霧霾和積碳的元兇？談直噴發動機的弊端

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2021年，我們做了很多關于發動機獎勵、新發動機等庫存項目的文章。其中，你會發現所選或新推出的發動機在某些技術的應用上保持了高度的統一性，其中燃油噴射系統就是一個典型的例子。無論是自然吸氣發動機還是增壓發動機，大部分都會采用缸內直噴技術。經過一段時間的認知，這項技術的優勢不言而喻，但事物總有兩面性。本文要講的是缸內直噴技術的弊端。看完之后，你可能對這項備受推崇的技術有了新的認識。

首先，本文只討論缸內直噴汽油機。此外，本文還將對缸內直噴發動機和普通電噴發動機的排氣排放進行討論。尾氣中的顆粒物含量是我們關注的焦點。但與不合格柴油車和工業排放的環境影響相比，一輛合格的汽車配備缸內直噴汽油機對環境的影響可以忽略不計。

●歷史:我生錯了時代。

節油和動力性能的提高都是缸內直噴技術能給汽油機帶來的好處。我們在之前的一些文章中提到過。另外，考慮到大多數讀者對其優勢的認知，本文就不贅述了。在進入正題之前，希望和大家分享一下缸內直噴技術的簡史。相信你看完之后會忍不住感嘆。原來這一切都在中間。

◆最初用于軍事。

1917年，一臺配備缸內直噴技術的汽油發動機被組裝成軍用快艇，但高壓縮比導致氣缸工作溫度過高，導致發動機出現嚴重問題。雖然在隨后的改進中壓縮比降低到6，但氣缸過熱的問題無法解決。最后，測試結果并不令人滿意。在接下來的20年里，這項技術的可行性在不斷完善的過程中逐漸得到驗證。當時主要用在航空空領域，我們熟悉的幾家德國公司，比如寶馬、奔馳、博世、西門子等都投入了研發。

◆首款搭載缸內直噴汽油機的量產車

在汽車領域，缸內直噴技術出現在汽油機上并投入批量生產已經是半個多世紀（查成交價|參配|優惠政策）前的事了。最初是由博世和Gutbrod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58牛米。這款發動機于1951年在法蘭克福車展上亮相，隨后進入量產階段。

◆除了鷗翼門，奔馳300SL給我們留下了什么？

在庫爾特·施納弗撰寫的報告中，他明確指出了汽油直噴技術在四沖程發動機中的可行性。與化油器相比，它可以達到更好的燃燒效果，但二沖程發動機不適合使用這種技術。

基于之前的工作經驗和二沖程直噴發動機的情況，奔馳在1952年開始研發三升直噴四沖程汽油發動機，這款發動機的噴油壓力在45bar左右。經過一系列后續的加載測試，最終進入組裝量產階段。可以說，這是汽車直噴汽油機的第一步。通過對兩款奔馳300SL的對比發現，搭載缸內直噴發動機的奔馳300SL不僅油耗更低，而且發動機最大功率提升了10%左右，發動機在低速時具有良好的響應能力。

生是死，這是歷史的選擇。

但是，從目前的情況可以看出，在如今的汽車發動機領域，缸內直噴汽油機技術是近幾年才出現在人們面前的，而那段歷史也告訴我們，這并不是一項新生的技術，可以毫不夸張地說，汽車企業正在炒歷史的冷飯。缸內直噴技術為什么從誕生之日起就沒有延續下去？

事實上，在梅賽德斯-奔馳將這種技術的發動機組裝成量產車后的20年里，許多廠商持續不懈地對發動機進行改進，使其節油優勢得到充分發揮。的確，缸內直噴技術可以降低發動機的油耗水平，但成本卻不如同期逐漸發展起來的歧管噴射汽油機，而覆蓋灰塵的缸內直噴技術的一個重要原因就是當時汽油價格較低。顯然，當時的那個使用環境無法凸顯節油優勢，于是歧管噴射汽油機開始流行起來。

◆歧管噴霧是什么樣子的？

現在，面對汽油價格和排放法規的壓力，缸內直噴技術又重新回到了人們的視線。然而回歸之后，所謂的新技術看似美好，但經過一段時間的普及使用，人們開始發現它帶來的一些新煩惱。

●對煙霧的影響

以前霧霾和直噴發動機總是有不和諧的聲音。指出缸內直噴系統在燃料由霧化向氣化過渡的過程中，沒有足夠的時間和空條件，使得廢氣中含有大量顆粒。

上述說法是從缸內直噴系統的結構推斷出來的。直觀地說，歧管噴射系統的噴嘴固定在進氣歧管上。在噴射燃油時，燃油沿著進氣口通過氣門進入氣缸，為處于油氣混合狀態的燃油完成霧化到氣化的過渡提供了一定的時間。

看看缸內直噴系統的結構。噴油器直接固定，將燃油噴入氣缸。雖然燃料的霧化能力在高壓泵的驅動下更好，但由于燃料直接噴射到高溫氣缸中，留給燃料汽化的時間非常短，這也為更多顆粒的排放創造了條件。

近日，日本環保機構圍繞這一問題進行了一系列對比試驗，最終確認采用缸內直噴技術的發動機比采用歧管噴射技術的發動機顆粒濃度更高。換句話說，同級別的兩款車，直噴發動機的車比歧管噴射發動機的車排放的顆粒物多，所以成為霧霾天氣的一個誘因。

測試共使用了三款車，其中一款是2021年的日系車，搭載了直噴發動機，另一款是2021年的同一款車，但搭載了普通的電噴發動機。有趣的是，在這次測試中，他們還在2021年發現了一輛搭載缸內直噴發動機的歐洲汽車。不幸的是，測試組織沒有公布具體的模型。

測試方用“JC08車型”對這三款車的排放質量進行了分析，包括尾氣中顆粒物的數量和直徑分布。

“圖中紅線和藍線分別是2021年和2021年執行的歐洲排放標準”

從圖片中我們可以看到，兩款采用不同噴射技術的日系車，顆粒數量有10倍以上的差距。與日本直噴發動機車相比，來自歐洲的直噴發動機車在這方面的表現更差，達到日本直噴發動機車的5倍。然而，這個結果是相對于每個階段的排放標準而言的。

通過本次測試，在一定程度上也驗證了與歧管噴射發動機相比，直噴發動機對霧霾環境的影響更大。至于日本和歐洲的直噴發動機哪一派對霧霾天氣的影響更大，顯然我們不能在兩車測試后就妄下結論。

缸內直噴汽油機雖然顆粒物排放比普通電噴發動機嚴重，但遠不及配備柴油發動機的大型貨車，尤其是排放黑煙、排放不達標的柴油車，對環境的危害更大。

本次測試只是對汽車尾氣中顆粒物的測試，但綜合來看，缸內直噴技術仍能幫助發動機優化排氣品質，與歧管噴射技術相比在油耗和動力性能上有一定優勢，這也是歷史上再次選擇缸內直噴技術的重要原因。

●缺乏自清潔能力導致進氣門積碳嚴重。

首先，積碳是發動機運行中不可避免的現象。然而，對于直噴式發動機來說，燃油噴射系統的結構也會對積碳的形成產生影響，從而導致發動機功率下降、油耗增加等問題。

◆積碳在哪里？

正常情況下，節氣門、進氣歧管、進氣門、氣缸、噴油器等都會形成積碳。，根據一定的維護周期，可以通過不拆卸清洗的方式進行適當的拆卸。一方面，我們希望發動機在運行過程中盡可能抑制積碳的“滋生”，而油品質量是一個重要因素。此外，發動機能做些什么？

燃油噴射系統結構的變化也導致了兩種發動機在形成積碳的區域存在差異。其實汽油也是非常好的積碳清洗劑。當歧管噴射發動機運行時，從噴嘴噴出的汽油通過進氣口和進氣門進入氣缸。在這個過程中，汽油可以順便清洗這些零件，而缸內直噴發動機沒有這種“自清潔”功能，因為噴嘴直接探入氣缸。

◆為什么進氣門背面容易形成積碳？

與排氣閥背面相比，進氣閥背面積碳相對嚴重。曲軸箱通風系統是主要誘因。機油蒸汽將被引入進氣歧管，然后通過進氣門進入氣缸燃燒。由于前期油和油蒸氣分離不完全，會混入少量油。在高溫的作用下，附著在進氣口和進氣門背面的機油會形成積碳，如果沒有“自清潔”能力，這種情況會更加嚴重。另一方面，在高溫和排氣流的作用下，排氣閥本身積碳的壓力小于進氣閥。

因此，對于缺乏“自清潔”能力的缸內直噴發動機來說，進氣門背面積碳的關鍵問題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，因此只有曲軸箱通風系統才能再次優化。

◆為什么曲軸箱通風系統很重要？

在發動機運行過程中，燃燒室中形成的高壓氣體會通過活塞環沖進曲軸箱，導致曲軸箱內壓呈上升趨勢。如果不加以控制，這種情況會直接影響發動機潤滑系統。因此，有必要依靠曲軸箱通風系統來連續導出沖進曲軸箱的混合氣體。為了符合環保要求，混合氣體必須送入氣缸重新燃燒。

◆在發動機研發過程中沒有考慮到曲軸箱通風系統容易造成進氣門積碳嗎？

燃油噴射技術的改進導致發動機結構略有變化。工程師們一定在R&D和驗證階段考慮過這個問題。噴油技術的提高對發動機的整體質量有了更高的要求，所以我們還是把重點放在曲軸箱通風系統上。

早期的發動機，從曲軸箱通風系統回收的混合氣體沒有太多限制，基本都是直接送到氣缸燃燒。后來，為了控制通過這種方式進入氣缸的混合氣體的成分，對過濾裝置進行了優化。從最初的單向閥到迷宮、旋風和離心分離器，兩三個分離器組合使用，達到更好的分離效果，都是為了盡可能分離混合氣體中的機油。

但是，無論是使用性能更好的離心式油氣分離器，還是將兩種甚至三種分離器組合成一套油氣分離系統，都無法將油和油蒸氣完全分離，這意味著送到氣缸燃燒的混合物中會混入一定量的油。更重要的是，直噴發動機缺乏進氣門處的“自清潔”能力，這為積碳的形成創造了條件。

◆積碳怎么辦？

從這個角度來看，除了正常情況下產生的積碳，對于缸內直噴發動機來說，進氣門背面的積碳確實很棘手。既然是不可避免的，那就只能通過針對性的清洗來去除。正常情況下，我們可以采用不拆卸清洗的方式清洗進氣口和進氣門。與普通電噴發動機相比，積碳的清洗周期可能會根據具體的使用條件而縮短。之后，我們會有一篇專門介紹積碳清理內容的文章。

編輯摘要:

毫無疑問，在新能源技術尚未成熟的時候，我們只能對現有的成熟技術進行優化，以滿足當前的需求。在油耗和排放法規的推動下，歷史再次選擇了汽油機缸內直噴技術，其普及對汽油機的發展起到了關鍵作用。通過對噴油量的精確控制和發動機工況的管理，缸內直噴技術的汽油機與歧管噴射發動機相比，在燃油經濟性方面具有一定的優勢。為了進一步提高發動機效率，

然而，正如本文中提到的，這兩個缺點。雖然油耗較低，但廢氣中的顆粒物含量高于歧管噴射發動機。另外，進氣門積碳的問題確實困擾著一些車主。當然，人們不會因此而懷疑這項技術的優勢，更全面地了解它也沒有錯。隨著各國排放法規的逐步完善和發動機技術的進一步提高，相信缸內直噴汽油機的優勢會越來越突出。