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1、GDI 发动机的技术特点与现状上海内燃机研究所，夏天雷，0921180079摘要：讨论了缸内直喷（GDI）发动机的优缺点，主要就燃油喷射系统、燃烧系统以及控制策略探讨了 GDI 技术的优势，对比分析了 GDI 发动机与气门口喷射(PFI)发动机的性能特点，GDI 发动机相对于成熟的 PFI 发动机仍具有较多优势。分析了 GDI 发动机技术发展面临的主要问题。关键词：汽油机，缸内直喷，排放The Technology Trait and Status Quo of GDI EngineShanghai Internal Combustion Engine Research Institute,
2、XIA Tian-lei, 0921180079Abstract: The advantages and disadvantages of GDI engine were discussed, especially the advantage of GDI technology from the aspect of fuel injection system, burning system and control strategy. The performance of GDI engine was contrasted to the PFI engine. The GDI engine ha
3、s more advantages than that of PFI engine. The main problems in the development of GDI engine were analyzed.Key Words: gasoline engine, GDI, emission1引言随着社会生产力的发展，人民生活水平的提高，汽车的普及率越来越高。汽车在给人们的生活带来巨大便利的同时，也产生了许多负面效应，其中汽车尾气排放已成了我们环境中的最大污染源之一。为了降低空气污染和防止全球变暖，目前汽车工业应发展的技术为：降低发动机有害物的排放，解决局部环境问题；提高燃油经济性，降低
4、 CO2排放，解决全球环境问题，使用替代清洁能源，解决环境污染和能源短缺问题。美国、日本和欧洲经济委员会从 60 年代就开展了汽车排放污染物的研究和控制。由最初仅限制 CO 扩大到不仅限制 CO， HC+NOX以及微粒(PM)，而且对蒸发排放也作了限制。排放限制逐年严格，同未做排放规定时相比，汽车废气的排放降低了 97%以上，而且这个趋势在今后的很长时间内将保持下去。2国内外低排放柴油机技术路线概述柴油机自 1892 年问世以来，凭借其良好的动力性、经济性和耐久性等优点在各种动力装置上得到日益广泛的应用。欧洲和日本在 70 年代就基本实现了载货汽车和大型客车的柴油机化，从 80 年代后期开始，
5、轿车上也越来越多的应用柴油机。柴油机与同等功率的汽油机相比，PM 和 NOX是排放中两种最主要的污染物。由于柴油机排气 PM 与 NOX的生成机理不同且相互制约，因而在减少微粒的同时又增加了 NOX的排放，相反 NOX减少的同时又使得PM 的排放升高。正是由于这种因素的影响，使柴油机为能够达到国及更高排放水平，必须采用机外净化技术来减少 PM 或 NOX的排放，这一点在国内外柴油机研究历程中已经达到共识，今后研究的重点为采用后处理技术的柴油机，以同时减少 PM 与 NOX的排放。要满足国的排放要求，可以先降低微粒，再通过选择性催化转化(SCR)技术降低 NOX；当然也可以先降低 NOX，再通过
6、微粒捕集器(DPF)技术降低微粒，从而满足排放要求。因此在国阶段，为满足排放要求，柴油机在后处理装置技术路线出现了两条技术路线之争。一是 EGR+DPF 路线，即首先通过本机 EGR 降低 NOX排放，然后再用 DPF 进行颗粒捕集，除去 PM；二是 SCR 路线，核心过程为改进柴油机燃烧技术，先使本机颗粒物排放达标，考虑到与此同时会增加 NOX的排放，因此在排气管中安装 SCR（选择性还原催化器）系统来降低 NOX的排放。3SCR 系统分析：3.1 SCR 系统工作原理分析SCR 技术本身并不是新技术，在发电厂里早有应用。在发电厂中 NH3是以氨水的形式引入和保存的。而在移动的车辆上使用氨水
7、有一定的难度，因此 SCR 系统一般是选择尿素水溶液作为还原剂，尿素水溶液喷射到催化剂逆流方向的排气管中。首先在废气温度和气流作用下气化分解为 CO2和氨水 O| 200H2NCNH2NH3 + HNCOHNCO + H2ONH3 + CO22NH3 + CO2 接着氨水作为还原剂将 NOX还原为无污染的氮气和水。NO + NO2 + 2NH32N2 + 3H2O4NO + O2 + 4NH34N2 + 6H2O2NO2 + O2 + 4NH33N2 + 6H2O3.2 SCR 系统工作原理图3.3 SCR 技术的优缺点SCR 系统需要的尿素水溶液必须储藏在车上独立的储藏罐中，且要满足严格的质
8、量标准，以保证 SCR 系统工作的稳定性。尿素水溶液是一种人工合成的无毒、无味的液体，并且对水的污染是最低级别，使用它是简单且安全的。目前在欧洲已经有 1500 家左右的加注站了，并且仍然在增加，它的价格仅是柴油的一半左右。其消耗量也是很低的，满足国标准的消耗量大约是燃油消耗的 3.5%，满足国标准大约是燃油消耗的 5%。SCR 系统的一大优势是对燃油中硫含量的要求不高，即使使用国标准的燃油也可以满足国/标准，也就是说即使不能及时的在全国提供国标准的燃油，装载了 SCR 系统的车辆也可以在全国范围内行驶。并且此系统可以很合适的装在一辆卡车上，而不像 EGR 系统那样需要更大的冷却装置。SCR
9、系统的同时也存在着以下缺点：1.需要使用特殊的尿素；2.供应网的问题；3.额外成本的增加；4.催化剂中毒。4催化器的结构和形状：在 SCR 后处理系统中，催化转化器是一个非常重要的部分，它不仅承担着降低柴油机废气中的 NOX排放物，同时还起着消声器的作用，即催化器是集 SCR 催化器和柴油机排气消声器于一体的。4.1 催化器的结构分析催化器从结构上分，主要由载体、涂层和封装三个部分组成。5.2 催化器问题传统的三元催化器同时净化 NO、CO、HC 这 3 种排放物的效果只有在理论空燃比附近的小范围内才能实现。而 GDI 汽油机工作在稀空燃比条件下，其造成的富氧和较低的排气温度使传统的三元催化器
10、对 NO 的转化率不高，废气排温较低不利于三元催化器的起燃，限制了它在 GDI 汽油机上的应用。5.3 积碳问题GDI 汽油机在超稀混合气燃烧时，易因高温缺火引起积碳。原因是在火花塞点火时刻，缸内的分层混合气只占据一小部分空间，其他空间只有极微弱的燃油存在，且燃料的气化蒸发使缸内温度偏低，点火后火焰在传播过程中逐渐减弱，造成熄火，使混合气不能充分燃烧，产生积碳。5.4 喷油器问题GDI 发动机的喷油器置于气缸内，由于喷油压力低，喷孔没有自洁能力，很容易结垢，造成喷油量减少、喷雾特性变坏，进而使发动机的燃烧恶化，影响发动机的功率输出和排放。5.5 控制策略问题在实际 GDI 汽油机上，理想的混合
11、气浓度均匀递降的分层不可能实现，使得精确分层混合气的控制和燃烧过程组织的难度相当大。发动机不同负荷的喷油时刻相差较大，各种负荷间平滑过渡所要求的喷射策略也较复杂，因此实现发动机输出动力的连续变化需要较复杂的控制策略。6GDI 发动机的前景与展望GDI 发动机与目前车辆上广泛装备的传统的进油口燃油喷射的发动机有很大的不同，而且这种新型的发动机毫无疑问将在不远的将来得到应用。虽然 GDI 还面临很多技术难题，但随着喷射技术和排气后处理技术的不断进步，GDI 发动机在排放和其他方面的性能将会不断提升，GDI 发动机必将成为车用发动机的主导产品。事实上，丰田公司的混合动力轿车 Prius 上已经装备了
12、一台这样的发动机，而且福特、通用和克莱斯勒公司都正在对这种新型发动机进行研制。一个积淀了 70 年的概念正在逐步变为实用的产品，这就是让人值得称道的地方。而所有这一切都要归功于车载的传感器和电子控制系统，以及最终使该项技术浮出水面的计算机建模系统。现代电子控制、制造等技术的发展使 GDI 开发比过去所受限制大大减少。当前节能环保的要求给 GDI的发展提供了动力，借助于先进的电子控制技术能准确地调节燃油的供给，可根据需要改变喷油定时和喷油次数，能自由控制气缸内的混合状态、燃烧室内的燃油分布，使混合气实现分层分布，完成稀薄燃烧，以实现高燃油经济性的同时大大地降低排放污染。随着喷射技术和排气后处理技术的进步以及发动机管理系统的不断完善，GDI 发动机必将在 21 世纪的轿车发动机中占据很重要的地位。
