已非昔日阿蒙!21世纪柴油发动机详解.docx

柴油发动机一一可以说是进入21世纪以来，全球汽车市场最热门的话题之一。并且随着油价 的不断攀升，柴油发动机省油的特性，令其在市场上倍受关注。柴油发动机，在国内市场，并不为普通民众所熟悉。柴油发动机由于排放不清洁而受到 法规的限制，因此在国内某些大城市，如首都北京禁止小型柴油轿车上牌，其他很多地方也 只能见到使用柴油发动机的卡车和大客车等。然而在我国对柴油小车采取限制的同时，柴油发动机省油、低转速扭矩输出大的特性， 一直为国际车厂所喜欢，也成为都市生活最合适的动力系统选择。在经过数十年的研发之后， 国际车厂已开发出各方面均不逊于汽油发动机的产品，使其不论在性能、排放等方面，均与 汽油发动机平分秋色。而在柴油炼制成本较低的情形之下，柴油发动机更是受到先进国家消费者的喜爱，甚至连高 价位的豪华车，亦纷纷搭载柴油发动机，其表现之优异可见一斑。随着时代的进步，技术的发展，也是实际的需要所致，限制柴油汽车的相关法规，也正 在逐渐修改完善，令柴油车可以在汽车市场中施以长计。究竟柴油发动机与汽油发动机之间 有什么不同呢？内燃机的崛起在机械工程学的定义中，凡利用热能而产生动力的机械，统称为热机(Heat Engine) 0 而热机又分为内燃机与外燃机两大类，燃料在热机内部燃烧产生热能，再将热能转变为机械动力者，皆称为内燃机，如汽油发动机、柴油发动机、燃气涡轮发动机等。而燃料在热机外 燃烧者称为外燃机，如蒸气机。在一般常见的发动机中，又分为利用点火器(如火花塞)点火的火花点火(SI)发动机，及 利用高压高温空气使燃料燃烧的压缩点火(CI)发动机。汽油发动机属于火花点火发动机，柴 油发动机则属压缩点火发动机。十八世纪末期，瓦特(James Watt)发明了蒸气机促使了英国第一次的工业革命，也改变 了人类的生活方式，使人们由自身劳力或畜力转而利用机械动力。一百年后(1876年)，德国 人奥图(Nikolaus Otto)发明了第一具四冲程内燃发动机，随后(1887年)，戴姆勒(Daimler) 将四冲程发动机成功应用于汽车上。公元1892年，德国工程师狄赛尔(Rudolf Diesel)发明 了燃烧效率较高的非火花点火发动机，并取得专利，这是内燃机发展的一个新里程碑。柴油发动机的发展在奥图发明了第一台四冲程内燃发动机后，当时许多工程师都致力于内燃机的发展，但 是多以火花点火发动机为发展方向，如梅赛德斯-奔驰的创办人戴姆勒，正是将汽油发动机 应用于车辆的始祖。但由于当时点火装置技术并不成熟，狄赛尔便以空气压缩使温度升高的 理论，朝向压缩点火方向发展内燃机技术。也就是先将气缸内的空气压缩至高温，再将燃料 注入燃烧室，燃料因高温高压而自燃，产生发动机所需动力柴油发动机之父一一狄赛尔(Rudolf Diesel)另辟蹊径，在奥图循环发动机之外，开创 了柴油发动机的新世界！由于要将空气加热至燃料的燃点温度，需要极大的压力，当时的燃油一一汽油在如此高 温高压下，会产生猛烈的爆震，所以狄赛尔必须发展不同的燃油，他甚至曾经尝试使用植物 油，而最后选定了当时最不受重视的柴油。柴油因不易点燃不能作为火花点火发动机燃料， 并且柴油点燃后会产生黑烟，也不能像煤油般作为照明燃料，所以在那时不受重视。但是柴 油稳定不易爆震的特性，正好可作为压缩点火发动机使用。经过将近二十年的研发，第一具压缩点火发动机于1892年问世，同年，狄赛尔也取得此 项技术专利。由于狄赛尔的柴油发动机在发展初期技术尚未成熟，尽管它有不错的热效率及 省油特性，在当时却很难与技术已经成熟的汽油发动机竞争。然而狄赛尔却仍将它推入市场 中，导致他销售的20台柴油发动机一一招致退货，并且在往后一段时间，人们都无法接受柴 油发动机。而失意的狄赛尔也于1913年10月29日投海自尽。柴油发动机在沉寂了一段时间后，美国Cummins公司在1924年时，将供油喷射泵应用于 柴油发动机上，解决了当时狄赛尔以高压空气供油方式的不稳定运转，并首度将柴油发动机 装于卡车上，奠定了车辆使用柴油发动机的基础。1936年，柴油发动机也搭载于梅赛德斯- 奔驰260D，这也是柴油发动机首次应用于轿车。替代能源前合适的过渡方案汽车之家 柴油发动机由于动力大而且省油，但早期因噪音及黑烟的排放，所以多为大型车辆及工 程机械所使用。而柴油发动机正因扭矩大而省油的特性，也让欧洲许多车厂致力改进以适用 于小型车辆上。在共轨直喷与可精确供油的压电式喷嘴技术成熟后，柴油发动机更适合小行 车使用。在寻求替代能源的现今，柴油发动机虽不是终极的方案，但是柴油发动机的省油特性，可作为十分合适的过渡方案。柴油发动机分为二冲程与四冲程有别于汽油的火花点火(SI)发动机，柴油发动机为压缩点火(CI)发动机。与汽油发动机 一样，柴油发动机依其运转方式可分为四冲程与二冲程发动机。二冲程柴油发动机可能大家 较为陌生，但是当过装甲兵的读者，对于坦克装甲车上使用的八缸二冲程柴油发动机，应该 会有点印象。用在一般车辆上的柴油发动机，还是以四冲程居多，以下内容还是以介绍四冲 程柴油发动机运作原理为主。四冲程柴油发动机的运作原理柴油发动机以压缩点火的方式，利用空气的高温点燃柴油，产生动力。进气行程排气门关闭而进气门打开。当活塞从上止点往下行时，仅有在进气歧管中的空气经由进 气门被吸入气缸中，此时并没有燃油进入气缸内。压缩行程在进气行程结束后，并当活塞从下止点开始往上走时，进气门即关闭并停止进气。在活 塞上升的同时压力和温度便开始增加。在柴油发动机中，空气必需被压缩加热，直至它到达 点火温度以上。做功行程当压缩行程接近终了时，喷油嘴将燃油以雾化方式喷出，经压缩加热后之空气即会点燃 被雾化的燃油。在此结果下，气缸内的压力将迅速上升并将活塞往下推，此推力变成让曲轴 产生转动的力量。排气行程在燃烧过程结束后，并当活塞往下走接近下止点时，排气门即会开启。当活塞再度往上 行时，废气便经由排气门、排气歧管和消音器将废气排出。高压缩比与压缩点火奥迪的柴油技术也非常成熟，其TDI涡轮增压柴油发动机具有动力强大、省油和排放清 洁的众多优点。柴油发动机在机构组件方面，非常类似于汽油发动机的，但是汽油发动机主要是靠火花 塞来点燃混合气，而柴油发动机则是纯粹导入空气并经过高压缩比（1623:1）的气缸容积来 压缩空气，使所压缩的空气其温度迅速上升超过500°C，然后经由喷油嘴将柴油注入加以雾 化，之后藉由已被压缩的空气所产生的高温来自行点燃雾化的柴油。因此柴油发动机不需使 用点火系统，但它仍需要喷射泵和喷油嘴所组成的燃油喷射系统。为什么可以靠压缩空气来点燃油气，而不需要火花塞呢？原因是当空气分子被导入气缸 压缩后，空气中分子受到互相冲撞与摩擦，因而使分子移动速度迅速增加。空气分子加速表 示已从外部吸收了能量，造成温度上升。然而要使气缸内空气达到能够点燃柴油温度，是需 要很高压缩比的，所以高压缩比是柴油发动机必备的一大特性。柴油发动机与汽油发动机的应用与发展，至今已有一个多世纪之久，两种发动机各有其 市场，也各有其应用领域。一般来说，柴油发动机因为它所产生的动力较大，而运转度较低， 多半应用于船舶、重型车辆及大型机械；而汽油发动机因其体积与重量小，运转精致且适合 高速运转，可应用于轿车、割草机等小型机械及小型螺旋桨飞机等。主流的四冲程柴油发动机（图右）与四冲程汽油发动机（图左）的设计类似，主要差别在于压缩点火与火花塞点火。新一代的柴油发动机大多采用共轨直喷技术，而汽油发动机则 朝向缸内燃油直喷的方向发展。由于柴油发动机技术不断更新，越来越多轿车及商旅车采用小排气量的柴油发动机，到 底柴油发动机车与汽油发动机车有什么不同呢？以下将就其机械特性与行驶特性对柴油和 汽油发动机做比较，而柴油发动机以目前广泛应用于小型车的共轨直喷发动机为比较对象。机械特性柴油发动机与汽油发动机在机械特性上的差异汽油发动机柴油发动机（共轨直喷型）燃油汽油、液化石油气柴油进气混合气/纯空气纯空气点火方式火花点火（火花塞）压缩点火压缩比6 11： 11623： 1负载控制控制混合比控制燃油量空燃比1317 （混合比浓度）16： 1以上（空气超过燃油的稀薄燃烧）燃烧压力5070bar6090bar热效率25 30%35 40%燃料雾化利用真空或高压喷嘴使汽油雾化使用高压喷嘴使柴油雾化燃料特性燃点越高越好燃点越低越好燃烧过程混合燃烧（火焰传播）扩张燃烧火焰最高转速7500rpm 以上4500rpm 左右废气温度高低发动机重量轻重前面我们为您详细介绍了柴油发动机的历史、发展以及其工作基本原理，接下来我们将深 入介绍柴油发动机的供油系统，包括直接喷射VS间接喷射及柱塞式喷射泵系统VS共轨式 喷射系统。各种不同形式的柴油发动机除排气量的不同外，最大的差别在于其燃烧室及供油系统设 计。柴油发动机依燃烧室设计不同，可分为直接喷射(DI)式及间接喷射(IDI)式两种，间接 喷射又可分为预燃室型与涡流式型两大类。直接喷射式：直接喷射发动机的缸头燃烧室设计是平的，主燃烧室位于活塞上端锻造成的特殊的凹陷 空间内，并经过处于凹洞中央处的多孔型喷油嘴来完成迅速将燃油喷的之目的。直接喷射式柴油发动机将燃油直接注入气缸中优点：燃烧室构造简单且表面积较小，热损失和耗油率低；缸头构造简单，受热变形机会小；发动机启动容易且不需预热塞；燃烧室表面积的容积率小，冷却损失亦小。缺点：对燃油的可燃性级数的要求较高；需要较高的燃油喷射压力；使用的多孔型喷油嘴价格较高；喷油嘴微小的衰退会大大影响发动机的性能；因其气流涡动较弱，空气的使用率较差，不适合在高转速运作。预燃室型间接喷射:预燃室位于主燃烧室上方，在燃烧冲程前期，喷油嘴将燃油喷入预燃室中产生局部燃烧， 因而产生高温高压气体。随此压力，剩余的燃油经喷油嘴的油孔喷出并进入主燃烧室中，然 后与涡动的空气混合来完全燃烧。预燃室型发动机，它的燃烧过程分两阶段完成，差别是在 燃油与空气的混合是利用从预燃室所喷出的气流来完成。预燃式型间接喷射柴油发动机，先在预燃室内点火，再点燃主燃烧室优点：因燃油喷射压力相对较低(80150bar)，燃油系统故障较率低且寿命较长；对燃油可燃性级数要求较低；运行较宁静且不易发生爆震空气与燃油的混合状况较佳。缺点：缸头构造复杂；因预燃室的表面积容量大，所以冷却损失亦较大；发动机启动困难且需预热系统；需较大启动扭力，也就是需要高功率的启动马达；耗油率较直接喷射式更高。涡流型间接喷射：涡流型在压缩冲程期间，空气流入涡流室，当燃油喷入时会产生强大的涡动效果，然后 到达燃烧室。燃油点燃是借着喷入涡流室的燃油与空气混合时产生强烈的循环而发生。在预 燃室型式中，燃油仅局部被点燃，但在涡论室型式中，所有的燃油均被点燃。因此，涡流室 的容积占整个燃烧室容积的7080%以上。涡流室型式的燃烧特性介于直接喷射式与预燃室型 式之间。涡流型间接喷射是介于直接喷射和预燃室型间接喷射之间的设计优点：燃油与空气之混合状况较佳，发动机转速与平均有效压力可提升；具更低的喷射压力；因发动机的转速范围更广，发动机运转更平顺。缺点：缸头构造复杂；热效率较直接喷射式低；在低速时容易发生爆震在发动机启动期间需要预热塞。各种柴油系统比较：柱塞式喷射泵系统VS共轨式喷射系统柴油发动机的燃烧方式是将燃油喷入燃烧室中，并于燃烧室中之空气混合来产生自燃。 因此，为达最大性能与平稳运行的情况，必须有适当的喷油量与喷油时机。同时，在喷入燃 油之时必须要让燃油以雾化形式来喷出以获取平顺的燃烧效果。简单的说，柴油发动机的供 油系统必须在喷油量、喷油时间及燃油雾化三方面有准确的控制。下面我们将介绍柱塞式喷射泵系统及共轨式喷射系统这两种不同柴油发动机之供油系 统。柱塞式喷射泵系统：柱塞式喷射泵系统为传统柴油发动机所采用之供油系统，因为其制造技术成熟成本低， 目前仍广为中大型柴油发动机采用。其运行方式是由供油泵将燃油自油箱吸至喷射泵内，喷射泵内有一凸轮轴，凸轮轴由发 动机传动。凸轮轴转动使得凸轮依发动机旋转正时来压动控制各缸喷油压力的柱塞，以建立 燃油压力，并将燃油藉由高压油管输送至各缸喷油嘴，并将燃油注入汽缸内，而喷油嘴的启 闭是由发动机凸轮轴所控制。因为是由发动机运转来驱动喷射泵，所以燃油压力会随着发动 机转速的不同而改变。柱塞式喷射泵系统虽广为柴油发动机采用，但因为其喷射泵是以机械方式驱动，无法依 据发动机负荷状况提供精确的供油量；并且由于喷射泵至各缸的距离并不相同，使得输送至 各缸的燃油压力不尽相同。这样的缺陷会降低发动机运转的精致性，并增加噪音、排污及油 耗。共轨式喷射系统：新的共轨式柴油发动机，具有控制精准、重量轻等优势，能有效控制排放共轨式喷射系统是由高压泵将燃油加压，并输送至具有调压阀的共享油轨中，再由喷油 嘴将油轨中的燃油注入汽缸中。目前应用于小型车及商旅车的共轨直喷发动机，是由发动机 控制系统(ECU)来控制高压泵、调压阀及喷油嘴等组件之运作，使得燃油在极高的压力下， 仍能依据当时之发动机负载及转速准确地调整喷油量，让发动机运转顺畅，并且运转噪音及 排污量都较传统柴油发动机小了许多。并且喷油泵体积及重量也较柱塞式喷射泵小，减轻不 少发动机重量。