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处理方法呢?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)。
目前,尾气颗粒物捕捉器在柴油机车型上是很常见的(柴油机的颗粒物排放更为严重),但在汽油机车型上还没有大范围的应用。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,排放标准逐步的提升,汽油机车型配备GPF似乎也势在必行了。
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。我们大家都知道,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。
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。
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。
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。
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。
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时候的温度,减少暖机时间,这不仅能提升燃烧效率,还能某些特定的程度上降低有害化学气体的排放;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。
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。我们大家都知道,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,混合气有可能会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有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,纵容了有害化学气体的排出。
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。
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。
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,所以发动机只可以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 部分图片来源于于网络)