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被指雾霾祸源? 看发动机如何技术反击!

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混合喷射系统

  [汽车之家 发动机技术]  手机上频繁推送的雾霾预警消息,口罩武装下一个个忧虑的眼神,大批量延误或取消的航班……似乎每一个冬季的来临,雾霾天气都成为了很多地区的常态(京津冀地区尤为严重)。我们知道,汽车尾气被列入了导致雾霾的黑名单,排放法规也面临着逐步升级,那车企们对这些真的会充耳不闻、置之不理吗?其实,目前很多车企都有了控制发动机排放的成熟技术,下面我们就来聊聊那些改善雾霾的汽油发动机技术吧。

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缸内直喷发动机有短板

  促成雾霾天气的原因有很多,毫无疑问工业污染和燃煤等等是主要的诱因,而汽车尾气同样也是脱离不了关系。之前的文章《雾霾和积碳的元凶?谈直喷发动机的弊端》中,我们探讨了传统动力车型的缸内直喷技术对于雾霾的影响。相比歧管喷射,缸内直喷让发动机更容易产生PM2.5的颗粒排放,对雾霾的影响更大。

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  由于缸内直喷发动机的混合气混合时间短,缸内燃烧模式大部分为扩散燃烧,也就是燃料一边混合一边燃烧,这就容易在气缸壁和气缸角落等位置出现局部混合不均匀,出现高温缺氧区域(缸内直喷发动机比歧管喷射发动机更容易让气缸处于高温状态),从而导致微粒大量生成。值得注意的是,冷启动和大负荷运行工况下,发动机也容易引起微粒排放增加。

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●  丰田、大众如何降低了颗粒物排放?

  2005年,丰田在一台代号为2GR-FSE的3.5L汽油发动机上,应用了歧管喷射和缸内直喷结合的D-4S混合喷射系统,有效地改善了低负荷工况下颗粒物排放严重的现象。它最开始被搭载在了2005年的美版雷克萨斯GS350和2006年的雷克萨斯IS350上面。随后,这台当时可以称得上“黑科技”的发动机便连续四年包揽了从2006年到2009年度的沃德十佳发动机大奖。

雷克萨斯 雷克萨斯GS 2005款 300 标准型

雷克萨斯 雷克萨斯GS 2005款 300 标准型

  前面我们讲了缸内直喷发动机更容易产生颗粒物,促进了雾霾的产生,而歧管喷射技术在提升燃效方面则不敌缸内直喷技术,那如何“鱼与熊掌兼得”呢?聪明的车企们便将这两者结合起来,开发了缸内直喷和歧管喷射两者搭配的混合喷射系统。

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  目前,丰田也已经全面应用了D-4S混合喷射系统,如丰田汉兰达、皇冠以及大部分的雷克萨斯车型上都有应用,甚至丰田与斯巴鲁合作研发丰田86和斯巴鲁BRZ也采用了这项技术。

一汽丰田 皇冠 2017款 2.0T 运动版

广汽丰田 汉兰达 2015款 2.0T 四驱至尊版 7座

  丰田这台代号为8AR-FTS的2.0T发动机搭载了目前的一系列主流技术,不仅应用了混合喷射系统,其采用了铝合金缸体,发动机排气歧管集成在了缸盖上,使用水冷式中冷器为增压空气进行降温,发动机还能够实现奥托循环和阿特金森循环工况等等。

广汽丰田 汉兰达 2015款 2.0T 四驱至尊版 7座

丰田(进口) 丰田86 2017款 2.0L 自动豪华型

【FA20发动机混合喷射系统展示视频如下】


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  燃油混合喷射系统并不是丰田一家独有的技术,大众也同样量产了类似技术的发动机,例如目前大众迈腾、帕萨特和奥迪A4、Q7等车型上,所搭载的第三代EA888 2.0T发动机也拥有歧管喷射和缸内直喷两种喷油技术。

一汽-大众 迈腾 2017款 380TSI DSG 旗舰型

一汽-大众 迈腾 2017款 380TSI DSG 旗舰型

  不同时机切换不同喷射方式的混合喷射系统,是目前平衡动力、燃效和解决直喷发动机排放弊端比相对完美的方案,但它也同样是有短板的,在缸内喷射燃油(几十Bar甚至上百Bar)和在进气歧管内喷射燃油(5Bar左右)所需要的喷油压力是差别巨大的,所以具备混合喷射能力的发动机必须要有两套燃油供给系统,结构和软件标定的都比较复杂。

一汽-大众 迈腾 2017款 380TSI DSG 旗舰型

  因此,在任何一家车企的老板来看,额外加装一套燃油供给系统便会带来成本增加的问题,不仅是硬件的成本,从软件层面来说,如何设定燃油喷射方式的切换时机、如何控制发动机的正时系统等等,需要开发一套新的控制策略,研发成本便不是一个小数目。

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颗粒物捕捉器/废气再循环等

混合喷射并不是降低颗粒物排放的唯一法宝!

  混合喷射系统弥补了单纯缸内直喷形式在发动机某些工况下的颗粒物排放严重问题,其实这并不是唯一的优化方案。从成本和结构的复杂程度上来看,目前混合喷射系统都不太可能广泛普及,为了减轻排放的压力,更多的车企们能做的只是通过发动机参数标定,在动力和排放之间取得一个平衡点。那有没有结构更简单的解决办法呢?排气系统的供应商早就为车企们想好了解决方案——排气管内加装汽油机尾气颗粒物捕捉器(gasoline particulate filter,以下简称GPF)。

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  目前,尾气颗粒物捕捉器在柴油机车型上是比较常见的(柴油机的颗粒物排放更为严重),但在汽油机车型上还没有广泛应用。此前,虽然缸内直喷发动机越来越普及,但迫于成本的压力、基于排放标准的考虑,车企们并没有想把GPF普及。如今环境问题愈演愈烈,排放标准不断提高,汽油机车型配备GPF似乎也势在必行了。

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  早在两年前,奔驰便意识到缸内直喷发动机的排放弊端,并透露开始了研发带有尾气颗粒物捕捉器GPF的发动机,正在奔驰S500上做相关的实验。我们知道,佛吉亚是与奔驰联系紧密的供应商之一,可以推测奔驰的这项研发计划显然与佛吉亚有着一定的关系。

奔驰(进口) 奔驰S级 2016款 S 500 L 4MATIC

  新一轮更严格的欧洲排放法规将在2017年实施,各方面因素都让欧洲车企们不得不开始更注重排放问题了。作为汽车的发明者、老牌的德国汽车厂商,奔驰推动汽油机上使用GPF可以说是顺应未来趋势的一种做法。

降低氮氧化物排放的发动机技术

  我们知道,除了颗粒物外,氮氧化物(NOx)也是导致雾霾的因素之一。对于氮氧化物的排放控制,目前其实车企们也已经有了成熟的技术方案——废气再循环技术。

  废气再循环技术(Exhaust Gas Recirculation,简称EGR),它把适量来自排气管的废气导流至进气歧管与新鲜空气一同进入气缸再次参与燃烧过程,通俗点来说就是“再嚼一遍剩饭”,从而让混合气更充分的燃烧,减少氮氧化物的生成量,降低了发动机的排放。

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  EGR并不是一种新技术,最早出现在柴油机上,目前在汽油发动机上也已沿用多年。早期的EGR系统把高温废气不经冷却直接导流至气缸内参与燃烧,虽然能降低发动机的排放,但却存在因气缸温度过高增加了爆燃的风险。目前,水冷式EGR系统成为了主流,废气在进入进气歧管之前会利用散热器进行冷却,这就改善了因进气温度和气缸温度过高而导致的爆燃问题。

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  目前拥有废气再循环EGR系统的发动机不在少数,不仅是合资品牌,如长安、奇瑞、比亚迪等中国品牌也有很多应用此技术的发动机,当然,最常见的还是在柴油机上。值得一提的是,EGR不仅仅能够有效地降低发动机的氮氧化物排放,还能在一定负荷工况下提升发动机燃效,例如第四代在普锐斯的1.8升2ZR-FXE发动机上使用了EGR系统,帮助这台汽油发动机史无前例地达到了40%的燃效。  

提升燃油效率就等于降低排放

  每一滴燃油经过发动机气缸内作功都会产生一氧化碳(CO)、碳氢化物(HC)、氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)和颗粒物(PM)等,也就是说,让每一滴燃油多作功,提升发动机燃效就等于降低了排放。提升发动机燃效的技术有很多,下面我们来聊聊比较主流的阿特金森循环技术和集成式排气歧管设计。

  目前,包括本田、丰田、大众、通用、福特等多家厂商都在发动机上,采用了集成式排气歧管的设计。下面我们还以大众第三代EA888 2.0T发动机来说,它将排气歧管都集成在缸盖上,一方面能够利用排气歧管的温度为冷却液加热,让冷却液快速达到工作温度,减少暖机时间,这不仅能提升燃烧效率,还能一定程度上降低有害气体的排放;另一方面冷却液也能为排气歧管内的废气降温,让废气能以更低的温度流向涡轮,实现更高的增压效率。

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  对于降低排放来说,集成式排气歧管在发动机冷启动状态下的贡献尤为明显。我们知道,冷启动状态下发动机气缸燃烧室的温度较低,还没达到正常温度,混合气容易出现不完全燃烧的现象,造成大量未燃烧的碳氢化合物排放出来,影响了空气质量。另外,冷启动状态下用于催化还原尾气的三元催化器也没来得及达到最佳温度,对一氧化碳、碳氢化物、氮氧化物等处理效果明显不够,纵容了有害气体的排出。

一汽-大众 迈腾 2017款 380TSI DSG 旗舰型

广汽丰田 汉兰达 2015款 2.0T 四驱至尊版 7座

  丰田汉兰达和皇冠上的那款2.0T(8AR-FTS)发动机,不仅拥有集成式排气歧管、水冷式中冷器,还有一项大众EA888没有的技能——阿特金森循环技术,它是利用进排气侧VVT调节器实现对进排气门的控制,模拟出燃油经济性出众的阿特金森循环运行工况。

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  除了阿特金森循环技术,提升发动机燃效的方式其实还有很多,比如优化发动机热管理系统、提升涡轮增压性能、降低发动机摩擦损失等等。但最重要的还是从根本上解决尾气排放问题,才是改善雾霾天气最直接的办法。

总结:

  尽管汽油发动机使劲浑身解数想在这场动力与排放的权衡之战中完成一次自我救赎,但无论是大众也好,还是三菱也罢,曝出的排放造假消息不断打击着人们对传统动力的信心,再加之大众的“2030年去内燃机”计划,或许内燃机注定有一个黯淡无光的未来,但不管怎样,现阶段汽油发动机仍旧是市场的主角,它也有义务为环境做出一些有效的改变。

  不可否认的是,虽然相对工业污染和燃煤污染等来说,汽车发动机的尾气对雾霾的影响没有那么大,但它依旧是脱离不了干系的一份子。基于能源结构等大环境下,传统发动机仍旧是不能割舍的汽车动力源,所以发动机只能通过自身技术的更新来尽量改善这样的污染状态,混合喷射系统、尾气颗粒物捕捉器、废气再循环和尾气后处理装置等等,这些都能有效地降低发动机对雾霾的贡献量。其中,一些技术在乘用车汽油发动机上还没有广泛普及,所以,今天我们对雾霾天气的痛恨可以转化为对这些技术普及的期待了。(文/图 汽车之家 夏志猛 部分图片来自于网络)

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