随着世界环境污染的日益严重和能源危机的不断加剧

随着世界环境污染的日益严重和能源危机的不断加剧，发动机的燃烧性能和尾气排放逐渐成为人们研究的重点，使用燃烧率高、环境污染小的发动机也就逐渐为各国政府和专业人士所极力倡导。改善燃烧室内的火焰燃烧过程和采用新型的代用燃料或燃料添加剂则是解决以上问题的常用办法。作为一种新型的稀薄燃烧方式, GDI 发动机综合了压燃式发动机与点燃式发动机的优点,通过燃油的缸内直接喷射、可变喷油定时和控制缸内的气流运动等方式实现了缸内的稀薄燃烧,使发动机无论在燃油经济性还是在降低排放等方面都表现出比PFI(port fuel injection) 发动机更大的发展潜力。GDI 发动机节能减排的目标主要是通过分层稀薄燃烧实现的，而燃油效率和尾气排放数量又主要受缸内混合气浓度等因素的影响。随着科学技术的不断发展，稀薄燃烧技术已经逐渐成为提高发动机燃油性能的重要手段。

GDI发动机稀薄燃烧技术有多种分类形式。如依据喷射形式上差异可以分为缸内直喷和气道喷射稀薄燃烧，依据发动机气缸内涡流的形式可以分为纵向和轴向分层稀薄。GDI发动机稀薄燃烧技术主要涵盖了稀薄燃烧、缸内气流控制、喷射点控制、喷雾及其压力控制等。GDI 发动机在设计喷油器的位置时考虑了多方面的因素，为了便于混合气浓度的合理分布，喷油器被安置在了燃烧室的内部，能够有效避免其他因素对混合气综合质量的不利影响，提高泵气的利用效率，从而更容易达到稀薄燃烧的目的，这对提高GDI 的经济效益、降低尾气排放也是非常有利的。

GDI发动机具有很好的工作稳定性和负荷性能，同时低温起动性能得到了明显改善，能实现分层燃烧，燃油经济性大大提高，其油耗可达到涡轮增压直喷(TDI)柴油机的水平，且省略了涡轮增压装置，省却了复杂的高压喷射系统。GDI发动机能用稀燃技术，空燃比可高达40：1，甚至最高可达100：1，使得功率和转矩均高于传统汽油机，油耗、噪声及二氧化碳的排放量都较低，GDI发动机工作的均匀性、瞬时反映性、起动性等均比传统汽油发动机有较大的改进。因此各国汽车生产企业都在大力开发这种技术先进、性能优异的GDI发动机。

作为一种新型的燃烧方式, GDI发动机对解决能源危机和环境污染会起到很大的作用。同任何一项新兴技术一样,目前尚处于发展阶段的GDI还有很多缺点和不足,但是随着研究的深入和一些相关技术的发展, 尤其是分层稀薄燃烧技术的研究和推广， GDI 发动机促进经济效益和社会效益的提高，有利于发动机的长远发展与进步，并且将来很有可能取代EFI发动机。

With the increasingly serious environmental pollution and intensified energy crisis, the combustion engine performance and exhaust emission has become the focus of research, the use of high combustion rate, less environmental pollution of the engine also gradually for governments and professionals advocated. Improvement of combustion flame combustion process and the new alternative fuel or fuel additive is the commonly used method to solve the above problems. As a new type of lean combustion model, GDI engine has the advantages of compression ignition engine and ignition engine, through the inner cylinder direct injection, variable injection timing and control cylinder air motion in cylinder and other ways to achieve lean combustion, so that the engine has greater development potential and aspects of performance than PFI (port fuel injection) engine either in fuel economy or in reducing emissions. GDI engine realized energy-saving emission reduction target is mainly through stratified thin combustion, and the fuel efficiency and emission amount is mainly affected by the gas mixture concentration in the cylinder and other factors. With the development of science and technology, lean combustion technology has gradually become the important means of improving engine performance.

The GDI engine lean combustion technology has several kinds of classification. If according to jet form differences can be divided into Disi and airway injection lean burn, on the basis of engine cylinder vortex forms can be divided into longitudinal stratification and axial stratification. The GDI engine lean combustion technology mainly covers the lean combustion, cylinder flow control; spray point control, spray and injection pressure control. We has

consided many factors, when designing the injector position of The GDI engine, in order to facilitate the mixture concentration distribution, the injector is placed in the interior of the combustion chamber, which can effectively avoid the other factors on mixed gas comprehensive quality adverse effects, improve pumping efficiency, thereby making it easier to achieve lean burn objective, the economic benefit, reduce exhaust emissions is very favorable.

The GDI engine has good working stability and load performance, at the same time the cold starting performance is improved evidently, can realize stratified combustion, fuel economy is greatly improved, the oil consumption can reach the level of diesel engine with turbocharged direct injection ( TDI ), and omission the turbocharger, obviates the complex high pressure injection

system. The GDI engine use lean combustion technology, the air-fuel ratio can be as high as40:1, or even up to 100: 1, which makes the power and torque were higher than those of the traditional gasoline engine, fuel consumption, noise and emissions are much lower, GDI engine has greatly improved working uniformity, instantaneous reflective, starting performance than the traditional gasoline engine. So most automobile manufacturers in developing the advanced excellent performance GDI engine.

As a new combustion model, GDI engine will play a great role in solving the energy crisis and environmental pollution. Just As other new technology, it is still at the stage of development, The GDI has many shortcomings and deficiencies, but with the deepening of the research and some related technology development, especially the stratified combustion technology research and extension, the GDI engine will promote the economic benefits and social benefit rise, help the engine to the long-term development and progress, and in the future is likely to replace EFI engine.

随着现代科学技术的不断发展与进步，为GDI 发动机的高效节能提供了可能，通过相关技术和现代制造工艺的运用，可以对GDI发动机的燃油供给进行有效的调整，进而对喷油次数和喷油定时进行有效的控制，实现对缸内浓度混合状态的分析和燃油分布的控制，在提高发动机燃油性能的同时，减少了汽车尾气的排放数量，便于更好的保护生态环境。分层稀薄燃烧技术的研究和推广，促进了GDI 发动机经济效益和社会效益的提高，有利于发动机的长远发展与进步。

现代GDI 通常是根据大、小负荷区不同的要求，采用不 同的混合燃烧模式来改善其燃油经济性的。

在中小负荷区域，要求有良好的燃油经济性，因而通常 采用压缩冲程中喷油实现分层燃烧的控制模式，即在压缩冲 程后期向缸内喷油，并通过活塞顶部形状和气流运动来限制 其扩散，使喷射到气缸内的燃油所形成的可燃混合气集中在 火花塞周围，而在火花塞外周部的极稀薄混合气与层状空气 则形成了分层混合气，使燃烧在整体空燃比30～40 [2]的超 稀薄混合气下进行，此时尚有足够的过量空气可供在短时间 内燃尽燃烧生成的黑烟。由于此时GDI 放弃使用节气门节 流，因而可以减少发动机的泵气损失，过量的空气还会吸收 气缸壁上的热量，降低了热损失，从而大幅度改善燃油耗。 6 GDI的排放特性

GDI 面临的主要排放问题是UBHC和NOX。 6.1 中小负荷下未燃碳氢化合物(UBHC)的排放

由于GDI油气的混合主要是依靠喷雾和缸内的空气运动，与冷起动时的低温关系不大，所以冷起动时无需过量供油，有效地解决了PFI 冷起动时UBHC排放过多的问题。但是GDI在中小负荷的情况下，其未燃碳氢化合物的排放仍然较多。

主要原因是：⑴ GDI 在此工况采用的是 分层稀薄燃烧，燃油在压缩行程后期被喷射 入气缸内，所需的雾化时间不足，油气不能 充分混合，在燃烧室内产生局部混合气过 浓。⑵大量的浓混合气集中在火花塞附近， 使得火焰在向周围稀混合气传播时，因混合 气过稀而熄灭。⑶稀薄燃烧造成气缸内温度 偏低，不利于未燃碳氢化合物随后的继续氧 化。

⑷由于GDI 发动机压缩比较高，使得残 留在狭缝容积中的HC 增加。⑸使用高EGR 率导致燃烧变差。⑹目前GDI 产品的燃烧系 统主要采用“壁面引导法”，该系统喷雾容易 与活塞顶和缸壁发生碰撞，而缸壁的温度又 较低，从而导致燃油在着火前来不及完全蒸 发，引起较多的UBHC 排放。

三菱公司采取二次燃烧早期激活催化剂及采

用反应式排气管等措施来减少HC 排放。两次燃烧 是指在发动机冷车怠速运转时，除了在压缩行程后 期喷射燃油外，在做功行程后期再次喷射少量的燃 油，在缸内高温高压气体的作用下点火燃烧并使排 气温度提高。当排气门打开后这一燃烧过程可以移 至反应式排气歧管中，补充空气，加速燃烧。采用 两次燃烧技术，可很快达到催化器的起燃温度，并

通过反应式排气管可大幅度降低HC、NOx的排放， 降幅达到日本现行法规的80%[3]。图9为催化器的 催化温度比较。

6.2 NOX的排放和后处理

虽然GDI采用了稀薄燃烧技术而使气缸内反应区 的温度下降(从NOX的生成原理上来说可减少NOX的 生成量)，但由于GDI 的混合气由浓到稀呈分层状 态，不可避免地会出现空燃比为1附近的偏浓区域， 使这些区域的NOX 排放增加，而较高的压缩比和较 快的反应放热率也是引起NOX排放升高的一个原因。 此外，由于GDI 本质上仍是稀薄燃烧的一种实现方 式，所以它仍受到稀薄燃烧NOX 催化转化问题的困 扰。

目前，GDI 对NOX 排放的控制主要依靠 EGR 和稀燃NOX 催化转化器，其中后者的 发展有着深远的影响。

部分负荷不使用EGR 时，GDI 的NOX 的排放水平与PFI 相差不多。但由于GDI可实 现超稀薄分层燃烧，较稀的空燃比使得缸内 的富裕氧气较多，从而允许使用高的EGR 率，充分降低NOX 排放量，并且燃烧特性不 会因为EGR 而恶化。

据试验表明，在燃油经济性改善保持不

变的情况下，GDI 的EGR可高达40%[4]。虽 然如此，但EGR 始终还是不能在整个发动机 转速负荷范围内减少NOX 排放量，所以单靠 EGR 是不能满足更为严格的Euro Ⅲ和

EuroⅣ排放法规的，进一步降低NOX 排放就 必需开发在稀燃条件下的NOX 催化转化技 术。 前言

4 GDI 发动机存在的一些问题

虽然GDI 发动机在动力性、经济性及排 放方面有很多PFI 发动机所无法比拟的优点, 但是GDI 燃烧本身仍有很多不足之处需要改 进。

a. GDI发动机的喷油器放在气缸内,由于 喷油压力低,喷孔没有自洁作用,因此很容易结 垢,从而使喷雾特性变坏,喷油量减少,使发动 机的燃烧恶化,影响发动机的功率输出和排 放。

b. GDI的火焰在快速传播的同时,会出现

部分火焰熄灭的现象,这就会使HC的排放增加,