[百問] 柴油引擎要怎麼照顧? 顧得好比汽油引擎更環保!(上)

刊登時間: 2021-04-06

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,雖然過去因為柴油門造假因素的關係,使得柴油車似乎蒙上一層汙染環境的陰影,不過站在熱效率的本質來看,柴油引擎其實非常優秀,要讓它在地球上消失可能還要很久時間,而且汙染環境的情況,可能比您想像中來得輕,另外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。

圖/各大汽車官網
 
問題:柴油引擎如何運作的呢?跟汽油引擎比較起來差別在哪裡?

汽車的動力來源有許多種(汽油、柴油、電動及油電混合等),以目前的使用狀況而言,仍是以汽油及柴油為燃料的引擎為主要的動力。主要的原因除了燃油的能量密度高、補充速度快之外,另一個原因是這兩種引擎已有近百年的使用與發展的歷史,工程界對於這兩種引擎不但熟悉且有多年的研發經驗,使得兩種引擎有著便宜且可靠好用的優點。
 
而柴油引擎運作原理,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。
 

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。
 

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。
 

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。


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問題二:柴油引擎的熱效率會比汽油引擎高嗎?其他汙染情況呢?

如上面所述,由於柴油引擎不用火星塞點火系統,完全是靠壓縮混合器時產生的高溫來讓柴油自燃,就像汽油引擎的爆震一樣,柴油引擎就是靠爆震來點燃油氣,因此汽缸內部必須承受比汽油引擎更大的壓力,故必須製造得更為堅固,如此一來就會讓引擎重量變重。
 
但在效率方面,柴油引擎的熱效率卻有高達40%~50%的熱效率,而一般汽油引擎僅有30%~35%左右,因此柴油引擎在油耗表現較汽油引擎來得好。不過在動力輸出上,柴油引擎的低速扭力雖然強大,但是由於引擎轉速受到燃料、重量與其它設計上的限制,不但高速時的馬力較汽油引擎為小,駕駛起來的爆發力也略較汽油引擎來得短,另外NOx與微粒污染物也較汽油引擎高。
 
不過近年共軌式噴射技術與DPF微粒過濾裝置的強制導入,搭配柴油品質之精煉改善後,目前很多新世代柴油引擎的輸出功率,已與汽油引擎相距不遠,而NOx與微粒污染物的排放量亦能達到汽油車之標準,更重要的是柴油引擎之CO2排放,約較汽油引擎少20%~30%,CO也能減少約76%之排放,對於地球暖化的影響較汽油引擎來得低,反倒上述兩項空氣汙染物,對汽油引擎來說,排放量不容易下降,所以柴油引擎不見得比汽油引擎來得不環保。
 
但為了符合環保法規之標準,所加裝DPF微粒過濾裝置、觸媒轉換器等廢氣處理裝置,也造成了柴油引擎價格通常較汽油車款貴10%左右,這個問題對於也反映在車價上,如果您是業務用車,且常跑高速公路的話,柴油車是非常明智的選擇,較貴的車價會從省下來的油錢賺回來,不過前提是有好好保養柴油車下才會把錢省回來。
 

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,是許多歐洲車廠是過去,也是未來持續關注的焦點,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。

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問題三:何謂高壓共軌式直噴系統?有什麼優點呢?

當前小客車所搭載的柴油引擎,都會配置高壓共軌式直噴系統,這套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。
 
值得一提,由於可以精確的控制噴油正時,高階的柴油引擎除了主要噴射行程外,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(高溫是形成NOx的主因),讓柴油引擎愈來愈乾淨。
 
當然要使柴油引擎不排放黑煙,甚至不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。
 

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,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。
 

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。

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問題四:何謂DPF碳微粒過濾器?跟傳統的觸媒轉換器有何差別?

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三者的排放量較低,因此只有後兩者需進行管制,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,也就是沒有燒完的柴油微粒。
 
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,提昇燃燒效率後,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。
 
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,而該過濾層壁係以白金、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)。
 

從這張照片中應該可以更清楚了解DPF的孔隙有多小了吧!如果您是經常短程低速行駛的話,因為DPF無法進行主動再生過程,因此不斷增加的碳微粒是有可能阻塞DPF的,到時候不只引擎無法啟動,連DPF都要換新才能解決。
 

當愛車儀錶板的這個燈號亮起時,可能代表著您愛車的DPF已經快不裝滿了,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。

 

Audi曾於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。

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問題五:聽說DPF會主動減少內部積碳量?它的作動機制為何?

這套機制就是上述所提到的「主動再生」過程,它可將上述的碳微粒,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。
 

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,若組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。
 

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。


有些柴油引擎的DPF與觸媒轉換器都會設置在渦輪旁,目的在獲得比較高的排氣溫度,以利DPF的主動再生功能,同時也可提造讓觸媒進入工作溫度。

文章來源:車訊網
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[百問] 柴油引擎要怎麼照顧? 顧得好比汽油引擎更環保!(下)

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),其中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,且會造成溫室效應。

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