乘用車柴油機優(yōu)劣勢分析
http://www.hxud.cn 2013-01-30 09:41 中企顧問網(wǎng)
本文導讀：柴油發(fā)動機的轉速較低，氣缸燃燒溫度與汽油車相比也較低，相關零部件不易老化，零部件磨損也比汽油發(fā)動機小，壽命也相對要長，所以柴油發(fā)動機的故障率遠低于汽油發(fā)動機。
一、優(yōu)勢分析
與汽油機相比，柴油機熱效率高、油耗低、扭矩大、可靠性高、使用壽命長，而且廢氣中CO、CO2和HC排放相對低。因此柴油轎車在以下幾個方面具有優(yōu)勢：
1、更節(jié)能：高壓縮比，熱效率高
與同等排量的汽油車相比，柴油的壓縮比在18-23，汽油的為6-11，壓縮比越高，燃燒氣體膨脹越充分，燃料燃燒后所發(fā)出的熱能較多的轉換成了機械功，所以柴油機熱效率高。通常的汽油發(fā)動機熱效率為30%左右，非直噴柴油發(fā)動機通常為35%左右，而TDI直噴柴油發(fā)動機的燃油被直接噴射到燃燒室內，其燃燒效率可以達到43%。因此柴油機能夠節(jié)油30%-45%以上。由于柴油轎車具有優(yōu)異的節(jié)油特性，行駛成本遠遠低于汽油轎車。在原油價格持續(xù)上漲、國內成品油價也不斷上調的情況下，汽車使用過程中的經(jīng)濟性無論對社會還是個人，都非常顯著。
2、低速大扭矩
同一排量的柴油機和汽油機，柴油機的功率要小于汽油機，而扭矩卻遠高于汽油機。主要原因是由于其燃燒特性決定的：柴油由于較長的分子鏈結構導致其燃燒速度較慢，且燃燒時間較長。較慢的燃燒速度降低了發(fā)動機的轉速，較長的燃燒時間使得發(fā)動機獲得較大的扭矩，但由于轉速相對下降較多，所以根據(jù)公式：功率=扭矩*轉速即可得出，柴油發(fā)動機的功率較低，但扭矩較大。
3、更環(huán)保
柴油車的CO2排放量比汽油車低30％以上，CO和HC化合物的排放也遠低于汽油車，Nox排放與汽油車基本相當。柴油車的顆粒物（PM）排放量要遠高于汽油車，但是可以通過后處理系統(tǒng)中的顆粒捕集器（DPF）及NOx選擇性催化還原器（SCR）等技術在尾氣排入大氣之前減少或處理掉。而達到歐IV標準的柴油轎車，其排放的微小顆粒物和氮氧化合物已經(jīng)與汽油車非常接近。
4、安全優(yōu)勢
與汽油相比，柴油不易揮發(fā)，著火點較高，不易因偶然情況被點燃或發(fā)生爆炸，所以使用柴油比使用汽油更為穩(wěn)定。因此，柴油車在使用、維修過程中比汽油車安全得多。
5、可靠性高
柴油發(fā)動機的轉速較低，氣缸燃燒溫度與汽油車相比也較低，相關零部件不易老化，零部件磨損也比汽油發(fā)動機小，壽命也相對要長，所以柴油發(fā)動機的故障率遠低于汽油發(fā)動機。柴油發(fā)動機是壓燃而不是點燃，沒有高壓線圈、火花塞、分電器等復雜的高壓點火系統(tǒng)，當然也不會出現(xiàn)點火系統(tǒng)的故障。由于這一特點，使得柴油車比汽油車也更加耐用。
二、劣勢分析
當然，乘柴仍存在一些問題，其中最突出的仍然是顆粒物和氮氧化物排放、振動和噪聲問題。
1、顆粒物排放問題
柴油機排放的有害成分主要是顆粒物PM和NOx。PM生成的主要原因是由于燃燒不均勻,部分燃料燃燒不充分,在高溫缺氧條件下氧化、裂解而形成。柴油機顆粒物的組成包含兩大部分：一是由碳顆粒物(干碳煙DS)、硫酸鹽和灰顆粒組成的不溶性顆粒;另一組分主要是來源于未完全燃燒的燃料、機油及其中間產(chǎn)物或懸浮微粒組成的可溶性顆粒。
解決PM的方法現(xiàn)在主要是通過增壓中冷（減少PM產(chǎn)生）、高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)（減少PM產(chǎn)生）及排氣后處理系統(tǒng)（減少PM排放）。
2、NOx產(chǎn)生較多
NOx在一般在燃燒溫度大于2300k的富氧條件下生成,即在高溫富氧情況下生成的。同一溫度下,燃料混合氣越稀薄即空燃比越高,則生成NOx的量越高;同一燃料混合濃度下,燃燒溫度越高,生成NOx的量也越高。而當燃燒溫度在1700k以下時,生成NOx的速度很低。控制NOx的生成量,必須控制燃燒溫度,使燃燒放熱率沒有急速的峰值,控制燃燒放熱率的平穩(wěn)性。降低燃燒的初始溫度能大幅度地降低NOx的排放。
因此，減少NOx排放的主要方法是：中冷技術、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)等。中冷技術主要是降低經(jīng)增壓器增壓后的空氣溫度，能減少NOx的生成。EGR是利用廢氣再循環(huán)，將部分廢氣引回氣缸，由于其具有惰性則將會延緩燃燒過程，從而導致燃燒室中的壓力形成過程放慢來降低燃燒溫度，從而減少NOx的生成。
3、振動和噪聲問題
盡管柴油機技術取得了巨大進步，但在振動水平上與汽油車仍有一定差距，尤其在怠速工況時較為明顯。柴油車噪音較大主要是由于壓燃式的點火類似于汽油機的爆震，導致噪音較大。解決乘柴噪音的問題，目前主要通過好的發(fā)動機艙隔音降噪技術來吸收前艙傳導噪音。在實際駕駛采用這種柴油發(fā)動機車型的時候，基本上感覺不到與汽油發(fā)動機明顯的區(qū)別。
與汽油機相比，柴油機熱效率高、油耗低、扭矩大、可靠性高、使用壽命長，而且廢氣中CO、CO2和HC排放相對低。因此柴油轎車在以下幾個方面具有優(yōu)勢：
1、更節(jié)能：高壓縮比，熱效率高
與同等排量的汽油車相比，柴油的壓縮比在18-23，汽油的為6-11，壓縮比越高，燃燒氣體膨脹越充分，燃料燃燒后所發(fā)出的熱能較多的轉換成了機械功，所以柴油機熱效率高。通常的汽油發(fā)動機熱效率為30%左右，非直噴柴油發(fā)動機通常為35%左右，而TDI直噴柴油發(fā)動機的燃油被直接噴射到燃燒室內，其燃燒效率可以達到43%。因此柴油機能夠節(jié)油30%-45%以上。由于柴油轎車具有優(yōu)異的節(jié)油特性，行駛成本遠遠低于汽油轎車。在原油價格持續(xù)上漲、國內成品油價也不斷上調的情況下，汽車使用過程中的經(jīng)濟性無論對社會還是個人，都非常顯著。
柴油版和汽油版大眾高爾夫V百公里油耗對比
同一排量的柴油機和汽油機，柴油機的功率要小于汽油機，而扭矩卻遠高于汽油機。主要原因是由于其燃燒特性決定的：柴油由于較長的分子鏈結構導致其燃燒速度較慢，且燃燒時間較長。較慢的燃燒速度降低了發(fā)動機的轉速，較長的燃燒時間使得發(fā)動機獲得較大的扭矩，但由于轉速相對下降較多，所以根據(jù)公式：功率=扭矩*轉速即可得出，柴油發(fā)動機的功率較低，但扭矩較大。
3、更環(huán)保
柴油車的CO2排放量比汽油車低30％以上，CO和HC化合物的排放也遠低于汽油車，Nox排放與汽油車基本相當。柴油車的顆粒物（PM）排放量要遠高于汽油車，但是可以通過后處理系統(tǒng)中的顆粒捕集器（DPF）及NOx選擇性催化還原器（SCR）等技術在尾氣排入大氣之前減少或處理掉。而達到歐IV標準的柴油轎車，其排放的微小顆粒物和氮氧化合物已經(jīng)與汽油車非常接近。
Passat柴油版和汽油版CO2排放量對比
柴油機和汽油機排放污染物對比
| 污染物種類 |
柴油機 |
汽油機 |
備注 |
| CO(%) |
<0.5 |
<10 |
汽油機是柴油機的20倍以上 |
| HC(ppm) |
<500 |
<3000 |
汽油機是柴油機的5倍以上 |
| NOx(ppm) |
1000-4000 |
2000-4000 |
二者相當 |
資料來源：中企顧問網(wǎng)整理
4、安全優(yōu)勢
與汽油相比，柴油不易揮發(fā)，著火點較高，不易因偶然情況被點燃或發(fā)生爆炸，所以使用柴油比使用汽油更為穩(wěn)定。因此，柴油車在使用、維修過程中比汽油車安全得多。
5、可靠性高
柴油發(fā)動機的轉速較低，氣缸燃燒溫度與汽油車相比也較低，相關零部件不易老化，零部件磨損也比汽油發(fā)動機小，壽命也相對要長，所以柴油發(fā)動機的故障率遠低于汽油發(fā)動機。柴油發(fā)動機是壓燃而不是點燃，沒有高壓線圈、火花塞、分電器等復雜的高壓點火系統(tǒng)，當然也不會出現(xiàn)點火系統(tǒng)的故障。由于這一特點，使得柴油車比汽油車也更加耐用。
二、劣勢分析
當然，乘柴仍存在一些問題，其中最突出的仍然是顆粒物和氮氧化物排放、振動和噪聲問題。
1、顆粒物排放問題
柴油機排放的有害成分主要是顆粒物PM和NOx。PM生成的主要原因是由于燃燒不均勻,部分燃料燃燒不充分,在高溫缺氧條件下氧化、裂解而形成。柴油機顆粒物的組成包含兩大部分：一是由碳顆粒物(干碳煙DS)、硫酸鹽和灰顆粒組成的不溶性顆粒;另一組分主要是來源于未完全燃燒的燃料、機油及其中間產(chǎn)物或懸浮微粒組成的可溶性顆粒。
解決PM的方法現(xiàn)在主要是通過增壓中冷（減少PM產(chǎn)生）、高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)（減少PM產(chǎn)生）及排氣后處理系統(tǒng)（減少PM排放）。
乘柴高壓燃油噴射系統(tǒng)
噴油嘴噴射過程壓力變化曲線
乘柴顆粒撲集器效果對比
NOx在一般在燃燒溫度大于2300k的富氧條件下生成,即在高溫富氧情況下生成的。同一溫度下,燃料混合氣越稀薄即空燃比越高,則生成NOx的量越高;同一燃料混合濃度下,燃燒溫度越高,生成NOx的量也越高。而當燃燒溫度在1700k以下時,生成NOx的速度很低。控制NOx的生成量,必須控制燃燒溫度,使燃燒放熱率沒有急速的峰值,控制燃燒放熱率的平穩(wěn)性。降低燃燒的初始溫度能大幅度地降低NOx的排放。
因此，減少NOx排放的主要方法是：中冷技術、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)等。中冷技術主要是降低經(jīng)增壓器增壓后的空氣溫度，能減少NOx的生成。EGR是利用廢氣再循環(huán)，將部分廢氣引回氣缸，由于其具有惰性則將會延緩燃燒過程，從而導致燃燒室中的壓力形成過程放慢來降低燃燒溫度，從而減少NOx的生成。
增壓中冷原理示意圖
奧迪3.0FSI發(fā)動機中冷器
盡管柴油機技術取得了巨大進步，但在振動水平上與汽油車仍有一定差距，尤其在怠速工況時較為明顯。柴油車噪音較大主要是由于壓燃式的點火類似于汽油機的爆震，導致噪音較大。解決乘柴噪音的問題，目前主要通過好的發(fā)動機艙隔音降噪技術來吸收前艙傳導噪音。在實際駕駛采用這種柴油發(fā)動機車型的時候，基本上感覺不到與汽油發(fā)動機明顯的區(qū)別。
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