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TDI高压共轨直喷柴油发动机详解

2010-04-14 14:24:19

柴油和汽油都是石油的提取物,而且都用于车用内燃机,但是它们之间却有着巨大的特性差异。汽油是一种非常易燃的油品,一个小小的火星就可以将一大桶汽油引燃。而柴油则不行,甚至用明火去点,在没有引火物的情况下,柴油自身并不会被引燃。这就是二者发火性之间的差异。

也是基于柴油的这种发火特性,使得柴油在抗爆性方面比汽油有着很大的优势。如果注意过柴油发动机和汽油发动机压缩比的人应该有印象,通常柴油发动机的压缩比要比汽油发动机的高一倍以上,就是得益于柴油的抗爆性好。高压缩比的好处显而易见,它可以让燃烧更为充分。汽油发动机的进步其中有一项就是压缩比的逐步提高,这也使得汽油的抗爆性越来越高,98号汽油的高昂价格已经说明高抗爆性汽油的成本之高。即便如此,普通燃烧方式的汽油发动机有11以上的压缩比就很不错了,而柴油发动机的这个数字常常能够超过20。这无疑有利于充分燃烧,柴油发动机普遍比汽油发动机更省油的主要原因也在于此。

柴油的燃烧速度比汽油慢得多,这使得柴油混合气点燃的速度要慢于汽油混合气,.常规的柴油发动机响应慢,也是因为柴油的这个特性导致的。另外柴油的挥发性也要比汽油慢,因此它不能像汽油发动机那样通过进气负压来吸进混合气,而是需要通过高压油泵来将雾化的柴油压人汽缸内,才能与空气充分混合。

所有以上这些柴油与汽油的特性差异,导致柴油发动机的整体设计与汽油发动机完全不一样,它们的性能特点也有着很大的区别。传统的柴油发动机扭矩很大,可靠性也非常高,但功率小、响应差、低温点火困难、污染严重等等,而且其震动噪音大,因此常常只能被一些载货汽车采用,少数硬派越野车也会采用这种柴油发动机,但对于注重舒适的轿车或者公路SUV而言,在过去是很少有柴油发动机版本的。

传统柴油机给人这种印象是因为技术特性决定的。如前面所说,柴油的挥发性差,不能通过进气负压被动吸人汽缸,因此柴油发动机必须靠油泵将燃油泵入汽缸内。所有的柴油发动机都采用高压缩比设计,因此对于油泵的能量要求也很高。在民用车柴油发动机以前,几乎所有的柴油发动机都是采用机械泵喷射的,它分为总泵和分泵两部分,目的也是为了获得足够的泵油压力。这种活塞往复式的机械泵是靠凸轮来驱动的,凸轮的能量则源自曲轴。每个汽缸会有一个喷油器,每个喷油器又必须匹配一个油泵,这使得整台发动机的油泵数量很多。这种机械油泵不仅供油压力有限,而且它们都是纯机械式的,在往复运动以及与凸轮发生作用的时候,会产生巨大的噪音,这是传统柴油发动机噪音大的原因之一。

柴油发动机是靠压燃式的,也就是在压缩行程的末端,被压缩的空气产生高温高压以后,油泵将柴油以雾状喷人汽缸内自燃。这种“点火”方式如果发生在汽油发动机上,就相当于爆震。事实上,柴油发动机的爆震是不可避免的,它需要靠这种方式来实现混合物的点燃。柴油发动机之所以震动和噪音明显大于汽油发动机,主要就是基于这个原因。

对于爆震本身任何内燃机都是不希望看到的。对于柴油发动机而言,它的点火依靠爆震,但作为设计师而言则希望这个爆震控制在能够点火的临界点即可。多余的爆震自然会增加震动和噪音,乃至影响工作效率。传统柴油机纯机械式的泵油方式,很难做到精准控制,这使得爆震也难以精准控制,所以这类发动机的震动和噪音都异常强烈。很好理解,难以精准控制的喷油量,使得空燃比实现精准控制也变得不可能,因此传统柴油发动机很难做到精确燃烧,排放加剧以及燃烧效率下降也就很自然了。

只有有效解决好这些问题的柴油机,才有可能被普通民用车所采用。现在越来越多的SUV,上都开始普及柴油发动机,特别是在欧洲,柴油发动机的高扭矩特性非常适合这种车型。许多没有适合自己车型高性能柴油发动机的厂商,都会选择外购的方式为它旗下的SUV配备柴油发动机版本。像三菱的欧蓝德、欧宝的ANTARA等等,都是采用这种方式。这些高性能的柴油发动机都是通过什么方法来解决柴油机的这些问题,以至于它们可以广泛采用在这些类似于轿车的公路型SUV上的呢?下面我们就以大众著名的TDI发动机为例,来介绍一些新型柴油发动机的技术。

TDl是英文Turbo Charged Direct lnjection的缩写,翻译成中文就是涡轮增压+电控共轨柴油直喷的意思。这种采用了新型技术的柴油发动机,保留了柴油发动机优点的同时,在震动噪音以及动力方面,已经达到甚至超过汽油发动机的性能,因而得到欧洲用户的普遍欢迎。TDl只不过是新型柴油发动机的一种,它并非大众独有的某种技术,其他厂商也有类似技术的柴油发动机。

要解决柴油发动机震动噪音大的问题,就必须将其最主要的根源问题解决。前面说过,柴油发动机震动噪音大,主要是因为爆震和机械式油泵,前者与精准控制喷油量有关,后者则直接与油泵本身有关,于是用电子泵取代机械泵便成为一种必然一事实上大众的发动机工程师就是这么做的。这种电子泵的结构与活塞往复式的机械泵不同,它是靠涡轮叶片的旋转来将燃油泵入燃烧室的,其工作原理与汽油泵类似,但强度和产生的压力要大得多。

普通的柴油发动机每个喷油器要对应一个油泵,这也是产生噪音的根源之一。TDI采用共轨技术,达到只用一个油泵就可以实现整个发动机的供油。共轨技术与汽油发动机上的多点电喷类似,在一根“共轨”上安装四个(对应四缸发动机)喷油器,然后有一个油泵向“共轨”中供油。而喷油器的开启和关闭,则是靠电脑来控制的,这个原理与电喷汽油发动机类似。这样一来,由于机械泵产生的噪音就杜绝掉了。但这肯定不是TDI将机械泵改电子泵的所有诉求。

电子泵的供油压力要比机械泵大得多,这使得缸内直喷得以实现。我们在了解到汽油发动机缸内直喷技术的时候,常常会说到这项技术源自柴油发动机,而事实上,直接在缸内喷射的柴油发动机只有在实现电子泵以后才真正得以实现。这也是因为柴油发动机的压缩比很高,压缩冲程的压力比汽油发动机大很多,这需要超高的喷油压力,这在之前的机械泵是无法实现的。

传统柴油发动机的喷油器是被动工作的,也就是油泵在有压力的时候,就会因压力而将柴油喷入汽缸。这种完全由油泵控制的喷油过程。自然无法实现电脑控制喷油,这种方式从某种程度上说,和采用化油器的汽油发动机类似,因为它们都无法实现对于喷油量的精确控制。而TDI采用的喷油器是靠电磁阀控制的,喷油正时和喷油量,都可以由电磁阀根据ECU发出的指令来精确控制,这就好比汽油发动机的电喷技术一般。不仅如此,TDI发动机还可以实现柴油发动机的闭环控制,这在之前的柴油发动机是不存在的。氧传感器等传感部件将尾气情况反馈给ECU,从而可以根据尾气判断燃烧状况,进而进一步调整供油浓度,实现混合气的充分燃烧。

这种精准的供油控制,再加上电子泵产生高压下的喷油压力,使得发动机缸内产生的强大涡流可以使雾状柴油与空气充分混合,这样一来可以最大程度地减小爆燃的几率。这种综合技术的采用,从根本上大大降低了柴油发动机的震动和噪音。

TDI的另一项技术则是涡轮增压,这种技术现在已经被广泛运用在许多汽油发动机上,但实际上它在柴油发动机上采用的意义要比汽油发动机大得多。柴油的抗爆性远高于汽油发动机,这使得涡轮增压技术最大的问题得以很好地解决,那就是被压缩的空气更容易引起爆燃。在柴油发动机上配备涡轮增压技术,可以让发动机的工作效率进一步提升。被压缩的混合气在汽缸内的浓度比自然吸气的发动机要大得多,再加上伴随的高温高压,这些混合气可以得到进一步的充分燃烧,从而获得更大的升功率和排放更少的有害气体。

通过这些新技术的采用,使得TDl成为一款非常适合轿车和豪华SUV使用的柴油发动机。虽然它的震动噪音仍然会比同技术含量的汽油发动机大一些,但是通过好的平衡技术、发动机减震技术以及发动机舱的隔音降噪技术,在实际驾驶采用这种柴油发动机车型的时候,基本上感觉不到与汽油发动机明显的区别。

在性能方面与汽油发动机越来越接近的同时,TDl这种新型柴油发动机依然很好地保留了柴油发动机的特有优势。柴油发动机得益于超高的压缩比,从而可以获得比汽油发动机更高的燃烧效率,最直接的好处就是可以有效降低燃油消耗。柴油发动机更省油想必已经不是什么新闻了,同等动力条件的柴油发动机,可以比汽油发动机节省30%以上的燃油消耗。这种极其显著的节油效果,使得许多欧洲厂商甚至把它作为与混合动力等新型节能技术抗衡的发动机技术。

更充分的燃烧效率还意味着有害气体排放的降低,这一点好像很多人并不认可。其实这是被那些传统柴油发动机喷出的黑烟所蒙蔽的。这种黑烟主要是碳颗粒,这确实是柴油发动机的主要排放物之一。即使是现在最先进的柴油发动机,它的碳颗粒排放仍然要显著高于汽油发动机,但并没有高到我们平时看到的那些“墨斗鱼”那么恐怖。由于实现喷油的精准控制,TDl的碳颗粒排放量已经显著降低,以至于单靠肉眼并不能很轻松地判断某款车是否采用的是柴油发动机了。而且现在大部分在欧洲销售的柴油车型都已配备碳颗粒回收装置,从而可以彻底解决这一问题。柴油发动机比汽油发动机产生更多的氮氧化物,则可以靠催化装置解决。

其他有害气体的排放方面,柴油发动机则具备明显的优势,特别是欧洲日益严酷的二氧化碳排放问题,柴油发动机可以比汽油发动机减少近45%,这可是非常可观的数据。这种让人最为头痛的温室气体,是无法通过其他回收装置解决的,也是欧洲环保法规对于这一项排放要求越来越严苛的主要原因。这种趋势不可逆转,也使得许多国外汽车厂商,特别是欧洲厂商,越来越热衷于将柴油发动机应用在民用车上。

总结

TDI这类新型柴油发动机技术的采用,最大程度上解决了传统柴油发动机震动大、噪音大、满身油污的印象,转而向更高的转速,更高的效率,更平顺的动力输出发展。可贵的是,这些新技术的采用仍然保留了柴油发动机特有的优势。正是因为这些优点,使得这种发动机被越来越广泛地应用在那些过去只会采用汽油发动机的车型上,并且在一定程度上已经取代了某些汽油发动机的地位。