柴油發(fā)動機(jī)技術(shù)詳解

柴油機(jī)特點(diǎn)鮮明：低油耗，高扭矩是它的優(yōu)勢。功率低，噪音大是它的缺點(diǎn)。一路發(fā)展至今，柴油機(jī)和汽油機(jī)以其自身優(yōu)勢各自獨(dú)當(dāng)一面。然而在國內(nèi)，很多人對于柴油機(jī)并不了解。今天，我們走近柴油發(fā)動機(jī)，一起了解它的前世今生。

柴油機(jī)概況：

首先，我們來回顧一下柴油發(fā)動機(jī)的簡單概況。柴油和汽油都是石油的提取物，而且都用于車用內(nèi)燃機(jī)，但是它們之間卻有著巨大的特性差異。汽油是一種非常易燃的油品，一個小小的火星就可以將一大桶汽油引燃。

而柴油則不行，甚至用明火去點(diǎn)，在沒有引火物的情況下，柴油自身并不會被引燃。這就是二者發(fā)火性之間的差異。也是基于柴油的這種發(fā)火特性，使得柴油在抗爆性方面比汽油有著很大的優(yōu)勢。

如果注意過柴油發(fā)動機(jī)和汽油發(fā)動機(jī)壓縮比的人應(yīng)該有印象，通常柴油發(fā)動機(jī)的壓縮比要比汽油發(fā)動機(jī)的高一倍以上，就是得益于柴油的抗爆性好。高壓縮比的好處顯而易見，它可以讓燃燒更為充分。

汽油發(fā)動機(jī)的進(jìn)步其中有一項就是壓縮比的逐步提高，這也使得汽油的抗爆性越來越高，98號汽油的高昂價格已經(jīng)說明高抗爆性汽油的成本之高。

即便如此，普通燃燒方式的汽油發(fā)動機(jī)有11以上的壓縮比就很不錯了，而柴油發(fā)動機(jī)的這個數(shù)字常常能夠超過20。這無疑有利于充分燃燒，柴油發(fā)動機(jī)普遍比汽油發(fā)動機(jī)更省油的主要原因也在于此。

柴油的燃燒速度比汽油慢得多，這使得柴油混合氣點(diǎn)燃的速度要慢于汽油混合氣，常規(guī)的柴油發(fā)動機(jī)響應(yīng)慢，也是因?yàn)椴裼偷倪@個特性導(dǎo)致的。

另外柴油的揮發(fā)性也要比汽油慢，因此它不能像汽油發(fā)動機(jī)那樣通過進(jìn)氣負(fù)壓來吸進(jìn)混合氣，而是需要通過高壓油泵來將霧化的柴油壓人汽缸內(nèi)，才能與空氣充分混合。

所有以上這些柴油與汽油的特性差異，導(dǎo)致柴油發(fā)動機(jī)的整體設(shè)計與汽油發(fā)動機(jī)完全不一樣，它們的性能特點(diǎn)也有著很大的區(qū)別。

傳統(tǒng)柴油機(jī)：

傳統(tǒng)的柴油發(fā)動機(jī)扭矩很大，可靠性也非常高，但功率小、響應(yīng)差、低溫點(diǎn)火困難、污染嚴(yán)重等等，而且其震動噪音大，因此常常只能被一些載貨汽車采用，少數(shù)硬派越野車也會采用這種柴油發(fā)動機(jī)，但對于注重舒適的轎車或者公路SUV而言，在過去是很少有柴油發(fā)動機(jī)版本的。

傳統(tǒng)柴油機(jī)給人這種印象是因?yàn)榧夹g(shù)特性決定的。如前面所說，柴油的揮發(fā)性差，不能通過進(jìn)氣負(fù)壓被動吸人汽缸，因此柴油發(fā)動機(jī)必須靠油泵將燃油泵入汽缸內(nèi)。

所有的柴油發(fā)動機(jī)都采用高壓縮比設(shè)計，因此對于油泵的能量要求也很高。在民用車柴油發(fā)動機(jī)以前，幾乎所有的柴油發(fā)動機(jī)都是采用機(jī)械泵噴射的，它分為總泵和分泵兩部分，目的也是為了獲得足夠的泵油壓力。

這種活塞往復(fù)式的機(jī)械泵是靠凸輪來驅(qū)動的，凸輪的能量則源自曲軸。每個汽缸會有一個噴油器，每個噴油器又必須匹配一個油泵，這使得整臺發(fā)動機(jī)的油泵數(shù)量很多。

這種機(jī)械油泵不僅供油壓力有限，而且它們都是純機(jī)械式的，在往復(fù)運(yùn)動以及與凸輪發(fā)生作用的時候，會產(chǎn)生巨大的噪音，這是傳統(tǒng)柴油發(fā)動機(jī)噪音大的原因之一。

柴油發(fā)動機(jī)是靠壓燃式的，也就是在壓縮行程的末端，被壓縮的空氣產(chǎn)生高溫高壓以后，油泵將柴油以霧狀噴人汽缸內(nèi)自燃。這種“點(diǎn)火”方式如果發(fā)生在汽油發(fā)動機(jī)上，就相當(dāng)于爆震。

事實(shí)上，柴油發(fā)動機(jī)的爆震是不可避免的，它需要靠這種方式來實(shí)現(xiàn)混合物的點(diǎn)燃。柴油發(fā)動機(jī)之所以震動和噪音明顯大于汽油發(fā)動機(jī)，主要就是基于這個原因。

對于爆震本身任何內(nèi)燃機(jī)都是不希望看到的。對于柴油發(fā)動機(jī)而言，它的點(diǎn)火依靠爆震，但作為設(shè)計師而言則希望這個爆震控制在能夠點(diǎn)火的臨界點(diǎn)即可。多余的爆震自然會增加震動和噪音，乃至影響工作效率。

傳統(tǒng)柴油機(jī)純機(jī)械式的泵油方式，很難做到精準(zhǔn)控制，這使得爆震也難以精準(zhǔn)控制，所以這類發(fā)動機(jī)的震動和噪音都異常強(qiáng)烈。

很好理解，難以精準(zhǔn)控制的噴油量，使得空燃比實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制也變得不可能，因此傳統(tǒng)柴油發(fā)動機(jī)很難做到精確燃燒，排放加劇以及燃燒效率下降也就很自然了。

從上面的介紹可以看出，傳統(tǒng)柴油發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)：熱效率和經(jīng)濟(jì)性較好，柴油機(jī)采用壓縮空氣的辦法提高空氣溫度，使空氣溫度超過柴油的自燃燃點(diǎn)，這時再噴入柴油、柴油噴霧和空氣混合的同時自己點(diǎn)火燃燒。

因此，柴油發(fā)動機(jī)無需點(diǎn)火系。同時，柴油機(jī)的供油系統(tǒng)也相對簡單，因此柴油發(fā)動機(jī)的可靠性要比汽油發(fā)動機(jī)的好。

由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要，柴油機(jī)壓縮比很高。熱效率和經(jīng)濟(jì)性都要好于汽油機(jī)，同時在相同功率的情況下，柴油機(jī)的扭矩大，最大功率時的轉(zhuǎn)速低，適合于載貨汽車的使用。

但柴油機(jī)由于工作壓力大，要求各有關(guān)零件具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，所以柴油機(jī)比較笨重，體積較大；柴油機(jī)的噴油泵與噴嘴制造精度要求高，所以成本較高；另外，柴油機(jī)工作粗暴，振動噪聲大；柴油不易蒸發(fā)，冬季冷車時起動困難。

 

傳統(tǒng)柴油機(jī)高扭矩，高耐用性背后的問題很多，在精密的電控技術(shù)沒有出現(xiàn)之前，無法做到對發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程的精準(zhǔn)控制，造成功率小，污染嚴(yán)重等問題。大量機(jī)械油泵，為應(yīng)付柴油特性而設(shè)計的堅固缸體，讓傳統(tǒng)柴油發(fā)動機(jī)震動大噪音大，同時成本較高。另外也正是由于柴油自身發(fā)火性弱，讓柴油發(fā)動機(jī)在低溫狀態(tài)下不易點(diǎn)火。

柴油發(fā)動機(jī)的發(fā)展

柴油機(jī)高扭矩，節(jié)能，耐用性高的優(yōu)勢，是包括汽油機(jī)在內(nèi)的所有熱力發(fā)動機(jī)都無法取代的。但是自身缺陷也極為明顯。因此，要想使柴油發(fā)動機(jī)普遍應(yīng)用于現(xiàn)代的乘用車輛，包括轎車、SUV、越野車等，就必須解決很多問題，于是一些新技術(shù)隨之出現(xiàn)。

1．關(guān)鍵零部件技術(shù)：如油泵油嘴和增壓中冷技術(shù)。

2．燃油品質(zhì)：優(yōu)質(zhì)低硫的柴油是柴油機(jī)滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的前提。

3．電控技術(shù)：柴油機(jī)電控技術(shù)對于發(fā)動機(jī)綜合性能的優(yōu)化和提高至關(guān)重要。

4．排放后處理關(guān)鍵技術(shù)：如廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)、微粒捕集技術(shù)以及NOx催化轉(zhuǎn)化技術(shù)。

5．整機(jī)開發(fā)及匹配技術(shù)：如柴油機(jī)燃油、進(jìn)氣及燃燒系統(tǒng)的匹配與優(yōu)化技術(shù)，重型車用及轎車用柴油機(jī)技術(shù)。

6．柴油機(jī)的制造、工藝及材質(zhì)等技術(shù)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是電控技術(shù)的出現(xiàn)，所有關(guān)于柴油發(fā)動機(jī)的難題相繼被攻克，各大汽車公司都擁有了成熟的乘用車柴油發(fā)動機(jī)。比如大眾公司的TDI發(fā)動機(jī)，奔馳公司的BLUETEC發(fā)動機(jī)，豐田的D4D發(fā)動機(jī)，等等。

柴油發(fā)動機(jī)的核心技術(shù)——高壓共軌技術(shù)

“CRDI”是英文CommonRailDirectInjection的縮寫，意為高壓共軌柴油直噴技術(shù)。

目前世界上主要有三大公司在研發(fā)和生產(chǎn)柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)，日本電裝、德國博世和美國福特。共軌系統(tǒng)將燃油壓力產(chǎn)生和燃油噴射分離開來，如果把單體泵柴油噴射技術(shù)比做柴油技術(shù)的革命的話，那共軌就可以稱作反叛了，因?yàn)樗畴x了傳統(tǒng)的柴油系統(tǒng)而近似于順序汽油噴射系統(tǒng)。共軌系統(tǒng)開辟了降低柴油發(fā)動機(jī)排放和噪音的新途徑。

簡單來說，高壓共軌直噴技術(shù)是靠一臺電子泵帶動整個發(fā)動機(jī)的供油，簡化了結(jié)構(gòu)；供油壓力不再隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)而變化，實(shí)現(xiàn)了對噴油的精確控制；同時相比機(jī)械泵，大幅度降低了噪音；由于供油系統(tǒng)能產(chǎn)生更大的壓力，實(shí)現(xiàn)了缸內(nèi)直噴加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)性和動力性。

如大眾的TDI（直噴式渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)）技術(shù)為德國博世公司研發(fā)的。福特的TDCi（TurboDieselCommon-railInjection）技術(shù)是美國福特研發(fā)的。豐田的D4D（DirectInjection4StrokeDieselEngine）技術(shù)源于日本電裝。

共軌系統(tǒng)由高壓泵、噴油管、高壓蓄壓器（共軌）、噴油器、電控單元和傳感器及執(zhí)行器組成。

共軌式噴油系統(tǒng)主要的貢獻(xiàn)就是將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此完全分開，通過對共軌管內(nèi)的油壓實(shí)現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速基本無關(guān)。

這一柴油發(fā)動機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新最大限度地降低了柴油發(fā)動機(jī)車型的振動和噪聲，同時將油耗進(jìn)一步降低，使排放更加清潔。

但共軌技術(shù)的噴油壓力低于泵噴嘴系統(tǒng)，一般只能達(dá)到160MPa左右。由于噴油壓力調(diào)節(jié)寬泛，采用共軌技術(shù)的柴油車能更好地適應(yīng)各種工況，起步也不會困難。

博世公司首家于1997年開始批量生產(chǎn)共軌燃油噴射系統(tǒng)的乘用車，當(dāng)時博世和奔馳聯(lián)合推出共軌技術(shù)柴油奔馳C級別車，而在當(dāng)時阿爾法羅密歐156也是最早使用高壓共軌的乘用車之一。柴油共軌系統(tǒng)已開發(fā)了3代。以博世的共軌技術(shù)為例：

第一代共軌高壓泵總是保持在最高壓力，導(dǎo)致燃油的浪費(fèi)和很高的燃油溫度。第一代共軌系統(tǒng)為商用車設(shè)計的，最高噴射壓力為140MPa，乘用車噴射壓力為135MPa。

第二代共軌系統(tǒng)可根據(jù)濰柴發(fā)動機(jī)需求而改變輸出壓力，并具有預(yù)噴射和后噴射功能。帶有控制油量的油泵，噴射壓力能達(dá)到160MPa。即使在壓力較低的情況下，該系統(tǒng)也可以根據(jù)實(shí)際狀況提供適量的噴油壓力。

不僅有助于降低燃油消耗，而且還可以降低燃油溫度，從而省去燃油冷卻裝置。預(yù)噴射降低了發(fā)動機(jī)噪聲：在主噴射之前百萬分之一秒內(nèi)少量的燃油被噴進(jìn)了汽缸壓燃，預(yù)熱燃燒室。預(yù)熱后的汽缸使主噴射后的壓燃更加容易，缸內(nèi)的壓力和溫度不再是突然地增加，有利于降低燃燒噪音。

在膨脹過程中進(jìn)行后噴射，產(chǎn)生二次燃燒，將缸內(nèi)溫度增加200～250℃，降低了排氣中的碳?xì)浠衔铩２┦拦镜牡诙曹壪到y(tǒng)產(chǎn)品已經(jīng)在沃爾沃的S60、V70D5及寶馬的230d等乘用車上試用。

第三代共軌系統(tǒng)帶有壓電直列式噴油器。2003年，第三代共軌系統(tǒng)面世，壓電式（piezo）共軌系統(tǒng)的壓電執(zhí)行器代替了電磁閥，于是得到了更加精確的噴射控制。省去了回油管，在結(jié)構(gòu)上更簡單。壓力從20～200MPa彈性調(diào)節(jié)。

最小噴射量可控制在0.5mm3，減小了煙度和NOX的排放。最高噴射壓力達(dá)到180MPa。此套采用新研發(fā)的壓電直列式噴油器的系統(tǒng)使帶預(yù)噴和后噴的噴油率曲線范圍更為自由。

與其它噴射系統(tǒng)相比，共軌系統(tǒng)把壓力產(chǎn)生與實(shí)際燃油噴射過程分離?！败墶北蛔鳛楦邏盒顗浩?，其內(nèi)部燃油壓力始終保持與發(fā)動機(jī)具體工況相適應(yīng)的最佳壓力。共軌系統(tǒng)可被輕易地安裝到各類不同的濰柴發(fā)動機(jī)中。

除此之外，共軌系統(tǒng)還提供了更廣闊的擴(kuò)展功能和在燃燒過程設(shè)計上更多大的自由度，它可以使柴油發(fā)動機(jī)以更低的排放、更好的燃油經(jīng)濟(jì)性和低噪聲運(yùn)行。電控共軌系統(tǒng)，是國內(nèi)專家一致認(rèn)為目前水平最高、將來會占統(tǒng)治地位的一種電控系統(tǒng)。

其噴油器的特殊設(shè)計，可實(shí)行靈活的多次噴射，且噴射壓力可在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷條件下任意調(diào)節(jié)，給發(fā)動機(jī)帶來的好處是極為理想的指標(biāo)。由于這些因素，電控共軌技術(shù)已普遍為新一代乘用車柴油發(fā)動機(jī)采用。