柴油引擎省多多?破除迷思大公开

文/童国辅
图/各大官网
协力/德堡福斯
柴油引擎拥有低转速高扭力、高热效率、低油耗、耐久性佳的优势,因此近几年来路上柴油自小客车的能见度已愈来愈高,但柴油车真的这幺优秀吗?汽油引擎一定只能被柴油引擎压着打吗?还有柴油车辆的日常使用与保养上是否需特别注意哪些问题呢?看下去就知道。

柴油引擎省多多?破除迷思大公开柴油本身的能量密度为155百万焦耳/加侖,相对于汽油的132百万焦耳/加侖而言,拥有更高的能量密度,加上提炼柴油是所需的精炼步骤较少,因此可说是好用又平价的燃油。
没有火星塞引擎
高压自燃效率佳
柴油引擎运作原理,与汽油引擎大致相同,同样都是四行程设计,不同的是柴油引擎燃烧爆炸的方式,是透过压缩空气后形成的高温,使紧接着喷入燃烧室的雾化柴油产生爆震而自燃,进而形成推送活塞的动力,因此柴油引擎无需火星塞等点火系统。但由于柴油的分子比汽油分子更大更重,也更难雾化,而传统的柴油引擎因採用间接喷射,且电子控制系统技术尚未成熟,无法精确控制喷油量、喷油压力及时间,使得引擎在低转速时,柴油分子的雾化不完全、燃烧效率差,造成耗油、废气污染,以及加速迟缓、引擎震动大等问题,因此过去只有商用车或货车才使用柴油引擎。不过近几年来,因为「高压共轨直接喷射系统」与「高速运算ECU系统」加入后,柴油引擎早已摆脱这些的负面包袱。

柴油引擎省多多?破除迷思大公开多数柴油引擎的气门角度都是垂直的,原本位于汽缸头的燃烧室则改在活塞中央凹陷部分,表面经过硬化与强化处理,加上长行程设计,如此才能达到22:1以上的超高压缩比。
供油形式革命
共轨式好处多
新式柴油引擎所搭载的高压共轨式直喷系统,是藉由高压泵浦将燃油加压,并输送至具有调压阀之共用油轨中,再由喷油嘴将油轨中的燃油直接注入汽缸中,精準的高压喷射压力可达1350~2050bar,由于喷射压力高,油料喷射时的雾化效果良好,油料与空气混合更完全,因此燃烧效率佳,加上採用缸内直喷设计,搭配计算快速的ECU系统,不仅能更精準确地调整喷油量与喷油时间,分秒不差地进行喷射,还能依据当时之引擎负载及转速,自动调整喷油量,使得整个引擎转速区域内,皆可保持高度压缩及最佳增压值,低速爆发高扭力,高转速时在未超过必要的增压展现高马力,确保引擎使用寿命,并有效降低油耗与有害废气排放量。

柴油引擎省多多?破除迷思大公开柴油引擎的曲轴通常都很粗壮,这点从曲轴柄较粗的直径与面积较大的波司就不难看出。
值得一提,由于可以精确的控制喷油正时,新款的柴油引擎除主要喷射行程外,又多出了「先导喷射」与「二次喷射」的动作,前者可于活塞尚未抵达上死点前,先进行极少量的燃油喷射,除可提高燃烧室的压力外,还可提高主燃行程的燃烧速度,让柴油引擎的燃烧效率更佳;至于后者则是在汽缸已经完成了主燃行程后,再喷入少量的油来降低汽缸内的温度,以减少有害气体NOx的产生,让柴油引擎愈来愈乾净。当然要使柴油引擎不排放黑烟,甚至大幅减少有害气体的排放,不能只靠上述系统,还需透过所谓的碳微粒过滤器(Diesel Particulate Filter简称DPF),甚至是最新的Selective Catalytic Reduction-SCR尿素触媒还原系统的帮助下才能达成。

柴油引擎省多多?破除迷思大公开图中便是高压共轨直喷系统,图中的左边为高压泵浦,连接的横向白色管路即为共同燃油轨,连接在其上的蓝色细管则为输油管,灰色垂直管便是喷油嘴,每支喷油嘴都是透过ECU进行精密控制。
柴油引擎省多多?破除迷思大公开喷油嘴的喷头有五孔、七孔设计,孔数愈多雾化效果愈佳。
柴油引擎省多多?破除迷思大公开如何製造出更乾净、节能、环保与安静的柴油引擎,是许多欧洲车厂持续关注的焦点,我们也乐见能透过这些车厂的努力,让地球暖化速度放慢些,以达人类永续生存的目标。
柴油引擎省多多?破除迷思大公开位于引擎右侧很大一颗圆形柱状物体,便是结合触媒转换器与DPF碳微粒过滤器的净化废气装置,由于两者皆需高温才能正常运作,因此BMW四缸引擎的工程师直接把它安装在涡轮后方。
柴油引擎省多多?破除迷思大公开DPF内部为蜂巢状陶瓷构体,包含许多平行相邻的过滤层,气体可通过,但体积较大的碳微粒则会附着在过滤层壁之上,如此便可减少排气管喷黑烟的情况产生。
柴油引擎省多多?破除迷思大公开较新款柴油车的排气管上,通常可见到DPF与两颗触媒转换器的蹤影,目的都是为了使柴油引擎更加环保与乾净。柴油引擎省多多?破除迷思大公开 终结黑烟的功臣
DPF碳微粒过滤器
会造成环境冲击的柴油引擎污染气体有CO、HC、CO2、NOx与PM,不过由于柴油引擎对于前两者的排放量较低,因此只有后三者需进行管制,特别是PM也就是「悬浮微粒」最容易被注意,因为它是排气黑烟的主要来源。PM的产生主要是因为柴油未完全燃烧所导致,在加入高压共轨直喷系统,提升燃烧效率后,虽能有效减少碳微粒的产生,但在车辆起步或瞬间大脚油门的情况下,还是很难避免排气管喷出黑烟,由于悬浮微粒会增加大气含尘量,对人体呼吸器官具危害性,甚至有致癌的风险,因此欧盟基于维护生活品质的一贯原则,在欧洲市场柴油车佔有率的节节上升的情况下,遂制定越加严格的排放标準,因此新世代柴油车款才会在排气管中段上,额外加入DPF碳微粒过滤器此装置。

柴油引擎省多多?破除迷思大公开此为DPF主动再生过程的示意图,原厂电脑会侦测DPF前后管路内的压力差,判断DPF的阻塞状况,若阻塞情况严重便会增加喷油量,让未经燃烧的柴油形成蒸发油气,跟随废气流入集尘器中再进行燃烧,用以提高DPF的温度达650度以上,进而将附着其上的碳微粒转化为二氧化碳,排放于大气中。
透过特殊蜂巢构造
拦截碳微粒于其中
DPF的细部结构如图所示,蜂巢状陶瓷构体,包含许多平行相邻的废气入口通道与废气出口通道,废气出入口通道间以过滤层壁相隔,而该过滤层壁是以白金、碳化硅本体、载层所构成,为可供气体流动的孔洞组织,流通过的废气会进行类似传统触媒转换器般转化有毒气体为无害气体的作用,至于体积较大的碳微粒则会附着在过滤层壁之上,此排碳过程又称为被动再生(Passive Regeneration),藉此可大幅减少排放到大气中的碳微粒,不过由于碳微粒会不断累积在过滤层壁上,当累积密度高到一定程度时,系统会启动主动再生过程(Active Regeneration)。

柴油引擎省多多?破除迷思大公开当爱车仪錶板的这个灯号亮起时,可能代表着您爱车的DPF已经快装满了,请尽速找个时间,将爱车开上高速公路,将转速控制在2000rpm以上,档位排在5档,定速开个15分钟看看灯号是否会消失,若无请尽速回厂检修。
「主动再生」係将上述的碳微粒转化为二氧化碳的3道过程,但最关键的步骤在于提高DPF的温度,从正常的摄氏300~500度,升高到600~650度,运用的方式如下:关闭EGR废气循环回路以增加燃烧室温度;增加喷油量,让未经燃烧的柴油形成蒸发油气,跟随废气流入集尘器中再进行燃烧,用以直接加温:电子节气门会控制进入引擎的空气量到最低需求,达到稀薄燃烧以提高排气温度:涡轮增压值随之调整,以调整引擎出力,让驾驶者感觉不出系统正在进行清除工作。藉由上述的过程便可将原本累积在DPF内部的碳微粒,燃烧转化为二氧化碳,并排放到大气中,如此DPF即可再继续服役。值得一提,上述提到的过程都是最理想的状态,由于DPF要执行主被动再生过程,需具备一定行车条件才能进行,因此不当的使用习惯或环境,是有可能导致DPF故障的,正确的DPF保养方式,文后详细的叙述。柴油引擎省多多?破除迷思大公开Audi于2006年时率先使用柴油引擎参加利曼大赛,并且持续多年均获得优秀佳绩,代表柴油引擎早已非吴下阿蒙。
柴油引擎省多多?破除迷思大公开 
柴油引擎省多多?破除迷思大公开 SCR尿素触媒系统
大幅减少NOx排放
除了上述提到的多项柴油引擎科技外,目前市面上还有一项逐渐落实于所有柴油引擎上的系统,那就是Selective Catalytic Reduction-尿素选择性触媒还原系统,简称「SCR系统」,这套系统主要是因应欧盟六期环保法规而出现,包含国内最新五期法规也都採用类似严格的排污规範,因此未来可预期搭载SCR系统的柴油车将会愈来愈普遍,至于什幺是SCR系统呢?SCR系统与大家熟知的EGR(废气再循环系统)功能类似,都是为了将废气中的NOx减少的措施;由于燃油在内燃机中高温燃烧必然产生氮氧化物NOx,氮氧化物(NOx)包括一氧化氮(NO)与二氧化氮(NO2),一氧化氮易与血红素快速结合,吸入浓度过高会造成体内缺氧,也是臭氧生成的前趋污染物;二氧化氮有刺激性臭味,会刺激眼、鼻及肺部,长期暴露会造成气管炎、肺炎及降低抵抗力,这些有毒的气体必须尽量去除才可排放至大气中,EGR的作用原理是「降低燃烧温度」,因此它利用废气中所含大量的CO2导入进气歧管,因CO2在燃烧时不发生作用,而且能吸收燃烧的热量,进而降低燃烧温度,就能减少NOX的产生。

柴油引擎省多多?破除迷思大公开 
至于SCR系统,则是将天然气中特别提炼的无毒透明液态尿素「AdBlue」,藉由电脑精密计算喷量后,以专门系统喷在排气管中,利用尿素将NOx分离重组为对人体无害的水与氮,可大幅降低氮氧化合物NOx的排放量,强化引擎的低排污表现,且对减低油耗方面也有助益,平均而言,符合台湾四期标準须要柴油用量3至5%尿素,而台湾五期标準须要柴油用量4至6%的尿素。值得注意的是,SCR与DPF是不同作用的系统,因此多数都并存于车辆上,这点是须特别说明的。 
柴油引擎省多多?破除迷思大公开DPF与SCR两套系统的作用并不相同,因此多数皆并存于柴油车上,DPF的滤尘器在前,SCR的触媒会在后,看来使用柴油车的代价只会愈来愈高。
柴油引擎省多多?破除迷思大公开由于尿素溶液会腐蚀一些零件,所以原厂需额外在车体内设置容器存放,对少会占用宝贵的车上空间,目前国内已有愈来愈多公车使用SCR系统。
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