD）只要排气净化装置损坏，就可以识别驾驶人未觉察到的故障，并通过报警灯（MIL）向驾驶人显示。这时应尽快送到车间排除。按美国OBD系统样本，2000年以来（阶段Ⅲ）类似的OBD系统也在欧洲使用，并称为欧洲车载诊断系统（EOBD-European On Bord Diagnosis）。
在车间中，通过标准化的接口（按ISO 9141和ISO 14230标准的接口协议）可以访问存储在电控单元中的信息，并据此确定故障范围和原因。对高度复杂的系统，只有采用这种有效的故障寻找方式才能从根本上找出故障。
在推广一个新车型时总会从用户方面的经验和申诉（抱怨）中得到需要变化的特性场，甚至程序路线的变化。在发动机电控的第一开发阶段，在过去实际上只是整体更换电控单元才有可能。现在使用的电子数据存储器（Flash-EPROM）则允许写入新的数据。这样，在定期维护工作框架内可以在短期内与发动机应用的最新的发展水平匹配。这种灵活的数据存储器的另一个突出优点是在汽车制造中可以在汽车生产厂家的汽车装配线终端，利用同一的电控单元硬件为多种发动机机型和配车车型装入（写入）各异的电控单元数据。
利用芯片调整（Chiptuning）扩充应用数据。在发动机控制中要禁止不具备资质人员的干预，因为这种干预会造成部件过载、排放超过限值的危险。改变生产厂家确认和批准的工作状态一般是不允许的。
（2）汽油直接喷射时的运行策略和发动机管理 在部分负荷时汽油直接喷射点燃式发动机采用分层气缸充量工作。汽油要到压缩行程才喷射，而在较高负荷，在分层气缸充量时形成过浓混合气的扩展区。为此，发动机必须转到均匀的气缸充量工作。这需要在进气行程较早时喷射汽油，同时发动机吸入的空气量与负荷和相应的汽油量匹配。由此得到对发动机管理的如下一些功能性要求，这些要求远超出已知的常规点燃式发动机范畴。
除分层和均匀气缸充量两种基本方式外，还有其他的模式。图5.1-62是汽油直接喷射点燃式发动机在特性场工作的运行策略实例。在很低的负荷和怠速运行时，发动机需要部分节流，使排气温度保持在能对废气催化后处理的水平。在分层稀薄混合气工作和均匀的λ=1的当量混合气工作之间的过渡范围，利用稀薄混合气在宽广的特性场工作的优点，发动机采用均匀的稀薄混合气工作。在全负荷时，混合气常常加浓，以限制废气温度（保护部件）。此外，发动机管理必须解决在汽车行驶时发动机运行策略的匹配。首要实现工作模式间的延迟功能和工作状态与工作边界条件的匹配，如冷起动和暖机运行。
图5.1-62 汽油直接喷射点燃式发动机运行策略
发动机组合到整个汽车中进一步提高它的综合性。这时特别要注意废气净化装置对发动机控制的不利影响。在稀薄混合气工作时采用吸收催化转化器需要短时变换到少许不足的当量混合气工作状态。再生过程的频度与吸收剂的NOx储存能力和发动机NOx排放有关。发动机管理的任务是在储存模式下平衡NOx储存量和在此基础上按需促进再生[33]。在当前的串联方案中，通常利用废气中测量NOx的探针控制NOx吸收剂的再生。与NOx储存模式关联的要连续监控吸收剂的老化和硫中毒状况，并按需起动去硫酸盐的步骤。这步骤是在高的废气温度和在低于化学当量混合气工作阶段，并采用不被乘员觉察的动态过程进行，即在通过电控节气门（E-GAS）以及点火提前角干预调节负荷过程中快速干预发动机控制。
图5.1-63 以转矩为基础的功能结构[37]
常规的发动机电控单元是根据作为参考参量的空气量工作的。在所表示的汽油直接喷射点燃式发动机的工作方式中，空气量与发动机负荷之间没有单一的相关性。所以目前的发动机电控单元不适合这种使用情况。以转矩为基础的功能结构允许在不同的工作模式下反应驾驶人希望的发动机转矩[34]。图5.1-63是这种功能结构框图。考虑传动系和辅助装置消耗，可以由驾驶人希望的转矩推算出发动机应提供的转矩，这是一个参考参数。防滑控制、行驶动力学控制或汽车其他方面的一些系统的动态控制干预都作为计算转矩需要的依据。在电控单元内部，按当前要调整的发动机工作方式算出需要的发动机转矩。通过由发动机管理控制的节气门（E-GAS）调节所需的转矩和从选定的运行策略得到空气量。
参考文献
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