全面解析直噴發動機的弊端

www.sail-shipping.com 來源：互聯網作者：俠名類別：汽修知識時間：2016年02月23

在2013年我們做了很多有關發動機獎項、新發動機等盤點類文章，在它們之中你會發現，能夠入選的或新推出的發動機在某一方面技術的運用都保持了高度的統一，其中燃油噴射系統就是個典型的例子，無論是自然吸氣發動機還是增壓發動機，它們大多都會選用缸內直噴技術。經過一段時間的認知，這項技術的優勢不言而喻，但事情總有兩面性，這篇文章所要聊的就是缸內直噴技術的弊端，在看過之后，或許能讓諸位對這個備受推崇的技術有個全新的認識。

首先要說的是本文僅討論缸內直噴汽油發動機，另外，文中會涉及到缸內直噴發動機和普通電噴（歧管噴射）發動機在尾氣排放方面的討論，尾氣中的微粒含量是我們所關注的焦點，盡管如此，相比那些排放不合格的柴油車、工業排放等對環境的影響，一輛合格的裝配缸內直噴汽油發動機的汽車對環境的影響是微不足道的。

● 歷史：曾經生不逢時
省油、提高動力性能等都是缸內直噴技術能夠給汽油發動機帶來的好處，在此前的一些文章中我們都曾提到過，另外，考慮到大多讀者對它的優勢的認知程度，因此，在本篇文章中就不做過多贅述了，在進入正題之前，我希望能和大家簡要的分享一段有關缸內直噴技術的歷史，相信諸位在看過之后會不禁感嘆，原來這一切在半個世紀前就已經安排好了。
◆ 最初應用于軍事
1917年，一臺裝有缸內直噴技術的汽油發動機被裝配到軍用快艇，但因壓縮比太大（壓縮比為10）引發了氣缸工作溫度過高的情況，進而導致了發動機出現嚴重問題，盡管在之后的改進中將壓縮比降至6，但還是不能解決氣缸過熱的問題，最終，試驗結果沒能令人滿意。在之后的20年里，這項技術在不斷改進的過程中其可行性被逐漸驗證，那時主要應用于航空領域，我們熟悉的幾家德國公司如寶馬、奔馳、博世、西門子等均投入了研發力量。
◆ 第一輛裝配缸內直噴汽油發動機的量產車
在汽車領域，缸內直噴技術出現在汽油發動機并投入量產也已經是半個多世紀以前的事了。起初是博世公司和Gutbrod公司聯合研發的缸內直噴二沖程汽油發動機，最大功率約28馬力，最大扭矩為58牛·米。這臺發動機在1951年舉辦的法蘭克福車展上亮相，隨后進入量產階段。
◆ 除了鷗翼車門，奔馳300SL還給我們留下了什么？

在Kurt Schnauffer撰寫的一份報告中，他明確指出汽油缸內直噴技術在四沖程發動機上的可行性，相比化油器，它可以獲得更好的燃燒效果，但二沖程發動機并不適合使用這項技術。
基于此前的工作經驗以及二沖程缸內直噴發動機的案例，奔馳于1952年開始研發一臺排量為3.0升的缸內直噴四沖程汽油發動機，這臺發動機的噴油壓力約為45bar（現在的福特2.0升EcoBoost缸內直噴汽油發動機的噴油壓力在150bar左右），經過后續一系列裝車驗證后，最終進入裝配量產車階段，可以說，這才算是開啟了車用缸內直噴汽油發動機的先河，而這個“奠基人”就是大名鼎鼎的奔馳300SL。通過兩輛奔馳300SL的對比（分別裝配缸內直噴和化油器技術）發現，裝配缸內直噴發動機的奔馳300SL不僅油耗更低，發動機的最大功率也提高了約10%，而且發動機在低速時具有很好的響應能力。

◆ 是生是滅，這都是歷史的選擇
不過，正如諸位所看到的現狀，如今的汽車發動機領域，缸內直噴汽油發動機技術只不過是近幾年才出現在人們面前，而那段歷史也告訴了我們，這并不是一個新誕生的技術，說車企是在炒歷史的冷飯也不為過。那缸內直噴技術為什么沒能從誕生那天起就被一直延續下來呢？
事實上，在奔馳將這種技術的發動機裝配量產車后的20年里，眾多廠商仍舊不懈地改進這種發動機，使其省油的優勢被充分發揮，的確，缸內直噴技術可降低發動機的燃油消耗水平，但成本卻不及同期逐步發展的采用歧管噴射的汽油發動機，而導致缸內直噴技術被塵封的一個重要原因是當時低廉的汽油價格。顯然，省油的優勢并不能在當時那個使用環境下凸顯出來，因此，歧管噴射方式的汽油發動機開始大行其道。
◆ 歧管噴射什么樣？

現在，面對汽油價格的壓力以及排放法規的壓力，缸內直噴技術重回人們視線，但回歸之后，所謂的新技術看似美好，但經過一段時間的推廣及使用后，人們開始發現它帶來的一些新麻煩。
● 對于霧霾的影響
此前，有關霧霾與直噴發動機之間一直有著不太和諧的聲音，有人指出缸內直噴系統由于燃油從霧化向氣化過渡時并不具備充分的時間和空間條件（相比歧管噴射而言），以此在排放尾氣中會含有大量的微粒（PM2.5是微粒的一種，微粒直徑在2.5微米以下）。
以上說法是根據缸內直噴系統的結構推斷而來，直觀來看，歧管噴射系統的噴油嘴固定在進氣歧管上，噴油時，燃油順著進氣道通過氣門進入氣缸，在這途中也就為處于油氣混合狀態的燃油提供了一定時間去完成霧化向氣化的過渡。

再來看缸內直噴系統的結構，噴油嘴直接固定向氣缸內噴油，雖然在高壓泵的驅使下，燃油的霧化能力更好，但由于燃油直接噴入高溫狀態的氣缸內，致使留給燃油汽化的時間很短促，這也就為排放更多微粒創造了條件。

近日，日本環境機構圍繞這個問題進行了一系列對比試驗，并最終確認了采用缸內直噴技術的發動機比歧管噴射技術發動機排放出的微粒濃度要高的這一說法，換句話說，同級別的兩輛車，搭載直噴發動機的汽車在排放方面要比采用歧管噴射發動機的汽車排放出更多的微粒,因此，也就成了霧霾天氣的一個原因。
試驗共使用了3輛汽車，其中，一輛為2011年款搭載了直噴發動機的日系車型，另一輛為2007年款相同車型，但搭載了一臺普通電噴（歧管噴射）發動機，有意思的是，在這項測試中，他們還找來了一輛2011年款搭載缸內直噴發動機的歐洲車。遺憾的是，試驗機構并未公布具體車型。

試驗方以“JC08模式”分析了這三款車的排放質量，包括尾氣中的微粒個數和微粒直徑分布進行記錄。
『圖片中的紅線和藍線分別是2014年開始執行以及2017年開始執行的歐洲排放標準』
通過圖片我們可以看到采用不同噴射技術的兩輛日系車之間在微粒個數方面有著超過10倍的差距，而相比日系直噴發動機汽車，來自歐洲的直噴發動機汽車在這方面的表現則要更差些，達到日系直噴發動機汽車的5倍。盡管如此，這樣的結果也是相對于各階段的排放標準得出的。
通過這一試驗，在一定程度上也驗證了相比歧管噴射發動機，直噴發動機汽車對霧霾環境造成更大影響的說法（毫無疑問，工業排放也是導致霧霾的重要原因），至于日系和歐系哪個派別的直噴發動機對霧霾天氣影響更大，經過兩款車的測試顯然不能妄下定論。
盡管缸內直噴汽油發動機比普通電噴（歧管噴射）發動機在微粒排放方面嚴重，但也遠遠不及搭載柴油發動機的大貨車，特別是那些冒著黑煙的排放不達標的柴油車更是對環境不利。
這項試驗僅是對汽車尾氣中微粒一項進行測試，但如果綜合來看，缸內直噴技術仍舊可以幫助發動機優化尾氣質量，相比歧管噴射技術，在油耗以及動力性能方面都有一定優勢，這也是歷史再次選擇缸內直噴技術的一個重要原因。
● 缺少自清潔能力致使進氣門積碳較嚴重
首先要說的是，積碳是發動機運轉過程中不可避免的一種現象，但對于一臺缸內直噴發動機而言，燃油噴射系統的結構也會對積碳的形成產生影響，從而出現發動機動力下降，油耗升高等問題。
◆ 積碳一般都在哪？
一般情況下，節氣門、進氣歧管、進氣門、氣缸、噴油嘴等處都會形成積碳，按照一定的保養周期采用免拆清洗的方式可以起到適當的清除作用。清洗是一方面，我們寄希望于發動機在運轉過程中可以盡可能地抑制積碳的“滋生”，油品質量是個重要的因素，此外，發動機能對此做什么呢？

噴油系統結構的變化也導致了兩種發動機在積碳形成部位方面有所不同，例如進氣門。事實上，汽油也是很好的積碳清洗劑（有機溶劑），歧管噴射發動機在運轉的情況下，噴油嘴噴出的汽油通過進氣道、進氣門進入氣缸，在這個過程中，汽油可順帶對這些部位起到清洗作用，而缸內直噴發動機由于噴油嘴直接探入氣缸，因此，也就沒有這項“自清潔”功能。
◆ 為什么進氣門背部易形成積碳
相比排氣門背部，進氣門背部的積碳相對要嚴重些。曲軸箱通風系統是一大誘因，機油蒸汽會被引入到進氣歧管從而通過進氣門進入氣缸燃燒，由于先期機油和機油蒸汽分離不徹底，就會有少量的機油摻雜其中，附著在進氣道以及進氣門背部的機油在高溫的作用下形成了積碳，在缺少“自清潔”能力的條件下，積碳就會更為嚴重。反觀排氣門部位，受到高溫和排氣氣流作用，其形成積碳的壓力本身就比進氣門要小。

由此看來，對于缺少“自清潔”能力的缸內直噴發動機來說，進氣門背部的積碳問題關鍵在于曲軸箱通風系統，但它是維持發動機正常運轉的關鍵環節，因此，唯有對曲軸箱通風系統進行再度優化。
◆ 為什么曲軸箱通風系統很重要
發動機（往復活塞式內燃機）在運轉過程中，燃燒室內形成的高壓氣體會通過活塞環竄入曲軸箱，這就會導致曲軸箱內部的壓力出現升高趨勢，如不加以控制，這種情況將直接影響到發動機潤滑系統，因此，需要依靠曲軸箱通風系統不斷地將竄入曲軸箱的混合氣導出，為了滿足環保的要求，混合氣必須送入氣缸進行再次燃燒。
◆ 發動機研發時沒有考慮曲軸箱通風系統易導致進氣門形成積碳嗎？
因燃油噴射技術的改進導致了發動機結構出現細微變化，在研發以及驗證階段，工程師一定考慮到了這個問題。燃油噴射技術的提升對于發動機整體的素質有了更高的要求，我們還是把焦點放在曲軸箱通風系統環節。
早期的發動機對于曲軸箱通風系統回收來的混合氣（夾雜機油蒸汽）沒有太多限制，基本是直接送入氣缸燃燒，之后為了控制通過這條途徑進入氣缸的混合氣的成分，特此在過濾裝置上進行優化，從原先的單向閥到之后的迷宮式、旋風式、離心力式等油氣分離器，為了達到更好的分離效果，還有采用兩種或三種分離器相結合使用的情況，它們都是為了將混合氣中的機油盡可能的分離并送回發動機潤滑系統，其余氣體送入氣缸燃燒。

盡管如此，無論是使用性能更好的離心式油氣分離器，還是使用兩種甚至三種分離器組合成一套油氣分離系統，還是無法保證機油和機油蒸汽徹底分離，這也就意味著被送入氣缸燃燒的混合氣中夾雜一定的機油（哪怕是極少的含量，機油通過進氣歧管、進氣門進入氣缸也是事實）。更為關鍵的是直噴發動機在進氣門處缺少了“自清潔”的能力，這也就給積碳的形成創造了條件。
◆ 有了積碳怎么辦？
由此看來，除一般情況下生成的積碳外，對于缸內直噴發動機而言，進氣門背部的積碳確實比較棘手，既然不可避免，那就只能依靠有針對的清洗才能將其清除了。通常情況下，我們可以采用進氣道免拆清洗的方式對進氣道以及進氣門進行清洗，相比普通電噴（歧管噴射）發動機，積碳的清洗周期可能要視具體使用狀況縮短（對于缸內直噴發動機而言，向油箱加注汽油添加劑只能對油路以及氣缸內起到清潔作用，但對于進氣門背部的清潔作用微乎其微）。