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能源危机解决方案柴油发动机的现状和发展

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2020年4月19日
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　柴油发动机工作原理和优劣势
　　柴油发动机和汽油发动机结构上有很大的区别，柴油机没有火花塞，它吸入并压缩空气，然后将燃油直接喷入燃烧腔(直喷式)。其实是压缩空气产生的热量点燃了柴油机的燃油。
柴油发动机和汽油发动机结构区别
　　柴油机的喷油器是其最为复杂精密的部件，到当前为止还是从本质上提高柴油机效率的关键部件。因为具体到每一台发动机，其喷油器的位置都可能各不相同。
柴油发动机的喷油器
　　喷油器应当能够承受气缸内部的温度和压力，同时使喷出的燃油呈细密的雾状。雾化的效果也取决于柴油机的喷油嘴。使气缸内部循环的油雾能够均匀分布也是一个问题，因此一些柴油机采用特殊的感应阀、预燃烧腔或其它装置，以使气流在燃烧腔内呈旋涡状，或者改进点火和燃烧过程。
　　柴油机还比汽油机拥有更高的压缩比，之前的汽油机采用进气道喷射，而不采用直喷。因此在汽车发动机内部，全部燃油在进气冲程期间被注入到气缸中，然后被压缩。燃油与空气的混合物的压缩限制了发动机的压缩比，因为如果过度压缩空气，燃油与空气的混合物将自行点燃并导致爆震。
缸内直喷的汽油机技术源于柴油发动机
　　如今缸内直喷汽油发动机越来越普遍，这也是根据柴油机的直喷设计而来，可是对于相同排量发动机来说，缸内直喷的汽油机的动力性不占优势，因为汽油发动机本身特点制约了压缩比，因此无论如何汽油机都无法实现柴油机的低转速大扭矩的特点。而且汽油直喷没有油压传感器，油压不能闭环反馈也就无法达到进一步控制燃烧的效果。
柴油发动机的高压缩比
　　而柴油机这方面具有先天的优势，柴油机直接压缩空气，因此压缩比可比汽油机高出许多。汽油机的压缩比为8:1至12:1，而柴油机的压缩比为14:1，甚至能达到25:1。由于柴油机具有更高的压缩比，因此效率也更高也不是一般的省油，由于柴油的能量热效率比汽油车高出15%，因此柴油发动机比汽油发动机平均省油30%。
　　从柴油和汽油的角度来说，由于柴油较重，因此蒸发很慢。比起汽油来，它含有更多更长的碳原子链。生产柴油时的精炼过程较少，因此柴油比汽油便宜。柴油比汽油有更高的能量密度。这一优势结合柴油机更高的效率，说明了柴油机比汽油机里程费用低的原因。
柴油机的制造成本比相对较高
　　虽然柴油机具有压缩比高，马力大，燃烧充分，省油特点，可是它的制造成本也要比一般汽油发动机高。柴油机暴躁的燃烧性质和没有节气门导致了它的动力更直接，相应的平顺性没有汽油机好(这不是绝正确)。柴油机粗犷的秉性需要更为强壮的气缸活塞的连杆等零件对抗气缸内高压和大扭矩，而且喷油嘴上雾化器更为精密，传感器也大有文章。
柴油发动机的排放污染物
　　从能源的利用角度来说，柴油机能够高效于汽油机一倍以上，这是一个顺应能源发展的趋势方向。 柴油引擎的省油效率较佳、因此能够减少二氧化碳排放，而且柴油引擎在中低转速即可提供高扭力的特性，对于日常的行车能提供较佳的实用性。但相反的它也具有污染较高的问题——长碳链有机化合物燃烧后易产生主要以碳粒为主的悬浮微粒(SS)与超细悬浮微粒(PM2.5)，再加上高温高压下亦产生的氮氧化物(NOx，是光烟雾的主要造成原因)。不过柴油比汽油安定常温不易燃烧的优点，让柴油引擎也被使用于二战的潜水艇。使用高品质(超低硫)的柴油与较新的引擎及污染控制科技能够降低许多污染，随着科技的发展，柴油机的颗粒物污染已经被很好的控制，并符合欧美国家的环保标准。
　　题外篇，压燃只能是柴油发动机才能实现么？
　　答案当然是NO，HCCI发动机这一种不伦不类的产物真的很奇怪，HCCI发动机使用汽油燃料，可是则使用压燃的方式点火，经过活塞压缩混合气使之温度升高至一定程度时自行燃烧。
柴油发动机、汽油发动机与HCCI发动机
　　HCCI是一种以往复式汽油机为基础的一种新型燃烧模式，现在的限制而言，HCCI汽油发动机还不能实现完全的压燃稀燃模式进行，它只在中低转速的时候介入工作，提高效率，降低油耗。
柴油发动机当前国外的发展
　　柴油机在欧洲的发展日趋成熟，各种新的技术被用在柴油发动机上，而汽油发动机发展到今天真的已经江郎才尽，我们左一个涡轮右一个直喷，再加上各种精工减少摩擦减轻重量，把各种柴油机上的招数搬过来，还是无法达到柴油机轻易就能达到的效果。我们能够一起来看下最近乘用车柴油发动机令人瞩目的成就。
　　沃尔沃DRIVE E柴油发动机

　　沃尔沃发布的全新动力系统中，就包括一款四缸的柴油发动机，功率将在120至230马力之间。Drive-E的柴油发动机将应用沃尔沃全球首创的i-Art技术。在每个燃油喷嘴处都安装了小型电脑/微处理器，与燃油压强和温度传感器配合，能够从每个燃油喷嘴获得压强反馈，实时传递到SUB CPU处理中枢，再转入发动机控制模块ECU。与原先传统的燃油共轨的单一压强传感器相比，i-Art技术的信息采集渠道更加全面。
沃尔沃DRIVE E柴油发动机
　　基于所获得的压强、温度信息，i-Art能够持续监控每个气缸中的每次燃烧的燃油喷射，在2,500巴压强条件下优化燃烧循环中的喷注燃油量和喷射时间，从而达到理想程度，从而提升了燃油利用效率。
沃尔沃i-Art 智能喷射技术
　　将油轨压强提升至2,500巴，同时结合i-Art技术，可称作柴油发动机技术革命的第二步，堪与沃尔沃1976年为催化转换器创造lambda传感器相提并论。这也是沃尔沃在乘用车领域另一个世界首创的技术。
　　高压共轨喷射和i-Art技术相结合，为消费者提供了改进燃油经济性的机遇，在大幅降低二氧化碳排放的同时，保证了强劲的动力输出，和安静的低噪声特性。Drive-E柴油发动机还采用了诸如双涡轮增压等尖端技术，减少了摩擦损失，并为冷却系统应用智能化阀门，能够在冷启动之后使得发动机快速升温。
　　标致新款BlueHDi柴油发动机
　　新的308SW柴油发动机完全符合欧洲6号排放标准，新的BlueHDi版本的排放达到了每百公里85克二氧化碳的排放量，达到了一个全新的水平。
柴油机尾气净化装置
　　新研发的BlueHDi柴油发动机将用于配备标致308和508，采用选择性催化还原技术和颗粒回收装置清洁尾气，氮氧化合物排放将降低九成，尾气中的颗粒物能够过滤掉99.9%。
　　宝马 N57 3.0L直列六缸柴油发动机
　　这款双涡轮柴油3.0发动机最早于 三月的日内瓦车展对外发布，至今已经过大幅修改与重新调校。该款发动机成为现今柴油发动机技术的一个里程碑。这台直列6缸发动机除了搭载在535d上，还搭载在了宝马X5上，没错就是引进中国的这台宝马X5柴油机。
宝马X5搭载了这款3.0L直列六缸柴油发动机
　　宝马3.0L直列6缸双涡轮增压柴油发动机采用了大小两个涡轮，能在发动机不同转速下介入，同时还放弃了原增压器中的可调涡轮叶片，这样对涡轮增压器的反应速度有所提高。
可变双涡轮增压系统
宝马N57性能参数
　　该设计可将两个增压器先后起动，这样既提供了效率又加强了增压器的反应能力，同时还放弃了原增压器中的可调涡轮叶片；这两个增压器是严格按照分级理论进行工作的。增压系统设有两个阀门和几根管路来调控进入增压器的气流和空气量，废气和新鲜空气按照指令分配给两个增压器。这套双增压系统所占的空间较大，因此不能应用在体积较小的V6发动机上。
　　克莱斯勒 3.0L V形六缸柴油发动机
全新大切诺基柴油版
　　即将在4月9日上市的3.0L 柴油版是Jeep全新大切诺基在国内推出的首款柴油车型，新车将搭载一台3.0L EcoDiesel V6涡轮增压直喷柴油发动机，与之相匹配的是8速TorqueFlite自动变速箱其北美版的最大功率179kW，最大扭矩569Nm。得益于柴油发动机“低转高扭”的输出特性，其峰值扭矩已经接近STR车型的6.4L V8汽油发动机水平。
克莱斯勒 3.0L V形六缸柴油发动机DOHC V-6性能参数
　　这款发动机之前搭载在Ram1500上， 款Ram 1500 EcoDiesel是美国市场上唯一在售的轻型柴油皮卡。为了更好地抓住这个细分市场，道奇给Ram1500配备了3.0升涡轮增压的柴油机。
道奇RAM1500首先使用这款发动机
　　该款柴油引擎是由意大利的VM Motori公司设计，Ram1500装备的这款发动机和大切装备的完全一样，能够在3600rmp时爆发出179kw的最大功率，的最大扭矩达到569Nm。这款引擎的扭矩比上世纪八十年代最初的重型皮卡装备的康明斯柴油机的扭矩还要大。相比于标准的3.6升五角星V6引擎，这款EcoDiesel发动机的最大功率下降了48kw，可是最大扭矩上升了约205Nm，即使面对马力更强大的5.7升HEMI V8引擎，这款发动机的扭矩也只是略少了约14Nm而已。除此之外，五角星和HEMI发动机都需要达到4000rpm时才能发出最大扭矩，而EcoDiesel只需要这个数值的一半就能达到最大扭矩点。
克莱斯勒 3.0L V形六缸柴油发动机

　　在低转速区，这台发动机有充分的扭矩输出，扭矩响应十分迅速，发动机转速很快就能达到4800转的红线转速。此款发动机最大的特点就是具有很好的燃油经济性，Ram1500在高速工况下的油耗是25mpg(约每百公里9.4升)。
柴油发动机未来在中国的发展
　　在欧洲，柴油车在乘用车中的比重已经达到40%，而国内柴油机主要搭配在SUV车型当中。从当前的势头来看，豪华SUV的竞争越发激烈，早期只有路虎发现(3.0 SDV6 HSE 柴油版)奥迪Q7(35 TDI quattro )等个别车型品牌有柴油型号售卖，如今宝马(X5 xDrive30d)和奔驰(ML350 4MATIC柴油版)都纷纷来抢占先机，而最近Jeep大切诺基柴油版又即将推出，可能成为豪华SUV市场价格最便宜的柴油车。

　　如此看来，柴油车市场大有价格战的趋势，当然现在还不是时候。接纳和了解柴油车以及柴油油品的提升都需要时间，可是市场总是留给有准备的人，在各大车企看来中国车民拥有更多的购买潜力，这些未被开阔的细分市场，实际上又是非常有实力的车型，必然有信心迎接更多的买家。
　　如今国内面临能源的压力越来越大，国内对污染治理的呼声也非常强烈，这乘用柴油车的一个契机。前不久中国能源部门公布的数据是，中国前原油的对外依存度已经超过55%，有机构预测，到2020年，这个数字将突破60%，这对国家的能源安全是个很大的威胁；而从环境角度看，中国近年来越来越面临来自国内外的减排的压力。
　　在最初很多国家不大力发展柴油车的原因之一是它所制造的可吸入颗粒物(PM2.5)，以及氮氧化物(NOx)，在这一点上我们和日本以及美国类似，汽车排放法规主要是一直是控制有害物质排放为优先。而如今日本和美国已经放开了柴油车市场，因为这些车的排量已经能够达到政府的法规要求。
　　有很多人对轻型柴油车所产生的可吸入颗粒物(PM2.5)大做文章，认为就这点而言乘用柴油车市场就不应过多放开。我个人认为这一点应该分开看待，柴油车所产生的可吸入颗粒物主要和柴油中硫的含量有关，然后再使用先进的减排技术能够将可吸入颗粒物的过滤控制在95%以上。而对于油品，柴油的提炼只能比汽油更简单，我们没有理由生产不出来清洁的柴油，至于真正为何如此本文不做深究，重要的是国家已出台政策 全面供应国际标准清洁柴油，这将鼓舞乘用柴油车市场的增长。

　　在新能源技术还不能快速普及之前，运用新科技节能减排的汽油和柴油发动机还会在我们的汽车世界里一直活跃着，汽车工程师们总是眷恋机械的结构，而不是电子控制一成不变以及参杂了快速消费的理念，机械让工程师们感受到机械的生命和活力，这带给她们喜悦。我想，她们也不会舍得让风靡了百年的燃油车瞬间消亡。柴油车拥有更高的热效率当然应当发挥更大的作用。