2024年3月30日 星期六
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柴油引擎過人處?看了你就知道!
AUTONET記者:Edison(01/09/2009)
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要了解FORD TDCi柴油科技為何傲人?從技術面為你介紹!
 
相信許多讀者都曾於偉人傳記、或是如商業週刊此類刊物中的人物訪談中,了解過古今中外許多成功人士,從小生活困頓,歷經磨練後,到最後終於克服一切,成功開創出自己一片天的故事。其實此種經歷,於車壇中也有相同例子,且不是哪位車廠的創辦人或是高層人員,它是無生命的科技—柴油引擎。

 
FORD Duratorq TDCi 2.0L柴油引擎解剖圖。
 
柴油引擎發展過程

為何會已此開場白介紹柴油引擎,其實從柴油引擎的發展過程,便可充分證明,追溯至柴油引擎的發展歷史,其實於1892年之時,也就是汽油引擎甫問世不久之際,工程師Rudolf Diesel便成功發明全球第一具柴油引擎,立刻與當時剛崛起的汽油引擎互別苗頭,但因成熟度不足,未於第一時間大放光彩。不過由於柴油引擎大扭力特性,反而成為大型機具與需要載重的大型商用車款使用大宗,第一次世界大戰時,許多國家軍用潛水艇便是使用柴油引擎作為動力來源。

從19世紀末發明,到20世紀的使用階段中,柴油引擎除了於商用領域有著高度使用率外,也由於科技的進化,開始朝向乘用車邁進,無論柴油車款盛行的歐洲市場,或是早期的台灣車市中,都可見到搭載柴油引擎的乘用車蹤影。台灣市場中,則由於當時政府考量空氣污染因素,從民國69年開始宣布禁止柴油小客車進口及登記新車領牌,直至2002年加入WTO世界貿易組織後,台灣至2004年方才開放柴油小客車上路,因此柴油小客車在台灣一消失就是24年,但在此24年時光裡,柴油車市場大宗的歐陸地區,對於柴油科技的研發進步早已非同日而語。

在此24年內,雖然柴油引擎基礎不變,但在全新共軌供油科技、壓電式噴嘴技術與可變渦輪幾何的研發問世與量產化,讓柴油動力的發展進入一個全新的階段,除了一改過去柴油給人次等、高污染的不佳印象外,更於整體性能、環保、油耗經濟各面向大幅進化,更有凌駕當代汽油引擎的氣勢。這從最早不被看好、各車廠勵精圖治後發展出全新科技,直到與汽油引擎平起平坐、甚至即將超越的過程,你說,柴油引擎是不是一如開場所提的,有著相當起伏的發展過程?

但由於台灣車市中長達24年對於柴油科技的斷層,雖然藉由開放後諸多車廠的努力,已有少數消費者對於新世代柴油引擎開始有著進一步的了解與體認,入主此類柴油車款的消費者也漸為增加,但依舊有著多數的消費族群,對於柴油科技依舊有著錯誤認知與舊有印象。雖然柴油引擎非無所不能的神兵利器,但在此時代,如果沒有與時俱進了解此大幅進化的動力科技,只能說,真的很可惜。

柴油成分介紹

要了解新世代柴油引擎,必須要先從汽油與柴油此燃油來源的結構加以切入了解。汽油與柴油的源頭—石油,是一種「脂肪性碳氫化合物」,而由石油提煉出的汽油與柴油,最大差異為碳(C)與氫(H)的構成比例不同,汽油是由碳鍊長度C7H16至C11H24間的碳氫化合物所混合而成,至於柴油,則是由C14H30碳氫化合物所構成,此碳氫比例的差異,將造成能量密度的不同,簡而言之,就是在相同的單位體積中,汽油與柴油含有的能量比例不同。

以一加崙汽油而論,大約含有1.32億焦耳的能量,而柴油毎加崙更可高達1.55億焦耳,雖然柴油擁有較佳的能量密度,但由於提煉的過程較簡易,因此柴油價格一般皆低於汽油,因此以其能量密度與價格而論,柴油的確是個相當超值的燃料。

柴油引擎運作原理

了解汽柴油之後,進一步了解汽油引擎與柴油引擎,基本上兩者都會擁有進氣、壓縮、燃燒、排氣四個衝程,兩者最大的差異,乃在進氣與壓縮環節。以汽油引擎而論,汽油進入汽缸前,會先與空氣混合,進入汽缸內已是混合好的油氣,在經過壓縮後由火星塞點火燃燒,為了避免油氣在壓縮時就提前自然而產生爆震,通常汽油引擎壓縮比會控制較小,約在8:1至12:1間;反觀柴油引擎,進入汽缸內僅有空氣,藉由壓縮後產生高溫熱量,讓汽缸內的柴油自燃,也因此特性,柴油引擎需要較高的壓縮比,通常介於14:1至25:1之間,高壓縮比讓柴油引擎有著低轉速高扭力特性,同時,活塞行程會較長、阻力較大,也讓柴油引擎轉速較汽油來得低。

由於柴油引擎需要高壓縮比,因此本體結構皆會經過特殊強化,連帶提升製作成本,使得柴油車通常會擁有較汽油車更高的價格,但從維修面來看,因為柴油引擎省卻了點火系統,可擁有引擎體積較小、維修零件簡易的優點,保養上當然也較汽油引擎更為容易與簡單。根據過往統計數據,柴油引擎平均壽命為85萬公里,汽油引擎為40-45萬公里,幾乎是汽油引擎的一倍。

新世代柴油引擎箇中翹楚—FORD TDCi

而在台灣禁止柴油引擎登陸之時,歐洲車廠們對於柴油引擎已有著大幅進步,其中可說為箇中翹楚的歐洲FORD,旗下所發展出的柴油引擎,名為TDCi,全名為Turbo Direct Common-rail Injection,中文譯名為共軌渦輪柴油科技;其中Turbo意為渦輪增壓系統、Direct為缸內直噴、Common-rail Injection則為高壓共軌噴射,在此多項高科技的幫助下,柴油引擎正式邁入新世代,且可擁有以下特點:

(1) 低轉速大扭力:此特性可讓車輛展現強勁的加速表現,更可比同級汽油引擎優異60%。
(2) 與汽油引擎匹敵、甚至超越的馬力表現:在渦輪增壓系統的加持下,現今柴油引擎已可有效的提升馬力輸出。
(3) 低油耗:平均而言較汽油引擎優異40%。
(4) 高熱效率:柴油為35%以上,汽油引擎則為30%。
(5) 低污染:柴油引擎可以擁有較汽油引擎遠低許多的一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、二氧化碳(CO2)排放量,不過氮氧化物、懸浮微粒則較汽油引擎來得高,但比例不明顯。
(6) 耐用:使用壽命方面,平均柴油引擎高出汽油引擎一倍。
(7) 保養成本低:由於柴油引擎採用直接點火方式,因此省去了分電盤、點火線圈、火星塞、高壓線組等設計,且保養週期也較汽油引擎長。

高科技的神奇功力

FORD TDCi柴油科技是如何達到上述優點?如何較傳統柴油引擎有著大幅進化?關鍵在於動力及廢氣排放表現中獲得關鍵性突破,而會有此突破,更是借重於高壓共軌噴射科技的成功發展。

由於柴油提煉過程較汽油來得粗糙,柴油分子比汽油分子更大、更重與更難霧化。而舊世代柴油引擎供油壓力隨著引擎轉速而來,必須藉由提升引擎轉速才有辦法提高噴油嘴的壓力來達到完全霧化,因此在低轉速時,會發生柴油分子霧化不全情況,而不完全燃燒的柴油分子便會造成嚴重空氣污染,同時燃燒效率也無法提高,馬力性能也較差。這就是就是代柴油引擎起步時常有大量黑煙,濃厚臭味的主要原因。

FORD TDCi引擎採用的新世代高壓共軌噴射系統先以超高壓幫浦將供油管中的柴油完全霧化後,再經由獨立的壓電噴油嘴(Piezo nozzles)加以噴入汽缸。也就是說,噴油嘴不必同時負責加壓和噴射,供油壓力也不再引擎轉速的拉升能提高,即便在低轉速,TDCi就能夠產生1600bar以上的高壓。
FORD TDCi引擎採用的新世代高壓共軌噴射系統先以超高壓幫浦將供油管中的柴油完全霧化後,再經由獨立的壓電噴油嘴(Piezo nozzles)加以噴入汽缸。

第二代高壓共軌噴射的好處相當多,大約有以下幾點:
(1) 由於採用共軌設計,各缸間的噴射誤差幾乎為零,因此從低轉速到高轉速的引擎性能都可以控制在穩定的最佳狀態。
(2) 最大噴射壓力提高到1600 bar,提升引擎輸出效力。
(3) 德國SIEMENS壓電噴油嘴持續穩定噴油量、噴油壓力與噴油時間,減少變異量。
(4) 藉由前導噴油(Pilot Injection)預先加溫加壓,緩和初期燃燒作用增加燃燒效益。
(5) 藉由主噴油(Main Injection)穩定噴射流程,減少因壓力劇變導致燃燒變異所產生的引擎噪音。
(6) 就由後噴油(Post Injection)強迫完全燃燒,降低排放污染。
(7) 德國SIEMENS 32位元引擎監理系統,精準計算控制運作單元。
(8) 後勤維修與保養更為容易。

此外,除了第二代高壓共軌噴射科技以外,FORD TDCi還有可變渦輪葉片幾何設計(Variable geometry low inertia turbocharger)的加持。渦輪增壓系統的優點是能在不加大引擎排氣量就能大幅度提高引擎動力輸出。加裝渦輪增壓系統後引擎輸出一般而言可增加20%-30%,不過渦輪增壓的缺點再於葉片慣性作用對油門驟時變化反應遲緩,使引擎延遲增加或減少輸出功率,這對於要突然加速或超車的汽車而言,瞬間會有一點提不上勁的感覺,也就是所謂的渦輪遲滯(Turbo lag)。

可變渦輪葉片幾何正是解決渦輪遲滯的最新科技。傳統渦輪增壓的葉片是固定的,不論低轉速或高轉速都採用同一角度進氣。而可變渦輪葉片幾何則在外圍加入了角度可調整的導流葉片以控制葉片角度並改變廢氣的流速。
可變渦輪葉片幾何則在外圍加入了角度可調整的導流葉片以控制葉片角度並改變廢氣的流速。

高轉速時葉片角度張大,降低進氣流速,以減緩渦輪轉速。低轉速時葉片角度縮小,增加進氣流速。透過這樣的設計,讓柴油引擎在高/低轉速下都能維持穩定的增壓值以改善行駛過程的順場性,避免渦輪遲滯狀況的產生。簡而言之,可變渦輪葉片幾何所帶能的好處為:
(1) 避免渦輪遲滯的狀況發生。
(2) 均衡低轉速與高轉速的渦輪作動差異。
(3) 增加燃燒效益,降低廢氣排放。
(4) 延長渦輪使用性。
高轉速時葉片角度張大,降低進氣流速,以減緩渦輪轉速。低轉速時葉片角度縮小,增加進氣流速。

第三代共軌渦輪柴油科技採用德國SIEMENS引擎控制系統,由16位元進化為32位元,透過感應單元監理包含凸輪軸速度、空氣流量、引擎冷卻溫度、油壓及油溫等,以利微電腦判斷合適的噴油時機與噴油量,並透過邏輯運算記憶在監理晶片中。高壓共軌值噴技術允許超高噴射壓力的監理模組管控幫浦、噴油壓力、噴油量與時間。不但可以降低引擎噪音,提升扭力,並有效降低油耗,減少震動與噪音。

環保效益方面,FORD TDCi共軌渦輪柴油科技則採用了DPF(Diesel Particulate Filter)柴油碳微粒分子過濾系統。柴油碳微粒分子過濾系統位在排氣系統尾段前,透過系統中細小微粒過濾未經處理氣體中的一氧化碳、氮氧化物、懸浮微粒與二氧化碳等物質。藉由溫度感知器、差速壓力感知器與催化感知器分離微粒物質,再將以分離出微粒物質的廢氣排出。

過濾系統的材質由耐高溫纖維所組成,外部塗覆碳氫化合物反應觸媒。當廢氣通過時,微粒狀物被過濾而沉積在濾管表面。由於引擎之廢氣溫度在攝氏450度以上,藉此可將沉機的煙塵微粒經碳氫化合物氧化觸媒的催化反應完全分解,而無需任何外加熱能,這也是新世代柴油引擎不排放黑煙的關鍵。

雖然DPF可大幅提升新世代柴油引擎的環保表現,但依舊有著產品壽命,為降低車主的養車成本,歐洲FORD更推出全新的cDPF,與先前DPF不同的是過濾器內部度有一層貴金屬材質,可透過電腦監控碳微粒排放量,進行自動再生燃燒動作,不需輔助任何添加劑來協助燃燒,先前福特六和所推出的全新Focus TDCi Powershift車型,便已搭載此全新的的問世cDPF,使用壽命較先前DPF拉長許多,約為25-35萬公里左右,以目前消費者的用車週期而論,用車期間幾乎不需要更換,也消弭許多消費者對此配備價格的疑慮。
DPF柴油碳微粒分子過濾系統,透過系統中細小微粒過濾未經處理氣體中的一氧化碳、氮氧化物、懸浮微粒與二氧化碳等物質;而全新的cDPF,更可擁有較DPF更長的使用壽命,約為25-35萬公里左右。

FORD TDCi引擎優異的靜肅性式特色之一,運用最新的加速監理控制系統APC(Accelerometer Pilot Control),讓TDCi引擎本身可隨時監控引擎運轉聲浪。新一代TDCi更運用了噪音抑制技術NRT(Noise Reduction technology),使TDCi的引擎運轉靜肅性大幅精進。

以FORD TDCi 2.0L柴油引擎為例,導入第二代共軌科技與具有可變渦輪葉片幾何的渦輪增壓系統,可輸出最大馬力136hp/4000rpm,而扭力峰值更是拿手好戲,足足到達了32.7kgm/2000rpm的表現,甚至超越了3.0升汽油引擎的水準,更與Focus ST搭載的2.5升渦輪增壓汽油引擎平起平坐!且還具備超增壓(Overboost)功能,當駕駛瞬間需要較大動能以完成如超車動作時,此引擎還會榨出高達34.6kgm的扭力峰值此外,與同排氣量的汽油引擎相較,TDCi 2.0L多出了68%的扭力輸出。

除了科技上的突破與動力上的提升以外,FORD Duratorq TDCi柴油引擎於燃油效益的部分同樣驚人,在燃油消耗以及行駛成本上大幅超越同汽油引擎,同樣一公升的燃油,柴油引擎可比汽油引擎多行駛四至五公里!且超級柴油與無鉛汽油的油價差異,相乘之下可節省的行駛成本相當可觀。

而Focus TDCi同樣與汽油引擎擁有相同的保養過程,並不會特別複雜。大致上是針對引擎機油、機油芯的更換而已。不過由於柴油引擎的特性與汽油引擎不同,省去了分電盤、點火線圈、高壓線組與火星塞等設計,在維修上甚至比汽油引擎簡單。而在單位成本的花費上,柴油引擎並不比汽油引擎高,長久以來更能節省點火系統的花費。

至於消費者最關心的價格方面,或許一般而言,柴油車款皆會擁有較汽油車款較高的價格,但其中堅持新世代柴油路線的福特六和汽車,由於歐洲原廠的大力支持後盾,加上福特六和於台灣現地生產的成本優勢,使得福特六和旗下柴油車款,無論Focus TDCi Powershift或Mondeo TDCi等,撘載了高科技的新世代柴油引擎與變速系統,還有相關的豐富配備之後,車價與同級對手並無太大差異,大大消弭了一般消費者存在「柴油車較貴」的普遍印象,也難怪福特六和所推出的柴油車款,已成為諸多聰明消費者的購車首選。

未來趨勢—柴油引擎

總合上述介紹,清楚可以得知,現今柴油車款,早已具有更勝汽油車的全方位表現,且根據J.D.Power的預測,全球柴油車款的佔有率將從2005年的1500萬輛,成長至2015年的2900萬輛以上,而歐洲市場中柴油車款早已擁有與汽油車平起平坐的市佔率,充分證明柴油動力的攀升趨勢。因此,如果你還對於柴油車有著負面印象?還在猶豫如何選擇?仔細看完上述文章,相信你會有有所改觀!

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