汽车黑科技:柴油机还是“傻大黑粗”吗?

作者:admin 2017-01-12 11:05:16

      提起柴油发动机,大家的第一反应往往是公路上笨重的卡车和田野间的手扶拖拉机。粗野的扭矩、巨大的噪音和滚滚的黑烟成了国人对柴油机的一贯印象。殊不知时光荏苒,工程师们对柴油机的研究如同汽油机一样,从未停歇。目前,世界上领先的乘用车柴油机技术,已经完全颠覆我们对其固有的观念了。在此方面,国内推出的乘用车柴油机有欧意德、华泰等品牌,国外做得比较好的有奥迪TDI、路虎的TD系列等。

为什么“粗放”的柴油机能用到豪华车型上面?为什么我们国内却很少见到高端柴油机车型?今天的@汽车黑科技,我们准备了十足的干货,和大家分享目前柴油机上面搭载的各种牛叉技术——事实上,现在的柴油发动机早已不是我们印象中的那个样子。

柴油机是怎么工作的?

黑科技有必要先向大家简单介绍一下柴油机的工作原理。目前,绝大多数乘用车上面使用的是四冲程柴油机,而二冲程柴油机则更多使用在大型货车、拖拉机上面。如果大家了解自家车的汽油机工作过程的话,那么四冲程柴油机就不难理解了。

四冲程柴油机的工作原理与汽油机类似,每个工作循环由吸气、压缩、做功、排气四个行程组成。不同之处是,由于柴油的燃点较低(220℃),因此不需要点火装置,采用压燃的方式即可点燃缸内的燃油混合气,所以柴油机的压缩比普遍较高,在16-22之间。

高压缩比带来更大的噪音,最直观的感受莫过于拖拉机“突突突”的那种霸气,连喇叭都省了。另一方面,高压缩比加上柴油本身的特性,也使得柴油机在低转速状态下的扭矩明显高于汽油机,我们通常所说的“柴油机有劲”根源就在于此。但转速升高后(一般为3000rpm),柴油机扭矩明显下降,功率也达到峰值,无法再提高。

柴油中碳原子含量较高,且成分复杂,导致传统柴油机燃油利用率不高。由于燃烧不完全,排放物中氮氧化物、含硫化合物、含碳颗粒物的含量也非常高,“冒黑烟、气味大”正是这个原因。

总结起来,传统柴油机有如下特点:

1、压燃方式→压缩比高→低转高扭,噪音、震动大

2、柴油含碳量高→能量密度大→油耗低


3、成分复杂+压燃方式→燃油利用率低、排放问题

这样看来,貌似柴油机只适合粗暴的大货车嘛。可为什么奥迪、路虎等厂商多年来一直在坚持柴油机,并且将排量拓展到1.4L-6.0L上呢?因为工程师们坚信,柴油机可以在保证低油耗高扭矩的优势下,变得更精致、更清洁,而且他们做到了。那我们就来看看,先进的柴油机使用了哪些技术,从“傻大黑粗”变成“小家碧玉”。


燃油喷射有门道
·高压共轨
这项技术到现在已经有14年历史了,其作用之大不得不提。所谓高压共轨,简单来讲就是让燃油喷入各气缸之前,先在一条筒状的高压蓄力器中“逗留”一下,压力得到提高达到接近2000个大气压,并保证分布均匀,然后再流向喷油器。共轨和喷油器都连接着汽车的大脑——ECU,由其决定最佳的喷油时间、喷油量。

共轨技术另一个贡献在于,它将压力的生成与燃料的喷射分离开来,工程师能够对所有喷射自由配置,为开发设计带来很大的自由度。例如,奥迪的TDI柴油机可以将每个工作循环的8种喷射进行分类,2次预喷射使得燃烧更加安静,1次主喷射提供主要动力,5次后喷射能够减少污染物排放。

·压电式喷油器
高压共轨系统使得燃油压力非常高,因此需要极其精确的喷油装置才能Hold住,压电式喷油器就是最好的搭配。该喷油器的核心结构是压电执行器里的上百层压电晶体。

在对晶体施加电压时,单片晶体略微膨胀,在千分之一秒内迅速改变结构。上百个压电晶圆在喷油器中堆叠起来,产生明显的量变,顶开下方的喷油器针阀,这种传导中间没有机械连接,最为直接。这种压电喷油器的响应速度是传统喷油器的4倍,可以更加精准地配合共轨,控制喷油。同时,喷油孔的直径只有0.1mm,以此保证喷入气缸中的燃油雾化良好。

也就是说,共轨技术组合在很大程度上改善了柴油机“傻”的问题。

涡轮增压的发掘
·双涡轮增压+电子涡轮辅助

对于增压技术的发掘,似乎永远没有止境,柴油机亦是如此。

以柴油机中的新TDI机型为例,其3.0TDI使用了串联的双涡轮增压器,来弥补柴油机在高转速情况下动力的不足。转速低于2500rpm时,具有可变截面技术的小涡轮增压器完成大部分的增压工作。从大约2500rpm起,转换阀开始打开,小涡轮增压器逐渐将主要增压工作转交给大涡轮增压器。在转速为3500-4000rpm时,阀门完全打开,这时只有大涡轮增压器在增压。

如何让发动机在怠速起步阶段,转速很低的情况下也能有良好的动力输出呢?奥迪颇具创新地想了这么一个点子——电子涡轮。该装置相当于一台压气机,由电机驱动,位于中冷器的下游。在大多工作状态下,空气不会流经此处,只有在较低的发动机转速下,废气能量较低时,旁通阀关闭,空气才会流经此处加压。由于是电力驱动,工程师专门为这台电子涡轮提供了一个48V电路,并结合制动能量回收功能。

加装电子涡轮后,这台3.0TDI发动机的峰值扭矩由580Nm提高到了750Nm,转速点也由1400rpm提前至1250rpm,扭矩峰值和平台的提升还是很明显的。

·VTG可变涡轮截面

上面提到小涡轮增压器具有可变涡轮截面技术,这里有必要展开一下。涡轮增压器的工作原理想必大家多少都了解,那么可变截面又是什么意思呢?原来,在涡轮的四周,有一圈导流叶片,废气经过导流叶片后才会吹向涡轮。当驾驶员深踩油门时,导流叶片会在机械压感的作用下发生旋转,叶片间的夹角变小,这样一来能量不高的废气经过叶片后流速会提高,以更高的速度吹向涡轮,让涡轮更快地被催动起来。简单理解,就好比外面刮着柔和的风,如果你的窗户开得很大,吹进来的风也就很轻柔;如果窗户只留一道缝,你会发现进来的风速变快了。

可变截面涡轮(VTG)在保时捷的跑车上面也有搭载,是汽油机技术,现在已经推广到了柴油机,可见柴油机还有进一步挖掘的潜能。
排放控制
·SCR催化转化器

汽车黑科技75 柴油机还是“傻大黑粗”吗?
SCR指的是针对废气中的氮氧化物进行催化还原。途中红色球为NOx,灰色为碳颗粒,蓝色为氨气,绿色为生成的氮气。工作时,AdBlue溶液(蓝色)从贮槽喷射到SCR催化转换器中。这种水溶性添加剂在热废气中分解,生成氨气,将氮氧化物转化为无害的氮气和水。奥迪在新款3.0TDI发动机中将SCR催化转换器与柴油颗粒过滤器结合在了一起。由于在0℃以下时,AdBlue溶液会凝固,因此奥迪为催化转化器配置了电加热功能。

多说一句,AdBlue这种添加剂,我们通常叫它尿素。名字不好听,可确实对氮氧化物的排放抑制贡献了不少。另外,AdBlue是消耗品,日常用车中不要等到耗尽了再去添加。去年大众在美国排放作弊折戟沉沙,吃了公司有史以来最大的一次亏,实际上就是在通过软件规避SCR的启动,因为这个装置会提高用户的养车成本。

为何先进柴油机在国内遇尴尬
相信大家对目前的柴油发动机也有了一番新的认识。柴油机目前的技术水平、复杂程度、环境友好度,已经不亚于汽油机了。同时,它还保留柴油机特有的优势——低转速下动力强劲、油耗比同排量汽油机低30-40%,甚至达到某些混合动力车型的水平。实际上,目前欧洲公路上60%的车型使用的都是柴油机,但这个数字在我国只有1%。

  国5/欧5 欧6
HC+NOx(g/km) 0.23 0.17
CO(g/km) 0.5 0.5
NOx(g/km) 0.18 0.08
PM(g/km) 0.005 0.005
像TDI这样的柴油机,欧6标准都能达到,中国的排放标准自然不在话下。可为何我们很难在城市中见到柴油轿车呢?主要原因有以下两点:

·一线大城市对柴油车政策过紧

像北京这样的城市,柴油乘用车政策“一刀切”,管你什么技术,只要烧柴油,统统不能上牌。若是坚持上了外地牌照,进京问题又随之而来。繁杂的手续、高约束的用车规定让很多人对柴油车望而却步,无奈最终选择了汽油车。对此,奥迪、起亚、双龙等国内外厂商也束手无策。

有了技术,有了消费需求,我们等到了市场,却还要等政策。

·我国柴油油品问题

大城市有购买限制,小城市没有吧?别急,我们的油品也是个大问题。先进的柴油机技术对油品的要求是比较严格的,而我们的柴油往往不能达到要求,具体表现为杂质和硫化物的含量偏高,这一点开车的朋友想必有切身体会。以我国现在的柴油油品,也只能满足公路上粗放、落后、低效的柴油机。

 指标 欧V(2009年至今) 美国(2006年至今) 北京(2008.3-2012.5)
 含硫量(ppm) <10 <15 <50 
 芳烃含量(v%) <10 <35 无标准 
 多环芳烃(v%) <11 <11 <11 
 十六烷值指数 54~57 >40 47-50 
提高油品是最直接的办法,但要先问石化企业。这不是简单说说的事,要提高油品,在炼油的环节就要入手,升(jin)级(kou)设备。这是一项动辄几十亿上百亿的投资,并非一朝一夕就能完成。

@汽车黑科技认为,这两点原因相互间也是有牵制的。在政府看来,油品不提升,再好的柴油机技术也难以达标,所以我不会解禁;而在石化企业看来,政府不放宽柴油乘用车禁令,我何必投巨额资金提升油品?
希望有一天,我国的“三桶油”不仅价格,品质也能和国际接轨。回到技术,尽管目前国内现状尚不能完全满足先进柴油机的工况需求,但能看到柴油机在动力、排放方面的巨大进步,这本身就是一件值得高兴的事情。