Kierunki rozwoju silników ZI

3SILNIKI SPALINOWE, nr 2/2005 (121)

Hubert FRIEDL*

Paul KAPUS

Kierunki rozwoju silników ZI

Rozwój uk³adów napêdowych pojazdów w coraz wiêkszym stopniu uwarunkowany jest wymaganiami ochrony œrodo-wiska i minimalizacji zu¿ycia paliwa. Spe³nienie tych wymagañ wymaga ci¹g³ego doskonalenia istniej¹cych konstrukcji iopracowanie zupe³nie nowych generacji silników spalinowych.

Najistotniejszym zadaniem w dziedzinie silników ZI jest obni¿enie zu¿ycia paliwa. Dla osi¹gniêcia tego celu mo¿nawykorzystaæ du¿¹ ró¿norodnoœæ mo¿liwych technologii od prostego zawirowania ³adunku i taniego uk³adu rozrz¹du ozmiennych fazach do bardzo skomplikowanych, w pe³ni kontrolowanych uk³adów sterowania rozrz¹dem czy samozap³o-nem mieszanek jednorodnych (HCCI). Uk³ady bezpoœredniego wtrysku benzyny I generacji (zawirowanie kierowaneœciank¹ komory) czy nawet bardziej II generacji (wtrysk do zawirowanego powietrza) pozwalaj¹ na zmniejszenie zu¿yciapaliwa, jednak wymagaj¹ kosztownych uk³adów obróbki spalin w celu zmniejszenia emisji NOx.

W trybie pracy z pe³nym obci¹¿eniem korzystnym rozwi¹zaniem jest bezpoœredni wtrysk benzyny (DGI), który pozwalauzyskaæ odpowiednie osi¹gi, a w powi¹zaniu z turbodo³adowaniem jest sposobem na realizacjê koncepcji „downsizingu”.Po³¹czenie turbodo³adowania, bezpoœredniego wtrysku i zmiennych faz rozrz¹du jest obiecuj¹cym sposobem osi¹gniêciajednoczeœnie niewielkiego zu¿ycia paliwa i przyjemnoœci z jazdy.

W celu spe³nienia ró¿norodnych szczególnych wymagañ w zale¿noœci od zastosowania stosowane musz¹ byæ wykorzy-stane ró¿ne konstrukcje i technologie silników o ZI. Nie rezygnuj¹c z osi¹gów mo¿na ci¹gle zmniejszaæ zu¿ycie paliwa ispe³niaæ normy czystoœci œrodowiska. Jednak nale¿y siê liczyæ ze skomplikowaniem uk³adów i wzrostem kosztów ichwykonania.S³owa kluczowe: silniki o ZI, trendy w budowie silników o ZI, wymiana ³adunku, bezpoœredni wtrysk benzyny, turbodo³a-dowanie, downsizing (zmniejszanie wymiarów)

Trends in Gasoline Engines Technology

The development of vehicle powertrains is increasingly challenged by emission legislation and by the end-users’ fuel-economy demands. In order to meet these requirements it is necessary to continuously improve existing powertrains andto develop totally new generations of engines.

For Gasoline engines in passenger cars the most important task is to improve fuel efficiency. Therefore, a big variety ofdifferent technologies potentially can be applied. The system range from simple variable charge motion and low costvariable valve timing devices up to highly sophisticated systems like fully variable valve actuation systems and alsocombustion with auto ignition (HCCI). Direct Gasoline Injection systems of Generation 1 (wall guided systems) and evenmore the systems of Generation 2 (spray guided systems) improve fuel efficiency, but the significant oncosts for NOx exhaustaftertreatment have to be taken into consideration.

Due to its full load benefits homogeneous DGI is a preferred solution for high performance engines as well as incombination with turbocharging for downsizing/downrating concepts. The combination of turbocharging, direct injectionand cam phase shifter has proven to be a highly attractive package combining good fuel economy with fun to drive.

The different gasoline engines technologies will have to be applied according to the specific needs of their application andbrand specific requirements. Even keeping high performance characteristics, fuel consumption will be reduced continu-ously and future legislative limits can be met. However, system complexity and cost will increase.Key words: gasoline engines, trends in SI engines, gas exchange, direct gasoline injection, turbocharging, downsizing

1. WstêpZdecydowanie ostrzejsze unormowania odnoœnie do

emisji spalin i ha³asu, jak równie¿ ograniczenia zu¿ycia pali-wa stanowi¹ nowe wyzwania dla konstruktorów uk³adównapêdowych samochodów. Szczególnie w Europie obserwujesiê wytê¿one dzia³ania w kierunku zmniejszenia zu¿ycia pali-wa i emisji CO2. Istotne obni¿enie zu¿ycia paliwa przez eks-ploatowane w Europie samochody wynika nie tylko z dzia³añEuropejskiego Stowarzyszenia Producentów Samochodów(ACEA), ale tak¿e ze wzrostu populacji samochodów z silni-kami wysokoprê¿nymi w ostatnich latach, rys.1.

Nie tylko d¹¿enie do mo¿liwie ma³ego zu¿ycia paliwa, aleprzede wszystkim spe³nienie coraz ostrzejszych norm emisjina ca³ym œwiecie zak³adaj¹cych, ¿e przysz³e pojazdy bêd¹

1. IntroductionSignificantly more severe legislative limits for exhaust

emissions and vehicle noise as well as fuel consumptiongenerate new challenges for future automotive drivetrains.Especially in Europe we see a strong move towards higherfuel efficiency and lower CO2 emission. Not only the self-commitment of European Automobile Manufacturers (ACEA)to steadily improve their vehicles, but also the high amountof Diesel vehicles bought by the customers significantlyreduced average fuel consumption of the European passen-ger car fleet down over the last years, Figure 1.

Apart from request for low fuel consumption, the compli-ance with legal emission limits worldwide becomes more se-vere, taking into account that future vehicles have to war-

Kierunki rozwoju silników ZI Konstrukcja/Design

4 SILNIKI SPALINOWE, nr 2/2005 (121)

Konstrukcja/Design Trends in Gasoline Engines Technology

rant a lifetime emission stability of up to 150.000 miles (ac-cording to forthcoming SULEV standards) which preciselyhas to be monitored by means of OBD functions, Figures 2and 3.

During the initial discussions about environmental im-pact of engines the legislation demand raised to build en-gines with a very low emission level. At the time when thisdiscussion started, the majority of engines were naturallyaspirated engines with mechanical carburettors. The exhaustgas aftertreatment was only a noise reduction by silencers.Since that time a lot of progress has been made. The devel-opment passed through single point injection versus elec-tronic carburettor to multi point injection with electronic en-gine management. Nevertheless development was more orless a linear path. But today a variety of technologies isunder development like variable valve timing and actuation,downsizing concepts and gasoline direct injection. Figure 4illustrates this technology explosion in recent years. Only afew of all these new technologies are in competition, manyof them are running in parallel. Performance, fuel consump-

Rys. 1. Emisja CO2 w Europie – stan obecny i przewidywaniaFig. 1. CO2 – Emission in Europe – Status and Forecast

Rys. 2. Europejskie limity emisji dlasilników o ZI (NEDC)

Fig. 2. European Emission Limits forGasoline Engines (NEDC)

Rys. 3. Amerykañskie i Kalifornijskie Normy emisji spalinsilników o ZI (FTP 75)

Fig. 3. US / Californian Emission Limits for Gasoline Engines (FTP 75)

Rys. 4. Eksplozja technologiiFig. 4. Explosion of Technologies

musia³y gwarantowaæ niezmienn¹ emisjê podczas ca³egoswego cyklu eksploatacji, czyli a¿ do ok. 250 tys. km (zgod-nie z przewidywanymi standardami SULEV), co precyzyjniebêdzie monitorowane za pomoc¹ urz¹dzeñ OBD, rys. 2 i 3.

We wstêpnych dyskusjach na temat oddzia³ywania silni-ków na œrodowisko okreœlono dopuszczaln¹ emisjê na bar-

dzo niskim poziomie. W momencie podjêcia dyskusji, wiêk-szoœæ stanowi³y gaŸnikowe silniki wolnoss¹ce. Obróbka spa-lin polega³a jedynie na zastosowaniu t³umika wydechu. Odtego czasu dokonano niezwyk³ego postêpu. Polega³ on nazast¹pieniu gaŸnika wtryskiem jedno- a nastêpnie wielopunk-towym wspó³pracuj¹cym z uk³adem elektronicznego stero-wania silnikiem. Mimo wszystko postêp przebiega³ mniej wiê-cej liniowo. Jednak obecnie opracowywane jest wiele ró¿-nych usprawnieñ, jak np. sterowanie fazami rozrz¹du, kon-cepcja „downsizing”-u, czy bezpoœredni wtrysk benzyny.Rysunek 4 ilustruje tê rewolucjê technologiczn¹, jaka doko-nuje siê w ostatnich latach. Jedynie nieliczne z przedstawio-nych technik konkuruj¹ ze sob¹, inne stanowi¹ wzajemneuzupe³nienie. Osi¹gi, zu¿ycie paliwa, emisjê spalin i ha³asunale¿y pogodziæ z kosztami produkcji, powtarzalnoœci¹w produkcji masowej oraz wymaganiami marketingowymi.

Wszystkie nowoczesne koncepcje pracy silnika o ZI jakspalanie ³adunku uwarstwionego w silniku o bezpoœrednim


tion, exhaust-gas emission, power and engine acoustics arestanding against production costs, reproducibility in massproduction and international marketing requirements.

Modern gasoline engine concepts using advanced com-bustion systems as stratified mode Direct Gasoline Injection(DGI), Turbo Charging (MPFI and DGI) as well as variousconcepts using Variable Valve Train like Electro HydraulicValve Actuation (EHVA), Electro Magnetic Valve Actuation(EMVA) and also Homogeneous Charge Compression Igni-tion (HCCI) show attractive CO2 emission and thus fuel con-sumption potential [1], [2], [3], [4]. But it has to be consid-ered that systems providing better fuel consumption poten-tial show an increased degree of freedom and thus dramati-cally increased development and calibration effort. This re-sults in increased test bed usage, and therefore test bedautomation as well as advanced test methodology (e.g.: DoE)is required to shorten the development and calibration time,Figure 5.

This paper describes the current technology trends toachieve fuel consumption reductions, but considering thatalways a compromise between fuel economy benefit and en-gine on cost due to development and production has to befound.

2. Technologies for reducing CO2 emissions ofgasoline engines

The measures to reduce the CO2 emission of gasolineengines generally can be divided into following main areas:A) combustion losses:

– not optimal combustion,– wall heat losses,– exhaust thermal losses,– exhaust chemical losses,

B) gas exchange and throttling losses,C) friction losses including all the parasitic losses.

One of the best known limitations to the efficiency ofgasoline engines, with respect to diesel engines, is the gas

Rys. 5. Wzglêdny potencja³ emisji CO2 w zale¿noœci od mo¿liwoœci pomiarowychFig. 5. Relative CO2 emission potential vs. calibration efforts

wtrysku benzyny (DGI), turbodo³a-dowanie (MPFI i DGI) ró¿ne rozwi¹-zania zmiennych faz rozrz¹du, jaksterowanie elektrohydrauliczne(EHVA) i elektromagnetyczne(EMVA), czy w koñcu samozap³onmieszanek jednorodnych (HCCI),wskazuj¹ na zainteresowanie emisj¹CO2 i – w zwi¹zku z tym – równie¿ograniczeniem zu¿ycia paliwa [1], [2],[3], [4]. Nale¿y jednak zdawaæ sobiesprawê, ¿e uk³ady pozwalaj¹ce naobni¿enie zu¿ycia paliwa oferuj¹ wie-le mo¿liwoœci przyspieszonego roz-woju. Wynika z tego zwiêkszone za-interesowanie pomiarami hamow-nianymi, automatyzacj¹ badañ i roz-wojem technik pomiarowych (np.DoE) co pozwala na skrócenie okre-su rozwoju i prób, rys. 5.

Ten artyku³ opisuje kierunki rozwoju stosowanych obec-nie technik prowadz¹cych do zmniejszenia zu¿ycia paliwauwzglêdniaj¹c jednak, ¿e zawsze nale¿y d¹¿yæ do kompromi-su miêdzy osi¹gniêtym zmniejszeniem zu¿ycia a wzrostemkosztu skonstruowania i wyprodukowania silnika.

2. Sposoby zmniejszania emisji CO2 przez silniki ZIKroki, jakie podejmuje siê w celu obni¿enia emisji CO2

mo¿na ogólnie podzieliæ na zwi¹zane ze:A) stratami spalania:

– nieoptymalne spalanie,– straty ciep³a przez œcianki,– cieplne straty wydechu,– chemiczne straty wydechu,

B) stratami wymiany ³adunku i oporami przep³ywu,C) stratami tarcia obejmuj¹cymi wszystkie niemo¿liwe do

unikniêcia straty.Jednym z najlepiej znanych ograniczeñ sprawnoœci silni-

ka ZI w porównaniu z silnikiem ZS s¹ straty wymiany ³adun-ku wynikaj¹ce ze stosowania przepustnicy. Techniki zasto-sowane w silnikach ZI opisane w tym artykule dotycz¹ spo-sobów ograniczenia tych strat oraz pokazuj¹ dodatkowe ko-rzyœci.

2.1. Uk³ady ze zmiennym przep³ywem ³adunkuSpoœród licznych metod obni¿enia strat przep³ywu spo-

wodowanych obecnoœci¹ przepustnicy i uzyskania wiêksze-go ciœnienia u¿ytecznego wiele polega na rozcieñczeniu za-sysanego powietrza b¹dŸ przed dodanie powietrza (mieszan-ka uboga), b¹dŸ przez recyrkulacjê spalin (EGR). Zwiêkszaj¹czawirowanie ³adunku na obci¹¿eniach czêœciowych zwiêk-sza siê tolerancja na recyrkulacjê spalin, co prowadzi do ob-ni¿enia zu¿ycia paliwa. Podczas pracy z pe³nym obci¹¿eniem,du¿e zawirowanie ³adunku zmniejsza wspó³czynnik nape³-nienia i w zwi¹zku z tym powinno siê je zmieniaæ w zale¿noœciod obci¹¿enia.

System zmiennego zawirowania ³adunku wykorzystuj¹-cy kontrolowan¹ szybkoœæ spalania (CBR) zosta³ opracowa-



exchange throttling loss. The gasoline technologies de-scribed in the following deal with measures to reduce theselosses and also show additional benefits.2.1. Variable Charge Motion Systems

Out of several methods to reduce throttling losses andincrease high pressure efficiency, most rely on the dilutionof the aspirated air, either by additional air (lean operation),or by recirculation of exhaust gas (EGR). By enhancing chargemotion at part load, the tolerance for high EGR rates can beimproved, which leads to better fuel efficiency. For full load,high charge motion reduces volumetric efficiency and there-fore preferably should be variable for part and full load oper-ation of the engine.

A system for variable charge motion featuring controlledburn rate (CBR) was developed by AVL. The principle ofAVL-CBR is to control charge motion by a simple and robustport throttling device inside the intake port. An asymmetricintake port layout with a tangential and a neutral port isrealised on engines with 3, 4 or 5 valves per cylinder. Bythrottling the neutral port at part load with a slider or a but-terfly valve, a strong swirl is superposed to the initial tumblethus creating an advantageous intake induced flow at partload. This special charge motion leads to high turbulencenear TDC and consequently to a very fast and stable com-bustion. This fast combustion is very tolerant against dilu-tion by air (lean operation) or exhaust gas (EGR).

High quantities of EGR can be fed into the intake port byexternal EGR valve (CBR Generation 1), Figure 6. Alterna-tively, EGR can be led from the exhaust port directly into thecombustion chamber by means of variable cam phasing de-vice and retarded exhaust valve closing, Figure 7. This com-bination of variable charge motion with “Late Atkinson Cy-cle” and internal EGR, a significantly higher de-throttlingeffect (also increased high pressure efficiency) than withEGR or lean operation alone can be achieved (CBR Genera-tion 2). The significantly long persistent combustion stabil-ity is a prerequisite for obtaining fuel economy improve-

ny przez AVL. Zasada jego dzia³ania polega na sterowaniuzawirowaniem za pomoc¹ prostego i trwa³ego urz¹dzeniaumieszczonego w kanale dolotowym. Asymetryczny kszta³tkana³ów dolotowych (stycznego i pionowego) zastosowa-no w silnikach o 3, 4 i 5 zaworach na cylinder. Przymykaj¹cpionowy kana³ na obci¹¿eniach czêœciowych za pomoc¹ prze-s³ony czy zaworu motylkowego, wprowadza siê dodatkowesilne zawirowanie do zawirowania wstêpnego powoduj¹c wten sposób korzystny przep³yw zawirowanego ³adunku naobci¹¿eniach czêœciowych. Tak wywo³ane zawirowanie pro-wadzi do du¿ej burzliwoœci w okolicy GMP i w konsekwencjido szybkiego i stabilnego spalania. Ten typ spalania jestniewra¿liwy na rozcieñczenie powietrzem (praca na mieszan-ce ubogiej) lub spalinami (EGR).

Du¿a iloœæ spalin mo¿e byæ kierowana w pobli¿e zaworudolotowego przez zewnêtrzny zawór EGR (I generacja CBR),rys. 6. Alternatywnie, spaliny mog¹ byæ kierowane bezpo-œrednio z kolektora wydechowego do komory spalania zapomoc¹ odpowiedniego sterowania fazami rozrz¹du przezopóŸnienie zamkniêcia zaworu wydechowego, rys. 7. Takiepo³¹czenie zmiennej szybkoœci ruchu ³adunku z „opóŸnio-nym obiegiem Atkinsona” i wewnêtrznym EGR pozwala osi¹-gn¹æ znacznie wyraŸniejszy efekt braku przepustnicy (tak¿ezwiêkszon¹ sprawnoœæ) ani¿eli w przypadku EGR i ubogiejmieszanki (CBR 2-giej generacji).

WyraŸnie wyd³u¿ony okres stabilnego spalania w po³¹-czeniu ze znacznym EGR (w ramach tolerancji typowych dlaprodukcji masowej) jest warunkiem koniecznym osi¹gniêciaobni¿enia zu¿ycia paliwa. W porównaniu z typowym rozwi¹-zaniem ustalonego zawirowania, zu¿ycie paliwa mo¿na obni-¿yæ o 5–8%. Dla poœrednich wartoœci przep³ywu, podobnyefekt na obci¹¿eniach czêœciowych mo¿na osi¹gn¹æ nawet wsilniku o 2 zaworach na cylinder. W silnikach takich zawiro-wanie wywo³ywane jest stycznym usytuowaniem kana³udolotowego i dodatkowo wzmocnione opóŸnionym zamkniê-ciem zaworu wylotowego (EVC) powoduj¹cym wsteczny prze-p³yw spalin do komory spalania.

Nawet w przypadku znacznie opóŸnionego za-p³onu du¿a stabilnoœæ spalania wystêpuje wrazz nisk¹ emisj¹ wêglowodorów. Tak wiêc strategiaod³¹czania katalizatora w po³¹czeniu ze znacznieopóŸnionym zap³onem daje mniejsz¹ emisjê wêglo-wodorów w porównaniu ze strategi¹ zwiêkszaniatemperatury spalin. Takie postêpowanie stanowipodstawowe wymaganie dla osi¹gniêcia niskieji ultraniskiej emisji niewielkim kosztem, rys. 8.

Podczas pracy silnika na pe³nym obci¹¿eniuurz¹dzenie d³awi¹ce jest ca³kowicie otwarte. W tensposób ruch ³adunku mo¿e byæ optymalizowanywy³¹cznie dla pracy na pe³nym obci¹¿eniu nieuwzglêdniaj¹c wymagañ obci¹¿eñ czêœciowychw wyniku czego uzyskuje siê umiarkowane zawiro-wanie (promieniowe/obwodowe) ³adunku szczegól-nie korzystne dla unikniêcia spalania stukowego.

Rozwi¹zanie CBR firmy AVL wykorzystanew ró¿nych konstrukcjach dowiod³o, ¿e jest wydaj-nym sposobem technologii spalania wymagaj¹cy-

Rys. 6. AVL – CBR sterowanie szybkoœci¹ spalania(System Zmiennego Ruchu £adunku)

Fig. 6. AVL – CBR Burn Rate (Variable Charge Motion System)



ments combined withhigh EGR within typicaltolerances of large vol-ume production. Com-pared to a fixed chargemotion standard con-cept, fuel economy willimprove by 5–8%. Withcompromising flow ca-pacity, a similar positiveeffect at part load caneven be obtained with 2valves per cylinder. With2 valve engines the swirlis generated by tangen-tial direction of intake air-flow and additionallysupported by late EVCand the reverse flow ofexhaust gas into thecombustion chamber.

Even with signifi-cantly retarded spark ad-vance, high combustion

stability is combined with low HC engine-out emission. Thuscatalyst light-off strategies with extremely retarded spark tim-ing offer superior HC emission level versus exhaust heatingperformance. Such light-off strategies are a base require-ment for cost efficient low emission and ultra low emissionconcepts, Figure 8.

At full load operation of the engine, the throttling deviceis opened. Thus the charge motion can be optimised onlytowards full load performance not being compromised bypart load requirements resulting in a moderate tumble/swirlcharge motion most favourable for high knock resistance.

Within various customers’ projects AVL-CBR technolo-gy has proven to be a very cost effective combustion tech-

nology with minor modifications to the baseengine. No external EGR routing is requiredas exhaust gas will be re-circulated inter-nally only by suitable VVT adjustment.Thus a high overall integrity is featured withminimal engine external parts. High systemrobustness and durability is obtained. Sev-eral systems for engines of different capac-ity were designed, built and already pre-pared for series application [5].

2.2. Variable Valve ActuationThe variable valve actuation is not only

a key component to influence the full loadperformance, but also for the total engineprocess control. Consequently variouskinds of variable valve actuation systemsare already applied or under development:– Cam phase shifters,– Switching of cam profiles,

Rys. 7. Zastosowanie obiegu Atkinsona w systemie CBR II firmy AVLFig. 7. Applying Atkinson Cycle with AVL CBR II System

Rys. 8. Usprawnienie rozgrzewania katalizatora w systemie AVL-CBRVariable Charge Motion

Fig. 8. Catalyst warm-up improvement by AVL-CBR Variable Charge Motion

mi niewielkich modyfikacji podstawowego silnika. Niepo-trzebne jest zewnêtrzne prowadzenie EGR-u, poniewa¿ spali-ny kierowane s¹ wewn¹trz przez odpowiedni¹ regulacjê tur-biny o zmiennej geometrii VVT. W ten sposób osi¹gniêtoznaczn¹ zwartoœæ z minimaln¹ liczb¹ elementów zewnêtrz-nych. Uzyskano ponadto du¿¹ wytrzyma³oœæ i trwa³oœæ uk³a-du. Zaprojektowano kilka uk³adów do silników o ró¿nej po-jemnoœci skokowej, zbudowano je i przygotowano do zasto-sowañ seryjnych [5].

2.2. Zmienne fazy rozrz¹duZmienne fazy rozrz¹du s¹ nie tylko kluczowym narzêdziem

oddzia³ywania na pracê silnika pod pe³nym obci¹¿eniem, lecz



– Mechanical variable systems,– Camless electro-magnetic systems,– Camless electro-hydraulic valve actuation,– Cam actuated electro-hydraulic valve systems.

2.2.1. Cam phase shifters, switching of cam profilesThe most simple and robust application of variable valve

timing, cam phase shifters are already becoming standardfor engines of higher performance level. Thus the speedrange with high volumetric efficiency can be extended. Incombination with refinement of intake and exhaust tuningrespectively adaptation of the base engine towards highspeed requirements, attractive full load performance can beobtained.

However, with cam phasers also the cold start behaviourand part load performance can be improved. If the actuationspeed of the cam phaser(s) is sufficiently high, they can bealso applied for residual gas control at part load and applica-tion of Atkison Cycle for unthrottling the engine. Thus be-sides improved full load performance also fuel economy im-provements of up to 5% are feasible.

Larger improvements both in view of fuel economy andemissions are feasible if phase shifters are combined withport deactivation or switching of cam profiles. Such systemsare already in production and best suitable for engines withhigh nominal speeds [7].

2.2.2. Fully flexible valve actuationA largely or even fully flexible variable valve actuation

can be designed as mechanical, electro-magnetic or electro-hydraulic systems. Most of these approaches are primarilytargeted towards reduction of throttle losses, cylinder deac-tivation and improvement of low end torque and less to-wards extreme high performance characteristics.

Mechanical variable valvetrain systems can change valvelift continuously as a function of the opening timing of thevalve lift function. If in addition to the variable valve liftfunction an intake and exhaust cam phaser is installed fur-ther benefits can be achieved. Compared to switching ofcam profiles in combination with cam shifting, the fully vari-able system offers additional benefits mainly at very lowloads, Figure 9.

Camless electro-magnetic systems offer more, especial-ly cylinder individual variability including cylinder deactiva-tion. As the valve travel time is not a function of crank angle,but of time and the actuation forces are limited, the valve liftcurves at high speeds are less aggressive than with mechan-ical or hydraulic actuation. Thus significant improvementsat low engine speeds can be obtained, the power output,however, is more limited than with other variable systems.Mainly with regard to the extensive costs of electro-magnet-ic actuators and the necessity of 42V power supply, thesesystems currently are not expected to be introduced to se-ries production.

Camless electro-hydraulic valve actuation offers addi-tional parameters like variation of valve lift height, openingand closing speed. With an adequate high pressure supply

tak¿e sterowania ca³ym cyklem pracy silnika. W zwi¹zku ztym dot¹d zosta³y zastosowane ró¿ne systemy zmiennegonapêdu rozrz¹du lub znajduj¹ siê w fazie rozwoju.– zmienne fazy rozrz¹du – prze³¹czanie profili krzywek,– mechaniczne uk³ady zmiennego rozrz¹du,– bezkrzywkowe uk³ady elektromagnetyczne,– bezkrzywkowe uk³ady z zaworami elektrohydraulicznymi,– rozrz¹d krzywkowy z elektrohydraulicznym sterowaniem

zaworami.

2.2.1. Przestawiacze krzywek – prze³¹czanie profilikrzywek

Jako najprostsze i najwytrzymalsze rozwi¹zanie zmien-nych faz rozrz¹du, konstrukcja ze zmiennymi fazami rozrz¹dupowoli staje siê standardem w przypadku bardziej wysilo-nych silników. W ten sposób mo¿na poszerzyæ zakres prêd-koœci obrotowej z du¿ymi wartoœciami wspó³czynnika na-pe³nienia. W po³¹czeniu z udoskonalonym uk³adem dolotu iwylotu w celu polepszenia pracy silnika przy du¿ych prêd-koœciach obrotowych mo¿na osi¹gn¹æ korzystne osi¹gi przype³nym obci¹¿eniu.

Jednak¿e, wykorzystuj¹c przestawianie faz rozrz¹du mo¿-na równie¿ polepszyæ pracê przy zimnym rozruchu i na ob-ci¹¿eniach czêœciowych. Je¿eli szybkoœæ przestawiania krzy-wek jest dostatecznie du¿a, system ten mo¿e byæ wykorzy-stywany do sterowania recyrkulacj¹ spalin na obci¹¿eniachczêœciowych i zastosowania obiegu Atkinsona do sterowa-nia silnikiem bez przepustnicy. St¹d oprócz poprawy pracysilnika na pe³nym obci¹¿eniu, mo¿liwe jest równie¿ zmniej-szenie zu¿ycia paliwa o ok. 5%.

Wiêksze udoskonalenia pod wzglêdem zmniejszenia zu-¿ycia paliwa oraz emisji s¹ mo¿liwe je¿eli przestawianie fazrozrz¹du po³¹czyæ z wy³¹czaniem zaworów lub zmian¹ profilukrzywki. Tego typu uk³ady s¹ obecnie produkowane i nadaj¹siê najlepiej do silników z du¿ymi prêdkoœciami znamiono-wymi [7].

2.2.2. Ca³kowicie zmienne sterowanie zaworamiW wiêkszym stopniu lub ca³kowicie zmienne sterowanie

zaworami mo¿na zrealizowaæ w uk³adach mechanicznych, elek-tromagnetycznych czy elektrohydraulicznych. Podstawowy-mi celami wiêkszoœci tych koncepcji by³o pocz¹tkowo zmniej-szenie strat powodowanych d³awieniem na przepustnicy,wy³¹czaniem cylindrów i poprawa pracy w dolnym zakresiemomentu obrotowego, w mniejszym stopniu dotyczy³o po-prawy osi¹gów w górnym zakresie charakterystyki.

Mechaniczne systemy zmiennego napêdu rozrz¹duumo¿liwiaj¹ ci¹g³¹ zmianê skoku zaworu w zale¿noœci od fazrozrz¹du i funkcji skoku zaworu.

Dodatkowe korzyœci mo¿na osi¹gn¹æ, jeœli zmianê wznio-su po³¹czyæ z przestawiaczem fazy zaworu dolotowego iwylotowego. W porównaniu ze zmian¹ profilu krzywki wspó³-dzia³aj¹c¹ z przestawianiem krzywek, system pe³nej zmien-noœæ umo¿liwia osi¹gniêcie dodatkowych korzyœci, g³ówniena niewielkich obci¹¿eniach, rys. 9.

Elektromagnetyczne uk³ady bezkrzywkowe pozwalaj¹uzyskaæ wiêcej, szczególnie jeœli chodzi o indywidualne ste-



system the actuation forces are sufficient even for high speedoperation. With low speeds/lifts the power consumption iscomparable or even lower compared to standard valve trains.This system is offering big potential for fuel efficiency im-provement as well as increased low-end torque and peak-power. Currently, extensive development programs are go-ing on and substantial progress is achieved resulting in avery positive outlook for bringing this EHVS systems tomass production in foreseeable future.

Cam actuated electro-hydraulic valve actuation systemshave less high speed limitations than camless systems. Lostmotion systems, however, offer only limited variability andsuffer from high hydraulic losses especially at part load. Aspecial combination of cam and hydraulic actuation is themost efficient low cost basis for a precise, cylinder and cycleresolved control of autoignition at part load. (refer to para-graph 2.4 of this paper).

2.3. Direct Gasoline InjectionSince the first market introduction of DGI in Japan, also

in Europe significant further development activities werestarted to improve the performance of DGI. However, mostof the new DGI systems were still developed under the maindesign and production constraints of respective base MPFIvariants and consequently are featuring a side position ofthe injector. The resulting large distance between injectorand spark plug requires a dedicated support of the mixturetransport and stratification both by piston geometry andcharge motion.

With the 1st generation of such wall- and/or air guidedDGI concepts, the complexity of the complete system as wellas the required sophistication of the development was oftenunderestimated. This resulted not only in delayed marketintroduction, but also in relatively low fuel consumption re-duction numbers in the range of 5 to 12% in the NEDC testcycle.

Whereas mid of the 90-th the fuel economy potential ofDGI was assessed in the range of 20 to 25%, no solution tocomply with stringent exhaust emission levels like EURO IVor even ULEV was envisaged at this time.

Rys. 9. Praca na obci¹¿eniach czêœciowych w przypadku mechanicznegosterowania fazami rozrz¹du [8]

Fig. 9. Part Load Performance of Mechanical Variable Valve Actuation [8]

rowanie poszczególnymi cylindrami, w tym rów-nie¿ wy³¹czanie cylindrów. Jeœli czas otwarcia za-woru nie jest funkcj¹ k¹ta obrotu wa³u korbowe-go, lecz czasu, a si³y wymuszaj¹ce s¹ ograniczone,krzywe wzniosu zaworu w zakresie du¿ych prêd-koœci obrotowych s¹ mniej „agresywne” ani¿eli wprzypadku sterowania mechanicznego czy hydrau-licznego. Tak wiêc mo¿na osi¹gn¹æ istotn¹ popra-wê w zakresie niskich prêdkoœci obrotowych, jed-nak¿e uzyskiwana moc jest bardziej ograniczonani¿ w przypadku innych uk³adów zmiennych faz.G³ównie z powodu znacznych kosztów sterowni-ków elektromagnetycznych i koniecznej instalacji42V, obecnie nie przewiduje siê wprowadzenia tegotypu uk³adów do seryjnej produkcji.

Elektrohydrauliczne uk³ady bezkrzywkowepozwalaj¹ osi¹gn¹æ dodatkowe korzyœci jak zmia-nê wzniosu zaworu czy szybkoœci otwarcia i zamkniêcia. Gdyzapewni siê wystarczaj¹co wysokie ciœnienie si³y napêdzaj¹-ce zawory s¹ wystarczaj¹ce nawet do bardzo szybkiej pracy.Przy ma³ych prêdkoœciach obrotowych i ma³ym wzniosie po-bór mocy jest porównywalny lub nawet mniejszy ni¿ w tra-dycyjnym uk³adzie rozrz¹du. System taki niesie ze sob¹ du¿ypotencja³ obni¿enia zu¿ycia paliwa, jak równie¿ poprawy prze-biegu momentu obrotowego w dolnym zakresie prêdkoœcioraz maksymalnej mocy. W chwili obecnej s¹ realizowaneszeroko zakrojone badania i osi¹gniêto ju¿ znaczny postêp,co pozwala przewidywaæ wprowadzenie uk³adów EHVS doprodukcji masowej w przewidywalnej przysz³oœci.

System sterowania zaworami za poœrednictwem elek-trohydraulicznie napêdzanych krzywek nie podlega takimograniczeniom w zakresie du¿ych prêdkoœci obrotowych jakuk³ady bezkrzywkowe. Jednak¿e uk³ady te umo¿liwiaj¹ ogra-niczon¹ zmiennoœæ i wykazuj¹ du¿e straty hydrauliczne, szcze-gólnie na obci¹¿eniach czêœciowych. Specjalne po³¹czeniekrzywki i napêdu hydraulicznego stanowi najefektywniejsz¹,tani¹ bazê precyzyjnego sterowania samozap³onem na ob-ci¹¿eniach czêœciowych, tak w cylindrze, jak i w ramach obie-gu (por. rozdzia³ 2.4).

2.3. Bezpoœredni wtrysk benzyny (DGI)Od czasu, gdy po raz pierwszy w Japonii wprowadzono

na rynek silnik typu DGI, tak¿e w Europie rozpoczêto inten-sywne prace nad udoskonaleniem tej konstrukcji. Jednakwiêkszoœæ nowych rozwi¹zañ DGI ci¹gle korzysta³a z istnie-j¹cych rozwi¹zañ i ograniczeñ wykonawczych uk³adów typuMulti Point Fuel Injection (MPFI) i w zwi¹zku z tym propo-nowa³a umieszczenie wtryskiwacza z boku cylindra. Wynika-j¹ca st¹d du¿a odleg³oœæ pomiêdzy wtryskiwaczem a œwiec¹zap³onow¹ wymaga³a odpowiedniego wspomagania prze-mieszczania mieszanki i jej uwarstwienia za pomoc¹ kszta³tudenka t³oka oraz wiru powietrza.

W przypadku uk³adów DGI 1-szej generacji czêsto nie-doceniano z³o¿onoœci systemu i wymagañ odnoœnie ich dal-szego rozwoju. Spowodowa³o to nie tylko opóŸnione wpro-wadzenie ich na rynek, lecz równie¿ stosunkowo niewielkieobni¿enie zu¿ycia paliwa w zakresie 5 do 12% w teœcie NEDC.



Today, the situation has completely changed. Due to sig-nificant progress in lean exhaust gas aftertreatment, espe-cially DeNOx catalyst technology, NOx-sensing and enginecontrol, EURO IV can be fulfilled even with stratified chargesystems. The fuel economy benefit, however, has to be com-promised towards low emission capability. Consequently,the cost efficiency of 1st Generation stratified charge DGIdeteriorates not only due to comparably small fuel economybenefits but also due to large system complexity and highoncost.

The key challenge with stratified charge systems is thatthe benefits of the most expensive components can only beutilised in a small part of the engine operation range. Espe-cially the lean exhaust gas aftertreatment system - featuringnot only the DeNOx catalyst, but also passive or even activeexhaust gas temperature management, NOx sensor, purgeand regeneration control with the respective EMS require-ments – is the major on cost factor, but only utilised at lowpart load.

Therefore different approaches to enhance the attrac-tiveness of DGI are currently followed, Figure 10.

Skipping the stratified operation and changing towardsa pure homogeneous system, immediately reduces the on-cost and allows worldwide application. The fuel economybenefit however, is also reduced. Most attractive is a homo-geneous application of DGI with charged engines, where thebenefits of DGI in view of improved knock behaviour can beutilised most effectively. Charging can be also used to ex-tend the area of stratified operation towards higher engineloads.

Spray guided systems, often mentioned as “2nd Genera-tion of DGI”, offer a better stratification capability than theso called “1st Generation” – wall or air guided systems –resulting in improved fuel economy and emission. Ultimate-ly controlled auto ignition offers the most promising optionfor extreme low NOx emission within unthrottled operation.

However, it must be considered that not the whole po-tential obtained with concepts or pre-production samplescan be finally obtained also within volume production.

Quite significant development efforts are targeted towardsareas which were not yet communicated intensively. Theseare partially concern areas like intake system deposit forma-

Poniewa¿ w po³owie lat 90-tych XX wieku potencjaln¹obni¿kê zu¿ycia paliwa systemu DGI oceniano na 20 do 25%,nie widziano rozwi¹zania, które równoczeœnie spe³nia³obyostre normy EURO IV czy nawet ULEV.

Obecnie sytuacja uleg³a ca³kowitej zmianie. Dziêki wy-raŸnemu postêpowi w obróbce spalin emitowanych podczasspalania mieszanek ubogich, szczególnie technice kataliza-torów DeNOx, pomiarowi NOx i odpowiedniego sterowaniasilnikiem, norma EURO IV mo¿e byæ spe³niona równie¿ przezsilniki spalaj¹ce ³adunek uwarstwiony. Jednak¿e korzyœæ zezmniejszenia zu¿ycia paliwa musi stanowiæ kompromis z mo¿-liwoœci¹ obni¿enia emisji. W zwi¹zku z tym oszczêdnoœciwynikaj¹ce z zastosowania DGI 1-szej generacji uleg³y zmniej-szeniu nie tylko w wyniku stosunkowo ma³ego spadku zu¿y-cia paliwa, ale równie¿ ze wzglêdu na znaczn¹ z³o¿onoœæ sys-temu i jego wysokie koszty.

Zasadnicze wyzwanie uk³adów mieszanki uwarstwionejpolega na tym, ¿e najdro¿sze elementy mog¹ byæ wykorzy-stane jedynie w w¹skim zakresie pola pracy silnika. Szcze-gólnie dotyczy to uk³adu obróbki spalin powstaj¹cych wwyniku spalania mieszanek ubogich, który obejmuje nie tyl-ko katalizator DeNOx, lecz równie¿ biern¹ i czynn¹ kontrolêtemperatury spalin, czujniki NOx, sterowanie oczyszczaniemi regeneracj¹ zgodnie z wymaganiami EMS – i stanowi zasad-niczy element kosztów mimo, ¿e wykorzystywany jest jedy-nie w w¹skim zakresie obci¹¿eñ czêœciowych.

St¹d pojawiaj¹ce siê ró¿ne rozwi¹zania, których celem jestuatrakcyjnienie bezpoœredniego wtrysku benzyny, rys. 10.

Rezygnacja ze spalania mieszanek uwarstwionych na rzeczmieszanek jednorodnych natychmiast zmniejsza zwi¹zane ztym koszty i umo¿liwia rozpowszechnienie. Jednak równie¿zmniejszeniu ulega korzyœæ zwi¹zana ze zmniejszonym zu¿y-ciem paliwa. Najbardziej obiecuj¹ce jest zastosowanie mie-szanki jednorodnej w uk³adach DGI w silnikach do³adowa-nych, gdzie korzyœci wynikaj¹ce ze zmniejszonej wra¿liwoœcina spalanie stukowe mog¹ byæ najlepiej wykorzystane. Do-³adowanie mo¿e byæ tak¿e u¿yte do rozszerzenia obszaru pracyna mieszance uwarstwionej ku wiêkszym obci¹¿eniom.

Uk³ady z tworzeniem mieszanki w strudze wtryskiwane-go paliwa (Spray guided), czêsto nazywane uk³adami DGI 2-giej generacji, charakteryzuj¹ siê wiêksz¹ zdolnoœci¹ do uwar-stwienia ani¿eli uk³ady 1-szej generacji – tworz¹ce uwarstwie-nie w wyniku kszta³tu komory czy zawirowania dop³ywaj¹ce-go powietrza – czego skutkiem mo¿e byæ zmniejszone zu¿y-cie paliwa i emisja spalin. Najbardziej obiecuj¹cym rozwi¹za-niem z punktu widzenia obni¿enia emisji NOx w silnikach bezregulacji d³awieniowej jest kontrolowany system samoza-p³onu.

Ci¹gle jednak nale¿y pamiêtaæ, ¿e nie wszystkie korzyœciosi¹gniête podczas prac badawczych czy prototypowychudaje siê uzyskaæ w produkcji masowej.

Znaczne wysi³ki skierowano na cele, które jeszcze niezosta³y upowszechnione. Czêœciowo dotyczy to takich mo¿-liwoœci systemu DGI jak zmniejszenie tworzenia osadów wuk³adzie dolotowym, rzeczywistej oszczêdnoœci paliwa, trwa-³oœci itd., ale równie¿ ni¿szej emisji i nowych strategii odci¹-¿enia silnika.

Rys. 10: Koncepcje przysz³ych rozwi¹zañ DGIFig. 10. Approaches for Future DGI Systems



tion, real world fuel economy, durability etc. but also addi-tional potentials for DGI like low emission capability, newlight off strategies etc.

Some of these benefits can be utilised not only for strati-fied charge systems, but also for homogeneous concepts. Withadequate double (split) injection strategies both the HC-en-gine out emission during catalyst light off phase as well aslight-off time can be significantly reduced, Figure 11.

2.3.1. Combination of DGI and TurbochargingThe direct introduction of the fuel into the combustion

chamber has positive effects both on volumetric efficiencyand charge temperature. The enhanced charge cooling sig-nificantly improves the knock behaviour and allows a 1 to1,5 units higher compression ratio than with a respectiveMPFI engine. As the compression ratio has a non linear ef-fect on engine efficiency, the resulting benefits are most sig-nificant with charged engines which are generally operatedat lower compression ratios than naturally aspirated engines.Thus even with homogeneous part load operation the pow-er consumption of the high pressure pump is overcompen-sated by the higher thermal efficiency of the DGI resulting inbetter part load BSFC than with MPFI.

The earlier combustion phasing at detonation borderline results in a more efficient combustion requiring less boostpressure for equal BMEP and resulting in significantly lowerexhaust gas temperatures with DGI. Especially with higherengine speeds those reduced exhaust gas temperatures havean over proportional effect on the enrichment necessary tolimit turbine inlet temperatures (e.g. 950-980°C). This againresults in improved fuel efficiency.

The second key advantage of DGI for turbocharged en-gines is a significantly improved low end torque behaviour.To obtain maximum boost pressure and torque at low en-gines speeds, the valve events have to be adjusted in sucha way that significant scavenging is obtained (e.g. large valveoverlap). With MPFI, however, not only fresh air but alsounburned fuel is directly transported into the exhaust andresults in exothermal reactions in the catalyst.

Due to high amount of excess air these exothermal reac-tions cannot be avoided even by excessive enrichment so

Rys. 11. System DGI – podgrzewanie reaktora katalitycznegoz podwójnym wtryskiem

Fig. 11. DGI – Catalyst Heating with Double Injection

Niektóre z wymienionych korzyœci mog¹ byæ zastosowa-ne nie tylko w uk³adach spalaj¹cych mieszanki uwarstwioneale równie¿ mieszanki jednorodne. Stosuj¹c strategiê odpo-wiedniego podwójnego (podzielonego) wtrysku, zarównoemisja wêglowodorów podczas rozgrzewania katalizatoramo¿e byæ zmniejszona, jak równie¿ sam okres rozgrzewaniamo¿e ulec skróceniu, rys. 11.

2.3.1. Po³¹czenie DGI i turbodo³adowaniaBezpoœrednie doprowadzenie paliwa do komory spala-

nia ma korzystny wp³yw zarówno na sprawnoœæ, jak i tempe-raturê ³adunku. Wzmo¿one ch³odzenie ³adunku istotnie ob-ni¿a sk³onnoœæ do spalania stukowego i pozwala na zwiêk-szenie stopnia sprê¿ania o 1 do 1,5 jednostek w porównaniuz podobnym silnikiem MPI. Poniewa¿ jednak stopieñ sprê¿a-nia nie wp³ywa liniowo na wzrost sprawnoœci, opisane ko-rzyœci s¹ najwiêksze w przypadku silników do³adowanychpracuj¹cych z mniejszym stopniem sprê¿ania ni¿ silniki wol-noss¹ce. Tak wiêc równie¿ podczas pracy na obci¹¿eniachczêœciowych z mieszank¹ jednorodn¹ pobór mocy przez pom-pê wysokiego ciœnienia jest rekompensowany wy¿sz¹ spraw-noœci¹ ciepln¹ silnika DGI, co skutkuje jednostkowym zu¿y-cie paliwa na obci¹¿eniach czêœciowych w stosunku do sil-nika MPI.

Wczeœniejsze rozpoczêcie spalania na granicy spalaniastukowego skutkuje wydajniejszym spalaniem pozwalaj¹cymna zmniejszenie ciœnienia do³adowania dla osi¹gniêcia jed-nakowego pe i daje ni¿sze temperatury wydechu w przypad-ku DGI. Szczególnie dla wy¿szych prêdkoœci obrotowychzmniejszona temperatura wydechu ma ponadproporcjonal-ny wp³yw na wzbogacenie mieszanki konieczne dla ograni-czenia temperatury na dolocie do turbiny (np. 950-980°C). Torównie¿ sprzyja zmniejszeniu zu¿ycia paliwa.

Drug¹ kluczow¹ zalet¹ bezpoœredniego wtrysku benzy-ny DGI w silniku do³adowanym jest zdecydowana poprawaprzebiegu momentu obrotowego w zakresie niskich prêdko-œci obrotowych. W celu osi¹gniêcia maksymalnego ciœnie-nia do³adowania i maksymalnego momentu przy ma³ych prêd-koœciach obrotowych, otwieranie zaworów musi byæ tak do-pasowane, aby uzyskaæ skuteczne przep³ukanie (np. du¿eprzekrycie zaworów). Jednak w przypadku silnika MPI opróczœwie¿ego powietrza równie¿ niespalone paliwo dostaje siêbezpoœrednio do wydechu i powoduje reakcje egzotermicz-ne w katalizatorze.

Z powodu znacznego nadmiaru powietrza nie mo¿na unik-n¹æ tych reakcji egzotermicznych nawet przez znaczne wzbo-gacenie mieszanki, wiêc tego rodzaju przep³ukanie w przy-padku silnika MPI jest ograniczone temperatur¹ katalizatora.W zwi¹zku z tym przebieg momentu obrotowego w dolnymzakresie prêdkoœci obrotowych w przypadku silnika do³ado-wanego wyposa¿onego w jeden lub dwa przestawiacze krzy-wek mo¿na zdecydowanie polepszyæ przez zastosowanie DGIi odpowiednie ustawienia rozrz¹du, unikaj¹c ucieczki niespa-lonej mieszanki. Ze wzglêdu na du¿¹ liczbê zmiennych jakiepowinny byæ optymalizowane, do cechowania uk³adu po-winny byæ stosowane metody statystyczne, jak np. DoE.Oprócz poprawy wskaŸników pracy, zastosowanie DGI umo¿-



that such scavenging strategies are limited with MPFI bycatalyst mid-bed temperatures. Consequently the low endtorque behaviour of turbocharged engines with one or twocam phase shifters can be significantly improved by the ap-plication of DGI and adequate valve events, avoiding scav-enging of fuel. Due to the large amount of variables to beoptimised in parallel, statistical methods like DoE have to beapplied for the calibration of such systems. Beside the im-proved performance the DGI offers significant benefits alsoin view of engine out emissions especially in this operatingrange.

Thus with the combination of turbocharging, cam phaseshifter and DGI very attractive full load characteristics bothwith excellent low end torque and high power output can beobtained, Figure 12.

Compared to current production MPFI Turbo engines,the torque characteristics of the turbocharged DGI is quitedifferent. Especially at low speeds, an extremely high lowend torque similar to turbocharged DI-Diesel engines can beobtained. Within reasonable packaging constraints the max-imum performance is less limited by thermodynamics, butmore by the linearity range of currently available injectorsand the mechanical integrity of the base engine.

The reduced enrichment requirement results in attractivefuel consumption even at high full load speeds. A specificperformance of about 85 kW/L can be obtained within BSFCvalues in the range of 300 g/kWh.

Besides attractive full load fuel consumption, the phaseshifters can also be utilised for load and residual gas controlat part load and result in attractive part load fuel consump-tion even with homogeneous operation. With lower specificpower output the characteristics of the turbocharger can bebetter adjusted towards low speed torque. So called “soft-turbo” applications (< 80 kW/L) offer similar specific torqueat 1500 rpm compared to supercharged engines. Turbo-charged engines currently under development offer a signif-icantly more favourable low end torque versus power tradeoff, Figure 13.

liwia osi¹gniêcie korzyœci tak¿e jeœli chodzi o emisjê, szcze-gólnie w tym zakresie pracy.

Tak wiêc przez po³¹czenie turbodo³adowania, przestawia-nia k¹ta pocz¹tku wtrysku i DGI mo¿na osi¹gn¹æ bardzo ko-rzystn¹ charakterystykê w ca³ym zakresie obci¹¿eñ - zarów-no poprawê momentu w dolnym zakresie prêdkoœci, jak i du¿¹moc w górnym zakresie, co pokazano na rys. 12.

W porównaniu z obecnie produkowanymi do³adowany-mi silnikami MPI, charakterystyka momentu obrotowego do-³adowanego silnika DGI jest zupe³nie inna. Szczególnie dlama³ych prêdkoœci obrotowych mo¿na uzyskaæ bardzo du¿¹wartoœæ momentu podobn¹ do rozwijanego przez turbodo³a-dowany silnik ZS z bezpoœrednim wtryskiem. W ramach roz-s¹dnie przyjêtych ograniczeñ maksymalne osi¹gi s¹ w mniej-szym stopniu ograniczane termodynamik¹ a bardziej liniow¹charakterystyk¹ dostêpnych wtryskiwaczy i konstrukcj¹mechaniczn¹ silnika.

Wymagane zubo¿enie mieszanki palnej skutkuje korzyst-nym zu¿yciem paliwa równie¿ w górnym zakresie prêdkoœciobrotowych. WskaŸnik ok. 85 kW z litra pojemnoœci skoko-wej silnika mo¿na uzyskaæ przy jednostkowym zu¿yciu pali-wa na poziomie 300 g/kWh.

Oprócz zapewnienia korzystnego zu¿ycia paliwa na pe³-nym obci¹¿eniu, przestawiacze rozrz¹du mog¹ byæ u¿yte dosterowania obci¹¿eniem i wymian¹ gazów na obci¹¿e-niach czêœciowych, w wyniku czego uzyskuje siê zmniej-szenie zu¿ycia paliwa nawet w przypadku pracy z mie-szank¹ jednorodn¹. Równie¿ charakterystyka turbo-sprê¿arki mo¿e byæ lepiej dopasowana do pracy w za-kresie ma³ego momentu obrotowego

Zmniejszenie mocy jednostkowej sprzyja takiemukszta³towaniu charakterystyki turbosprê¿arki, by by³alepiej dopasowana do osi¹gniêcia wiêkszego momentuobrotowego w zakresie niskich prêdkoœci obrotowych.Tak zwane „miêkkie turbo” (< 80 kW/dm3) pozwala osi¹-gn¹æ jednostkowy moment obrotowy porównywalny zmomentem silników do³adowanych w zakresie prêdko-œci ok. 1500 obr/min. Obecnie opracowywane silnikiturbodo³adowane charakteryzuj¹ siê znacznie popra-wionym pocz¹tkowym odcinkiem przebiegu momentuobrotowego kosztem zmniejszenia mocy, rys. 13.

Rys. 12. Charakterystyka pe³nej mocy silnika turbodo³adowanegoFig. 12. Full Load characteristics of turbocharged engines

Rys. 13. Jednostkowy moment obrotowy do³adowanych silników ZIFig. 13. Specific torque of charged gasoline engines



2.3.2. Turbocharged DGI Downsizing/DownratingConcepts

Consequently, such a turbocharged DGI concept is theideal basis for a fuel efficient downsizing concept. For fuelconsumption benefits larger than 10% both a moderate re-duction of displacement and a longer final drive ratio arerequired. As the load distribution is significantly shifted to-wards higher engine loads, a homogeneous concept is pre-ferred for such applications compared to a stratified versionnot only in view of system complexity, but also in view ofcost efficiency.

Most important for the customers acceptance of down-sizing concepts is the acceleration behaviour, especially thetorque response with extremely low engine speeds. The char-acteristics of charged engines can be described by the rela-tion of maximum power output versus torque at low speed,e.g. 1500 rpm being representative for the drive away behav-iour, Figure 13.

The utilisation of a dedicated scavenging strategy withDGI and double cam phasers results not only in improvedsteady state torque, but also in significantly acceleratedtorque build up in transients. With automatic transmissionthe driveability is comparable to naturally aspirated engineswith large displacement. With manual transmission down-sizing factors > 0,7 combined with long final drive ratiosrequire a more sophisticated charging unit for best driveabil-ity. Both impulse charging, variable turbine geometry or anadditional E-Booster enhance the transient torque built up.With adequate system layout the required power of an E-Booster system can be reduced so that a 12V system is suf-ficient. As the additional charging by the E-Booster shiftsthe operation range of the turbocharger towards improvedefficiencies, the transient improvement is quite significantand sufficient to obtain excellent driveability even with ded-icated downsizing concepts and manual transmission.

2.3.3. Spray guided DGI combustion systemsAlready the first DGI concepts developed even before

the wall and air guided systems featured a close spacingbetween injector and spark plug, Figure 14. However, at thistime such systems were still handicapped by insufficientinjector technology. Due to the significant progress in injec-tor technology, such systems recover importance. The closespacing results in excellent stratification capability and higher

2.3.2. Koncepcja „downsizingu/downratingu” turbodo³a-dowanych silników DGI

Turbodo³adowany silnika DGI stanowi idealn¹ podsta-wê do realizacji koncepcji downsizingu o zwiêkszonej spraw-noœci. W celu osi¹gniêcia 10% mniejszego zu¿ycia paliwapotrzebne jest zarówno zmniejszenie pojemnoœci skokowej,jak i zmiana najwy¿szego prze³o¿enia skrzyni biegów. Skororozk³ad obci¹¿enia wyraŸnie zostaje przesuniêty ku wy¿szymwartoœciom momentu obrotowego, wybierana jest praca z³adunkiem jednorodnym a nie uwarstwionym nie tylko z po-wodu skomplikowania uk³adu, lecz równie¿ z punktu widze-nia kosztów.

Dla u¿ytkowników najwa¿niejszym wskaŸnikiem decydu-j¹cym o zgodzie na downsizing jest zdolnoœæ do przyspie-szeñ, szczególnie w zakresie niskich prêdkoœci obrotowych.Charakterystykê silnika do³adowanego mo¿na przedstawiæjako zale¿noœæ maksymalnej rozwijanej mocy od momentuobrotowego przy ma³ej prêdkoœci, np. 1500 obr/min, któramo¿e byæ reprezentatywna dla zdolnoœci do nag³ego przy-spieszania, rys. 13.

Zastosowanie dopasowanego schematu przep³ukania wpowi¹zaniu z bezpoœrednim wtryskiem i podwójnym przesta-wiaczem faz rozrz¹du daje nie tylko korzystniejszy moment wwarunkach ustalonych, ale równie¿ zdecydowanie szybszyjego przyrost w warunkach nieustalonych. W³aœciwoœci jezd-ne takiego silnika i przek³adni automatycznej s¹ porówny-walne z silnikami wolnoss¹cymi o du¿ej pojemnoœci skoko-wej. W przypadku przek³adni rêcznej wspó³czynnik downsi-zingu > 0,7 plus du¿e prze³o¿enie biegu najwy¿szego wyma-gaj¹ skomplikowanego doprowadzenia ³adunku dla uzyska-nia odpowiednich w³aœciwoœci jezdnych. Czynnikami popra-wiaj¹cymi przebieg momentu obrotowego jest zarówno im-pulsowe doprowadzenie ³adunku, jak i turbina o zmiennejgeometrii i dodatkowe do³adowanie sprê¿ark¹ o napêdzieelektrycznym (E-Booster). Odpowiednie zaprojektowanieuk³adu sprawia, ¿e wymagana moc dodatkowej sprê¿arki elek-trycznej jest na tyle ma³a, ¿e wystarcza system 12 V. Ponie-wa¿ dodatkowe do³adowanie sprê¿ark¹ elektryczn¹ przesu-wa zakres pracy turbosprê¿arki w kierunku wiêkszych spraw-noœci, poprawa w stanach nieustalonych jest na tyle istotna,¿e wystarcza do osi¹gniêcia doskona³ych w³aœciwoœci jezd-nych nawet z przek³adni¹ rêczn¹ i downzisingiem.

2.3.3. Uk³ady DGI z z tworzeniem mieszanki przy pomocystrugi paliwa

Pierwsze rozwi¹zania wtrysku bezpoœred-niego pojawi³y siê zanim w systemach zawi-rowania wykorzystuj¹cych œciankê komorylub wir powietrza zastosowano niewielki od-stêp miêdzy wtryskiwaczem a œwiec¹ zap³o-now¹, rys. 14. Jednak w tym czasie uk³ady teby³y ma³o doskona³e z powodu nieodpowied-niej konstrukcji wtryskiwaczy. Dziêki istot-nemu postêpowi w konstrukcji wtryskiwa-czy znaczenie tego typu systemów ponow-nie wzros³o. Niewielki odstêp miêdzy wtry-skiwaczem a œwiec¹ pozwala uzyskaæ dosko-


Rys 14. Uk³ad DGI z tworzeniem mieszanki przy pomocy strugi paliwa (spray guided)Fig. 14. Arrangements for spray guided DGI Combustion Systems


fuel efficiency improvement compared to alternative wall andair guided concepts, Figure 15.

Both stratification and mixture formation are largely con-trolled by the injector itself. Due to the small spatial distancebetween injector and spark plug the time available for mix-ture formation is significantly reduced. Consequently therequirements for the injector are higher than with wall or airguided systems. With conventional spark ignition the sparkhas to be arranged in the rim zone of the injection spray toavoid spark plug fouling. Consequently the spray shape,especially the spray angle, has to be kept largely constantunder all engine operation conditions and thus independentfrom injection timing and the respective backpressure. As aconsequence, swirl injectors, as widely used for Generation1 systems, are not a preferred solution for spray guided sys-tems with conventional spark ignition. Outwardly openinginjectors such as Piezo-type injectors currently provide spe-cific advantages in mixture formation and application.

Combustion chamber geometry as well as charge motioncan be designed with less compromises concerning full loadrequirements and piston weight than with Gen.1 combustionsystems.

With adequate spray characteristics the combustion per-formance is significantly better than with wall or air guidedsystems. The more compact mixture cloud results both inlower HC and NOx emissions, a more appropriate later com-

bustion phasing reduces thewall heat losses and conse-quently improves fuel con-sumption, Figure 16.

For the NEDC test cycleabout 5% better fuel econo-my than with Generation 1 DGIcombined with more than 30%lower HC emission can be ex-pected. As especially in theupper stratification range HCemissions and consequentlyexothermal reactions and gastemperatures at the DeNOxcatalyst are reduced, the con-ditions for the lean exhaustgas aftertreatment are signifi-cantly improved.

However, the central ar-rangement of the injectorusually requires much moresignificant modifications toexisting cylinderhead designs

than only adapting a base MPFI cylinderhead towardsa wall guided DGI variant. The central position of the injec-tor also raises injector tip temperatures and consequentlydeposit formation risk at the injector. Both deposit forma-tion as well as spark plug durability are major developmentissues.

As a future alternative, Laser induced ignition might bean attractive alternative, Figure 17.

na³¹ zdolnoœæ do uwarstwienia i poprawiæ zu¿ycie paliwa wporównaniu ze wspomnianymi uk³adami wykorzystuj¹cymiœcianki komory lub zawirowanie powietrza, rys. 15.

Zarówno uwarstwienie, jak i tworzenie mieszanki uzale¿-nione s¹ w du¿ej mierze od samego wtryskiwacza. Z powoduniewielkiego odstêpu miêdzy wtryskiwaczem i œwiec¹ zap³o-now¹ znacznie zmniejszy³ siê czas potrzebny na tworzeniemieszanki. W zwi¹zku z tym znacznie wzros³y wymaganiadotycz¹ce wtryskiwacza w porównaniu z wczeœniej wspo-mnianymi konstrukcjami. W przypadku konwencjonalnegozap³onu iskrowego iskra musi pojawiæ siê na brzegu wtry-œniêtej strugi by zapobiec wypadaniu zap³onów. St¹d kszta³trozpylonej strugi paliwa, a szczególnie k¹t rozpylenia musibyæ w zasadzie sta³y bez wzglêdu na warunki pracy silnikai tym samym pozostawaæ niezale¿ny od momentu wtrysku iewentualnego przeciwciœnienia. W konsekwencji, wtryski-wacze generuj¹ce zawirowanie – powszechnie stosowane wsystemach 1-szej generacji – nie nadaj¹ siê do tego celu.W chwili obecnej wtryskiwacze piezoelektryczne otwieraj¹-ce siê na zewn¹trz charakteryzuj¹ siê pewnymi zaletami jeœlichodzi o tworzenie mieszanki i ich zastosowanie.

Kszta³t geometryczny komory spalania, jak równie¿ ruch³adunku mo¿na zaprojektowaæ zwracaj¹c mniejsz¹ uwagê nawymagania dotycz¹ce pracy pod pe³nym obci¹¿eniem czymasê t³oka, jak mia³o to miejsce w przypadku uk³adów wtry-skowych 1-szej generacji.

Dziêki w³aœciwie ukszta³towanej strudze paliwa przebiegspalania jest zdecydowanie lepszy ni¿ w systemach z two-rzeniem mieszanki z wykorzystaniem œcianki lub zawirowaniapowietrza.

Bardziej zwarta chmura mieszanki daje mniejsz¹ emisjêwêglowodorów i tlenków azotu, a odpowiednio opóŸnionespalanie zmniejsza straty na œciankach i tym samym popra-wia zu¿ycie paliwa, rys. 16.

Rys. 15. Rozpylenie i spalanie w 1-szej i 2-giej generacji uk³adów DGIFig. 15. Spray and Combustion Characteristics of 1st and 2nd Generation DGI Systems



As the ignitionpoint is only deter-mined by the focus ofthe respective lens andnot by the protrusion ofthe spark plug, the ig-nition point can be di-rectly set within themain spray cone with-out the risk of sparkplug fouling. Thus, fromviewpoint of reliable ig-nition even swirl injec-tors would be a feasi-ble solution. Currentlysuch ignition systemsjust have proven prin-cipal function at a re-search level and still re-quire significant furtherdevelopment efforts.

2.4 Controlled Auto IgnitionAnother variant, which is currently being developed, is

the homogenous auto ignition (HCCI-Homogeneous ChargeCompression Ignition, also known as Controlled Auto Igni-tion) with very high exhaust gas recirculation rates. Thesecombustion methods enable a lean combustion without NOx-trap catalyst and with the same fuel consumption as strati-fied GDI engines. Homogenous auto ignition requires, how-ever, a more complex engine control. Application under pro-duction conditions has not been tested yet.

Auto Ignition is controlled primarily by compression pres-sure and temperature, mixture composition and fuel charac-teristics. These conditions are largely pre-determined at in-

Mo¿na siê spodziewaæ, ¿e wcyklu NEDC bêdzie mo¿na osi¹-gn¹æ 5% spadek zu¿ycia paliwa iok. 30% spadek emisji HC w po-równaniu z uk³adami 1-szej gene-racji. Istotnej poprawie ulegaj¹warunki oczyszczania spalin mie-szanek ubogich, szczególnie wgórnym zakresie uwarstwienia,poniewa¿ emisja HC oraz zwi¹za-ne z ni¹ reakcje egzotermiczne itemperatura pracy katalizatoraDeNOx zmniejszaj¹ siê.

Jednak¿e centralne usytu-owanie wtryskiwacza zwykle wy-maga znacznie istotniejszychmodyfikacji konstrukcji g³owicyani¿eli w przypadku zwyk³ej g³o-wicy MPI przystosowanej dowtrysku bezpoœredniego zestrug¹ prowadzon¹ po œciance.Takie umieszczenie wtryskiwaczapowoduje tak¿e wzrost temperatury koñcówki wtry-skiwacza i niebezpieczeñstwo pojawienia siê na nimnagaru, co stanowi dodatkowe zagro¿enie. Two-rzenie nagaru i trwa³oœæ œwiecy zap³onowej staj¹siê obecnie podstawowymi problemami.

Jako rozwi¹zanie przysz³oœciowe przewiduje siêzap³on za pomoc¹ promienia laserowego, rys. 17.

Jeœli punkt pojawienia siê zap³onu zwi¹zany jestjedynie z ogniskow¹ soczewek a nie zale¿y odwysuniêcia œwiecy, mo¿na go ustawiæ w sto¿kuwtryskiwanego paliwa bez obawy zaolejenia œwie-cy. Z punktu widzenia niezawodnego zap³onu mo¿-liwym rozwi¹zaniem zastosowanie wtryskiwaczywytwarzaj¹cych zawirowanie. Obecnie tego typuuk³ady zap³onowe potwierdzi³y swoje mo¿liwoœcina etapie badawczym i ci¹gle jeszcze wymagaj¹dalszych badañ.

2.4 Sterowany samozap³onInnym, obecnie intensywnie badanym warian-

tem jest samozap³on mieszanki homogenicznej(HCCI-Homogeneous Charge Compression Igni-tion, znane równie¿ jako Controlled Auto Ignition) z du¿ymstopniem recyrkulacji spalin. Tego typu systemy umo¿liwiaj¹spalanie mieszanek ubogich bez koniecznoœci stosowaniakatalizatorów redukuj¹cych tlenki azotu i charakteryzuj¹cesiê zu¿yciem paliwa podobnym jak w przypadku silnikówGDI z mieszank¹ uwarstwion¹. Jednak do zap³onu mieszankijednorodnej konieczne jest skomplikowane sterowanie. Roz-wi¹zanie to jak dot¹d nie zosta³o sprawdzone w produkcjimasowej.

Sterowanie samozap³onem odbywa siê g³ównie poprzezciœnienie sprê¿ania i temperaturê, sk³ad mieszanki i w³aœci-woœci paliwa. Warunki te s¹ w g³ównej mierze okreœlone wmomencie zamkniêcia zaworu dolotowego. Zap³onu nie mo¿-

Rys. 16. Charakterystyka mocy czêœciowych systemu DGIFig. 16. Part Load Performance of 1st and 2nd Generation DGI

Rys. 17. Zap³on laserem mieszanki tworzonejprzez strugê wtryskiwanego paliwa

Fig. 17. Laser Ignition with Spray Guided DGI



take valve closing. The ignition is not initiated by an eventthat can easily be triggered like a spark with Gasoline en-gines or injection with Diesel engines, but by the compres-sion process itself. The control parameters used for the initi-ation of auto ignition are residual gas fraction, charge densi-ty and injection process. The residual gas fraction influenc-es the combustion in two important ways: the impact on theoverall charge temperature has a major influence on the startof auto ignition, the amount of inert gas determines the rateof heat release. Thus a high amount of residual gas is re-quired both for a reliable start of auto ignition and a limita-tion of combustion speed.

The residual gas amount can be controlled by two methods:– By early exhaust valve closing a corresponding amount of

residual gas is trapped in the cylinder. Instead of flushingthis gas out of the cylinder it is compressed. Injection offuel into this compressed residual gas results in pre-reac-tions. Such a control strategy is beneficial especially inthose parts of the map, where the residual gas energy aloneis not sufficient for initiation of auto ignition.

– High residual gas in the cylinder can also be obtained byre-circulation of gas that already has been exhausted. Forhigh residual gas temperatures this must not be done byexternal EGR via the intake valves, but directly from theexhaust port by a second opening of one exhaust valveduring the intake stroke. This can be managed even indi-vidually for each cylinder by a relatively simple hydrauli-cally superposed valve train system.

By an electrically controlled solenoid an “advanced hy-draulic tappet” is supplied with high pressure oil for a cylin-der and cycle selective time period. Thus a mechanicallyfixed lift (about 3 mm) is superimposed to the mechanical liftcurve, usually a second lift of one exhaust valve per cylin-der. The intake air is controlled by standard components likethrottle plate, switchable tappet and intake cam phaser, Fig-ure 18.

As the auto ignition covers only a small part of the wholeengine map, cost efficiency of the systems is most decisive.The utilisation of the components necessary for auto igni-

na zapocz¹tkowaæ podobnym impulsem jak iskra w silniku ZIczy wtrysk paliwa w silniku ZS, lecz jedynie samym sprê¿a-niem. Parametrami pozwalaj¹cymi sterowaæ samozap³onemjest udzia³ spalin, gêstoœæ ³adunku i proces wtrysku. Pozo-sta³oœæ spalin wp³ywa na samozap³on w dwojaki sposób::poprzez wp³yw na ca³kowit¹ temperaturê ³adunku co ma istot-ny znaczenie dla wyst¹pienia samozap³onu oraz iloœæ gazuobojêtnego, która okreœla szybkoœæ wywi¹zywania siê cie-p³a. St¹d du¿a iloœæ spalin potrzebna jest zarówno do pewne-go zainicjowania samozap³onu, jak i do ograniczenia szybko-œci spalania.

Recyrkulacja spalin mo¿e byæ sterowana dwoma metodami:– Przez wczesne zamkniêcie zaworu wylotowego odpowied-

nia iloœæ spalin jest zatrzymana w cylindrze. Zamiast usu-niêcia spalin poza cylinder s¹ one sprê¿ane. Wtrysk pali-wa do takiego oœrodka powoduje reakcje wstêpne. Tegotypu strategia sterowania jest szczególnie korzystna w tychwarunkach pracy silnika, gdzie sama energia spalin nie wy-starcza do zapocz¹tkowania samozap³onu.

– Du¿y udzia³ spalin w cylindrze mo¿na równie¿ uzyskaæ przezrecyrkulacjê spalin, które ju¿ opuœci³y cylinder. By jednakutrzymaæ odpowiedni¹ temperaturê nie mo¿na tego zrobiæprzez zewnêtrzny EGR za zaworami wylotowymi, ale bez-poœrednio z kana³u wylotowego przez ponowne otwarciejednego zaworu wylotowego podczas suwu dolotu. Mo¿-na to równie¿ osi¹gn¹æ oddzielnie w ka¿dym cylindrze zapomoc¹ stosunkowo prostego hydraulicznego wspoma-gania napêdu zaworów.

Przez zawór elektromagnetyczny „zaawansowany popy-chacz hydrauliczny” zostaje zasilany olejem pod du¿ym ci-œnieniem, co pozwala dobraæ okres jego otwarcia indywidu-alnie do cylindra i cyklu. W ten sposób hydraulicznie wywo-³any wznios (ok. 3 mm) dodaje siê do krzywej wzniosu krzyw-ki, zwykle drugi wznios jednego z zaworów wylotowych po-jedynczego cylindra. Dolot œwie¿ego powietrza sterowanyjest za pomoc¹ standardowych elementów jak przepustnica,prze³¹czalny popychacz czy przestawiacz krzywki zaworu do-lotowego, rys. 18.

Póki samozap³on mo¿e byæ realizowany jedynie w w¹-skim zakresie pracy silnika, efektywnoœæ ekonomiczna tegorozwi¹zania ma decyduj¹ce znaczenie. Zasto-sowanie elementów potrzebnych do wywo³a-nia samozap³onu mo¿liwe jest tak¿e podczaspracy silnika z zap³onem iskrowym, co w istot-nym stopniu obni¿¹ koszty zastosowania. Ztego wzglêdu wymagania odnoœnie ekono-micznej pracy z zap³onem iskrowym w znacz-nym stopniu wp³ywaj¹ na rozwi¹zanie kon-strukcyjne uk³adu. Zmienne fazy rozrz¹du po-trzebne do sterowania samozap³onem wyko-rzystane zosta³y do sterowania wewnêtrzn¹recyrkulacj¹ spalin i zmniejszenia strat wymia-ny ³adunku tak¿e podczas pracy z zap³onemiskrowym. Wartoœæ stopnia sprê¿ania dobie-rana jest pod k¹tem najlepszej pracy silnika ZIw zakresie maksymalnych obci¹¿eñ. Dziêki za-stosowaniu bezpoœredniego wtrysku i opty-

Rys. 18. Schemat uk³adu AVL CSI (Compression and Spark Ignition)Fig. 18. Layout of AVL CSI (Compression and Spark Ignition) System



tion control also with spark ignited operation influences thecost benefit calculation significantly. Thus, the requirementsfor fuel efficient spark ignited operation largely influencesthe system layout. The valve train variability necessary forauto ignition control is utilised for residual gas control andreduction of gas exchange losses also during the spark ig-nited operation. The compression ratio is selected in view ofbest full load spark ignited performance. By utilising directinjection and optimisation of spark ignited combustion, a CRof 12 can be applied.

The most relevant control parameters for auto ignitionare charge temperature and cylinder pressure, residual gasfraction, air/fuel ratio and charge homogenisation. These pa-rameters can be influenced by valve events, pressure andtemperature in intake and exhaust system etc. However, dueto the complex interaction of these parameters standard sin-gle input-single output control concepts are not applicable,therefore new control algorithms have to be applied. Such acharge control requires a real time control based on physicalmodels instead of standard empirical models. As the autoignition process is significantly influenced by the formercycle, from today’s point of view a cycle resolved chargecontrol is mandatory. As result of AVL’s CSI developmentprogram, the smooth transient operation of a 4-cylinder CSIengine already has been demonstrated.

The combination of all the operation modes, includingstratified idle combustion, has been developed and alreadypublished by AVL. The operation strategies for different loadconditions of the CSI engine are illustrated in Figure 19.

3. ConclusionDepending on the respective application, quite different

development routes will be seen in the future for standardMPFI as well as for DGI engines. Anyway, the main drivers

malizacji spalania inicjowanego iskr¹ mo¿na zwiêkszyæ sto-pieñ sprê¿ania do 12.

Najistotniejsze parametry sterowania w przypadku sa-mozap³onu to temperatura ³adunku, ciœnienie w cylindrze,udzia³ pozosta³oœci spalin, wspó³czynnik nadmiaru powie-trza oraz jednorodnoœæ ³adunku. Na parametry te mog¹ od-dzia³ywaæ fazy rozrz¹du, ciœnienie i temperatura w uk³adziedolotowym i wylotowym itd. Jednak, z powodu skompliko-wanych zale¿noœci miêdzy tymi parametrami niemo¿liwe jestzastosowanie standardowego rozwi¹zania indywidualnegosterowania pojedynczym zaworem dolotowym i wylotowym.Musz¹ wiêc zostaæ opracowane nowe algorytmy sterowa-nia. Takie sterowanie ³adunkiem wymaga sterowania w cza-sie rzeczywistym opieraj¹cym siê na modelu fizycznym a niena standardowym modelu empirycznym. Ze wzglêdu naznaczny wp³yw poprzedniego cyklu pracy na proces samo-zap³onu, z dzisiejszego punktu widzenia nieodzowne jest ste-rowanie ³adunkiem w ramach pojedynczego obiegu. Wyni-kiem rozwoju konstrukcji AVL CSI by³o uzyskanie dobrej pracyw warunkach nieustalonych 4-cylindrowego silnika CSI.

Po³¹czenie wszystkich trybów pracy, w³¹czaj¹c w to spa-lanie mieszanki uwarstwionej na biegu ja³owym zosta³o ju¿osi¹gniête i przedstawione przez AVL. Strategia sterowaniaprac¹ silnika CSI w ró¿nych warunkach obci¹¿enia zosta³azaprezentowana na rys. 19.

3. WnioskiZale¿nie od zastosowania mo¿na przewidywaæ ró¿ne kie-

runki rozwoju zarówno standardowych silników MPI, jak isilników z bezpoœrednim wtryskiem benzyny. W ka¿dym przy-padku g³ównym celem bêdzie zmniejszenie zu¿ycia paliwaoraz obni¿enie kosztów systemu. Jeœli jednak potencjalneoszczêdnoœci w zu¿yciu paliwa mo¿na precyzyjnie przewidy-waæ, tablica 1, to kwestia kosztów silników benzynowych bê-dzie zale¿a³a od akceptacjiprzez klientów i wielkoœci ichsprzeda¿y na rynku.

W najbli¿szej przysz³oœciw produkcji masowej bêdziedominowa³ standardowy sil-nik MPI lecz zostanie uno-woczeœniony o takie rozwi¹-zania jak zmienny ruch³adunku. Coraz popularniej-sza bêdzie zmiana faz rozrz¹-du osi¹gana g³ównie sposo-bami mechanicznymi jak prze-stawiacze krzywek czy prze³¹-czalne popychacze. Nale¿y siêspodziewaæ, ¿e pojawi¹ siê wniewielkiej liczbie w pe³ni ste-rowalne uk³ady rozrz¹du, na-tomiast uk³adów bezkrzywko-wych nie nale¿y siê spodzie-waæ w ci¹gu najbli¿szych lat,choæ wysi³ki w tym kierunkubêd¹ kontynuowane.

Rys. 19. Strategia pracy silnika CSIFig. 19. CSI Engine – Operation Strategies



will be the achievable extent of fuel efficiency aswell as system oncost. Whereas the potentialfor fuel saving can be predicted h quite preciseand within narrow ranges, Figure 20, the systemcost for future gasoline engines will be even moredependent on the acceptance of the end cus-tomers and the resulting sales figures in the mar-ket.

For large quantity production the standardMPFI engine still will dominate in the future, butwill be upgraded by features such as variablecharge motion. The variable valve actuation,mainly by mechanical means such as camphasers and switchable tappets will become moreand more trend. Fully variable actuated systemswill maintain at a very little number, and camlesssystems may not be expected in the next fewyears, although extensive development programsare going on.

Direct gasoline injection systems steadily willincrease in numbers and will come close to salesfigures of MPFI engines within the next decade.Homogeneous concepts for high performanceand also in combination with turbocharging sig-nificantly will gain importance. Stratified systems

are expected to be introduced as spray guided systems of2nd Generation only.

Alternative combustion systems such as AVL CSI con-cept may become an attractive option for lean combustionwithout need of expensive DeNOx aftertreatment device,probably in combination and add-on to variable valve trainsystems.

Apart from that, all the automotive world is looking forother alternatives like Hybrids and Fuel Cell. For the Hybridsystems it can be clearly stated that this technology willincrease in numbers within the next years. Thereby, Hybrids

Uk³ady bezpoœredniego wtrysku benzyny bêd¹ corazpopularniejsze i w ci¹gu najbli¿szej dekady osi¹gn¹ poziombliski silnikom MPI. Na znaczeniu zyska równie¿ koncepcjaspalania mieszanki jednorodnej na pe³nym obci¹¿eniu, szcze-gólnie w po³¹czeniu z turbodo³adowaniem. Przewiduje siê, ¿euk³ady spalania mieszanek uwarstwionych zostan¹ zastoso-wane w postaci systemów z tworzeniem mieszanki przez stru-gê wtryskiwanego paliwa 2-giej generacji.

Alternatywnego systemy spalania, jak np. CSI firmy AVL,mog¹ staæ siê obiecuj¹cym rozwi¹zaniem w przypadku spa-lania mieszanek ubogich bez koniecznoœci stosowania kosz-townych katalizatorów DeNOx,prawdopodobnie ³¹cznie z uk³adamirozrz¹du ze sterowanymi fazami.

Oprócz wymienionych rozwi¹-zañ, w œwiatowej motoryzacja po-szukuje siê innych koncepcji jaknapêdy hybrydowe czy ogniwa pa-liwowe. W odniesieniu do napêdówhybrydowych mo¿na wyraŸniestwierdziæ, ¿e rozwi¹zanie to w naj-bli¿szych latach stanie siê coraz po-pularniejsze. Hybrydy byæ mo¿e niestan¹ siê alternatyw¹ rozwi¹zañkonwencjonalnych, ale na pewnobêd¹ ich korzystnym poszerzeniem.Tak wiêc w przysz³oœci pytanie „hy-bryda” czy „rozwi¹zanie konwencjo-nalne” zast¹pione zostanie pytaniemo „stopieñ zelektryfikowania”, rys.21. Wybór zostanie dokonany woparciu o specyficzne wymagania

Tab. 1. Potencjalne oszczêdnoœci paliwa w cyklu NEDC w przypadku zastosowaniazaawansowanych technologii w silnikach benzynowych (poziom odniesienia: silnik

2,0 l 4-cyl. MPI, λ=1)Tab. 1. Fuel Saving Potential in NEDC Cycle for advanced Gasoline Engine

Technology Application (Base: State of the art 2.0L 4-cyl. MPFI Engine, AFR=1)

Rys. 21. Stopieñ elektryfikacji – problem nie polega na stosowaniu hybryd czy nie, lecz nastopniu ich zelektryfikowania [8]

Fig. 21. Degree of Electrification – Its not a question of hybrid or not, its a questionof the degree of electrification [8]

��

��

��

!"�#

��$��

��%��&��'��

��

�� !

!#�

�(�)*��+��,-.��)(��/0��,��

"�#��$!�!�%��&��'(")��#��*��#��!$(�1

�$�)*��+�2��/�-.��)$��/0��,��

�#��$!�!�%��( )��#��*��#��!#(�$(

��+��'�� /��)*��3��/ ��

��#��!��%,��+��'��!#(�1

��%��4 ��

��%��!5(�#

��%��/��6 ��%�!�-��

��%��!#(�$(

��7��2��&��7 �� %��-

�. �� !$(�1



DGI bezpoœredni wtrysk benzyny/Direct Gasoline InjectionMPFI/MPI wielopunktowy wtrysk benzyny/Multi Point Fuel In-

jectionVVA zmienne sterowanie zaworami/Variable Valve ActuationVVT zmienne fazy rozrz¹du /Variable Valve TimingCSI system spalania (“Zap³on w Wyniku Sprê¿ania i Iskry”),

po³¹czenie systemu HCCI samozap³onu na obci¹¿eniachczêœciowych i zap³onu iskrowego na pe³nym obci¹¿eniu /Compression Spark Ignition combustion system, combi-nation of HCCI compression ignition at part load and sparkignition at full load

HCCI Samozap³on ³adunku jednorodnego/Homogeneous ChargeCompression Ignition

EHVS uk³ad elektrohydraulicznego napêdu zaworów/Electro-hy-draulic Valve Actuation System

EMVT uk³ad elektromagnetycznego napêdu zaworów/Electro-magnetic Valve Train

EGR recyrkulacja spalin/Exhaust Gas Recirculation

Literatura/Bibliography[1] Kapus P., Denger D., Holland T.: Intelligent Simplification-

Ways Towards Improved Fuel Economy, SAE 2002-01-0236.[2] Borgmann K, Hofmann R. Liebl J., Melcher T.: Der BMW

4-Zylinder Motor; Das erste Mitglied derneuen Ottomotoren-Generation. 22. Internationales Wiener Motorensymposium,April 2001.

[3] Piock W., Fraidl K.G.: Ottodirekteinspritzung ohne Denox-Kat?. 23. Internationales Wiener Motorensymposium, April2002.

[4] Piock W., Fraidl K.G.: Gasoline Direct Injection – Quo Vadis?.FISITA 2002, F02V096.

[5] Fiorenza R., Pirelli M., Torella E., Kapus P., Kokalj G. Leben-bauer M.: VVT+Port Deactivation Application on a Small Di-splacement SI 4 Cylinder 16V Engine: An Effective Way toReduce Vehicle Fuel Consumption. SAE 2003.

[7] Beer M., Held W., Kerkau M., Rehr A.: Der neue Motor desPorsche 911 Turbo. MTZ 61, 2000.

[8] Egger K.: Einspritzsysteme und Motormanagement Ottomo-tor; Fachkongress Antriebstechnik – Gegenwart und Zukunft,100 Jahre Werk Untertürkheim. 30.6.–1.7.2004, Stuttgart,Deutschland.

SULEVpojazd o ultra niskiej emisji spalin/Super Ultra Low Emis-sion Vehicle

NEDC Nowy Europejski Cykl Jezdny/New European Driving CycleOBD diagnostyka pok³adowa/On Board DiagnosisCBR system kontrolowanej szybkoœci spalania/Controlled Burn

Rate combustion systemEMS system sterowania silnikiem/Engine Management SystemSG generator rozruchowy (zasilanie 42 V)/Starter Generator

(42V power supply)CP przestawiacz wa³ka rozrz¹du/Cam Phaser for camshaftCR stopieñ sprê¿ania/Compression RatioEVO, EVC otwarcie i zamkniêcie zaworu wylotowego/Exhaust

Valve Opening and ClosingIVO, IVC otwarcie i zamkniêcie zaworu dolotowego/Intake Va-

lve Opening and ClosingDoE planowanie doœwiadczeñ/Design of ExperimentsTDC Górne Martwe Punkt GMP/Top Dead Center

* Dr Hubert Friedl – Kierownik Zespo³u Silnikówo Zap³onie Iskrowym, AVL Powertrain Systems –Samochody Osobowe.Mr Hubert Friedl, Ph.D. – Product Manager Gasoli-ne Engines, AVL Powertrain Systems – PassengerCars.

Dr Paul Kapus – Kierownik Specjalistycznego Ze-spo³u Rozwoju Silników o Zap³onie Iskrowym, AVLPowertrain Systems – Samochody Osobowe.Mr Paul Kapus, Ph.D. – Skill Team Manager Ga-soline Engines Development, AVL PowertrainSystems – Passenger Cars.

Artyku³ recenzowany

may not be seen as an alternative to conventional power-train, but even more as an expedient enhancement. So, in thefuture it will not be a question of “Hybrid” or “Convention-al” powertrain, but a definition for the “Degree of Electrifica-tion”, Figure 21. This will be selected according to specificmarket requirements. Apart from that, the automotive worldis still looking for further alternatives like Fuel Cells. Thefuture will tell us, how these alternatives are able to competewith current powertrains.


rynku. Ponadto, w motoryzacji poszukuje siê dalszych alter-natyw, jak np. ogniwa paliwowe. Przysz³oœæ poka¿e czy alter-natywy te bêd¹ zdolne konkurowaæ z obecnymi uk³adaminapêdowymi.

Skróty i oznaczenia/Abbreviations and Nomenclature

Documents

Kierunki rozwoju silników ZI