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柴油引擎省多多?破除迷思大公開


刊登時間: 2014/02/03

文/Grand
圖/各大官網
協力/德堡福斯
柴油引擎擁有低轉速高扭力、高熱效率、低油耗、耐久性佳的優勢,因此近幾年來路上柴油自小客車的能見度已愈來愈高,但柴油車真的這麼優秀嗎?汽油引擎一定只能被柴油引擎壓著打嗎?還有柴油車輛的日常使用與保養上是否需特別注意哪些問題呢?看下去就知道。

柴油本身的能量密度為155百萬焦耳/加侖,相對於汽油的132百萬焦耳/加侖而言,擁有更高的能量密度,加上提煉柴油是所需的精煉步驟較少,因此可說是好用又平價的燃油。

沒有火星塞引擎
高壓自燃效率佳
柴油引擎運作原理,與汽油引擎大致相同,同樣都是四行程設計,不同的是柴油引擎燃燒爆炸的方式,是透過壓縮空氣後形成的高溫,使緊接著噴入燃燒室的霧化柴油產生爆震而自燃,進而形成推送活塞的動力,因此柴油引擎無需火星塞等點火系統。但由於柴油的分子比汽油分子更大更重,也更難霧化,而傳統的柴油引擎因採用間接噴射,且電子控制系統技術尚未成熟,無法精確控制噴油量、噴油壓力及時間,使得引擎在低轉速時,柴油分子的霧化不完全、燃燒效率差,造成耗油、廢氣污染,以及加速遲緩、引擎震動大等問題,因此過去只有商用車或貨車才使用柴油引擎。不過近幾年來,因為「高壓共軌直接噴射系統」與「高速運算ECU系統」加入後,柴油引擎早已擺脫這些的負面包袱。

多數柴油引擎的氣門角度都是垂直的,原本位於汽缸頭的燃燒室則改在活塞中央凹陷部分,表面經過硬化與強化處理,加上長行程設計,如此才能達到22:1以上的超高壓縮比。

供油形式革命
共軌式好處多
新式柴油引擎所搭載的高壓共軌式直噴系統,是藉由高壓泵浦將燃油加壓,並輸送至具有調壓閥之共用油軌中,再由噴油嘴將油軌中的燃油直接注入汽缸中,精準的高壓噴射壓力可達1350~2050bar,由於噴射壓力高,油料噴射時的霧化效果良好,油料與空氣混合更完全,因此燃燒效率佳,加上採用缸內直噴設計,搭配計算快速的ECU系統,不僅能更精準確地調整噴油量與噴油時間,分秒不差地進行噴射,還能依據當時之引擎負載及轉速,自動調整噴油量,使得整個引擎轉速區域內,皆可保持高度壓縮及最佳增壓值,低速爆發高扭力,高轉速時在未超過必要的增壓展現高馬力,確保引擎使用壽命,並有效降低油耗與有害廢氣排放量。

柴油引擎的曲軸通常都很粗壯,這點從曲軸柄較粗的直徑與面積較大的波司就不難看出。

值得一提,由於可以精確的控制噴油正時,新款的柴油引擎除主要噴射行程外,又多出了「先導噴射」與「二次噴射」的動作,前者可於活塞尚未抵達上死點前,先進行極少量的燃油噴射,除可提高燃燒室的壓力外,還可提高主燃行程的燃燒速度,讓柴油引擎的燃燒效率更佳;至於後者則是在汽缸已經完成了主燃行程後,再噴入少量的油來降低汽缸內的溫度,以減少有害氣體NOx的產生,讓柴油引擎愈來愈乾淨。當然要使柴油引擎不排放黑煙,甚至大幅減少有害氣體的排放,不能只靠上述系統,還需透過所謂的碳微粒過濾器(Diesel Particulate Filter簡稱DPF),甚至是最新的Selective Catalytic Reduction-SCR尿素觸媒還原系統的幫助下才能達成。

圖中便是高壓共軌直噴系統,圖中的左邊為高壓泵浦,連接的橫向白色管路即為共同燃油軌,連接在其上的藍色細管則為輸油管,灰色垂直管便是噴油嘴,每支噴油嘴都是透過ECU進行精密控制。

噴油嘴的噴頭有五孔、七孔設計,孔數愈多霧化效果愈佳。

如何製造出更乾淨、節能、環保與安靜的柴油引擎,是許多歐洲車廠持續關注的焦點,我們也樂見能透過這些車廠的努力,讓地球暖化速度放慢些,以達人類永續生存的目標。

位於引擎右側很大一顆圓形柱狀物體,便是結合觸媒轉換器與DPF碳微粒過濾器的淨化廢氣裝置,由於兩者皆需高溫才能正常運作,因此BMW四缸引擎的工程師直接把它安裝在渦輪後方。

DPF內部為蜂巢狀陶瓷構體,包含許多平行相鄰的過濾層,氣體可通過,但體積較大的碳微粒則會附著在過濾層壁之上,如此便可減少排氣管噴黑煙的情況產生。

較新款柴油車的排氣管上,通常可見到DPF與兩顆觸媒轉換器的蹤影,目的都是為了使柴油引擎更加環保與乾淨。
 
終結黑煙的功臣
DPF碳微粒過濾器
會造成環境衝擊的柴油引擎污染氣體有CO、HC、CO2、NOx與PM,不過由於柴油引擎對於前兩者的排放量較低,因此只有後三者需進行管制,特別是PM也就是「懸浮微粒」最容易被注意,因為它是排氣黑煙的主要來源。PM的產生主要是因為柴油未完全燃燒所導致,在加入高壓共軌直噴系統,提升燃燒效率後,雖能有效減少碳微粒的產生,但在車輛起步或瞬間大腳油門的情況下,還是很難避免排氣管噴出黑煙,由於懸浮微粒會增加大氣含塵量,對人體呼吸器官具危害性,甚至有致癌的風險,因此歐盟基於維護生活品質的一貫原則,在歐洲市場柴油車佔有率的節節上升的情況下,遂制定越加嚴格的排放標準,因此新世代柴油車款才會在排氣管中段上,額外加入DPF碳微粒過濾器此裝置。

此為DPF主動再生過程的示意圖,原廠電腦會偵測DPF前後管路內的壓力差,判斷DPF的阻塞狀況,若阻塞情況嚴重便會增加噴油量,讓未經燃燒的柴油形成蒸發油氣,跟隨廢氣流入集塵器中再進行燃燒,用以提高DPF的溫度達650度以上,進而將附著其上的碳微粒轉化為二氧化碳,排放於大氣中。

透過特殊蜂巢構造
攔截碳微粒於其中
DPF的細部結構如圖所示,蜂巢狀陶瓷構體,包含許多平行相鄰的廢氣入口通道與廢氣出口通道,廢氣出入口通道間以過濾層壁相隔,而該過濾層壁是以白金、碳化矽本體、載層所構成,為可供氣體流動的孔洞組織,流通過的廢氣會進行類似傳統觸媒轉換器般轉化有毒氣體為無害氣體的作用,至於體積較大的碳微粒則會附著在過濾層壁之上,此排碳過程又稱為被動再生(Passive Regeneration),藉此可大幅減少排放到大氣中的碳微粒,不過由於碳微粒會不斷累積在過濾層壁上,當累積密度高到一定程度時,系統會啟動主動再生過程(Active Regeneration)。

當愛車儀錶板的這個燈號亮起時,可能代表著您愛車的DPF已經快裝滿了,請盡速找個時間,將愛車開上高速公路,將轉速控制在2000rpm以上,檔位排在5檔,定速開個15分鐘看看燈號是否會消失,若無請盡速回廠檢修。

「主動再生」係將上述的碳微粒轉化為二氧化碳的3道過程,但最關鍵的步驟在於提高DPF的溫度,從正常的攝氏300~500度,升高到600~650度,運用的方式如下:關閉EGR廢氣循環回路以增加燃燒室溫度;增加噴油量,讓未經燃燒的柴油形成蒸發油氣,跟隨廢氣流入集塵器中再進行燃燒,用以直接加溫:電子節氣門會控制進入引擎的空氣量到最低需求,達到稀薄燃燒以提高排氣溫度:渦輪增壓值隨之調整,以調整引擎出力,讓駕駛者感覺不出系統正在進行清除工作。藉由上述的過程便可將原本累積在DPF內部的碳微粒,燃燒轉化為二氧化碳,並排放到大氣中,如此DPF即可再繼續服役。值得一提,上述提到的過程都是最理想的狀態,由於DPF要執行主被動再生過程,需具備一定行車條件才能進行,因此不當的使用習慣或環境,是有可能導致DPF故障的,正確的DPF保養方式,文後詳細的敘述。
Audi於2006年時率先使用柴油引擎參加利曼大賽,並且持續多年均獲得優秀佳績,代表柴油引擎早已非吳下阿蒙。

 

 
SCR尿素觸媒系統
大幅減少NOx排放
除了上述提到的多項柴油引擎科技外,目前市面上還有一項逐漸落實於所有柴油引擎上的系統,那就是Selective Catalytic Reduction-尿素選擇性觸媒還原系統,簡稱「SCR系統」,這套系統主要是因應歐盟六期環保法規而出現,包含國內最新五期法規也都採用類似嚴格的排污規範,因此未來可預期搭載SCR系統的柴油車將會愈來愈普遍,至於什麼是SCR系統呢?SCR系統與大家熟知的EGR(廢氣再循環系統)功能類似,都是為了將廢氣中的NOx減少的措施;由於燃油在內燃機中高溫燃燒必然產生氮氧化物NOx,氮氧化物(NOx)包括一氧化氮(NO)與二氧化氮(NO2),一氧化氮易與血紅素快速結合,吸入濃度過高會造成體內缺氧,也是臭氧生成的前趨污染物;二氧化氮有刺激性臭味,會刺激眼、鼻及肺部,長期暴露會造成氣管炎、肺炎及降低抵抗力,這些有毒的氣體必須盡量去除才可排放至大氣中,EGR的作用原理是「降低燃燒溫度」,因此它利用廢氣中所含大量的CO2導入進氣歧管,因CO2在燃燒時不發生作用,而且能吸收燃燒的熱量,進而降低燃燒溫度,就能減少NOX的產生。

 

至於SCR系統,則是將天然氣中特別提煉的無毒透明液態尿素「AdBlue」,藉由電腦精密計算噴量後,以專門系統噴在排氣管中,利用尿素將NOx分離重組為對人體無害的水與氮,可大幅降低氮氧化合物NOx的排放量,強化引擎的低排污表現,且對減低油耗方面也有助益,平均而言,符合台灣四期標準須要柴油用量3至5%尿素,而台灣五期標準須要柴油用量4至6%的尿素。值得注意的是,SCR與DPF是不同作用的系統,因此多數都並存於車輛上,這點是須特別說明的。 
DPF與SCR兩套系統的作用並不相同,因此多數皆並存於柴油車上,DPF的濾塵器在前,SCR的觸媒會在後,看來使用柴油車的代價只會愈來愈高。

由於尿素溶液會腐蝕一些零件,所以原廠需額外在車體內設置容器存放,對少會占用寶貴的車上空間,目前國內已有愈來愈多公車使用SCR系統。