新型柴油發動機特性探析

翟啟泉，付菊紅

（煙臺南山學院，山東 煙臺 265713）

隨著科技的進步，特別是當高壓共軌、渦輪增壓、廢氣再循環、氧化催化器、柴油顆粒捕獲器、混合生物柴油燃料等技術成功運用于柴油發動機上后，柴油發動機的燃油經濟性、動力性的優勢就明顯地體現出來。越來越多的車輛都開始使用柴油動力，在歐洲，幾乎一半的車輛都已經開始使用柴油動力。而在國內，大眾TDI、雙龍XDi等一大批先進柴油發動機的進入，也讓國內的消費者們切切實實地體驗到了先進柴油動力帶來的駕駛感受。柴油發動機可以說是進入21世紀以來，全球汽車市場最熱門的話題之一。并且隨著油價的不斷攀升，柴油發動機省油的特性，令其在市場上倍受關注。柴油發動機省油、低轉速、轉矩輸出大的特性，一直為國際車廠所喜歡，也成為都市生活最合適的動力系統選擇。在經過數十年的研發之后，國際車廠已開發出各方面均不遜于汽油發動機的柴油發動機產品，使其不論在性能、排放等方面，均與汽油發動機平分秋色。而在柴油煉制成本較低的情形之下，柴油發動機更是受到先進國家消費者的喜愛，甚至連高價位的豪華車，也紛紛搭載柴油發動機，其表現之優異可見一斑。

1 柴油發動機的發展

柴油發動機之父——狄賽爾 （Rudolf Diesel）另辟蹊徑，在奧圖循環發動機之外，開創了柴油發動機的新世界。

柴油穩定、不易爆震的特性，可作為壓縮點火發動機使用。經過將近20年的研發，第一具壓縮點火發動機于1892年問世。同年，狄賽爾也取得此項技術專利。美國Cummins公司在1924年時，將供油噴射泵應用于柴油發動機上，解決了當時狄賽爾以高壓空氣供油方式的不穩定運轉，并首度將柴油發動機裝于載貨汽車上，奠定了車輛使用柴油發動機的基礎。1936年，柴油發動機搭載于梅賽德斯-奔馳260D，這是柴油發動機首次應用于轎車。

柴油發動機動力大而且省油，但在早期因噪聲及黑煙的排放，所以多為大型車輛及工程機械所使用。而柴油發動機正因轉矩大而省油的特性，也讓歐洲許多車廠致力改進以適用于小型車輛。在共軌直噴與可精確供油的壓電式噴嘴技術成熟后，柴油發動機更適合小型車使用。

2 柴油發動機高壓縮比與壓縮點火特性

奧迪的柴油技術也非常成熟，其TDI渦輪增壓柴油發動機 （圖1）具有動力強大、省油和排放清潔等眾多優點。柴油發動機在機構組件方面，非常類似于汽油發動機，但是汽油發動機主要是靠火花塞來點燃混合氣，而柴油發動機則是純粹導入空氣并經過高壓縮比 （16∶1～23∶1） 的氣缸容積來壓縮空氣，使所壓縮的空氣溫度迅速上升至超過500℃，然后經由噴油嘴將柴油注入加以霧化，之后藉由已被壓縮的空氣所產生的高溫來自行點燃霧化的柴油。因此柴油發動機不需使用點火系統，但它仍需要噴射泵和噴油嘴所組成的燃油噴射系統。

為什么可以靠壓縮空氣來點燃油氣，而不需要火花塞呢？原因是當空氣分子被導入氣缸壓縮后，空氣中分子互相沖撞與摩擦，使分子移動速度迅速增加。空氣分子移動加速表示已從外部吸收了能量，造成溫度上升。然而要使氣缸內空氣達到能夠點燃柴油溫度，是需要很高壓縮比的，所以高壓縮比是柴油發動機必備的一大特性。

主流的四沖程柴油發動機與四沖程汽油發動機的設計類似，主要差別在于壓縮點火與火花塞點火。新一代的柴油發動機大多采用共軌直噴技術。作為第三代的柴油機電控噴射技術，共軌噴油系統摒棄了傳統使用的直列泵系統，而代之以用一供油泵建立一定油壓后送到各缸公用的高壓油管 （也就是共軌），再由共軌將柴油送入各缸的噴油器。這樣一來，共軌柴油噴射系統的噴油壓力就與噴油量無關，也不受發動機負荷和轉速的影響，能根據要求任意改變壓力水平，使氮氧化物和顆粒物排放都大為減少。

3 柴油發動機的機械特性

由于柴油發動機技術不斷更新，越來越多的轎車及商旅車采用小排氣量的柴油發動機，到底柴油發動機車與汽油發動機車有什么不同呢？以下就其機械特性對柴油和汽油發動機作比較 （柴油發動機以目前廣泛應用于小型車的共軌直噴發動機為比較對象），如表1所示。

通過表1可知，兩種發動機各有其特點，也各有其應用領域。柴油發動機因為它所產生的動力較大，而運轉速度較低，多半應用于船舶、重型車輛及大型機械；而汽油發動機因其體積與質量小，運轉精致且適合高速運轉，可應用于轎車、割草機等小型機械及小型螺旋槳飛機等。

表1 柴油發動機與汽油發動機在機械特性上的差異

4 典型柴油系統

柴油發動機的燃燒方式是將燃油噴入燃燒室中，并與燃燒室中的空氣混合來產生自燃。因此，為達到最大性能與平穩運行，必須有適當的噴油量與噴油時機。同時，在噴入燃油之時必須要讓燃油以霧化形式噴出，以獲取平順的燃燒效果。簡單地說，柴油發動機的供油系統必須在噴油量、噴油時間及燃油霧化3方面有準確的控制。

4.1 柱塞式噴射泵系統

柱塞式噴射泵系統為傳統柴油發動機所采用的供油系統，因為其制造技術成熟、成本低，目前仍廣為中大型柴油發動機采用。其運行方式是由供油泵將燃油自油箱吸至噴射泵內，噴射泵內有一凸輪軸，凸輪軸由發動機傳動。凸輪軸轉動使得凸輪依發動機旋轉正時來壓動控制各缸噴油壓力的柱塞，以建立燃油壓力，并將燃油藉由高壓油管輸送至各缸噴油嘴，并將燃油注入氣缸內，而噴油嘴的啟閉是由發動機凸輪軸所控制的。因為是由發動機運轉來驅動噴射泵，所以燃油壓力會隨著發動機轉速的不同而改變。

柱塞式噴射泵系統雖廣為柴油發動機采用，但因為其噴射泵是以機械方式驅動，無法依據發動機負荷狀況提供精確的供油量，并且由于噴射泵至各缸的距離并不相同，使得輸送至各缸的燃油壓力不盡相同，這樣就會降低發動機運轉的精致性，并增加噪聲、排污及油耗。

4.2 共軌式噴射系統

共軌式噴射系統是由高壓泵將燃油加壓，并輸送至具有調壓閥的共享油軌中，再由噴油嘴將油軌中的燃油注入氣缸中。目前應用于小型車及商旅車的共軌直噴發動機，是由發動機控制系統ECU來控制高壓泵、調壓閥及噴油嘴等組件，使得燃油在極高的壓力下，仍能依據當時發動機負載及轉速準確地調整噴油量，使發動機運轉順暢，運轉噪聲及排污量也都比傳統柴油發動機小。并且噴油泵體積及質量也比柱塞式噴射泵小，減輕了發動機的質量。

通過柱塞式與共軌式噴射系統的對比，發現兩者各有其特點，但現在主流仍采用高壓共軌式噴射系統，因其效率高，控制精準而被廣大汽車廠商所采用，成為未來柴油發動機的一項中堅技術。

5 總結

柴油發動機與汽油發動機的應用與發展，至今已有一個多世紀之久。隨著全球石油危機的到來，柴油發動機憑借著動力性、經濟性、維修方便等特性，更能夠成為發動機過渡時代的領先者。

［1］楊獻勇.熱工過程及自動控制［M］.北京：清華大學出版社，2010.

［2］李百華.汽車發動機電控技術［M］.北京：人民郵電出版社，2009.

［3］吳顯強.車用柴油機［M］.北京：機械工業出版社，2006.