[汽車之家 發(fā)動機(jī)技術(shù)]  手機(jī)上頻繁推送的霧霾預(yù)警消息，口罩武裝下一個(gè)個(gè)憂慮的眼神，大批量延誤或取消的航班……似乎每一個(gè)冬季的來臨，霧霾天氣都成為了很多地區(qū)的常態(tài)（京津冀地區(qū)尤為嚴(yán)重）。我們知道，汽車尾氣被列入了導(dǎo)致霧霾的黑名單，排放法規(guī)也面臨著逐步升級，那車企們對這些真的會充耳不聞、置之不理嗎？其實(shí)，目前很多車企都有了控制發(fā)動機(jī)排放的成熟技術(shù)，下面我們就來聊聊那些改善霧霾的汽油發(fā)動機(jī)技術(shù)吧。

● 缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)有短板

　　促成霧霾天氣的原因有很多，毫無疑問工業(yè)污染和燃煤等等是主要的誘因，而汽車尾氣同樣也是脫離不了關(guān)系。之前的文章《霧霾和積碳的元兇？談直噴發(fā)動機(jī)的弊端》中，我們探討了傳統(tǒng)動力車型的缸內(nèi)直噴技術(shù)對于霧霾的影響。相比歧管噴射，缸內(nèi)直噴讓發(fā)動機(jī)更容易產(chǎn)生PM2.5的顆粒排放，對霧霾的影響更大。

　　由于缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)的混合氣混合時(shí)間短，缸內(nèi)燃燒模式大部分為擴(kuò)散燃燒，也就是燃料一邊混合一邊燃燒，這就容易在氣缸壁和氣缸角落等位置出現(xiàn)局部混合不均勻，出現(xiàn)高溫缺氧區(qū)域（缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)比歧管噴射發(fā)動機(jī)更容易讓氣缸處于高溫狀態(tài)），從而導(dǎo)致微粒大量生成。值得注意的是，冷啟動和大負(fù)荷運(yùn)行工況下，發(fā)動機(jī)也容易引起微粒排放增加。

●  豐田、大眾如何降低了顆粒物排放？

　　2005年，豐田在一臺代號為2GR-FSE的3.5L汽油發(fā)動機(jī)上，應(yīng)用了歧管噴射和缸內(nèi)直噴結(jié)合的D-4S混合噴射系統(tǒng)，有效地改善了低負(fù)荷工況下顆粒物排放嚴(yán)重的現(xiàn)象。它最開始被搭載在了2005年的美版雷克薩斯GS350和2006年的雷克薩斯IS350上面。隨后，這臺當(dāng)時(shí)可以稱得上“黑科技”的發(fā)動機(jī)便連續(xù)四年包攬了從2006年到2009年度的沃德十佳發(fā)動機(jī)大獎(jiǎng)。

　　前面我們講了缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)更容易產(chǎn)生顆粒物，促進(jìn)了霧霾的產(chǎn)生，而歧管噴射技術(shù)在提升燃效方面則不敵缸內(nèi)直噴技術(shù)，那如何“魚與熊掌兼得”呢？聰明的車企們便將這兩者結(jié)合起來，開發(fā)了缸內(nèi)直噴和歧管噴射兩者搭配的混合噴射系統(tǒng)。

　　目前，豐田也已經(jīng)全面應(yīng)用了D-4S混合噴射系統(tǒng)，如豐田漢蘭達(dá)、皇冠以及大部分的雷克薩斯車型上都有應(yīng)用，甚至豐田與斯巴魯合作研發(fā)豐田86和斯巴魯BRZ也采用了這項(xiàng)技術(shù)。

　　豐田這臺代號為8AR-FTS的2.0T發(fā)動機(jī)搭載了目前的一系列主流技術(shù)，不僅應(yīng)用了混合噴射系統(tǒng)，其采用了鋁合金缸體，發(fā)動機(jī)排氣歧管集成在了缸蓋上，使用水冷式中冷器為增壓空氣進(jìn)行降溫，發(fā)動機(jī)還能夠?qū)崿F(xiàn)奧托循環(huán)和阿特金森循環(huán)工況等等。

【FA20發(fā)動機(jī)混合噴射系統(tǒng)展示視頻如下】

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　　燃油混合噴射系統(tǒng)并不是豐田一家獨(dú)有的技術(shù)，大眾也同樣量產(chǎn)了類似技術(shù)的發(fā)動機(jī)，例如目前大眾邁騰、帕薩特和奧迪A4、Q7等車型上，所搭載的第三代EA888 2.0T發(fā)動機(jī)也擁有歧管噴射和缸內(nèi)直噴兩種噴油技術(shù)。

　　不同時(shí)機(jī)切換不同噴射方式的混合噴射系統(tǒng)，是目前平衡動力、燃效和解決直噴發(fā)動機(jī)排放弊端比相對完美的方案，但它也同樣是有短板的，在缸內(nèi)噴射燃油（幾十Bar甚至上百Bar）和在進(jìn)氣歧管內(nèi)噴射燃油（5Bar左右）所需要的噴油壓力是差別巨大的，所以具備混合噴射能力的發(fā)動機(jī)必須要有兩套燃油供給系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)和軟件標(biāo)定的都比較復(fù)雜。

　　因此，在任何一家車企的老板來看，額外加裝一套燃油供給系統(tǒng)便會帶來成本增加的問題，不僅是硬件的成本，從軟件層面來說，如何設(shè)定燃油噴射方式的切換時(shí)機(jī)、如何控制發(fā)動機(jī)的正時(shí)系統(tǒng)等等，需要開發(fā)一套新的控制策略，研發(fā)成本便不是一個(gè)小數(shù)目。

● 混合噴射并不是降低顆粒物排放的唯一法寶！

　　混合噴射系統(tǒng)彌補(bǔ)了單純缸內(nèi)直噴形式在發(fā)動機(jī)某些工況下的顆粒物排放嚴(yán)重問題，其實(shí)這并不是唯一的優(yōu)化方案。從成本和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度上來看，目前混合噴射系統(tǒng)都不太可能廣泛普及，為了減輕排放的壓力，更多的車企們能做的只是通過發(fā)動機(jī)參數(shù)標(biāo)定，在動力和排放之間取得一個(gè)平衡點(diǎn)。那有沒有結(jié)構(gòu)更簡單的解決辦法呢？排氣系統(tǒng)的供應(yīng)商早就為車企們想好了解決方案——排氣管內(nèi)加裝汽油機(jī)尾氣顆粒物捕捉器（gasoline particulate filter，以下簡稱GPF）。

　　目前，尾氣顆粒物捕捉器在柴油機(jī)車型上是比較常見的（柴油機(jī)的顆粒物排放更為嚴(yán)重），但在汽油機(jī)車型上還沒有廣泛應(yīng)用。此前，雖然缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)越來越普及，但迫于成本的壓力、基于排放標(biāo)準(zhǔn)的考慮，車企們并沒有想把GPF普及。如今環(huán)境問題愈演愈烈，排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，汽油機(jī)車型配備GPF似乎也勢在必行了。

　　早在兩年前，奔馳便意識到缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)的排放弊端，并透露開始了研發(fā)帶有尾氣顆粒物捕捉器GPF的發(fā)動機(jī)，正在奔馳S500上做相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。我們知道，佛吉亞是與奔馳聯(lián)系緊密的供應(yīng)商之一，可以推測奔馳的這項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃顯然與佛吉亞有著一定的關(guān)系。

　　新一輪更嚴(yán)格的歐洲排放法規(guī)將在2017年實(shí)施，各方面因素都讓歐洲車企們不得不開始更注重排放問題了。作為汽車的發(fā)明者、老牌的德國汽車廠商，奔馳推動汽油機(jī)上使用GPF可以說是順應(yīng)未來趨勢的一種做法。

● 降低氮氧化物排放的發(fā)動機(jī)技術(shù)

　　我們知道，除了顆粒物外，氮氧化物（NOx）也是導(dǎo)致霧霾的因素之一。對于氮氧化物的排放控制，目前其實(shí)車企們也已經(jīng)有了成熟的技術(shù)方案——廢氣再循環(huán)技術(shù)。

　　廢氣再循環(huán)技術(shù)（Exhaust Gas Recirculation，簡稱EGR），它把適量來自排氣管的廢氣導(dǎo)流至進(jìn)氣歧管與新鮮空氣一同進(jìn)入氣缸再次參與燃燒過程，通俗點(diǎn)來說就是“再嚼一遍剩飯”，從而讓混合氣更充分的燃燒，減少氮氧化物的生成量，降低了發(fā)動機(jī)的排放。

　　EGR并不是一種新技術(shù)，最早出現(xiàn)在柴油機(jī)上，目前在汽油發(fā)動機(jī)上也已沿用多年。早期的EGR系統(tǒng)把高溫廢氣不經(jīng)冷卻直接導(dǎo)流至氣缸內(nèi)參與燃燒，雖然能降低發(fā)動機(jī)的排放，但卻存在因氣缸溫度過高增加了爆燃的風(fēng)險(xiǎn)。目前，水冷式EGR系統(tǒng)成為了主流，廢氣在進(jìn)入進(jìn)氣歧管之前會利用散熱器進(jìn)行冷卻，這就改善了因進(jìn)氣溫度和氣缸溫度過高而導(dǎo)致的爆燃問題。

　　目前擁有廢氣再循環(huán)EGR系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)不在少數(shù)，不僅是合資品牌，如長安、奇瑞、比亞迪等中國品牌也有很多應(yīng)用此技術(shù)的發(fā)動機(jī)，當(dāng)然，最常見的還是在柴油機(jī)上。值得一提的是，EGR不僅僅能夠有效地降低發(fā)動機(jī)的氮氧化物排放，還能在一定負(fù)荷工況下提升發(fā)動機(jī)燃效，例如第四代在普銳斯的1.8升2ZR-FXE發(fā)動機(jī)上使用了EGR系統(tǒng)，幫助這臺汽油發(fā)動機(jī)史無前例地達(dá)到了40%的燃效�！　�

● 提升燃油效率就等于降低排放

　　每一滴燃油經(jīng)過發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)作功都會產(chǎn)生一氧化碳(CO)、碳?xì)浠��?HC)、氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)和顆粒物（PM）等，也就是說，讓每一滴燃油多作功，提升發(fā)動機(jī)燃效就等于降低了排放。提升發(fā)動機(jī)燃效的技術(shù)有很多，下面我們來聊聊比較主流的阿特金森循環(huán)技術(shù)和集成式排氣歧管設(shè)計(jì)。

　　目前，包括本田、豐田、大眾、通用、福特等多家廠商都在發(fā)動機(jī)上，采用了集成式排氣歧管的設(shè)計(jì)。下面我們還以大眾第三代EA888 2.0T發(fā)動機(jī)來說，它將排氣歧管都集成在缸蓋上，一方面能夠利用排氣歧管的溫度為冷卻液加熱，讓冷卻液快速達(dá)到工作溫度，減少暖機(jī)時(shí)間，這不僅能提升燃燒效率，還能一定程度上降低有害氣體的排放；另一方面冷卻液也能為排氣歧管內(nèi)的廢氣降溫，讓廢氣能以更低的溫度流向渦輪，實(shí)現(xiàn)更高的增壓效率。

　　對于降低排放來說，集成式排氣歧管在發(fā)動機(jī)冷啟動狀態(tài)下的貢獻(xiàn)尤為明顯。我們知道，冷啟動狀態(tài)下發(fā)動機(jī)氣缸燃燒室的溫度較低，還沒達(dá)到正常溫度，混合氣容易出現(xiàn)不完全燃燒的現(xiàn)象，造成大量未燃燒的碳?xì)浠�合物排放出來，影響了空氣質(zhì)量。另外，冷啟動狀態(tài)下用于催化還原尾氣的三元催化器也沒來得及達(dá)到最佳溫度，對一氧化碳、碳?xì)浠�物、氮氧化物等處理效果明顯不夠，縱容了有害氣體的排出。

　　豐田漢蘭達(dá)和皇冠上的那款2.0T（8AR-FTS）發(fā)動機(jī)，不僅擁有集成式排氣歧管、水冷式中冷器，還有一項(xiàng)大眾EA888沒有的技能——阿特金森循環(huán)技術(shù)，它是利用進(jìn)排氣側(cè)VVT調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對進(jìn)排氣門的控制，模擬出燃油經(jīng)濟(jì)性出眾的阿特金森循環(huán)運(yùn)行工況。

　　除了阿特金森循環(huán)技術(shù)，提升發(fā)動機(jī)燃效的方式其實(shí)還有很多，比如優(yōu)化發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)、提升渦輪增壓性能、降低發(fā)動機(jī)摩擦損失等等。但最重要的還是從根本上解決尾氣排放問題，才是改善霧霾天氣最直接的辦法。

總結(jié)：

　　盡管汽油發(fā)動機(jī)使勁渾身解數(shù)想在這場動力與排放的權(quán)衡之戰(zhàn)中完成一次自我救贖，但無論是大眾也好，還是三菱也罷，曝出的排放造假消息不斷打擊著人們對傳統(tǒng)動力的信心，再加之大眾的“2030年去內(nèi)燃機(jī)”計(jì)劃，或許內(nèi)燃機(jī)注定有一個(gè)黯淡無光的未來，但不管怎樣，現(xiàn)階段汽油發(fā)動機(jī)仍舊是市場的主角，它也有義務(wù)為環(huán)境做出一些有效的改變。

　　不可否認(rèn)的是，雖然相對工業(yè)污染和燃煤污染等來說，汽車發(fā)動機(jī)的尾氣對霧霾的影響沒有那么大，但它依舊是脫離不了干系的一份子�；�于能源結(jié)構(gòu)等大環(huán)境下，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)仍舊是不能割舍的汽車動力源，所以發(fā)動機(jī)只能通過自身技術(shù)的更新來盡量改善這樣的污染狀態(tài)，混合噴射系統(tǒng)、尾氣顆粒物捕捉器、廢氣再循環(huán)和尾氣后處理裝置等等，這些都能有效地降低發(fā)動機(jī)對霧霾的貢獻(xiàn)量。其中，一些技術(shù)在乘用車汽油發(fā)動機(jī)上還沒有廣泛普及，所以，今天我們對霧霾天氣的痛恨可以轉(zhuǎn)化為對這些技術(shù)普及的期待了。（文/圖 汽車之家 夏志猛 部分圖片來自于網(wǎng)絡(luò)）