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全面解析直噴發(fā)動(dòng)機的弊端

有 171 人瀏覽 日期：2019-05-09?? 來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng) 進(jìn)入發(fā)布者【商鋪】 放大字體??縮小字體

文章摘要：在2013年我們做了很多有關(guān)發(fā)動(dòng)機獎項、新發(fā)動(dòng)機等盤(pán)點(diǎn)類(lèi)文章，在它們之中你會(huì )發(fā)現，能夠入選的或新推出的發(fā)動(dòng)機在某一方面技術(shù)的

在2013年我們做了很多有關(guān)發(fā)動(dòng)機獎項、新發(fā)動(dòng)機等盤(pán)點(diǎn)類(lèi)文章，在它們之中你會(huì )發(fā)現，能夠入選的或新推出的發(fā)動(dòng)機在某一方面技術(shù)的運用都保持了高度的統一，其中燃油噴射系統就是個(gè)典型的例子，無(wú)論是自然吸氣發(fā)動(dòng)機還是增壓發(fā)動(dòng)機，它們大多都會(huì )選用缸內直噴技術(shù)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)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直噴技術(shù)的弊端，在看過(guò)之后，或許能讓諸位對這個(gè)備受推崇的技術(shù)有個(gè)全新的認識。
首先要說(shuō)的是本文僅討論缸內直噴汽油發(fā)動(dòng)機，另外，文中會(huì )涉及到缸內直噴發(fā)動(dòng)機和普通電噴（歧管?chē)娚洌┌l(fā)動(dòng)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(diǎn)，盡管如此，相比那些排放不合格的柴油車(chē)、工業(yè)排放等對環(huán)境的影響，一輛合格的裝配缸內直噴汽油發(fā)動(dòng)機的汽車(chē)對環(huán)境的影響是微不足道的。

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● 歷史：曾經(jīng)生不逢時(shí)
省油、提高動(dòng)力性能等都是缸內直噴技術(shù)能夠給汽油發(fā)動(dòng)機帶來(lái)的好處，在此前的一些文章中我們都曾提到過(guò)，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(guò)多贅述了，在進(jìn)入正題之前，我希望能和大家簡(jiǎn)要的分享一段有關(guān)缸內直噴技術(shù)的歷史，相信諸位在看過(guò)之后會(huì )不禁感嘆，原來(lái)這一切在半個(gè)世紀前就已經(jīng)安排好了。
◆ 最初應用于軍事
1917年，一臺裝有缸內直噴技術(shù)的汽油發(fā)動(dòng)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(guò)高的情況，進(jìn)而導致了發(fā)動(dòng)機出現嚴重問(wèn)題，盡管在之后的改進(jìn)中將壓縮比降至6，但還是不能解決氣缸過(guò)熱的問(wèn)題，最終，試驗結果沒(méi)能令人滿(mǎn)意。在之后的20年里，這項技術(shù)在不斷改進(jìn)的過(guò)程中其可行性被逐漸驗證，那時(shí)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(mén)子等均投入了研發(fā)力量。
◆ 第一輛裝配缸內直噴汽油發(fā)動(dòng)機的量產(chǎn)車(chē)
在汽車(chē)領(lǐng)域，缸內直噴技術(shù)出現在汽油發(fā)動(dòng)機并投入量產(chǎn)也已經(jīng)是半個(gè)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)的缸內直噴二沖程汽油發(fā)動(dòng)機，最大功率約28馬力，最大扭矩為58?！っ?。這臺發(fā)動(dòng)機在1951年舉辦的法蘭克福車(chē)展上亮相，隨后進(jìn)入量產(chǎn)階段。
◆ 除了鷗翼車(chē)門(mén)，奔馳300SL還給我們留下了什么？
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在Kurt Schnauffer撰寫(xiě)的一份報告中，他明確指出汽油缸內直噴技術(shù)在四沖程發(fā)動(dòng)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(dòng)機并不適合使用這項技術(shù)。
基于此前的工作經(jīng)驗以及二沖程缸內直噴發(fā)動(dòng)機的案例，奔馳于1952年開(kāi)始研發(fā)一臺排量為3.0升的缸內直噴四沖程汽油發(fā)動(dòng)機，這臺發(fā)動(dòng)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(fā)動(dòng)機的噴油壓力在150bar左右），經(jīng)過(guò)后續一系列裝車(chē)驗證后，最終進(jìn)入裝配量產(chǎn)車(chē)階段，可以說(shuō)，這才算是開(kāi)啟了車(chē)用缸內直噴汽油發(fā)動(dòng)機的先河，而這個(gè)“奠基人”就是大名鼎鼎的奔馳300SL。通過(guò)兩輛奔馳300SL的對比（分別裝配缸內直噴和化油器技術(shù)）發(fā)現，裝配缸內直噴發(fā)動(dòng)機的奔馳300SL不僅油耗更低，發(fā)動(dòng)機的最大功率也提高了約10%，而且發(fā)動(dòng)機在低速時(shí)具有很好的響應能力。
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◆ 是生是滅，這都是歷史的選擇
不過(guò)，正如諸位所看到的現狀，如今的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機領(lǐng)域，缸內直噴汽油發(fā)動(dòng)機技術(shù)只不過(guò)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(gè)新誕生的技術(shù)，說(shuō)車(chē)企是在炒歷史的冷飯也不為過(guò)。那缸內直噴技術(shù)為什么沒(méi)能從誕生那天起就被一直延續下來(lái)呢？
事實(shí)上，在奔馳將這種技術(shù)的發(fā)動(dòng)機裝配量產(chǎn)車(chē)后的20年里，眾多廠(chǎng)商仍舊不懈地改進(jìn)這種發(fā)動(dòng)機，使其省油的優(yōu)勢被充分發(fā)揮，的確，缸內直噴技術(shù)可降低發(fā)動(dòng)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?chē)娚涞钠桶l(fā)動(dòng)機，而導致缸內直噴技術(shù)被塵封的一個(gè)重要原因是當時(shí)低廉的汽油價(jià)格。顯然，省油的優(yōu)勢并不能在當時(shí)那個(gè)使用環(huán)境下凸顯出來(lái)，因此，歧管?chē)娚浞绞降钠桶l(fā)動(dòng)機開(kāi)始大行其道。
◆ 歧管?chē)娚涫裁礃樱?/span>
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現在，面對汽油價(jià)格的壓力以及排放法規的壓力，缸內直噴技術(shù)重回人們視線(xiàn)，但回歸之后，所謂的新技術(shù)看似美好，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的推廣及使用后，人們開(kāi)始發(fā)現它帶來(lái)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(dòng)機之間一直有著(zhù)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(guò)渡時(shí)并不具備充分的時(shí)間和空間條件（相比歧管?chē)娚涠裕?，以此在排放尾氣中?huì )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(shuō)法是根據缸內直噴系統的結構推斷而來(lái)，直觀(guān)來(lái)看，歧管?chē)娚湎到y的噴油嘴固定在進(jìn)氣歧管上，噴油時(shí)，燃油順著(zhù)進(jìn)氣道通過(guò)氣門(mén)進(jìn)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(shí)間去完成霧化向氣化的過(guò)渡。
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再來(lái)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(tài)的氣缸內，致使留給燃油汽化的時(shí)間很短促，這也就為排放更多微粒創(chuàng )造了條件。
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近日，日本環(huán)境機構圍繞這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了一系列對比試驗，并最終確認了采用缸內直噴技術(shù)的發(fā)動(dòng)機比歧管?chē)娚浼夹g(shù)發(fā)動(dòng)機排放出的微粒濃度要高的這一說(shuō)法，換句話(huà)說(shuō)，同級別的兩輛車(chē)，搭載直噴發(fā)動(dòng)機的汽車(chē)在排放方面要比采用歧管?chē)娚浒l(fā)動(dòng)機的汽車(chē)排放出更多的微粒,因此，也就成了霧霾天氣的一個(gè)原因。
試驗共使用了3輛汽車(chē)，其中，一輛為2011年款搭載了直噴發(fā)動(dòng)機的日系車(chē)型，另一輛為2007年款相同車(chē)型，但搭載了一臺普通電噴（歧管?chē)娚洌┌l(fā)動(dòng)機，有意思的是，在這項測試中，他們還找來(lái)了一輛2011年款搭載缸內直噴發(fā)動(dòng)機的歐洲車(chē)。遺憾的是，試驗機構并未公布具體車(chē)型。
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試驗方以“JC08模式”分析了這三款車(chē)的排放質(zhì)量，包括尾氣中的微粒個(gè)數和微粒直徑分布進(jìn)行記錄。
『圖片中的紅線(xiàn)和藍線(xiàn)分別是2014年開(kāi)始執行以及2017年開(kāi)始執行的歐洲排放標準』
通過(guò)圖片我們可以看到采用不同噴射技術(shù)的兩輛日系車(chē)之間在微粒個(gè)數方面有著(zhù)超過(guò)10倍的差距，而相比日系直噴發(fā)動(dòng)機汽車(chē)，來(lái)自歐洲的直噴發(fā)動(dòng)機汽車(chē)在這方面的表現則要更差些，達到日系直噴發(fā)動(dòng)機汽車(chē)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(guò)這一試驗，在一定程度上也驗證了相比歧管?chē)娚浒l(fā)動(dòng)機，直噴發(fā)動(dòng)機汽車(chē)對霧霾環(huán)境造成更大影響的說(shuō)法（毫無(wú)疑問(wèn)，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(gè)派別的直噴發(fā)動(dòng)機對霧霾天氣影響更大，經(jīng)過(guò)兩款車(chē)的測試顯然不能妄下定論。
盡管缸內直噴汽油發(fā)動(dòng)機比普通電噴（歧管?chē)娚洌┌l(fā)動(dòng)機在微粒排放方面嚴重，但也遠遠不及搭載柴油發(fā)動(dòng)機的大貨車(chē)，特別是那些冒著(zhù)黑煙的排放不達標的柴油車(chē)更是對環(huán)境不利。
這項試驗僅是對汽車(chē)尾氣中微粒一項進(jìn)行測試，但如果綜合來(lái)看，缸內直噴技術(shù)仍舊可以幫助發(fā)動(dòng)機優(yōu)化尾氣質(zhì)量，相比歧管?chē)娚浼夹g(shù)，在油耗以及動(dòng)力性能方面都有一定優(yōu)勢，這也是歷史再次選擇缸內直噴技術(shù)的一個(gè)重要原因。
● 缺少自清潔能力致使進(jìn)氣門(mén)積碳較嚴重
首先要說(shuō)的是，積碳是發(fā)動(dòng)機運轉過(guò)程中不可避免的一種現象，但對于一臺缸內直噴發(fā)動(dòng)機而言，燃油噴射系統的結構也會(huì )對積碳的形成產(chǎn)生影響，從而出現發(fā)動(dòng)機動(dòng)力下降，油耗升高等問(wèn)題。
◆ 積碳一般都在哪？
一般情況下，節氣門(mén)、進(jìn)氣歧管、進(jìn)氣門(mén)、氣缸、噴油嘴等處都會(huì )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(fā)動(dòng)機在運轉過(guò)程中可以盡可能地抑制積碳的“滋生”，油品質(zhì)量是個(gè)重要的因素，此外，發(fā)動(dòng)機能對此做什么呢？
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噴油系統結構的變化也導致了兩種發(fā)動(dòng)機在積碳形成部位方面有所不同，例如進(jìn)氣門(mén)。事實(shí)上，汽油也是很好的積碳清洗劑（有機溶劑），歧管?chē)娚浒l(fā)動(dòng)機在運轉的情況下，噴油嘴噴出的汽油通過(guò)進(jìn)氣道、進(jìn)氣門(mén)進(jìn)入氣缸，在這個(gè)過(guò)程中，汽油可順帶對這些部位起到清洗作用，而缸內直噴發(fā)動(dòng)機由于噴油嘴直接探入氣缸，因此，也就沒(méi)有這項“自清潔”功能。
◆ 為什么進(jìn)氣門(mén)背部易形成積碳
相比排氣門(mén)背部，進(jìn)氣門(mén)背部的積碳相對要嚴重些。曲軸箱通風(fēng)系統是一大誘因，機油蒸汽會(huì )被引入到進(jìn)氣歧管從而通過(guò)進(jìn)氣門(mén)進(jìn)入氣缸燃燒，由于先期機油和機油蒸汽分離不徹底，就會(huì )有少量的機油摻雜其中，附著(zhù)在進(jìn)氣道以及進(jìn)氣門(mén)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(huì )更為嚴重。反觀(guān)排氣門(mén)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(jìn)氣門(mén)要小。
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由此看來(lái)，對于缺少“自清潔”能力的缸內直噴發(fā)動(dòng)機來(lái)說(shuō)，進(jìn)氣門(mén)背部的積碳問(wèn)題關(guān)鍵在于曲軸箱通風(fēng)系統，但它是維持發(fā)動(dòng)機正常運轉的關(guān)鍵環(huán)節，因此，唯有對曲軸箱通風(fēng)系統進(jìn)行再度優(yōu)化。
◆ 為什么曲軸箱通風(fēng)系統很重要
發(fā)動(dòng)機（往復活塞式內燃機）在運轉過(guò)程中，燃燒室內形成的高壓氣體會(huì )通過(guò)活塞環(huán)竄入曲軸箱，這就會(huì )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(fā)動(dòng)機潤滑系統，因此，需要依靠曲軸箱通風(fēng)系統不斷地將竄入曲軸箱的混合氣導出，為了滿(mǎn)足環(huán)保的要求，混合氣必須送入氣缸進(jìn)行再次燃燒。
◆ 發(fā)動(dòng)機研發(fā)時(shí)沒(méi)有考慮曲軸箱通風(fēng)系統易導致進(jìn)氣門(mén)形成積碳嗎？
因燃油噴射技術(shù)的改進(jìn)導致了發(fā)動(dòng)機結構出現細微變化，在研發(fā)以及驗證階段，工程師一定考慮到了這個(gè)問(wèn)題。燃油噴射技術(shù)的提升對于發(fā)動(dòng)機整體的素質(zhì)有了更高的要求，我們還是把焦點(diǎn)放在曲軸箱通風(fēng)系統環(huán)節。
早期的發(fā)動(dòng)機對于曲軸箱通風(fēng)系統回收來(lái)的混合氣（夾雜機油蒸汽）沒(méi)有太多限制，基本是直接送入氣缸燃燒，之后為了控制通過(guò)這條途徑進(jìn)入氣缸的混合氣的成分，特此在過(guò)濾裝置上進(jìn)行優(yōu)化，從原先的單向閥到之后的迷宮式、旋風(fēng)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(fā)動(dòng)機潤滑系統，其余氣體送入氣缸燃燒。
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盡管如此，無(wú)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(wú)法保證機油和機油蒸汽徹底分離，這也就意味著(zhù)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(guò)進(jìn)氣歧管、進(jìn)氣門(mén)進(jìn)入氣缸也是事實(shí)）。更為關(guān)鍵的是直噴發(fā)動(dòng)機在進(jìn)氣門(mén)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(lái)，除一般情況下生成的積碳外，對于缸內直噴發(fā)動(dòng)機而言，進(jìn)氣門(mén)背部的積碳確實(shí)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(jìn)氣道免拆清洗的方式對進(jìn)氣道以及進(jìn)氣門(mén)進(jìn)行清洗，相比普通電噴（歧管?chē)娚洌┌l(fā)動(dòng)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(fā)動(dòng)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(jìn)氣門(mén)背部的清潔作用微乎其微）。
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