浅析汽车直喷柴油发动机原理及使用

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浅析汽车直喷柴油发动机原理及使用
作者：黄 奎 王忠信
来源：《中小企业管理与科技》2009年第04期

摘要：柴油和汽油都用于车用内燃机，但是它们之间却有着巨大的特性差异。汽油是一种
非常易燃的油品，一个小小的火星就可以将一大桶汽油引燃。而柴油则不行，甚至用明火去
点，在没有引火物的情况下，柴油自身并不会被引燃。这就是二者发火性之间的差异。

关键词：发动机 原理 使用

注意过柴油发动机和汽油发动机压缩比的人应该有印象，通常柴油发动机的压缩比要比汽
油发动机的高一倍以上，就是得益于柴油的抗爆性好。高压缩比的好处显而易见，它可以让燃
烧更为充分。

柴油的燃烧速度比汽油慢得多，这使得柴油混合气点燃的速度要慢于汽油混合气，常规的
柴油发动机响应慢，也是因为柴油的这个特性导致的。另外柴油的挥发性也要比汽油惺，因此
它不能像汽油发动机那样通过进气负压来吸进混合气，而是需要通过高压油泵来将雾化的柴油
压人汽缸内，才能与空气充分混合。

传统柴油机给人这种印象是因为技术特性决定的。如前面所说，柴油的挥发性差，不能通
过进气负压被动吸入汽缸，因此柴油发动机必须靠油泵将燃油泵入汽缸内。所有的柴油发动机
都采用高压缩比设计，因此对于油泵的能量要求也很高。在民用车柴油发动机以前，几乎所有
的柴油发动机都是采用机械泵喷射的，它分为总泵和分泵两部分，目的也是为了获得足够的泵
油压力。

柴油发动机是靠压燃式的，也就是在压缩行程的末端，被压缩的空气产生高温高压以后，
油泵将柴油以雾状喷入汽缸内自燃。这种“点火”方式如果发生在汽油发动机上，就相当于爆
震。事实上，柴油发动机的爆震是不可避免的，它需要靠这种方式来实现混合物的点燃。柴油
发动机之所以震动和噪音明显大于汽油发动机，主要就是基于这个原因。

对于爆震本身任何内燃机都是不希望看到的。对于柴油发动机而言，它的点火依靠爆震，
但作为设计师而言则希望这个爆震控制在能够点火的临界点即可。多余的爆震自然会增加震动
和噪音，乃至影响工作效率。传统柴油机纯机械式的泵油方式，很难做到精准控制，这使得爆
震也难以精准控制，所以这类发动机的震动和噪音都异常强烈。很好理解，难以精准控制的喷
油量，使得空燃比实现精准控制也变得不可能，因此传统柴油发动机很难做到精确燃烧，排放
加剧以及燃烧效率下降也就很自然了。
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只有有效解决好这些问题的柴油机。才有可能被普通民用车所采用。下面我们就以大众著
名的TDI发动机为例，来介绍一些新型柴油发动机的技术。

TDI是英文Turbo Charged Direct Injection的缩写，翻译成中文就是涡轮增压+电控共轨柴
油直喷的意思。这种采用了新型技术的柴油发动机，保留了柴油发动机优点的同时，在震动噪
音以及动力方面，已经达到甚至超过汽油发动机的性能，因而得到欧洲用户的普遍欢迎。

要解决柴油发动机震动噪音大的问题，就必须将其最主要的根源问题解决。柴油发动机震
动噪音大，主要是因为爆震和机械式油泵，前者与精准控制喷油量有关，后者则直接与油泵本
身有关，于是用电子泵取代机械泵便成为一种必然一事实上大众的发动机工程师就是这么做
的。这种电子泵的结构与活塞往复式的机械泵不同，它是靠涡轮叶片的旋转来将燃油泵入燃烧
室的，其工作原理与汽油泵类似，但强度和产生的压力要大得多。

普通的柴油发动机每个喷油器要对应一个油泵，这也是产生噪音的根源之一。TDI采用共
轨技术，达到只用一个油泵就可以实现整个发动机的供油。共轨技术与汽油发动机上的多点电
喷类似，在一根“共轨”上安装四个(对应四缸发动机)喷油器，然后有一个油泵向“共轨”中供
油。而喷油器的开启和关闭，则是靠电脑来控制的，这个原理与电喷汽油发动机类似。这样一
来，由于机械泵产生的噪音就杜绝掉了。但这肯定不是TDI将机械泵改电子泵的所有诉求。

电子泵的供油压力要比机械泵大得多，这使得缸内直喷得以实现。我们在了解到汽油发动
机缸内直喷技术的时候，常常会说到这项技术源自柴油发动机，而事实上，直接在缸内喷射的
柴油发动机只有在实现电子泵以后才真正得以实现。这也是因为柴油发动机的压缩比很高，压
缩冲程的压力比汽油发动机大很多，这需要超高的喷油压力，这在之前的机械泵是无法实现
的。

传统柴油发动机的喷油器是被动工作的，也就是油泵在有压力的时候，就会因压力而将柴
油喷入汽缸。这种完全由油泵控制的喷油过程。自然无法实现电脑控制喷油，这种方式从某种
程度上说，和采用化油器的汽油发动机类似，因为它们都无法实现对于喷油量的精确控制。而
TDI采用的喷油器是靠电磁阀控制的，喷油正时和喷油量，都可以由电磁阀根据ECU发出的
指令来精确控制，这就好比汽油发动机的电喷技术一般。不仅如此，TDI发动机还可以实现柴
油发动机的闭环控制，这在之前的柴油发动机是不存在的。

TDI的另一项技术则是涡轮增压，这种技术现在已经被广泛运用在许多汽油发动机上，但
实际上它在柴油发动机上采用的意义要比汽油发动机大得多。柴油的抗爆性远高于汽油发动
机，这使得涡轮增压技术最大的问题得以很好地解决，那就是被压缩的空气更容易引起爆燃。
在柴油发动机上配备涡轮增压技术，可以让发动机的工作效率进一步提升。

在性能方面与汽油发动机越来越接近的同时，TDI这种新型柴油发动机依然很好地保留了
柴油发动机的特有优势。柴油发动机得益于超高的压缩比，从而可以获得比汽油发动机更高的
燃烧效率，最直接的好处就是可以有效降低燃油消耗。柴油发动机更省油想必已经不是什么新
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闻了，同等动力条件的柴油发动机，可以比汽油发动机节省30％以上的燃油消耗。这种极其
显著的节油效果，使得许多欧洲厂商甚至把它作为与混合动力等新型节能技术抗衡的发动机技
术。

更充分的燃烧效率还意味着有害气体排放的降低，这一点好像很多人并不认可。其实这是
被那些传统柴油发动机喷出的黑烟所蒙蔽的。其他有害气体的排放方面，柴油发动机则具备明
显的优势，特别是欧洲日益严酷的二氧化碳排放问题，柴油发动机可以比汽油发动机减少近
45％，这可是非常可观的数据。这种让人最为头痛的温室气体，是无法通过其他回收装置解决
的，也是欧洲环保法规对于这一项排放要求越来越严苛的主要原因。这种趋势不可逆转，也使
得许多国外汽车厂商，特别是欧洲厂商，越来越热衷于将柴油发动机应用在民用车上。

总结