柴油发动机详解

零下68度

    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，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？

零下68度

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)。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。

零下68度

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——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——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。

零下68度

替代能源前合适的过渡方案



    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。

零下68度

● 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。

零下68度

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。

零下68度

● 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(16～23:1)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℃，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。

零下68度

    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

零下68度

● 各种柴油系统比较：直接喷射 VS 间接喷射

　　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。

零下68度

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。