TDI高壓共軌直噴柴油發(fā)動(dòng)機

點(diǎn)擊此處查看全部新聞圖片

    柴油和汽油都是石油的提取物，而且都用于車(chē)用內燃機，但是它們之間卻有著(zhù)巨大的特性差異。汽油是一種非常易燃的油品，一個(gè)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(méi)有引火物的情況下，柴油自身并不會(huì )被引燃。這就是二者發(fā)火性之間的差異。相關(guān)閱讀：奧迪3.0I-V6-TDI型燃油供給系統詳解(圖)

    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(zhù)很大的優(yōu)勢。如果注意過(guò)柴油發(fā)動(dòng)機和汽油發(fā)動(dòng)機壓縮比的人應該有印象，通常柴油發(fā)動(dòng)機的壓縮比要比汽油發(fā)動(dòng)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(jiàn)，它可以讓燃燒更為充分。汽油發(fā)動(dòng)機的進(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(lái)越高，98號汽油的高昂價(jià)格已經(jīng)說(shuō)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(dòng)機有11以上的壓縮比就很不錯了，而柴油發(fā)動(dòng)機的這個(gè)數字常常能夠超過(guò)20。這無(wú)疑有利于充分燃燒，柴油發(fā)動(dòng)機普遍比汽油發(fā)動(dòng)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(diǎn)燃的速度要慢于汽油混合氣，.常規的柴油發(fā)動(dòng)機響應慢，也是因為柴油的這個(gè)特性導致的。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(dòng)機那樣通過(guò)進(jìn)氣負壓來(lái)吸進(jìn)混合氣，而是需要通過(guò)高壓油泵來(lái)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(fā)動(dòng)機的整體設計與汽油發(fā)動(dòng)機完全不一樣，它們的性能特點(diǎn)也有著(zhù)很大的區別。傳統的柴油發(fā)動(dòng)機扭矩很大，可靠性也非常高，但功率小、響應差、低溫點(diǎn)火困難、污染嚴重等等，而且其震動(dòng)噪音大，因此常常只能被一些載貨汽車(chē)采用，少數硬派越野車(chē)也會(huì )采用這種柴油發(fā)動(dòng)機，但對于注重舒適的轎車(chē)或者公路SUV而言，在過(guò)去是很少有柴油發(fā)動(dòng)機版本的。

    傳統柴油機給人這種印象是因為技術(shù)特性決定的。如前面所說(shuō)，柴油的揮發(fā)性差，不能通過(guò)進(jìn)氣負壓被動(dòng)吸人汽缸，因此柴油發(fā)動(dòng)機必須靠油泵將燃油泵入汽缸內。所有的柴油發(fā)動(dòng)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(chē)柴油發(fā)動(dòng)機以前，幾乎所有的柴油發(fā)動(dòng)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(lái)驅動(dòng)的，凸輪的能量則源自曲軸。每個(gè)汽缸會(huì )有一個(gè)噴油器，每個(gè)噴油器又必須匹配一個(gè)油泵，這使得整臺發(fā)動(dòng)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(dòng)以及與凸輪發(fā)生作用的時(shí)候，會(huì )產(chǎn)生巨大的噪音，這是傳統柴油發(fā)動(dòng)機噪音大的原因之一。

    柴油發(fā)動(dòng)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(chǎn)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(diǎn)火”方式如果發(fā)生在汽油發(fā)動(dòng)機上，就相當于爆震。事實(shí)上，柴油發(fā)動(dòng)機的爆震是不可避免的，它需要靠這種方式來(lái)實(shí)現混合物的點(diǎn)燃。柴油發(fā)動(dòng)機之所以震動(dòng)和噪音明顯大于汽油發(fā)動(dòng)機，主要就是基于這個(gè)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(fā)動(dòng)機而言，它的點(diǎn)火依靠爆震，但作為設計師而言則希望這個(gè)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(huì )增加震動(dòng)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(lèi)發(fā)動(dòng)機的震動(dòng)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(shí)現精準控制也變得不可能，因此傳統柴油發(fā)動(dòng)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(wèn)題的柴油機，才有可能被普通民用車(chē)所采用?，F在越來(lái)越多的SUV，上都開(kāi)始普及柴油發(fā)動(dòng)機，特別是在歐洲，柴油發(fā)動(dòng)機的高扭矩特性非常適合這種車(chē)型。許多沒(méi)有適合自己車(chē)型高性能柴油發(fā)動(dòng)機的廠(chǎng)商，都會(huì )選擇外購的方式為它旗下的SUV配備柴油發(fā)動(dòng)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(fā)動(dòng)機都是通過(guò)什么方法來(lái)解決柴油機的這些問(wèn)題，以至于它們可以廣泛采用在這些類(lèi)似于轎車(chē)的公路型SUV上的呢?下面我們就以大眾著(zhù)名的TDI發(fā)動(dòng)機為例，來(lái)介紹一些新型柴油發(fā)動(dòng)機的技術(shù)。

    TDl是英文TurboChargedDirectlnjection的縮寫(xiě)，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(shù)的柴油發(fā)動(dòng)機，保留了柴油發(fā)動(dòng)機優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，在震動(dòng)噪音以及動(dòng)力方面，已經(jīng)達到甚至超過(guò)汽油發(fā)動(dòng)機的性能，因而得到歐洲用戶(hù)的普遍歡迎。TDl只不過(guò)是新型柴油發(fā)動(dòng)機的一種，它并非大眾獨有的某種技術(shù)，其他廠(chǎng)商也有類(lèi)似技術(shù)的柴油發(fā)動(dòng)機。

    要解決柴油發(fā)動(dòng)機震動(dòng)噪音大的問(wèn)題，就必須將其最主要的根源問(wèn)題解決。前面說(shuō)過(guò)，柴油發(fā)動(dòng)機震動(dòng)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(guān)，后者則直接與油泵本身有關(guān)，于是用電子泵取代機械泵便成為一種必然一事實(shí)上大眾的發(fā)動(dòng)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(lái)將燃油泵入燃燒室的，其工作原理與汽油泵類(lèi)似，但強度和產(chǎn)生的壓力要大得多。

    普通的柴油發(fā)動(dòng)機每個(gè)噴油器要對應一個(gè)油泵，這也是產(chǎn)生噪音的根源之一。TDI采用共軌技術(shù)，達到只用一個(gè)油泵就可以實(shí)現整個(gè)發(fā)動(dòng)機的供油。共軌技術(shù)與汽油發(fā)動(dòng)機上的多點(diǎn)電噴類(lèi)似，在一根“共軌”上安裝四個(gè)(對應四缸發(fā)動(dòng)機)噴油器，然后有一個(gè)油泵向“共軌”中供油。而噴油器的開(kāi)啟和關(guān)閉，則是靠電腦來(lái)控制的，這個(gè)原理與電噴汽油發(fā)動(dòng)機類(lèi)似。這樣一來(lái)，由于機械泵產(chǎn)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(shí)現。我們在了解到汽油發(fā)動(dòng)機缸內直噴技術(shù)的時(shí)候，常常會(huì )說(shuō)到這項技術(shù)源自柴油發(fā)動(dòng)機，而事實(shí)上，直接在缸內噴射的柴油發(fā)動(dòng)機只有在實(shí)現電子泵以后才真正得以實(shí)現。這也是因為柴油發(fā)動(dòng)機的壓縮比很高，壓縮沖程的壓力比汽油發(fā)動(dòng)機大很多，這需要超高的噴油壓力，這在之前的機械泵是無(wú)法實(shí)現的。

    傳統柴油發(fā)動(dòng)機的噴油器是被動(dòng)工作的，也就是油泵在有壓力的時(shí)候，就會(huì )因壓力而將柴油噴入汽缸。這種完全由油泵控制的噴油過(guò)程。自然無(wú)法實(shí)現電腦控制噴油，這種方式從某種程度上說(shuō)，和采用化油器的汽油發(fā)動(dòng)機類(lèi)似，因為它們都無(wú)法實(shí)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(shí)和噴油量，都可以由電磁閥根據ECU發(fā)出的指令來(lái)精確控制，這就好比汽油發(fā)動(dòng)機的電噴技術(shù)一般。不僅如此，TDI發(fā)動(dòng)機還可以實(shí)現柴油發(fā)動(dòng)機的閉環(huán)控制，這在之前的柴油發(fā)動(dòng)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(jìn)而進(jìn)一步調整供油濃度，實(shí)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(chǎn)生高壓下的噴油壓力，使得發(fā)動(dòng)機缸內產(chǎn)生的強大渦流可以使霧狀柴油與空氣充分混合，這樣一來(lái)可以最大程度地減小爆燃的幾率。這種綜合技術(shù)的采用，從根本上大大降低了柴油發(fā)動(dòng)機的震動(dòng)和噪音。

    TDI的另一項技術(shù)則是渦輪增壓，這種技術(shù)現在已經(jīng)被廣泛運用在許多汽油發(fā)動(dòng)機上，但實(shí)際上它在柴油發(fā)動(dòng)機上采用的意義要比汽油發(fā)動(dòng)機大得多。柴油的抗爆性遠高于汽油發(fā)動(dòng)機，這使得渦輪增壓技術(shù)最大的問(wèn)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(fā)動(dòng)機上配備渦輪增壓技術(shù)，可以讓發(fā)動(dòng)機的工作效率進(jìn)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(fā)動(dòng)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(jìn)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(guò)這些新技術(shù)的采用，使得TDl成為一款非常適合轎車(chē)和豪華SUV使用的柴油發(fā)動(dòng)機。雖然它的震動(dòng)噪音仍然會(huì )比同技術(shù)含量的汽油發(fā)動(dòng)機大一些，但是通過(guò)好的平衡技術(shù)、發(fā)動(dòng)機減震技術(shù)以及發(fā)動(dòng)機艙的隔音降噪技術(shù)，在實(shí)際駕駛采用這種柴油發(fā)動(dòng)機車(chē)型的時(shí)候，基本上感覺(jué)不到與汽油發(fā)動(dòng)機明顯的區別。

    在性能方面與汽油發(fā)動(dòng)機越來(lái)越接近的同時(shí)，TDl這種新型柴油發(fā)動(dòng)機依然很好地保留了柴油發(fā)動(dòng)機的特有優(yōu)勢。柴油發(fā)動(dòng)機得益于超高的壓縮比，從而可以獲得比汽油發(fā)動(dòng)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(fā)動(dòng)機更省油想必已經(jīng)不是什么新聞了，同等動(dòng)力條件的柴油發(fā)動(dòng)機，可以比汽油發(fā)動(dòng)機節省30%以上的燃油消耗。這種極其顯著(zhù)的節油效果，使得許多歐洲廠(chǎng)商甚至把它作為與混合動(dòng)力等新型節能技術(shù)抗衡的發(fā)動(dòng)機技術(shù)。

    更充分的燃燒效率還意味著(zhù)有害氣體排放的降低，這一點(diǎn)好像很多人并不認可。其實(shí)這是被那些傳統柴油發(fā)動(dòng)機噴出的黑煙所蒙蔽的。這種黑煙主要是碳顆粒，這確實(shí)是柴油發(fā)動(dòng)機的主要排放物之一。即使是現在最先進(jìn)的柴油發(fā)動(dòng)機，它的碳顆粒排放仍然要顯著(zhù)高于汽油發(fā)動(dòng)機，但并沒(méi)有高到我們平時(shí)看到的那些“墨斗魚(yú)”那么恐怖。由于實(shí)現噴油的精準控制，TDl的碳顆粒排放量已經(jīng)顯著(zhù)降低，以至于單靠肉眼并不能很輕松地判斷某款車(chē)是否采用的是柴油發(fā)動(dòng)機了。而且現在大部分在歐洲銷(xiāo)售的柴油車(chē)型都已配備碳顆?；厥昭b置，從而可以徹底解決這一問(wèn)題。柴油發(fā)動(dòng)機比汽油發(fā)動(dòng)機產(chǎn)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(fā)動(dòng)機則具備明顯的優(yōu)勢，特別是歐洲日益嚴酷的二氧化碳排放問(wèn)題，柴油發(fā)動(dòng)機可以比汽油發(fā)動(dòng)機減少近45%，這可是非?？捎^(guān)的數據。這種讓人最為頭痛的溫室氣體，是無(wú)法通過(guò)其他回收裝置解決的，也是歐洲環(huán)保法規對于這一項排放要求越來(lái)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(chē)廠(chǎng)商，特別是歐洲廠(chǎng)商，越來(lái)越熱衷于將柴油發(fā)動(dòng)機應用在民用車(chē)上。

    總結

    TDI這類(lèi)新型柴油發(fā)動(dòng)機技術(shù)的采用，最大程度上解決了傳統柴油發(fā)動(dòng)機震動(dòng)大、噪音大、滿(mǎn)身油污的印象，轉而向更高的轉速，更高的效率，更平順的動(dòng)力輸出發(fā)展?？少F的是，這些新技術(shù)的采用仍然保留了柴油發(fā)動(dòng)機特有的優(yōu)勢。正是因為這些優(yōu)點(diǎn)，使得這種發(fā)動(dòng)機被越來(lái)越廣泛地應用在那些過(guò)去只會(huì )采用汽油發(fā)動(dòng)機的車(chē)型上，并且在一定程度上已經(jīng)取代了某些汽油發(fā)動(dòng)機的地位。