直喷发动机的弊端

ksj7341 · 发表于 2014-3-23 19:53

在2013年我们做了很多有关发动机奖项、新发动机等盘点类文章，在它们之中你会发现，能够入选的或新推出的发动机在某一方面技术的运用都保持了高度的统一，其中燃油喷射系统就是个典型的例子，无论是自然吸气发动机还是增压发动机，它们大多都会选用缸内直喷技术，经过一段时间的认知，这项技术的优势不言而喻，但事情总有两面性，这篇文章所要聊的就是缸内直喷技术的弊端，在看过之后，或许能让诸位对这个备受推崇的技术有个全新的认识。

注：本文仅讨论汽油发动机的缸内直喷技术。

● 历史：曾经生不逢时
省油、提高动力性能等都是缸内直喷技术能够给汽油发动机带来的好处，在此前的一些文章中我们都曾提到过，另外，考虑到大多读者对它的优势的认知程度，因此，在本篇文章中就不做过相关赘述了，在进入正题之前，我希望能和大家简要的分享一段有关缸内直喷技术的历史，相信诸位在看过之后会不禁感叹，原来这一切在半个世纪前就已经安排好了。
◆ 最初应用于军事
1917年，一台装有缸内直喷技术的汽油发动机被装配到军用快艇，但因压缩比太大（压缩比为10）引发了气缸工作温度过高的情况，进而导致了发动机出现严重问题，尽管在之后的改进中将压缩比降至6，但还是不能解决过热的问题，最终，试验结果没能令人满意。在之后的20年里，这项技术在不断改进的过程中其可行性被逐渐验证，那时主要应用于航空领域，我们熟悉的几家德国公司如宝马、奔驰、博世、西门子等均投入了研发力量。
◆ 第一辆装配缸内直喷汽油发动机的量产车

在汽车领域，缸内直喷技术出现在汽油发动机并投入量产也已经是半个多世纪以前的事了。起初是博世公司和Gutbrod公司联合研发的缸内直喷二冲程汽油发动机，最大功率约28马力，最大扭矩为58牛·米。这台发动机在1951年进行的法兰克福车展上亮相，随后进入量产阶段。
◆ 除了鸥翼车门，奔驰300SL还给我们留下了什么？

基于此前的工作经验以及二冲程缸内直喷发动机的案例（在Kurt Schnauffer撰写的一份报告中，他明确指出汽油缸内直喷技术在四冲程发动机上的可行性，相比化油器，它可以获得更好的燃烧效果，但二冲程发动机并不适合使用这项技术。）。奔驰于1952年开始研发一台排量为3.0升的缸内直喷四冲程汽油发动机，这台发动机的喷油压力约为45bar（现在的福特2.0升EcoBoost缸内直喷汽油发动机的最大喷油压力可达到150bar），经过后续一系列装车验证后，最终进入装配量产车阶段，可以说，这才算是开启了车用缸内直喷汽油发动机的先河，而这个“奠基人”就是大名鼎鼎的奔驰300SL。通过两辆奔驰300SL的对比（分别装配缸内直喷和化油器技术）发现，装配缸内直喷发动机的奔驰300SL不仅油耗更低，发动机的最大功率也提高了约10%，而且发动机在低速时具有很好的响应能力。

◆ 是生是灭，这都是历史的选择

不过，正如诸位所看到的现状，如今的汽车发动机领域，缸内直喷汽油发动机技术只不过是近几年才出现在人们面前，而那段历史也告诉了我们，这并不是一个新诞生的技术，说车企是在炒历史的冷饭也不为过。那缸内直喷技术为什么没能从诞生那天起就被一直延续下来呢？
事实上，在奔驰将这种技术的发动机装配量产车后的20年里，众多厂商仍旧不懈地改进这种发动机，使其省油的优势被充分发挥，的确，缸内直喷技术可降低发动机的燃油消耗水平，但成本却比不及同期逐步发展的采用歧管喷射的汽油发动机，而导致缸内直喷技术被尘封的一个重要原因是当时低廉的汽油价格。显然，省油的优势并不能在当时那个使用环境下凸显出来，因此，歧管喷射方式的汽油发动机开始大行其道。
◆ 歧管喷射什么样？

ksj7341 · 发表于 2014-3-23 19:54

现在，面对汽油价格的压力以及排放法规的压力，缸内直喷技术重回人们视线，但回归之后，所谓的新技术看似美好，但经过一段时间的推广及使用后，人们开始发现它带来的一些新麻烦。
● 对于雾霾的影响
此前，有关雾霾与直喷发动机之间一直有着不太和谐的声音，有人指出缸内直喷系统由于燃油从雾化向气化过渡时并不具备充分的时间和空间条件（相比歧管喷射而言），以此在排放尾气中会含有大量的微粒（PM2.5是微粒的一种，微粒直径在2.5微米以下）。

以上说法是根据缸内直喷系统的结构推断而来，直观来看，歧管喷射系统的喷油嘴固定在进气歧管上，喷油时，燃油顺着进气道通过气门进入气缸，在这途中也就为处于油气混合状态的燃油提供了一定时间去完成雾化向气化的过渡。

再来看缸内直喷系统的结构，喷油嘴直接固定向气缸内喷油，虽然在高压泵的驱使下，燃油的雾化能力更好，但由于燃油直接喷入高温状态的气缸内，致使留给燃油汽化的时间很短促，这也就为排放更多微粒创造了条件。

近日，日本环境机构围绕这个问题进行了一系列对比试验，并最终确认了采用缸内直喷技术的发动机比歧管喷射技术发动机排放出的微粒浓度要高的这一说法，换句话说，同级别的两辆车，搭载直喷发动机的汽车在排放方面要比采用歧管喷射发动机的汽车排放出更多的微粒,因此，也就成了雾霾天气的一个原因。
试验共使用了3辆汽车，其中，一辆为2011年款搭载了直喷发动机的日系车型，另一辆为2007年款相同车型，但搭载了一台普通电喷（歧管喷射）发动机，有意思的是，在这项测试中，他们还找来了一辆2011年款搭载缸内直喷发动机的欧洲车。遗憾的是，试验机构并未公布具体车型。

试验方以“JC08模式”分析了这三款车的排放质量，包括尾气中的微粒个数和微粒直径分布进行记录。

『图片中的红线和蓝线分别是2014年开始执行以及2017年开始执行的欧洲排放标准』
通过图片我们可以看到采用不同喷射技术的两辆日系车之间在微粒个数方面有着超过10倍的差距，而相比日系直喷发动机汽车，来自欧洲的直喷发动机汽车在这方面的表现则要更差些，达到日系直喷发动机汽车的5倍。尽管如此，这样的结果也是相对于各阶段的排放标准得出的。
通过这一试验，在一定程度上也验证了相比歧管喷射发动机，直喷发动机汽车对雾霾环境造成更大影响的说法（毫无疑问，工业排放也是导致雾霾的重要原因），至于日系和欧系哪个派别的直喷发动机对雾霾天气影响更大，经过两款车的测试显然不能妄下定论。
尽管缸内直喷汽油发动机比普通电喷（歧管喷射）发动机在微粒排放方面严重，但也远远不及搭载柴油发动机的大货车，特别是那些冒着黑烟的排放不达标的柴油车更是对环境不利。
这项试验仅是对汽车尾气中微粒一项进行测试，但如果综合来看，缸内直喷技术仍旧可以帮助发动机优化尾气质量，相比歧管喷射技术，在油耗以及动力性能方面都有一定优势，这也是历史再次选择缸内直喷技术的一个重要原因。

ksj7341 · 发表于 2014-3-23 19:56

● 缺少自清洁能力致使进气门积碳较严重
首先要说的是，积碳是发动机运转过程中不可避免的一种现象，但对于一台缸内直喷发动机而言，燃油喷射系统的结构也会对积碳的形成产生影响，从而出现发动机动力下降，油耗升高等问题。

◆ 积碳一般都在哪？

一般情况下，节气门、进气歧管、进气门、气缸、喷油嘴等处都会形成积碳，按照一定的保养周期采用免拆清洗的方式可以起到适当的清除作用。清洗是一方面，我们寄希望于发动机在运转过程中可以尽可能地抑制积碳的“滋生”，油品质量是个重要的因素，此外，发动机能对此做什么呢？

喷油系统结构的变化也导致了两种发动机在积碳形成部位方面有所不同，例如进气门。事实上，汽油也是很好的积碳清洗剂（有机溶剂），歧管喷射发动机在运转的情况下，喷油嘴喷出的汽油通过进气道、进气门进入气缸，在这个过程中，汽油可顺带对这些部位起到清洗作用，而缸内直喷发动机由于喷油嘴直接探入气缸，因此，也就没有这项“自清洁”功能。
◆ 为什么进气门背部易形成积碳
相比排气门背部，进气门背部的积碳相对要严重些。曲轴箱通风系统是一大诱因，机油蒸汽会被引入到进气歧管从而通过进气门进入气缸燃烧，由于先期机油和机油蒸汽分离不彻底，就会有少量的机油掺杂其中，附着在进气道以及进气门背部的机油在高温的作用下形成了积碳，在缺少“自清洁”能力的条件下，积碳就会更为严重。反观排气门部位，受到高温和排气气流作用，其形成积碳的压力本身就比进气门要小。

由此看来，对于缺少“自清洁”能力的缸内直喷发动机来说，进气门背部的积碳问题关键在于曲轴箱通风系统，但它是维持发动机正常运转的关键环节，因此，唯有对曲轴箱通风系统进行再度优化。

◆ 为什么曲轴箱通风系统很重要

发动机（往复活塞式内燃机）在运转过程中，燃烧室内形成的高压气体会通过活塞环窜入曲轴箱，这就会导致曲轴箱内部的压力出现升高趋势，如不加以控制，这种情况将直接影响到发动机润滑系统，因此，需要依靠曲轴箱通风系统不断地将窜入曲轴箱的混合气导出，为了满足环保的要求，混合气必须送入气缸进行再次燃烧。
◆ 发动机研发时没有考虑曲轴箱通风系统易导致进气门形成积碳吗？
因燃油喷射技术的改进导致了发动机结构出现细微变化，在研发以及验证阶段，工程师一定考虑到了这个问题。燃油喷射技术的提升对于发动机整体的素质有了更高的要求，我们还是把焦点放在曲轴箱通风系统环节。
早期的发动机对于曲轴箱通风系统回收来的混合气（夹杂机油蒸汽）没有太多限制，基本是直接送入气缸燃烧，之后为了控制通过这条途径进入气缸的混合气的成分，特此在过滤装置上进行优化，从原先的单向阀到之后的迷宫式、旋风式、离心力式等油气分离器，为了达到更好的分离效果，还有采用两种或三种分离器相结合使用的情况，它们都是为了将混合气中的机油尽可能的分离并送回发动机润滑系统，其余气体送入气缸燃烧。

尽管如此，无论是使用性能更好的离心式油气分离器，还是使用两种甚至三种分离器组合成一套油气分离系统，还是无法保证机油和机油蒸汽彻底分离，这也就意味着被送入气缸燃烧的混合气中夹杂一定的机油（哪怕是极少的含量，机油通过进气歧管、进气门进入气缸也是事实）。更为关键的是直喷发动机在进气门处缺少了“自清洁”的能力，这也就给积碳的形成创造了条件。
◆ 有了积碳怎么办？
由此看来，除一般情况下生成的积碳外，对于缸内直喷发动机而言，进气门背部的积碳确实比较棘手，既然不可避免，那就只能依靠有针对的清洗才能将其清除了。通常情况下，我们可以采用进气道免拆清洗的方式对进气道以及进气门进行清洗，相比普通电喷（歧管喷射）发动机，积碳的清洗周期可能要视具体使用状况缩短（对于缸内直喷发动机而言，向油箱加注汽油添加剂只能对油路以及气缸内起到清洁作用，但对于进气门背部的清洁作用微乎其微）。之后，我们会有专门的文章来讲积碳清洗的内容。
编辑总结：
毫无疑问，在新能源技术尚未成熟之时，我们只能通过对现有成熟技术进行优化来满足当下需求，在油耗和排放法规的驱使下，历史又一次为汽油发动机选择了缸内直喷技术，它的推广在汽油发动机的发展过程中起到了关键的作用，通过对喷油量的精确控制以及发动机工况的管理，带有缸内直喷技术的汽油发动机在燃油经济性方面相比歧管喷射发动机具有一定优势，为了更进一步提高发动机效率，与增压技术的结合在当下已成为黄金组合。
不过，就像本文中提到的这两个弊端。虽然油耗更低，但尾气中微粒的含量却高于歧管喷射发动机，另外，进气门积碳的问题确实困扰了一部分车主。当然，人们并不会因此而怀疑这项技术的优势，更全面的了解它也没什么不好的。随着各国排放法规的逐步提高以及发动机技术的再完善，相信缸内直喷汽油发动机的优势会越来越凸显。