一片光明 柴油引擎迈向高性能

751人参与 |来源: |时间:2020-06-14

在高油价时代来临之后,柴油车受欢迎的程度也愈来愈高,事实上,柴油引擎近来展现令人侧目的高度进化,马力比起同排气量的汽油引擎毫不逊色甚至更大之外,运转的精緻性与顺畅度亦愈来愈接近,加上节能、低转速高扭力的先天特色,「Diesel Power」的未来是一片光明!

柴油引擎是靠高压缩压力燃爆,燃烧效益主要是取决于喷射系统的设计。

材质→铝合金本体
喷射→第三、四代共轨
增压→双涡轮序列式
变速→多档位密齿化

如果你曾留意国际赛事,一定知道去年利曼的冠亚军是由Audi R10 TDI、Peugeot 908 HDi这两部V12柴油赛车所包办,柴油动力有如此佳绩的原因,除了马力不俗之外,主要还是拜省油之赐,大幅减少了进站加油的时间损失。另外,在WTCC 2.0升房车赛之中,Seat Leon TDI(出力约270匹)也拿下了’07年度第一,且今年到目前为止仍持续领先,以上的例子说明柴油动力正迈向高性能化,并以胜过汽油之姿,让人改观。

因应高压高温的要求,柴油引擎的构成零件需重视强度而显得较为粗勇。

在市售车方面,新世代的柴油动力亦藉由第四代共轨喷射、序列式双涡轮、铝合金缸体等主要强化提昇输出效率,配上如Bluetec技术洁净废气与更多档位的自手排、手自排变速箱后,不论于性能、驾驶质感、环保各方面都达到全新境界。真要挑剔柴油引擎的缺点,只能说其与汽油的售价差距愈来愈小,但相信这也是刺激柴油引擎革新的原动力,否则油价没有太大优势且表现又平平的话,又有谁会特别投向柴油动力的怀抱?

新一代的柴油引擎已迈向全铝合金化,水平对卧设计也首次现身。

材质进化
铝合金本体摆脱笨重阴影

柴油引擎与汽油引擎在作动上的主要差别是,后者需要靠火星塞点燃油气产生爆发力,而前者属高压缩压力燃爆,也就是空气经高度压缩过后,分子密度会变大造成摩擦生热现象,此高温便会自燃柴油(约摄氏538度)爆炸。因为这样的特性,完全不用点火装置的柴油引擎压缩比设定极高,且多半会搭配涡轮进一步加压,所以其热效率要比汽油引擎高出15%又不用高转速,这便是节能的关键点。

由于柴油引擎的压缩压力极高,相对散热系统与机件材质都要比汽油引擎更讲究且粗壮(含週边与变速箱强化),因此不但重量会增加不少,製造成本亦高居不下,这也是柴油车售价较高的主因。

柴油引擎的本体以往多属高强度的铸铁材质,但在现今一片轻量、小巧的趋势下,新一代的V6与小部份直四式样已改採散热快、恆温性佳的铝合金本体搭配钢製缸套,同时铸铁缸体还出现CGI蠕墨工法来削薄缸壁与提高刚性,而未来全铝合金製肯定会渐成主流,其中BMW全系列已完成Aluminum化,由此就不难想见该厂对于操控性的重视。

多缸化时代来临

因应柴油引擎的特性,其设计上也必须以长行程为主,在乘用车部分直四、直五、V6与直六(BMW)缸都是常见的排列组合,V8与汽油相比则稀少许多,且多半为双B豪华房车与LSUV使用。值得一提的是,VW Touareg还有一款5.0 V10 TDI的动力选项,而Audi Q7最近更发表移植利曼赛车技术的6.0 V12 TDI式样,其500hp/102.0kgm的出力已能列入王者之林,据传未来R8亦将推出V12 TDI车型,创造的话题即是超跑也开始迈向柴油化,事实上最近已有许多欧系跑车搭载柴油引擎,加速力均胜过同级汽油车,拉转速拼马力看来真的是不流行了。

由于柴油引擎的工作转速不高,同时还得顾及高压缩压力下的Pumping Lose问题,相形汽缸头为单凸、双凸构造,或者是每缸两气门、四气门设计并非那幺重要。不过,最近拜共轨喷射技术的日新月益所赐,新一代的柴油动力转速都能直上5000rpm且相当顺畅,加上静肃性的大幅提昇,运转的细腻程度已不输汽油引擎;而以生产水平对卧引擎闻名的Subaru,日前也推出世界首见的Boxser Diesel Power,由水平缸可抵销反向震动的特色观之,相信它的精緻性会有让人眼睛为之一亮的表现。
二代共轨
平价四缸车种的主力系统

柴油引擎的精华当然是在供油部分,毕竟它是靠高压燃爆,所以在压缩行程活塞即将抵达上死点前,燃料必须被适时、适量地送至燃烧室中,此喷射正时就如同汽油引擎的点火正时般,需要有极为精準的作动控制。柴油引擎的喷油系统目前已全面为共轨喷射且即将迈入第四代设计,不过在相关运用上一般车型还是以二代系统佔多数,三代共轨则常见于高级车款;至于第四代目前只有BMW 123d Coupe採用,但M.Benz、Audi、VW随后就会跟进,像是GLK、Q5都是确定的车种。

共轨喷射示意图

附带叙述的是,VW的直四、直五TDI引擎是採用泵浦直喷方式,它与共轨的不同是泵浦设于喷油嘴内,并以2050bar的高压直接喷入燃烧室中,其效能也相当优异且能搭配三代的Piezo压电式喷油嘴,不过新一代的系统已逐渐改为共轨架构,相信这是为了更精细的控制而来。所谓的「共轨喷射」,指的是各缸喷油嘴共用同一条油轨,进入油轨之前则经过一高压泵浦加压,以及藉由调压阀来稳定压力,因此「恆压」亦属共轨的最大贡献。

触媒与碳粒子过滤器是柴油引擎不可或缺的环保装置,特别是后者对于抑制黑烟有相当大的效果。

第一代共轨喷射是1997年由Bosch所开发,其是将燃油恆定维持在1350bar的高压下,透过精确调整的可变喷油嘴同轨供油,由于雾化佳故能减少油耗与废气排放,且出力更大并有效降低运转噪音。共轨系统虽然有喷射压力不受引擎转速影响的特点,但一代共轨的压力控制阀由于是依负载调整,相对燃料泵浦持续需有较高的作业动力,结果就是形成较高的油耗与油温。

建构基础EU4规範

第二代系统的高压泵浦则克服了此缺点,此乃是它可按需求变化喷射流量,加上油箱中还设有预压泵浦增加稳定性,如此亦大幅降低运转中的能量耗损。其次二代共轨的电磁式喷油嘴也从原有6孔变为7孔式,孔径并缩小20%降低流量来增加雾化效果,配合燃油压力加大至1600bar而缩短喷射时间后,低转速能产生更大扭力且油耗更低。

二代共轨的改良点是採用电磁式7孔喷油嘴、三段喷射方式、进气涡流控制搭配可变叶片导流涡轮。

另外,二代共轨是採三阶段喷射方式,最后一段的主要喷射前有两段预燃喷射,如此也有升温预热平衡燃烧压力的效果,减少落差后对于噪音抑制自然有相当助益。目前的二代共轨系统多为四缸引擎所採用,排汙控制方面亦以热膜式流量计、电子废气循环阀精确调节进排气比例,搭配触媒、碳粒子过滤器后能通过EU4规範。 

三/四代共轨
Piezo压电式喷油嘴高度效益

相较于二代共轨喷射,三代系统的喷射压力与燃烧压力均维持在1600、180bar,最重要的进化则是喷油嘴改为8孔的Piezo压电式,同时喷射方式由每个动力行程三段变为五段,其多出的二段后喷为完全燃烧与洁净碳粒子过滤器所用,加上引擎进气埠追加节流阀增加涡流效益,也进一步实现低排汙高出力的目标。

三代共轨的最大进化是使用Piezo压电式喷油嘴,四代系统则更将泵浦压力提高到2000bar。

三代共轨喷射引擎马力平均都能提昇30~50匹左右,也能通过EU5规範,尤其震动和噪音极小可媲美汽油引擎,因此可算是柴油动力的一个新里程碑。为三代系统灵魂的Piezo压电式喷油嘴,设计非常精密属陶瓷材质水晶构造,其内并附带压力分流阀,先天即有高电压的快速反应特性(百万分之一秒作动),因此能按转速、负载需求送出最精确而量少的燃油混合,燃烧控制相对能达到最理想的境界。

等量一致的喷油

由于Piezo压电式喷油嘴可产生雾化、混合效果更佳的伞状喷射型态,配合反应快速与定量一致的特点后,毫秒间就能发生电流脉冲顶开阀门,产生微米宽的环状缺口做圆锥面喷洒,相形也能利于电脑进行最精确的控制。而四代共轨的大致构成几乎同于三代,不过其喷射压力更提高到2000bar之谱,同时拜引擎监理系统与涡轮架构的升级所赐,不但更省油、环保(可符合EU6规範),平均马力亦提昇30匹以上而正式超越汽油动力。

Piezo压电式喷油嘴的定量、快速特性促成了高度燃烧效益,这也是一项重大的技术突破。

附带说明的是,M.Benz之前为打入美国的柴油车市场与提前通过EU6认证,是以三代共轨喷射结合Bluetec技术让排气更为乾净,柴油引擎排出的废气经由触媒、碳粒子过滤器净化之后,还要再由脱氮氧化物转换器、选择式还原器将排气分解为无害的氮气与水,特别是后者以阿摩尼亚做化学反应的催化剂,注入的技术确实让人惊叹。

在此还有一个「模糊地带」要请读者了解,就是共轨喷射的软、硬体大致是由Bosch、Siemens两家厂商设计与生产,车厂再依引擎设定做细微的适当调校;而第几代共轨喷射也是车厂自己的认定,本文所指的一至四代区分则是大部分的德系标準。总之有Piezo压电式喷油嘴就是新型系统,不过它需要更细心的维护以防止堵塞,同时碳粒子过滤器亦有使用寿命(长效型只是可用较久),这都要算在往后的保养花费上。

Bluetec是利用脱氮氧化物转换器、选择式还原器分解废气成为氮与水,可说是减碳的另一项成就。

增压革新
双涡轮序列配置渐成主流

柴油引擎由于是靠高压缩压力燃爆,因此搭配涡轮增压可说再适合不过,其Turbo在此的作动也不同于汽油引擎,必须是任何转速下都要提供1.5bar以上的Hi-Boost,为了随时都能达到最大增压值,排气可变叶片导流的设计也应运而生。关于这种涡轮的组合上,它是在驱动轮叶的外围设有一圈可变角度的导流片,由电脑控制伺服马达做变化,当低转速时导流片会向内关起提高流速,进而使Turbine转速能迅速提昇;反之高转状态下导流片是向外打开来增加流量,换言之这是一种变化喷口大小的概念,亦即学术上的可变A/R比。

可变叶片导流涡轮是为随时保持最大增压而生,柴油引擎的Boost也高达1.5bar以上。

基本上可变叶片导流涡轮的自身耐温性要相当高,毕竟时时刻刻处在最大增压值下,排气温度也会突破1000度以上。而过去柴油引擎多半是採用单颗可变叶片导流涡轮,但最近像BMW 3.0Sd车款所配置的直六引擎(第三代共轨喷射),就以大小序列作动的双涡轮架构担纲,结果不但是全转速域的反应都非常犀利,最高出力亦达到286hp/59.1kgm之谱,加速性之强悍已彻底领先同级汽油动力。

2.0出力标準204匹

再者,供应M.Benz、BMW、Audi、VW柴油涡轮的BorgWarner KKK公司,去年便表示它们已着手生产2.0升四缸引擎用的串联双涡轮,配合四代共轨喷射系统后马力、扭力有204hp/40.8kgm的惊人表现,未来柴油引擎的性能是如此厉害,汽油引擎的存在价值将会受到莫大考验。此外,变速箱的进化在柴油车中亦扮演举足轻重的角色,过去的思维是建立在低转速大扭力的出发点,因此认为要採疏齿比设定才能带起高速度,不过现今的想法已完全相反,那就是柴油车也得有密齿比!

双涡轮序列作动也是未来柴油引擎的趋势,图中BMW 3.0Sd最高出力已达到286hp/59.1kgm的水準。

柴油车的密齿化的确有其必要性,但这是要在可用档位够多的前提下,毕竟转速低代表了动力带也短,密齿设定的六档、七档变速箱将可让有效速度域延伸,所以也成为目前柴油车的主流搭配。最后,大家一定常发现柴油车还是有喷黑烟的现象,理论上装有碳粒子过滤器的车种都能隔绝黑烟,不过由于台湾的超柴含硫量在50ppm左右,不似欧洲已达到10ppm,所以少量的黑烟仍在所难免,我们只能寄望中油的提炼技术能够再精进。

柴油引擎适合多档位的密齿比配置,而且搭配自排变速箱加速感也最为顺畅。

对于柴油车,你做好準备了吗?根据笔者实际使用两年的经验是Diesel Power真不错,最好用的地方是爬坡与瞬间超车,加油一般时也不需要等待,但省油必须在长途高速巡航下才有明显效果,所以请衡量你的用车需求,再决定是否加入「柴油一族」吧!

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