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柴油引擎 BMW 730d 柴油引擎的歷史 內燃機的崛起 在機械工程學的定義中，凡利用熱能而產生動力 的機械，統稱為熱機(Heat Engine)。而熱機又分 為內燃機與外燃機兩大類，燃料在熱機內部燃燒 產生熱能，再將熱能轉變為機械動力者，皆稱為 內機，如汽油引擎、柴油引擎、燃器渦輪機等。 而燃料在熱機外燃燒者稱為外燃機，如蒸氣機。 西元1892年，德國工程師狄賽爾(Rudolf Diesel) 發明了燃燒效率較高的非火花點火引擎，並取得 專利，這是內燃機發展的一個新里程碑。 柴油引擎的發展 在奧圖發明了第一具四行程內燃引擎後，當時 許多工程師都致力於內燃機的發展，但是多以 火花點火引擎為發展方向，如Mercedes-Benz 的創辦人戴姆勒，正是將汽油引擎應用於車輛 的始祖。但由於當時點火裝置技術並不成熟， 狄賽爾便以空氣壓縮使溫度升高的理論，朝向 壓縮點火方向發展內燃機技術。也就是先將汽 缸內的空氣壓縮至高溫，再將燃料注入燃燒室， 燃料因高溫高壓而自燃，產生引擎所需動力。 經過將近二十年的研發，第一具壓縮點火 引擎於1892年問世，同年，狄賽爾也取得 此項技術專利。由於狄賽爾的柴油引擎在 發展初期技術尚未非常的成熟 美國Cummins公司在1924年時，將供油噴 射泵應用於柴油引擎上，解決了當時狄賽 爾以高壓空氣供油方式的不穩定運轉，並 首度將柴油引擎裝於卡車上，奠定了車輛 使用柴油引擎的基礎。 Rudolf Diesel(1858-1913)，另闢奚徑， 在Otto循環引擎之外，開創柴油引擎的世 界。 1906 年柴油引擎 四行程柴油引擎的工作原理 四行程柴油引擎是引擎 曲軸旋轉兩轉（720 °）， 而活塞在汽缸，內往復 各兩次；以進行進氣、 壓縮、動力及排氣四個 行程，而完成 一個工作循環，如此週 而復始的運轉， 進氣行程（intake stroke）: 進氣行程開始時，進氣門開啟，排氣門 關閉，活塞自上死點下行，汽缸內容積 增大，產生部分真空，純淨的新鮮空氣， 在大氣壓力下衝入汽缸內；汽門正時圖 如圖2-4 所示。此時汽缸內所吸入的空 氣量，雖說是不受引擎負荷大小，轉速 高低等因素的影響而大致不變，但實際 確有部分影響，故實際的進氣效率只有 92％～95 ％。 壓縮行程（compression stroke）： 活塞過下死點後上行，進、排氣門俱 關閉，將汽缸內的純淨 空氣壓縮至汽缸容積的14 ~24 分之l， 因此空氣的壓力即升達 30~55 bar。由於進氣道的特殊設計， 故進氣時空氣是以旋轉狀態 進入汽缸內，再因燃燒室的特殊形狀， 致使空氣在壓縮過中產生 極為強烈的渦流 動力行程（power stroke）： 壓縮行程將近終了時，柴油以霧狀噴入燃燒 室內，與高溫及 高速渦流的空氣接觸，吸足熱量後著火自燃， 燃燒使溫度及壓力 急速上升，活塞下行，但噴油仍持續一短時 間，燃燒亦繼續一段 時間，雖汽缸容積因活塞下行而增大，但壓 力卻繼續在增高，形 成壓力幾乎是維持定壓的狀態，迫使活塞加 速下行，汽缸內的燃 燒最高壓力可高達30 ~ 55 bar，如圖2-9 所 示。噴油停止後，燃 燒氣體膨脹將活塞繼續推向下行，至完成動 力行程 排氣行程（exhaust stroke）： 活塞下行到達下死點前，排氣門開啟， 燃燒的廢氣在膨脹壓 力下，經排氣門以音速的流速衝出汽 缸外，動力行程結束。活塞 行至下死點時，汽缸內的壓力亦降至 接近或低於大氣壓力，如此 可減少機械功的損失。活塞自下死點 上行，繼續將汽缸內的廢氣 驅除，過上死點後，排氣門關閉而完 成此四行程循環， 因柴油引擎熱效率高，故排氣溫度較 低約500 ℃。 共軌式噴射系統(common rail,CR) Bosch 共軌式燃料系統 （一）低壓燃油泵將油箱中的燃油吸出，送 至燃油過濾器過濾後，再送至高壓泵，將 燃油加壓後送至共軌管，當噴油嘴的電磁 線圈通電時，噴油嘴開啟，燃油噴入汽缸 中，過多的燃油經回油管流回油箱， Bosch 共軌式燃料系統 (二)低壓燃油泵：電動齒輪式燃油泵，配置 預先過濾器，將油箱中的燃油送至燃油過 濾器，壓力約6 bar (三)燃油過濾器：過濾燃油中的雜質 (四)高壓泵：可將燃油加壓至1,600 bar， 經高壓油管送至共軌管 (五)共軌管：共軌管儲存高壓燃油並保持恆 壓，壓力由燃油壓力感知器測得，藉由壓 力控制閥維持壓力 (六)高壓油管：由鋼管製成，承受高壓燃油及噴油嘴噴油時 高頻壓力的跳動。 (七)噴油嘴：噴油嘴電磁線圈通電時，噴油嘴開啟，高壓燃 油噴入汽缸中，過多的燃油經回油管流回油箱中 (八)共軌式燃料系統燃油壓力很高，在引擎 運轉或熄火30 秒內，切勿進行任何作業， 通常應注意安全事項。 (九)燃油控制系統：由感知器、電腦ECM 及作動器組成。 FORD TDCi 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。 FORD Duratorq TDCi 2.0L柴油引擎解剖圖 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）。 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 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。 柴油引擎與汽油引擎在機械特性上的 差異 730d搭載最新一代直列6缸柴油引擎，採用第三代共軌燃 油噴射技術，讓全新730d輕而易舉即可達到1,800 bar的 噴射壓力，最大馬力輸出可高達245匹德制馬力，在1,750 轉時即可產生540牛頓米驚人的扭力輸出，時速從0加速到 每小時100公里僅需7.2秒；除了高轉速域和細膩無比的運 轉特性之外，全新730d同樣兼顧省油經濟特性，與前代 730d車款相比，全新BMW 730d的動力不僅增加了14匹德 制馬力，油耗卻減少10%，擁有平均每100公里僅耗費7.2 公升柴油、二氧化碳排放量每公里排放192公克堅強實力 的全新730d，不僅傲居車壇同級距第一，其優異的經濟省 油特性甚至超越現今市面上的豪華油電混合車款。建議售 價則為396萬元 結論 多數人對柴油車的印象也還停留在從前， 像是它很會冒黑煙、震動及聲音都大、馬 力比較小而且車速比較慢 。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。 參考文獻 http://ecolife.epa.gov.tw/blog/post/92329 5 http://tw.autos.yahoo.com/auto_informati on_article2/url/d/a/090527/7/2qnp.html http://www.bmw.com.tw/home/index.htm http://www.lubrichem.com.tw/aral/engine _dis.html