被指霧霾禍源？ 看發動機如何技術反擊!

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

● 缸內直噴發動機有短板

　　促成霧霾天氣的原因有很多，毫無疑問工業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系。之前的文章《霧霾和積碳的元兇？談直噴發動機的弊端》中，我們探討了傳統動力車型的缸內直噴技術對于霧霾的影響。相比歧管噴射，缸內直噴讓發動機更容易產生PM2.5的顆粒排放，對霧霾的影響更大。

　　由于缸內直噴發動機的混合氣混合時間短，缸內燃燒模式大部分為擴散燃燒，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局部混合不均勻，出現高溫缺氧區域（缸內直噴發動機比歧管噴射發動機更容易讓氣缸處于高溫狀態），從而導致微粒大量生成。值得注意的是，冷啟動和大負荷運行工況下，發動機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汽油發動機上，應用了歧管噴射和缸內直噴結合的D-4S混合噴射系統，有效地改善了低負荷工況下顆粒物排放嚴重的現象。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，這臺當時可以稱得上“黑科技”的發動機便連續四年包攬了從2006年到2009年度的沃德十佳發動機大獎。

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

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

　　豐田這臺代號為8AR-FTS的2.0T發動機搭載了目前的一系列主流技術，不僅應用了混合噴射系統，其采用了鋁合金缸體，發動機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行降溫，發動機還能夠實現奧托循環和阿特金森循環工況等等。

【FA20發動機混合噴射系統展示視頻如下】

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　　燃油混合噴射系統并不是豐田一家獨有的技術，大眾也同樣量產了類似技術的發動機，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發動機也擁有歧管噴射和缸內直噴兩種噴油技術。

　　不同時機切換不同噴射方式的混合噴射系統，是目前平衡動力、燃效和解決直噴發動機排放弊端比相對完美的方案，但它也同樣是有短板的，在缸內噴射燃油（幾十Bar甚至上百Bar）和在進氣歧管內噴射燃油（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動機必須要有兩套燃油供給系統，結構和軟件標定的都比較復雜。

　　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，如何設定燃油噴射方式的切換時機、如何控制發動機的正時系統等等，需要開發一套新的控制策略，研發成本便不是一個小數目。

● 混合噴射并不是降低顆粒物排放的唯一法寶！

　　混合噴射系統彌補了單純缸內直噴形式在發動機某些工況下的顆粒物排放嚴重問題，其實這并不是唯一的優化方案。從成本和結構的復雜程度上來看，目前混合噴射系統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動機參數標定，在動力和排放之間取得一個平衡點。那有沒有結構更簡單的解決辦法呢？排氣系統的供應商早就為車企們想好了解決方案——排氣管內加裝汽油機尾氣顆粒物捕捉器（gasoline particulate filter，以下簡稱GPF）。

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

　　早在兩年前，奔馳便意識到缸內直噴發動機的排放弊端，并透露開始了研發帶有尾氣顆粒物捕捉器GPF的發動機，正在奔馳S500上做相關的實驗。我們知道，佛吉亞是與奔馳聯系緊密的供應商之一，可以推測奔馳的這項研發計劃顯然與佛吉亞有著一定的關系。

　　新一輪更嚴格的歐洲排放法規將在2017年實施，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。作為汽車的發明者、老牌的德國汽車廠商，奔馳推動汽油機上使用GPF可以說是順應未來趨勢的一種做法。

● 降低氮氧化物排放的發動機技術

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

　　廢氣再循環技術（Exhaust Gas Recirculation，簡稱EGR），它把適量來自排氣管的廢氣導流至進氣歧管與新鮮空氣一同進入氣缸再次參與燃燒過程，通俗點來說就是“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，降低了發動機的排放。

　　EGR并不是一種新技術，最早出現在柴油機上，目前在汽油發動機上也已沿用多年。早期的EGR系統把高溫廢氣不經冷卻直接導流至氣缸內參與燃燒，雖然能降低發動機的排放，但卻存在因氣缸溫度過高增加了爆燃的風險。目前，水冷式EGR系統成為了主流，廢氣在進入進氣歧管之前會利用散熱器進行冷卻，這就改善了因進氣溫度和氣缸溫度過高而導致的爆燃問題。

　　目前擁有廢氣再循環EGR系統的發動機不在少數，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用此技術的發動機，當然，最常見的還是在柴油機上。值得一提的是，EGR不僅僅能夠有效地降低發動機的氮氧化物排放，還能在一定負荷工況下提升發動機燃效，例如第四代在普銳斯的1.8升2ZR-FXE發動機上使用了EGR系統，幫助這臺汽油發動機史無前例地達到了40%的燃效�！　�

● 提升燃油效率就等于降低排放

　　每一滴燃油經過發動機氣缸內作功都會產生一氧化碳(CO)、碳氫化物(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，提升發動機燃效就等于降低了排放。提升發動機燃效的技術有很多，下面我們來聊聊比較主流的阿特金森循環技術和集成式排氣歧管設計。

　　目前，包括本田、豐田、大眾、通用、福特等多家廠商都在發動機上，采用了集成式排氣歧管的設計。下面我們還以大眾第三代EA888 2.0T發動機來說，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，讓冷卻液快速達到工作溫度，減少暖機時間，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的廢氣降溫，讓廢氣能以更低的溫度流向渦輪，實現更高的增壓效率。

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

　　豐田漢蘭達和皇冠上的那款2.0T（8AR-FTS）發動機，不僅擁有集成式排氣歧管、水冷式中冷器，還有一項大眾EA888沒有的技能——阿特金森循環技術，它是利用進排氣側VVT調節器實現對進排氣門的控制，模擬出燃油經濟性出眾的阿特金森循環運行工況。

　　除了阿特金森循環技術，提升發動機燃效的方式其實還有很多，比如優化發動機熱管理系統、提升渦輪增壓性能、降低發動機摩擦損失等等。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：

　　盡管汽油發動機使勁渾身解數想在這場動力與排放的權衡之戰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動力的信心，再加之大眾的“2030年去內燃機”計劃，或許內燃機注定有一個黯淡無光的未來，但不管怎樣，現階段汽油發動機仍舊是市場的主角，它也有義務為環境做出一些有效的改變。

　　不可否認的是，雖然相對工業污染和燃煤污染等來說，汽車發動機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�；�于能源結構等大環境下，傳統發動機仍舊是不能割舍的汽車動力源，所以發動機只能通過自身技術的更新來盡量改善這樣的污染狀態，混合噴射系統、尾氣顆粒物捕捉器、廢氣再循環和尾氣后處理裝置等等，這些都能有效地降低發動機對霧霾的貢獻量。其中，一些技術在乘用車汽油發動機上還沒有廣泛普及，所以，今天我們對霧霾天氣的痛恨可以轉化為對這些技術普及的期待了。（文/圖 汽車之家 夏志猛 部分圖片來自于網絡）