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TDI高壓共軌直噴柴油發動機詳解

2010-04-14 14:24:19

柴油和汽油都是石油的提取物,而且都用于車用內燃機,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,在沒有引火物的情況下,柴油自身并不會被引燃。這就是二者發火性之間的差異。

也是基于柴油的這種發火特性,使得柴油在抗爆性方面比汽油有著很大的優勢。如果注意過柴油發動機和汽油發動機壓縮比的人應該有印象,通常柴油發動機的壓縮比要比汽油發動機的高一倍以上,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。汽油發動機的進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動機有11以上的壓縮比就很不錯了,而柴油發動機的這個數字常常能夠超過20。這無疑有利于充分燃燒,柴油發動機普遍比汽油發動機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燃的速度要慢于汽油混合氣,.常規的柴油發動機響應慢,也是因為柴油的這個特性導致的。另外柴油的揮發性也要比汽油慢,因此它不能像汽油發動機那樣通過進氣負壓來吸進混合氣,而是需要通過高壓油泵來將霧化的柴油壓人汽缸內,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,導致柴油發動機的整體設計與汽油發動機完全不一樣,它們的性能特點也有著很大的區別。傳統的柴油發動機扭矩很大,可靠性也非常高,但功率小、響應差、低溫點火困難、污染嚴重等等,而且其震動噪音大,因此常常只能被一些載貨汽車采用,少數硬派越野車也會采用這種柴油發動機,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動機版本的。

傳統柴油機給人這種印象是因為技術特性決定的。如前面所說,柴油的揮發性差,不能通過進氣負壓被動吸人汽缸,因此柴油發動機必須靠油泵將燃油泵入汽缸內。所有的柴油發動機都采用高壓縮比設計,因此對于油泵的能量要求也很高。在民用車柴油發動機以前,幾乎所有的柴油發動機都是采用機械泵噴射的,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。這種活塞往復式的機械泵是靠凸輪來驅動的,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,這使得整臺發動機的油泵數量很多。這種機械油泵不僅供油壓力有限,而且它們都是純機械式的,在往復運動以及與凸輪發生作用的時候,會產生巨大的噪音,這是傳統柴油發動機噪音大的原因之一。

柴油發動機是靠壓燃式的,也就是在壓縮行程的末端,被壓縮的空氣產生高溫高壓以后,油泵將柴油以霧狀噴人汽缸內自燃。這種“點火”方式如果發生在汽油發動機上,就相當于爆震。事實上,柴油發動機的爆震是不可避免的,它需要靠這種方式來實現混合物的點燃。柴油發動機之所以震動和噪音明顯大于汽油發動機,主要就是基于這個原因。

對于爆震本身任何內燃機都是不希望看到的。對于柴油發動機而言,它的點火依靠爆震,但作為設計師而言則希望這個爆震控制在能夠點火的臨界點即可。多余的爆震自然會增加震動和噪音,乃至影響工作效率。傳統柴油機純機械式的泵油方式,很難做到精準控制,這使得爆震也難以精準控制,所以這類發動機的震動和噪音都異常強烈。很好理解,難以精準控制的噴油量,使得空燃比實現精準控制也變得不可能,因此傳統柴油發動機很難做到精確燃燒,排放加劇以及燃燒效率下降也就很自然了。

只有有效解決好這些問題的柴油機,才有可能被普通民用車所采用。現在越來越多的SUV,上都開始普及柴油發動機,特別是在歐洲,柴油發動機的高扭矩特性非常適合這種車型。許多沒有適合自己車型高性能柴油發動機的廠商,都會選擇外購的方式為它旗下的SUV配備柴油發動機版本。像三菱的歐藍德、歐寶的ANTARA等等,都是采用這種方式。這些高性能的柴油發動機都是通過什么方法來解決柴油機的這些問題,以至于它們可以廣泛采用在這些類似于轎車的公路型SUV上的呢?下面我們就以大眾著名的TDI發動機為例,來介紹一些新型柴油發動機的技術。

TDl是英文Turbo Charged Direct lnjection的縮寫,翻譯成中文就是渦輪增壓+電控共軌柴油直噴的意思。這種采用了新型技術的柴油發動機,保留了柴油發動機優點的同時,在震動噪音以及動力方面,已經達到甚至超過汽油發動機的性能,因而得到歐洲用戶的普遍歡迎。TDl只不過是新型柴油發動機的一種,它并非大眾獨有的某種技術,其他廠商也有類似技術的柴油發動機。

要解決柴油發動機震動噪音大的問題,就必須將其最主要的根源問題解決。前面說過,柴油發動機震動噪音大,主要是因為爆震和機械式油泵,前者與精準控制噴油量有關,后者則直接與油泵本身有關,于是用電子泵取代機械泵便成為一種必然一事實上大眾的發動機工程師就是這么做的。這種電子泵的結構與活塞往復式的機械泵不同,它是靠渦輪葉片的旋轉來將燃油泵入燃燒室的,其工作原理與汽油泵類似,但強度和產生的壓力要大得多。

普通的柴油發動機每個噴油器要對應一個油泵,這也是產生噪音的根源之一。TDI采用共軌技術,達到只用一個油泵就可以實現整個發動機的供油。共軌技術與汽油發動機上的多點電噴類似,在一根“共軌”上安裝四個(對應四缸發動機)噴油器,然后有一個油泵向“共軌”中供油。而噴油器的開啟和關閉,則是靠電腦來控制的,這個原理與電噴汽油發動機類似。這樣一來,由于機械泵產生的噪音就杜絕掉了。但這肯定不是TDI將機械泵改電子泵的所有訴求。

電子泵的供油壓力要比機械泵大得多,這使得缸內直噴得以實現。我們在了解到汽油發動機缸內直噴技術的時候,常常會說到這項技術源自柴油發動機,而事實上,直接在缸內噴射的柴油發動機只有在實現電子泵以后才真正得以實現。這也是因為柴油發動機的壓縮比很高,壓縮沖程的壓力比汽油發動機大很多,這需要超高的噴油壓力,這在之前的機械泵是無法實現的。

傳統柴油發動機的噴油器是被動工作的,也就是油泵在有壓力的時候,就會因壓力而將柴油噴入汽缸。這種完全由油泵控制的噴油過程。自然無法實現電腦控制噴油,這種方式從某種程度上說,和采用化油器的汽油發動機類似,因為它們都無法實現對于噴油量的精確控制。而TDI采用的噴油器是靠電磁閥控制的,噴油正時和噴油量,都可以由電磁閥根據ECU發出的指令來精確控制,這就好比汽油發動機的電噴技術一般。不僅如此,TDI發動機還可以實現柴油發動機的閉環控制,這在之前的柴油發動機是不存在的。氧傳感器等傳感部件將尾氣情況反饋給ECU,從而可以根據尾氣判斷燃燒狀況,進而進一步調整供油濃度,實現混合氣的充分燃燒。

這種精準的供油控制,再加上電子泵產生高壓下的噴油壓力,使得發動機缸內產生的強大渦流可以使霧狀柴油與空氣充分混合,這樣一來可以最大程度地減小爆燃的幾率。這種綜合技術的采用,從根本上大大降低了柴油發動機的震動和噪音。

TDI的另一項技術則是渦輪增壓,這種技術現在已經被廣泛運用在許多汽油發動機上,但實際上它在柴油發動機上采用的意義要比汽油發動機大得多。柴油的抗爆性遠高于汽油發動機,這使得渦輪增壓技術最大的問題得以很好地解決,那就是被壓縮的空氣更容易引起爆燃。在柴油發動機上配備渦輪增壓技術,可以讓發動機的工作效率進一步提升。被壓縮的混合氣在汽缸內的濃度比自然吸氣的發動機要大得多,再加上伴隨的高溫高壓,這些混合氣可以得到進一步的充分燃燒,從而獲得更大的升功率和排放更少的有害氣體。

通過這些新技術的采用,使得TDl成為一款非常適合轎車和豪華SUV使用的柴油發動機。雖然它的震動噪音仍然會比同技術含量的汽油發動機大一些,但是通過好的平衡技術、發動機減震技術以及發動機艙的隔音降噪技術,在實際駕駛采用這種柴油發動機車型的時候,基本上感覺不到與汽油發動機明顯的區別。

在性能方面與汽油發動機越來越接近的同時,TDl這種新型柴油發動機依然很好地保留了柴油發動機的特有優勢。柴油發動機得益于超高的壓縮比,從而可以獲得比汽油發動機更高的燃燒效率,最直接的好處就是可以有效降低燃油消耗。柴油發動機更省油想必已經不是什么新聞了,同等動力條件的柴油發動機,可以比汽油發動機節省30%以上的燃油消耗。這種極其顯著的節油效果,使得許多歐洲廠商甚至把它作為與混合動力等新型節能技術抗衡的發動機技術。

更充分的燃燒效率還意味著有害氣體排放的降低,這一點好像很多人并不認可。其實這是被那些傳統柴油發動機噴出的黑煙所蒙蔽的。這種黑煙主要是碳顆粒,這確實是柴油發動機的主要排放物之一。即使是現在最先進的柴油發動機,它的碳顆粒排放仍然要顯著高于汽油發動機,但并沒有高到我們平時看到的那些“墨斗魚”那么恐怖。由于實現噴油的精準控制,TDl的碳顆粒排放量已經顯著降低,以至于單靠肉眼并不能很輕松地判斷某款車是否采用的是柴油發動機了。而且現在大部分在歐洲銷售的柴油車型都已配備碳顆粒回收裝置,從而可以徹底解決這一問題。柴油發動機比汽油發動機產生更多的氮氧化物,則可以靠催化裝置解決。

其他有害氣體的排放方面,柴油發動機則具備明顯的優勢,特別是歐洲日益嚴酷的二氧化碳排放問題,柴油發動機可以比汽油發動機減少近45%,這可是非常可觀的數據。這種讓人最為頭痛的溫室氣體,是無法通過其他回收裝置解決的,也是歐洲環保法規對于這一項排放要求越來越嚴苛的主要原因。這種趨勢不可逆轉,也使得許多國外汽車廠商,特別是歐洲廠商,越來越熱衷于將柴油發動機應用在民用車上。

總結

TDI這類新型柴油發動機技術的采用,最大程度上解決了傳統柴油發動機震動大、噪音大、滿身油污的印象,轉而向更高的轉速,更高的效率,更平順的動力輸出發展。可貴的是,這些新技術的采用仍然保留了柴油發動機特有的優勢。正是因為這些優點,使得這種發動機被越來越廣泛地應用在那些過去只會采用汽油發動機的車型上,并且在一定程度上已經取代了某些汽油發動機的地位。



   
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