翟啟泉，付菊紅

（煙臺(tái)南山學(xué)院，山東 煙臺(tái) 265713）

隨著科技的進(jìn)步，特別是當(dāng)高壓共軌、渦輪增壓、廢氣再循環(huán)、氧化催化器、柴油顆粒捕獲器、混合生物柴油燃料等技術(shù)成功運(yùn)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上后，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性的優(yōu)勢(shì)就明顯地體現(xiàn)出來。越來越多的車輛都開始使用柴油動(dòng)力，在歐洲，幾乎一半的車輛都已經(jīng)開始使用柴油動(dòng)力。而在國內(nèi)，大眾TDI、雙龍XDi等一大批先進(jìn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)入，也讓國內(nèi)的消費(fèi)者們切切實(shí)實(shí)地體驗(yàn)到了先進(jìn)柴油動(dòng)力帶來的駕駛感受。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)可以說是進(jìn)入21世紀(jì)以來，全球汽車市場(chǎng)最熱門的話題之一。并且隨著油價(jià)的不斷攀升，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)省油的特性，令其在市場(chǎng)上倍受關(guān)注。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)省油、低轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩輸出大的特性，一直為國際車廠所喜歡，也成為都市生活最合適的動(dòng)力系統(tǒng)選擇。在經(jīng)過數(shù)十年的研發(fā)之后，國際車廠已開發(fā)出各方面均不遜于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，使其不論在性能、排放等方面，均與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)平分秋色。而在柴油煉制成本較低的情形之下，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)更是受到先進(jìn)國家消費(fèi)者的喜愛，甚至連高價(jià)位的豪華車，也紛紛搭載柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其表現(xiàn)之優(yōu)異可見一斑。

1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)之父——狄賽爾 （Rudolf Diesel）另辟蹊徑，在奧圖循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)之外，開創(chuàng)了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的新世界。

柴油穩(wěn)定、不易爆震的特性，可作為壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)使用。經(jīng)過將近20年的研發(fā)，第一具壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)于1892年問世。同年，狄賽爾也取得此項(xiàng)技術(shù)專利。美國Cummins公司在1924年時(shí)，將供油噴射泵應(yīng)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上，解決了當(dāng)時(shí)狄賽爾以高壓空氣供油方式的不穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，并首度將柴油發(fā)動(dòng)機(jī)裝于載貨汽車上，奠定了車輛使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)。1936年，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)搭載于梅賽德斯-奔馳260D，這是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)首次應(yīng)用于轎車。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力大而且省油，但在早期因噪聲及黑煙的排放，所以多為大型車輛及工程機(jī)械所使用。而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)正因轉(zhuǎn)矩大而省油的特性，也讓歐洲許多車廠致力改進(jìn)以適用于小型車輛。在共軌直噴與可精確供油的壓電式噴嘴技術(shù)成熟后，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)更適合小型車使用。

2 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高壓縮比與壓縮點(diǎn)火特性

奧迪的柴油技術(shù)也非常成熟，其TDI渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī) （圖1）具有動(dòng)力強(qiáng)大、省油和排放清潔等眾多優(yōu)點(diǎn)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在機(jī)構(gòu)組件方面，非常類似于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，但是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)主要是靠火花塞來點(diǎn)燃混合氣，而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)則是純粹導(dǎo)入空氣并經(jīng)過高壓縮比 （16∶1～23∶1） 的氣缸容積來壓縮空氣，使所壓縮的空氣溫度迅速上升至超過500℃，然后經(jīng)由噴油嘴將柴油注入加以霧化，之后藉由已被壓縮的空氣所產(chǎn)生的高溫來自行點(diǎn)燃霧化的柴油。因此柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不需使用點(diǎn)火系統(tǒng)，但它仍需要噴射泵和噴油嘴所組成的燃油噴射系統(tǒng)。

為什么可以靠壓縮空氣來點(diǎn)燃油氣，而不需要火花塞呢？原因是當(dāng)空氣分子被導(dǎo)入氣缸壓縮后，空氣中分子互相沖撞與摩擦，使分子移動(dòng)速度迅速增加?？諝夥肿右苿?dòng)加速表示已從外部吸收了能量，造成溫度上升。然而要使氣缸內(nèi)空氣達(dá)到能夠點(diǎn)燃柴油溫度，是需要很高壓縮比的，所以高壓縮比是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)必備的一大特性。

主流的四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)類似，主要差別在于壓縮點(diǎn)火與火花塞點(diǎn)火。新一代的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用共軌直噴技術(shù)。作為第三代的柴油機(jī)電控噴射技術(shù)，共軌噴油系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)使用的直列泵系統(tǒng)，而代之以用一供油泵建立一定油壓后送到各缸公用的高壓油管 （也就是共軌），再由共軌將柴油送入各缸的噴油器。這樣一來，共軌柴油噴射系統(tǒng)的噴油壓力就與噴油量無關(guān)，也不受發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的影響，能根據(jù)要求任意改變壓力水平，使氮氧化物和顆粒物排放都大為減少。

3 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)不斷更新，越來越多的轎車及商旅車采用小排氣量的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，到底柴油發(fā)動(dòng)機(jī)車與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車有什么不同呢？以下就其機(jī)械特性對(duì)柴油和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作比較 （柴油發(fā)動(dòng)機(jī)以目前廣泛應(yīng)用于小型車的共軌直噴發(fā)動(dòng)機(jī)為比較對(duì)象），如表1所示。

通過表1可知，兩種發(fā)動(dòng)機(jī)各有其特點(diǎn)，也各有其應(yīng)用領(lǐng)域。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)樗a(chǎn)生的動(dòng)力較大，而運(yùn)轉(zhuǎn)速度較低，多半應(yīng)用于船舶、重型車輛及大型機(jī)械；而汽油發(fā)動(dòng)機(jī)因其體積與質(zhì)量小，運(yùn)轉(zhuǎn)精致且適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)，可應(yīng)用于轎車、割草機(jī)等小型機(jī)械及小型螺旋槳飛機(jī)等。

表1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在機(jī)械特性上的差異

4 典型柴油系統(tǒng)

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒方式是將燃油噴入燃燒室中，并與燃燒室中的空氣混合來產(chǎn)生自燃。因此，為達(dá)到最大性能與平穩(wěn)運(yùn)行，必須有適當(dāng)?shù)膰娪土颗c噴油時(shí)機(jī)。同時(shí)，在噴入燃油之時(shí)必須要讓燃油以霧化形式噴出，以獲取平順的燃燒效果。簡(jiǎn)單地說，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的供油系統(tǒng)必須在噴油量、噴油時(shí)間及燃油霧化3方面有準(zhǔn)確的控制。

4.1 柱塞式噴射泵系統(tǒng)

柱塞式噴射泵系統(tǒng)為傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的供油系統(tǒng)，因?yàn)槠渲圃旒夹g(shù)成熟、成本低，目前仍廣為中大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用。其運(yùn)行方式是由供油泵將燃油自油箱吸至噴射泵內(nèi)，噴射泵內(nèi)有一凸輪軸，凸輪軸由發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)使得凸輪依發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)正時(shí)來壓動(dòng)控制各缸噴油壓力的柱塞，以建立燃油壓力，并將燃油藉由高壓油管輸送至各缸噴油嘴，并將燃油注入氣缸內(nèi)，而噴油嘴的啟閉是由發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸所控制的。因?yàn)槭怯砂l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)來驅(qū)動(dòng)噴射泵，所以燃油壓力會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不同而改變。

柱塞式噴射泵系統(tǒng)雖廣為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用，但因?yàn)槠鋰娚浔檬且詸C(jī)械方式驅(qū)動(dòng)，無法依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷狀況提供精確的供油量，并且由于噴射泵至各缸的距離并不相同，使得輸送至各缸的燃油壓力不盡相同，這樣就會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的精致性，并增加噪聲、排污及油耗。

4.2 共軌式噴射系統(tǒng)

共軌式噴射系統(tǒng)是由高壓泵將燃油加壓，并輸送至具有調(diào)壓閥的共享油軌中，再由噴油嘴將油軌中的燃油注入氣缸中。目前應(yīng)用于小型車及商旅車的共軌直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，是由發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)ECU來控制高壓泵、調(diào)壓閥及噴油嘴等組件，使得燃油在極高的壓力下，仍能依據(jù)當(dāng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載及轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確地調(diào)整噴油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲及排污量也都比傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)小。并且噴油泵體積及質(zhì)量也比柱塞式噴射泵小，減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量。

通過柱塞式與共軌式噴射系統(tǒng)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者各有其特點(diǎn)，但現(xiàn)在主流仍采用高壓共軌式噴射系統(tǒng)，因其效率高，控制精準(zhǔn)而被廣大汽車廠商所采用，成為未來柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)中堅(jiān)技術(shù)。

5 總結(jié)

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展，至今已有一個(gè)多世紀(jì)之久。隨著全球石油危機(jī)的到來，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)憑借著動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、維修方便等特性，更能夠成為發(fā)動(dòng)機(jī)過渡時(shí)代的領(lǐng)先者。

［1］楊獻(xiàn)勇.熱工過程及自動(dòng)控制［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

［2］李百華.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，2009.

［3］吳顯強(qiáng).車用柴油機(jī)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.