TDI高壓共軌直噴柴油發(fā)動機(jī)詳解

1、柴油和汽油都是石油的提取物，而且都用于車用內(nèi)燃機(jī)，但是它們之間卻有著巨大的特性差異。汽油是一種非常易燃的油品，一個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)，在沒有引火物的情況下，柴油自身并不會被引燃。這就是二者發(fā)火性之間的差異。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很大的優(yōu)勢。如果注意過柴油發(fā)動機(jī)和汽油發(fā)動機(jī)壓縮比的人應(yīng)該有印象，通常柴油發(fā)動機(jī)的壓縮比要比汽油發(fā)動機(jī)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，它可以讓燃燒更為充分。汽油發(fā)動機(jī)的進(jìn)步其中有一項(xiàng)就是壓縮比的逐步提高，這也使得汽油的抗爆性越來越高，98號汽油的高昂價格已經(jīng)說

2、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)動機(jī)有11以上的壓縮比就很不錯了，而柴油發(fā)動機(jī)的這個數(shù)字常常能夠超過20。這無疑有利于充分燃燒，柴油發(fā)動機(jī)普遍比汽油發(fā)動機(jī)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(guī)的柴油發(fā)動機(jī)響應(yīng)慢，也是因?yàn)椴裼偷倪@個特性導(dǎo)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)動機(jī)那樣通過進(jìn)氣負(fù)壓來吸進(jìn)混合氣，而是需要通過高壓油泵來將霧化的柴油壓人汽缸內(nèi)，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(dǎo)致柴油發(fā)動機(jī)的整體設(shè)計(jì)與汽油發(fā)動機(jī)完全不一樣，它們的性能特點(diǎn)也有著很大的區(qū)別。傳統(tǒng)的

3、柴油發(fā)動機(jī)扭矩很大，可靠性也非常高，但功率小、響應(yīng)差、低溫點(diǎn)火困難、污染嚴(yán)重等等，而且其震動噪音大，因此常常只能被一些載貨汽車采用，少數(shù)硬派越野車也會采用這種柴油發(fā)動機(jī)，但對于注重舒適的轎車或者公路SUV而言，在過去是很少有柴油發(fā)動機(jī)版本的。傳統(tǒng)柴油機(jī)給人這種印象是因?yàn)榧夹g(shù)特性決定的。如前面所說，柴油的揮發(fā)性差，不能通過進(jìn)氣負(fù)壓被動吸人汽缸，因此柴油發(fā)動機(jī)必須靠油泵將燃油泵入汽缸內(nèi)。所有的柴油發(fā)動機(jī)都采用高壓縮比設(shè)計(jì)，因此對于油泵的能量要求也很高。在民用車柴油發(fā)動機(jī)以前，幾乎所有的柴油發(fā)動機(jī)都是采用機(jī)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(fù)式的機(jī)械泵是靠

4、凸輪來驅(qū)動的，凸輪的能量則源自曲軸。每個汽缸會有一個噴油器，每個噴油器又必須匹配一個油泵，這使得整臺發(fā)動機(jī)的油泵數(shù)量很多。這種機(jī)械油泵不僅供油壓力有限，而且它們都是純機(jī)械式的，在往復(fù)運(yùn)動以及與凸輪發(fā)生作用的時候，會產(chǎn)生巨大的噪音，這是傳統(tǒng)柴油發(fā)動機(jī)噪音大的原因之一。柴油發(fā)動機(jī)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(nèi)自燃。這種“點(diǎn)火”方式如果發(fā)生在汽油發(fā)動機(jī)上，就相當(dāng)于爆震。事實(shí)上，柴油發(fā)動機(jī)的爆震是不可避免的，它需要靠這種方式來實(shí)現(xiàn)混合物的點(diǎn)燃。柴油發(fā)動機(jī)之所以震動和噪音明顯大于汽油發(fā)動機(jī)，主要就是基于這個原因。對于爆震本身任何內(nèi)燃機(jī)都是不

5、希望看到的。對于柴油發(fā)動機(jī)而言，它的點(diǎn)火依靠爆震，但作為設(shè)計(jì)師而言則希望這個爆震控制在能夠點(diǎn)火的臨界點(diǎn)即可。多余的爆震自然會增加震動和噪音，乃至影響工作效率。傳統(tǒng)柴油機(jī)純機(jī)械式的泵油方式，很難做到精準(zhǔn)控制，這使得爆震也難以精準(zhǔn)控制，所以這類發(fā)動機(jī)的震動和噪音都異常強(qiáng)烈。很好理解，難以精準(zhǔn)控制的噴油量，使得空燃比實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制也變得不可能，因此傳統(tǒng)柴油發(fā)動機(jī)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題的柴油機(jī)，才有可能被普通民用車所采用?，F(xiàn)在越來越多的SUV，上都開始普及柴油發(fā)動機(jī)，特別是在歐洲，柴油發(fā)動機(jī)的高扭矩特性非常適合這種車型。許多沒有適合自己車型高性能柴

6、油發(fā)動機(jī)的廠商，都會選擇外購的方式為它旗下的SUV配備柴油發(fā)動機(jī)版本。像三菱的歐藍(lán)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)動機(jī)都是通過什么方法來解決柴油機(jī)的這些問題，以至于它們可以廣泛采用在這些類似于轎車的公路型SUV上的呢?下面我們就以大眾著名的TDI發(fā)動機(jī)為例，來介紹一些新型柴油發(fā)動機(jī)的技術(shù)。TDl是英文Turbo Charged Direct lnjection的縮寫，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)動機(jī)，保留了柴油發(fā)動機(jī)優(yōu)點(diǎn)的同時，在震動噪音以及動力方面，已經(jīng)達(dá)到甚至超過汽油發(fā)動機(jī)的性能，因而得到歐洲用戶的普遍歡迎。TD

7、l只不過是新型柴油發(fā)動機(jī)的一種，它并非大眾獨(dú)有的某種技術(shù)，其他廠商也有類似技術(shù)的柴油發(fā)動機(jī)。要解決柴油發(fā)動機(jī)震動噪音大的問題，就必須將其最主要的根源問題解決。前面說過，柴油發(fā)動機(jī)震動噪音大，主要是因?yàn)楸鸷蜋C(jī)械式油泵，前者與精準(zhǔn)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(jī)械泵便成為一種必然一事實(shí)上大眾的發(fā)動機(jī)工程師就是這么做的。這種電子泵的結(jié)構(gòu)與活塞往復(fù)式的機(jī)械泵不同，它是靠渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)來將燃油泵入燃燒室的，其工作原理與汽油泵類似，但強(qiáng)度和產(chǎn)生的壓力要大得多。普通的柴油發(fā)動機(jī)每個噴油器要對應(yīng)一個油泵，這也是產(chǎn)生噪音的根源之一。TDI采用共軌技術(shù)，達(dá)到只用一個油泵就可以實(shí)現(xiàn)整個

8、發(fā)動機(jī)的供油。共軌技術(shù)與汽油發(fā)動機(jī)上的多點(diǎn)電噴類似，在一根“共軌”上安裝四個(對應(yīng)四缸發(fā)動機(jī))噴油器，然后有一個油泵向“共軌”中供油。而噴油器的開啟和關(guān)閉，則是靠電腦來控制的，這個原理與電噴汽油發(fā)動機(jī)類似。這樣一來，由于機(jī)械泵產(chǎn)生的噪音就杜絕掉了。但這肯定不是TDI將機(jī)械泵改電子泵的所有訴求。電子泵的供油壓力要比機(jī)械泵大得多，這使得缸內(nèi)直噴得以實(shí)現(xiàn)。我們在了解到汽油發(fā)動機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)的時候，常常會說到這項(xiàng)技術(shù)源自柴油發(fā)動機(jī)，而事實(shí)上，直接在缸內(nèi)噴射的柴油發(fā)動機(jī)只有在實(shí)現(xiàn)電子泵以后才真正得以實(shí)現(xiàn)。這也是因?yàn)椴裼桶l(fā)動機(jī)的壓縮比很高，壓縮沖程的壓力比汽油發(fā)動機(jī)大很多，這需要超高的噴油壓力，這在之前的

9、機(jī)械泵是無法實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)柴油發(fā)動機(jī)的噴油器是被動工作的，也就是油泵在有壓力的時候，就會因壓力而將柴油噴入汽缸。這種完全由油泵控制的噴油過程。自然無法實(shí)現(xiàn)電腦控制噴油，這種方式從某種程度上說，和采用化油器的汽油發(fā)動機(jī)類似，因?yàn)樗鼈兌紵o法實(shí)現(xiàn)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，噴油正時和噴油量，都可以由電磁閥根據(jù)ECU發(fā)出的指令來精確控制，這就好比汽油發(fā)動機(jī)的電噴技術(shù)一般。不僅如此，TDI發(fā)動機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)動機(jī)的閉環(huán)控制，這在之前的柴油發(fā)動機(jī)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(jù)尾氣判斷燃燒狀況，進(jìn)而進(jìn)一步調(diào)整供油濃度，實(shí)現(xiàn)混合氣的充分燃燒。

10、這種精準(zhǔn)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)動機(jī)缸內(nèi)產(chǎn)生的強(qiáng)大渦流可以使霧狀柴油與空氣充分混合，這樣一來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)動機(jī)的震動和噪音。TDI的另一項(xiàng)技術(shù)則是渦輪增壓，這種技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛運(yùn)用在許多汽油發(fā)動機(jī)上，但實(shí)際上它在柴油發(fā)動機(jī)上采用的意義要比汽油發(fā)動機(jī)大得多。柴油的抗爆性遠(yuǎn)高于汽油發(fā)動機(jī)，這使得渦輪增壓技術(shù)最大的問題得以很好地解決，那就是被壓縮的空氣更容易引起爆燃。在柴油發(fā)動機(jī)上配備渦輪增壓技術(shù)，可以讓發(fā)動機(jī)的工作效率進(jìn)一步提升。被壓縮的混合氣在汽缸內(nèi)的濃度比自然吸氣的發(fā)動機(jī)要大得多，再加上伴隨的高溫高壓，這

11、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。通過這些新技術(shù)的采用，使得TDl成為一款非常適合轎車和豪華SUV使用的柴油發(fā)動機(jī)。雖然它的震動噪音仍然會比同技術(shù)含量的汽油發(fā)動機(jī)大一些，但是通過好的平衡技術(shù)、發(fā)動機(jī)減震技術(shù)以及發(fā)動機(jī)艙的隔音降噪技術(shù)，在實(shí)際駕駛采用這種柴油發(fā)動機(jī)車型的時候，基本上感覺不到與汽油發(fā)動機(jī)明顯的區(qū)別。在性能方面與汽油發(fā)動機(jī)越來越接近的同時，TDl這種新型柴油發(fā)動機(jī)依然很好地保留了柴油發(fā)動機(jī)的特有優(yōu)勢。柴油發(fā)動機(jī)得益于超高的壓縮比，從而可以獲得比汽油發(fā)動機(jī)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)動機(jī)更省油想必已經(jīng)不是什么新聞

12、了，同等動力條件的柴油發(fā)動機(jī)，可以比汽油發(fā)動機(jī)節(jié)省30%以上的燃油消耗。這種極其顯著的節(jié)油效果，使得許多歐洲廠商甚至把它作為與混合動力等新型節(jié)能技術(shù)抗衡的發(fā)動機(jī)技術(shù)。更充分的燃燒效率還意味著有害氣體排放的降低，這一點(diǎn)好像很多人并不認(rèn)可。其實(shí)這是被那些傳統(tǒng)柴油發(fā)動機(jī)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)動機(jī)的主要排放物之一。即使是現(xiàn)在最先進(jìn)的柴油發(fā)動機(jī)，它的碳顆粒排放仍然要顯著高于汽油發(fā)動機(jī)，但并沒有高到我們平時看到的那些“墨斗魚”那么恐怖。由于實(shí)現(xiàn)噴油的精準(zhǔn)控制，TDl的碳顆粒排放量已經(jīng)顯著降低，以至于單靠肉眼并不能很輕松地判斷某款車是否采用的是柴油發(fā)動機(jī)了。而且現(xiàn)在大部分在歐洲銷售的柴油車型都已配備碳顆?；厥昭b置，從而可以徹底解決這一問題。柴油發(fā)動機(jī)比汽油發(fā)動機(jī)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)動機(jī)則具備明顯的優(yōu)勢，特別是歐洲日益嚴(yán)酷的二氧化碳排放問題，柴油發(fā)動機(jī)可以比汽油發(fā)動機(jī)減少近45%，這可是非?？捎^的數(shù)據(jù)。這種讓人最為頭痛的溫室氣體，是無法通過其他回收裝置解決的，也是歐洲環(huán)保法規(guī)對于這一項(xiàng)排放要求越來越嚴(yán)苛的主要原因。這種趨勢不可逆轉(zhuǎn)，也使得許多國外汽車廠商，特別是歐洲廠商，越