新型柴油发动机特性探析

2011-04-25翟启泉付菊红

汽车电器 2011年6期

翟启泉，付菊红

（烟台南山学院，山东烟台 265713）

随着科技的进步，特别是当高压共轨、涡轮增压、废气再循环、氧化催化器、柴油颗粒捕获器、混合生物柴油燃料等技术成功运用于柴油发动机上后，柴油发动机的燃油经济性、动力性的优势就明显地体现出来。越来越多的车辆都开始使用柴油动力，在欧洲，几乎一半的车辆都已经开始使用柴油动力。而在国内，大众TDI、双龙XDi等一大批先进柴油发动机的进入，也让国内的消费者们切切实实地体验到了先进柴油动力带来的驾驶感受。柴油发动机可以说是进入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。柴油发动机省油、低转速、转矩输出大的特性，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柴油发动机产品，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，也纷纷搭载柴油发动机，其表现之优异可见一斑。

1 柴油发动机的发展

柴油发动机之父——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。

柴油稳定、不易爆震的特性，可作为压缩点火发动机使用。经过将近20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。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载货汽车上，奠定了车辆使用柴油发动机的基础。1936年，柴油发动机搭载于梅赛德斯-奔驰260D，这是柴油发动机首次应用于轿车。

柴油发动机动力大而且省油，但在早期因噪声及黑烟的排放，所以多为大型车辆及工程机械所使用。而柴油发动机正因转矩大而省油的特性，也让欧洲许多车厂致力改进以适用于小型车辆。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型车使用。

2 柴油发动机高压缩比与压缩点火特性

奥迪的柴油技术也非常成熟，其TDI涡轮增压柴油发动机（图1）具有动力强大、省油和排放清洁等众多优点。柴油发动机在机构组件方面，非常类似于汽油发动机，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（16∶1～23∶1）的气缸容积来压缩空气，使所压缩的空气温度迅速上升至超过500℃，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，空气中分子互相冲撞与摩擦，使分子移动速度迅速增加。空气分子移动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。

主流的四冲程柴油发动机与四冲程汽油发动机的设计类似，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。作为第三代的柴油机电控喷射技术，共轨喷油系统摒弃了传统使用的直列泵系统，而代之以用一供油泵建立一定油压后送到各缸公用的高压油管（也就是共轨），再由共轨将柴油送入各缸的喷油器。这样一来，共轨柴油喷射系统的喷油压力就与喷油量无关，也不受发动机负荷和转速的影响，能根据要求任意改变压力水平，使氮氧化物和颗粒物排放都大为减少。

3 柴油发动机的机械特性

由于柴油发动机技术不断更新，越来越多的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？以下就其机械特性对柴油和汽油发动机作比较（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），如表1所示。

通过表1可知，两种发动机各有其特点，也各有其应用领域。柴油发动机因为它所产生的动力较大，而运转速度较低，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质量小，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。

表1 柴油发动机与汽油发动机在机械特性上的差异

4 典型柴油系统

柴油发动机的燃烧方式是将燃油喷入燃烧室中，并与燃烧室中的空气混合来产生自燃。因此，为达到最大性能与平稳运行，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喷出，以获取平顺的燃烧效果。简单地说，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3方面有准确的控制。

4.1 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的供油系统，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，并将燃油注入气缸内，而喷油嘴的启闭是由发动机凸轮轴所控制的。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，这样就会降低发动机运转的精致性，并增加噪声、排污及油耗。

4.2 共轨式喷射系统

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气缸中。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，使得燃油在极高的压力下，仍能依据当时发动机负载及转速准确地调整喷油量，使发动机运转顺畅，运转噪声及排污量也都比传统柴油发动机小。并且喷油泵体积及质量也比柱塞式喷射泵小，减轻了发动机的质量。

通过柱塞式与共轨式喷射系统的对比，发现两者各有其特点，但现在主流仍采用高压共轨式喷射系统，因其效率高，控制精准而被广大汽车厂商所采用，成为未来柴油发动机的一项中坚技术。