全面解析直噴發(fā)動機的弊端

m.ciaranmcbreen.com 來源：互聯(lián)網(wǎng) 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(guān)發(fā)動機獎項、新發(fā)動機等盤點類文章，在它們之中你會發(fā)現(xiàn)，能夠入選的或新推出的發(fā)動機在某一方面技術(shù)的運用都保持了高度的統(tǒng)一，其中燃油噴射系統(tǒng)就是個典型的例子，無論是自然吸氣發(fā)動機還是增壓發(fā)動機，它們大多都會選用缸內(nèi)直噴技術(shù)。經(jīng)過一段時間的認知，這項技術(shù)的優(yōu)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(nèi)直噴技術(shù)的弊端，在看過之后，或許能讓諸位對這個備受推崇的技術(shù)有個全新的認識。

首先要說的是本文僅討論缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機，另外，文中會涉及到缸內(nèi)直噴發(fā)動機和普通電噴（歧管噴射）發(fā)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(guān)注的焦點，盡管如此，相比那些排放不合格的柴油車、工業(yè)排放等對環(huán)境的影響，一輛合格的裝配缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機的汽車對環(huán)境的影響是微不足道的。

● 歷史：曾經(jīng)生不逢時
省油、提高動力性能等都是缸內(nèi)直噴技術(shù)能夠給汽油發(fā)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(yōu)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(guān)缸內(nèi)直噴技術(shù)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(jīng)安排好了。
◆ 最初應用于軍事
1917年，一臺裝有缸內(nèi)直噴技術(shù)的汽油發(fā)動機被裝配到軍用快艇，但因壓縮比太大（壓縮比為10）引發(fā)了氣缸工作溫度過高的情況，進而導致了發(fā)動機出現(xiàn)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(jié)果沒能令人滿意。在之后的20年里，這項技術(shù)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(lǐng)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(fā)力量。
◆ 第一輛裝配缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機的量產(chǎn)車
在汽車領(lǐng)域，缸內(nèi)直噴技術(shù)出現(xiàn)在汽油發(fā)動機并投入量產(chǎn)也已經(jīng)是半個多世紀以前的事了。起初是博世公司和Gutbrod公司聯(lián)合研發(fā)的缸內(nèi)直噴二沖程汽油發(fā)動機，最大功率約28馬力，最大扭矩為58牛·米。這臺發(fā)動機在1951年舉辦的法蘭克福車展上亮相，隨后進入量產(chǎn)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(nèi)直噴技術(shù)在四沖程發(fā)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(fā)動機并不適合使用這項技術(shù)。
基于此前的工作經(jīng)驗以及二沖程缸內(nèi)直噴發(fā)動機的案例，奔馳于1952年開始研發(fā)一臺排量為3.0升的缸內(nèi)直噴四沖程汽油發(fā)動機，這臺發(fā)動機的噴油壓力約為45bar（現(xiàn)在的福特2.0升EcoBoost缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機的噴油壓力在150bar左右），經(jīng)過后續(xù)一系列裝車驗證后，最終進入裝配量產(chǎn)車階段，可以說，這才算是開啟了車用缸內(nèi)直噴汽油發(fā)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(nèi)直噴和化油器技術(shù)）發(fā)現(xiàn)，裝配缸內(nèi)直噴發(fā)動機的奔馳300SL不僅油耗更低，發(fā)動機的最大功率也提高了約10%，而且發(fā)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(xiàn)狀，如今的汽車發(fā)動機領(lǐng)域，缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機技術(shù)只不過是近幾年才出現(xiàn)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(shù)，說車企是在炒歷史的冷飯也不為過。那缸內(nèi)直噴技術(shù)為什么沒能從誕生那天起就被一直延續(xù)下來呢？
事實上，在奔馳將這種技術(shù)的發(fā)動機裝配量產(chǎn)車后的20年里，眾多廠商仍舊不懈地改進這種發(fā)動機，使其省油的優(yōu)勢被充分發(fā)揮，的確，缸內(nèi)直噴技術(shù)可降低發(fā)動機的燃油消耗水平，但成本卻不及同期逐步發(fā)展的采用歧管噴射的汽油發(fā)動機，而導致缸內(nèi)直噴技術(shù)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(yōu)勢并不能在當時那個使用環(huán)境下凸顯出來，因此，歧管噴射方式的汽油發(fā)動機開始大行其道。
◆ 歧管噴射什么樣？

現(xiàn)在，面對汽油價格的壓力以及排放法規(guī)的壓力，缸內(nèi)直噴技術(shù)重回人們視線，但回歸之后，所謂的新技術(shù)看似美好，但經(jīng)過一段時間的推廣及使用后，人們開始發(fā)現(xiàn)它帶來的一些新麻煩。
● 對于霧霾的影響
此前，有關(guān)霧霾與直噴發(fā)動機之間一直有著不太和諧的聲音，有人指出缸內(nèi)直噴系統(tǒng)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(jù)缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)推斷而來，直觀來看，歧管噴射系統(tǒng)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(tài)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(nèi)直噴系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，噴油嘴直接固定向氣缸內(nèi)噴油，雖然在高壓泵的驅(qū)使下，燃油的霧化能力更好，但由于燃油直接噴入高溫狀態(tài)的氣缸內(nèi)，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(chuàng)造了條件。

近日，日本環(huán)境機構(gòu)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(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)動機比歧管噴射技術(shù)發(fā)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(fā)動機的汽車在排放方面要比采用歧管噴射發(fā)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(fā)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(fā)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(nèi)直噴發(fā)動機的歐洲車。遺憾的是，試驗機構(gòu)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(zhì)量，包括尾氣中的微粒個數(shù)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(zhí)行以及2017年開始執(zhí)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(shù)的兩輛日系車之間在微粒個數(shù)方面有著超過10倍的差距，而相比日系直噴發(fā)動機汽車，來自歐洲的直噴發(fā)動機汽車在這方面的表現(xiàn)則要更差些，達到日系直噴發(fā)動機汽車的5倍。盡管如此，這樣的結(jié)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(fā)動機，直噴發(fā)動機汽車對霧霾環(huán)境造成更大影響的說法（毫無疑問，工業(yè)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(fā)動機對霧霾天氣影響更大，經(jīng)過兩款車的測試顯然不能妄下定論。
盡管缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機比普通電噴（歧管噴射）發(fā)動機在微粒排放方面嚴重，但也遠遠不及搭載柴油發(fā)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(huán)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(nèi)直噴技術(shù)仍舊可以幫助發(fā)動機優(yōu)化尾氣質(zhì)量，相比歧管噴射技術(shù)，在油耗以及動力性能方面都有一定優(yōu)勢，這也是歷史再次選擇缸內(nèi)直噴技術(shù)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(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中不可避免的一種現(xiàn)象，但對于一臺缸內(nèi)直噴發(fā)動機而言，燃油噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也會對積碳的形成產(chǎn)生影響，從而出現(xiàn)發(fā)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(jié)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(yǎng)周期采用免拆清洗的方式可以起到適當?shù)那宄饔�。清洗是一方面，我們寄希望于發(fā)動機在運轉(zhuǎn)過程中可以盡可能地抑制積碳的“滋生”，油品質(zhì)量是個重要的因素，此外，發(fā)動機能對此做什么呢？

噴油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化也導致了兩種發(fā)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(fā)動機在運轉(zhuǎn)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(nèi)直噴發(fā)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(tǒng)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(nèi)直噴發(fā)動機來說，進氣門背部的積碳問題關(guān)鍵在于曲軸箱通風系統(tǒng)，但它是維持發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此，唯有對曲軸箱通風系統(tǒng)進行再度優(yōu)化。
◆ 為什么曲軸箱通風系統(tǒng)很重要
發(fā)動機（往復活塞式內(nèi)燃機）在運轉(zhuǎn)過程中，燃燒室內(nèi)形成的高壓氣體會通過活塞環(huán)竄入曲軸箱，這就會導致曲軸箱內(nèi)部的壓力出現(xiàn)升高趨勢，如不加以控制，這種情況將直接影響到發(fā)動機潤滑系統(tǒng)，因此，需要依靠曲軸箱通風系統(tǒng)不斷地將竄入曲軸箱的混合氣導出，為了滿足環(huán)保的要求，混合氣必須送入氣缸進行再次燃燒。
◆ 發(fā)動機研發(fā)時沒有考慮曲軸箱通風系統(tǒng)易導致進氣門形成積碳嗎？
因燃油噴射技術(shù)的改進導致了發(fā)動機結(jié)構(gòu)出現(xiàn)細微變化，在研發(fā)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(shù)的提升對于發(fā)動機整體的素質(zhì)有了更高的要求，我們還是把焦點放在曲軸箱通風系統(tǒng)環(huán)節(jié)。
早期的發(fā)動機對于曲軸箱通風系統(tǒng)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(yōu)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(jié)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(fā)動機潤滑系統(tǒng)，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(tǒng)，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(guān)鍵的是直噴發(fā)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(chuàng)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(nèi)直噴發(fā)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(fā)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(nèi)直噴發(fā)動機而言，向油箱加注汽油添加劑只能對油路以及氣缸內(nèi)起到清潔作用，但對于進氣門背部的清潔作用微乎其微）。