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投 稿 類 別 : 工 程 技 術 類 篇 名 : 柴 油 引 擎 新 趨 勢 作 者 : 陳 宇 聖 私 立 青 年 高 中 汽 車 一 年 618 班 童 啟 峰 私 立 青 年 高 中 汽 車 一 年 618 班 劉 佳 坤 私 立 青 年 高 中 汽 車 一 年 618 班 指 導 老 師 : 曾 建 棠 老 師

壹 前 言 隨 著 國 際 原 油 價 格 的 不 斷 高 漲, 效 率 較 高 的 柴 油 引 擎 在 現 今 的 汽 車 市 場 中, 已 漸 漸 成 為 一 股 新 崛 起 的 主 流 勢 力 由 於 柴 油 車 輛 最 為 人 所 詬 病 的 黑 煙 ( 碳 粒 ) 污 染 問 題, 震 動 及 噪 音 的 問 題 已 獲 得 大 幅 度 的 改 善 ; 運 轉 精 緻 度 趨 近 於 汽 油 引 擎 的 表 現 水 準 ; 且 柴 油 引 擎 特 有 的 強 大 扭 力, 是 同 排 氣 量 汽 油 引 擎 所 難 以 匹 敵 的 優 勢 所 在 讓 柴 油 引 擎 車 輛 能 夠 脫 穎 而 出, 在 市 場 上 獨 佔 鰲 頭 的 主 要 原 因 檢 視 柴 油 引 擎 的 發 展 歷 史, 再 對 照 今 日 柴 油 引 擎 的 技 術, 實 在 是 讓 人 難 以 想 像 改 變 會 如 些 巨 大, 不 只 是 最 大 馬 力 的 發 揮 排 放 黑 煙 的 情 況 ; 以 前 存 在 的 許 多 缺 點, 現 在 也 都 有 得 到 大 幅 的 改 善 那 為 何 會 有 如 此 大 幅 度 的 改 善 呢? 那 就 是 我 们 所 討 論 的 重 點, 是 否 可 在 其 中 作 出 結 論 改 良 出 比 現 在 更 省 油, 污 染 更 少 的 柴 油 引 擎 貳 正 文 一 前 言 所 提 要 改 良 出 比 現 在 更 省 油, 污 染 更 少 的 柴 油 引 擎 是 必 一 定 要 先 了 解 四 行 程 柴 油 引 擎 的 運 作 原 理 ( 一 ) 進 氣 行 程 : 進 氣 門 打 開 當 活 塞 從 上 死 點 往 下 行 時, 空 氣 經 由 進 氣 門 及 進 氣 歧 管 被 吸 入 汽 缸 中, 此 時 並 沒 有 燃 油 進 入 汽 缸 內 ( 二 ) 壓 縮 行 程 : 在 進 氣 行 程 結 束 後, 並 當 活 塞 從 下 死 點 開 始 往 上 走 時, 進 排 氣 門 均 關 閉 在 活 塞 上 行 汽 缸 內 體 積 被 壓 縮 的 同 時, 壓 力 和 溫 度 便 開 始 增 加, 直 至 空 氣 到 達 柴 油 的 燃 點 溫 度 以 上 ( 三 ) 動 力 行 程.. 當 壓 縮 行 程 接 近 上 死 點 時, 噴 油 嘴 將 燃 油 以 霧 化 方 式 噴 出, 吸 收 空 氣 的 壓 縮 熱 後 即 會 自 行 產 生 激 烈 的 燃 燒 在 此 結 果 下, 汽 缸 內 之 壓 力 將 迅 速 上 升 並 將 活 塞 往 下 推, 此 推 力 變 成 讓 曲 軸 產 生 轉 動 的 力 量 ( 四 ) 排 氣 行 程.. 在 燃 燒 過 程 結 束 後, 當 活 塞 往 下 走 接 近 下 死 點 時, 排 汽 門 即 會 開 啟 當 活 塞 再 度 往 上 行 時, 廢 氣 便 經 由 排 汽 門 排 汽 歧 管 和 消 音 器 將 廢 氣 排 至 大 氣 中 1

二 討 論 高 壓 縮 比 與 壓 縮 點 火 柴 油 引 擎 是 吸 入 純 空 氣 並 利 用 高 壓 縮 比 (16~23:1) 的 汽 缸 容 積 變 化 來 壓 縮 空 氣, 使 所 壓 縮 的 空 氣 其 溫 度 迅 速 上 升 至 450 以 上, 然 後 經 由 噴 油 嘴 將 柴 油 噴 射 霧 化 進 入 汽 缸 內, 之 後 藉 由 已 被 壓 縮 的 空 氣 所 產 生 之 熱 量 來 自 行 著 火 霧 化 的 柴 油 為 什 麼 可 以 靠 壓 縮 空 氣 來 點 燃 油 氣 呢? 原 因 是 當 空 氣 分 子 被 導 入 汽 缸 壓 縮 後, 空 氣 中 之 分 子 受 到 互 相 衝 撞 與 摩 擦, 因 而 使 分 子 移 動 速 度 被 迅 速 地 增 加 空 氣 分 子 加 速 表 示 已 從 外 在 吸 收 了 能 量, 所 以 造 成 溫 度 上 升 然 而 要 使 汽 缸 內 空 氣 達 能 夠 點 燃 柴 油 溫 度, 是 需 要 很 高 壓 縮 比 的, 所 以 高 壓 縮 比 和 將 柴 油 霧 化 是 柴 油 引 擎 必 備 的 二 大 特 性 由 上 述 可 得 知 為 達 最 大 性 能 與 平 穩 操 作 之 情 況, 必 須 有 適 當 的 噴 油 量 與 噴 油 時 間 同 時, 在 噴 入 燃 油 之 時 必 須 要 讓 燃 油 以 霧 化 之 形 狀 來 噴 出 以 獲 取 平 順 的 燃 燒 效 果 簡 單 的 說, 柴 油 引 擎 的 供 油 系 統 必 須 在 噴 油 量 噴 油 時 間 及 燃 油 霧 化 三 方 面 有 準 確 的 控 制 柱 塞 式 噴 射 泵 浦 系 統 為 傳 統 柴 油 引 擎 所 採 用 之 供 油 系 統, 因 為 其 製 造 技 術 成 熟 成 本 低, 目 前 仍 廣 為 中 大 型 柴 油 引 擎 採 用 其 作 動 方 式 是 藉 由 供 油 泵 浦 將 燃 油 自 油 箱 吸 至 噴 射 泵 浦 內, 噴 射 泵 浦 內 有 一 凸 輪 軸, 凸 輪 軸 由 引 擎 傳 動 凸 輪 軸 轉 動 使 得 凸 輪 依 引 擎 旋 轉 正 時 來 壓 動 控 制 各 缸 噴 油 壓 力 的 柱 塞, 以 建 立 燃 油 壓 力, 並 將 燃 油 藉 高 壓 油 管 輸 送 至 各 缸 噴 油 嘴, 並 將 柴 油 噴 入 汽 缸 內, 而 噴 油 嘴 的 啟 閉 是 由 噴 射 泵 產 生 的 高 壓 所 控 制 因 為 是 由 引 擎 運 轉 來 驅 動 噴 射 泵 浦, 所 以 燃 油 壓 力 會 隨 著 引 擎 轉 速 的 不 同 而 改 變 柱 塞 式 噴 射 泵 浦 系 統 雖 廣 為 柴 油 引 擎 採 用, 但 因 為 其 噴 射 泵 浦 是 以 機 械 方 式 驅 動, 無 法 依 據 引 擎 負 荷 狀 況 提 供 精 確 的 供 油 量 ; 並 且 由 於 噴 射 泵 浦 的 噴 射 壓 力 會 隨 著 引 擎 的 轉 速 而 變 動, 當 引 擎 的 轉 速 提 高, 噴 射 壓 力 變 大, 霧 化 的 效 果 愈 好, 但 在 低 轉 速 時, 因 噴 射 壓 力 不 足, 柴 油 分 子 無 法 完 全 霧 化, 使 燃 燒 較 不 完 全 動 力 輸 出 下 降, 且 會 造 成 嚴 重 的 空 氣 污 染 新 世 代 柴 油 引 擎 所 使 用 的 共 軌 噴 射 系 統 可 讓 噴 射 油 壓 不 會 下 降, 並 使 各 缸 之 間 的 噴 射 誤 差 幾 乎 為 零, 可 使 噴 油 量 穩 定, 使 得 馬 力 及 扭 力 均 得 以 提 升 離 並 不 相 同, 使 得 輸 送 至 各 缸 的 燃 油 壓 力 不 盡 相 同 這 樣 的 燃 料 系 統 會 降 低 引 擎 運 轉 的 安 定 性, 並 增 加 噪 音 排 污 及 油 耗 共 軌 式 噴 射 系 統 是 由 高 壓 泵 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 注 入 汽 缸 中 目 前 應 用 於 小 型 車 及 商 旅 車 的 共 軌 直 噴 引 擎, 是 由 引 擎 控 制 系 統 (ECU) 來 控 制 高 壓 泵 浦 調 壓 閥 及 噴 油 嘴 等 元 件 之 2

運 作, 使 得 燃 油 在 極 高 的 壓 力 下, 仍 能 依 據 當 時 之 引 擎 負 載 及 轉 速 準 確 地 調 整 噴 油 量, 讓 引 擎 運 轉 順 暢, 並 且 運 轉 噪 音 及 排 污 量 都 較 傳 統 柴 油 引 擎 小 了 許 多 並 且 噴 油 泵 浦 體 積 及 重 量 也 較 柱 塞 式 噴 射 泵 浦 小, 減 輕 不 少 引 擎 重 量 表 一 : 傳 統 柴 油 引 擎 與 新 世 代 柴 油 引 擎 的 比 較 表 傳 統 柴 油 引 擎 新 世 代 柴 油 引 擎 高 壓 柴 油 產 生 噴 射 泵 或 單 件 式 高 壓 噴 射 器 高 壓 泵 浦 方 式 柴 油 計 量 方 式 機 械 式 油 量 計 量 裝 置 ( 調 速 器 ) 依 轉 速 及 負 荷 進 行 預 設 的 噴 油 量 調 整 ECU 接 收 來 自 各 個 感 知 器 的 訊 號, 判 斷 引 擎 目 前 的 工 作 狀 況, 如 轉 速 負 荷 是 否 處 於 爆 震 急 加 速 減 速 廢 氣 排 放 情 形 等, 再 控 制 噴 油 嘴 於 正 確 的 噴 油 時 機 噴 入 正 確 的 噴 油 量 噴 射 階 段 單 階 段 : 僅 主 噴 射 多 階 段 : 先 期 噴 射 主 噴 射 後 期 噴 射 噴 油 嘴 內 之 壓 力 變 化 因 柴 油 壓 力 與 燃 油 噴 射 同 步, 故 引 擎 轉 速 升 高, 噴 油 量 增 加 時, 噴 射 壓 力 會 隨 之 升 高, 但 噴 油 一 結 束, 噴 油 嘴 的 噴 射 壓 力 會 立 即 下 降 柴 油 壓 力 由 高 壓 泵 浦 加 壓, 並 以 調 壓 器 維 持 在 一 定 的 高 壓 ( 約 1600~2000 bar), 與 燃 油 噴 射 為 獨 立 分 開, 故 噴 油 結 束 後, 噴 油 嘴 內 的 壓 力 仍 會 保 持 高 壓 燃 燒 及 廢 氣 排 放 情 況 引 擎 轉 速 的 高 低, 影 響 燃 燒 情 形 甚 大, 故 燃 燒 效 益 變 動 大, 進 而 造 成 較 嚴 重 的 空 氣 污 染 先 期 噴 射 可 提 升 汽 缸 內 之 溫 度 及 壓 力, 此 穩 定 的 壓 力 可 使 主 噴 射 時 的 燃 燒 效 益 提 升, 並 使 馬 力 加 大, 再 以 後 期 噴 射 強 迫 汽 缸 內 的 氣 體 完 全 燃 燒, 減 少 空 氣 污 染 資 料 來 源 : 台 灣 丸 星 科 技 股 份 有 限 公 司 由 上 表 列 及 燃 燒 原 理 分 析 歸 納 出 下 列 可 更 有 效 發 揮 柴 油 引 擎 性 能 及 減 少 污 染 的 趨 勢.. ( 一 ) 使 用 更 高 的 壓 縮 比.. 柴 油 引 擎 的 高 熱 效 率 來 自 於 高 的 壓 縮 比, 所 以 更 適 度 的 提 高 壓 縮 比, 依 原 理 可 提 供 更 多 的 壓 縮 熱 能, 當 燃 料 噴 入 後 可 更 快 速 的 將 燃 料 汽 化 成 氣 體, 如 此 將 可 3

使 燃 燒 產 生 更 高 的 效 率, 高 熱 效 率 也 間 接 的 代 表 燃 料 的 節 省 拿 同 排 氣 量 的 車 輛 來 做 比 較, 以 BMW320 為 例, 配 備 汽 油 引 擎 的 車 輛 平 均 油 耗 為 11.2 km/l, 但 柴 油 引 擎 則 為 17.5 km/l ( 資 料 來 源 :TUV 德 國 萊 茵 華 爸 爸 的 部 落 格 ) ( 二 ) 藉 由 SCV 閥 來 控 制 燃 油 壓 力 高 壓 力, 加 壓 柴 油 新 世 代 的 柴 油 引 擎 之 所 以 可 以 有 效 的 提 高 燃 燒 的 效 能, 控 制 燃 料 的 供 油 壓 力 是 一 個 很 具 關 鍵 的 因 素, 那 就 是 控 制 了 燃 料 的 供 油 壓 力, 燃 料 霧 化 的 就 更 完 全, 就 可 以 與 高 壓 高 溫 的 空 氣 混 合 更 均 勻, 燃 燒 效 能 就 越 高 ( 三 ) 使 用 電 腦 控 制 系 統 引 擎 協 調 控 制 ECU 引 擎 電 腦 匯 集 來 自 各 系 統 的 感 知 器 信 號 並 經 運 算 後, 統 籌 控 制 各 系 統 作 動, 因 而 能 大 幅 降 低 NOx PM&CO2 ( 四 ) 使 用 可 變 氣 嘴 渦 輪 增 壓 器 渦 輪 增 壓 器 的 氣 嘴 角 度 及 增 壓 壓 力 皆 由 電 腦 精 密 控 制, 再 搭 配 中 間 冷 卻 器 將 最 適 溫 及 密 度 的 空 氣 壓 在 進 氣 行 程 時 送 入 氣 缸 內 改 善 傳 統 渦 輪 增 壓 器 在 低 中 速 增 壓 不 足 的 缺 點, 進 而 提 昇 引 擎 在 低 中 速 的 扭 力 因 此 可 節 省 燃 油 消 耗 及 降 低 PM 與 NOx ( 五 )DPR( 柴 油 粒 狀 物 降 低 系 統 ) 柴 油 粒 狀 物 降 低 系 統 是 設 計 將 引 擎 排 出 的 廢 氣 粒 狀 物 吸 附 在 DPR 濾 清 器 內, 進 而 減 少 排 出 污 染 物 此 系 統 能 自 動 再 生, 燒 掉 吸 附 在 DPR 濾 清 器 內 的 粒 狀 物 小 客 車 用 柴 油 引 擎 排 放 的 二 氧 化 碳 (CO2) 量 較 汽 油 引 擎 低, 比 起 同 級 汽 油 引 擎 車 種, 可 減 少 25%, 但 是 氮 氧 化 合 物 (NOX) 量 以 及 廢 氣 中 的 微 粒 含 量 較 高,, 與 傳 統 柴 油 引 擎 相 比, 氮 氧 化 物 已 減 少 93%, 懸 浮 微 粒 子 則 已 減 少 91%, 絕 大 部 分 新 一 代 柴 油 引 擎 都 已 符 合 EURO IV 廢 氣 排 放 標 準 參 結 論 柴 油 汽 車 在 歐 洲 的 高 市 佔 率 主 要 是 因 為 新 一 代 柴 油 引 擎 的 改 良, 使 一 掃 過 去 環 境 殺 手 的 惡 名, 現 在 反 變 身 成 為 環 保 的 尖 兵 而 爲 什 麼 舊 式 的 柴 油 引 擎 會 排 放 黑 煙 並 製 造 有 害 氣 體 呢? 柴 油 引 擎 是 靠 較 高 的 壓 縮 比 來 壓 縮 空 氣, 以 壓 縮 空 氣 產 生 的 高 溫 來 直 接 引 燃 噴 入 汽 缸 的 柴 油, 因 而 容 易 因 霧 化 不 足 造 成 燃 燒 不 完 全 這 個 問 題 在 1998 年 時 獲 得 初 步 的 解 決, 經 由 德 國 兩 大 公 司 Bosch 及 Mercedes-Benz 4

合 作 開 發 的 共 軌 噴 油 技 術, 使 得 柴 油 引 擎 燃 燒 不 完 全 而 造 成 環 境 污 染 的 問 題 有 所 改 善 在 台 灣 禁 止 柴 油 小 客 車 的 這 段 期 間, 國 外 的 發 展 已 經 可 用 突 飛 猛 進 來 形 容 全 球 柴 油 汽 車 最 普 及 的 地 區 為 歐 洲, 目 前 歐 洲 的 柴 油 汽 車 比 例 已 高 達 50% 左 右, 同 時 亦 有 持 續 向 上 成 長 的 跡 象 德 國 國 內 在 2004 年 的 柴 油 小 客 車 產 量 為 240 萬 輛, 要 較 2003 年 成 長 11%, 五 年 來 則 成 長 了 50% 2005 年 前 三 季, 德 國 生 產 的 柴 油 小 客 車 在 西 歐 地 區 銷 售 成 長 11%, 在 當 地 市 佔 率 高 達 47% 到 2005 年 下 半 年, 法 國 比 利 時 等 歐 洲 國 家 的 柴 油 車 銷 售 佔 有 率 甚 至 高 達 60%-70% 估 計 台 灣 的 柴 油 引 擎 小 客 車 市 佔 率 每 增 加 1%, 每 年 即 可 省 下 2 千 5 百 20 萬 公 升 的 油 料, 或 減 少 56,448 噸 的 二 氧 化 碳 排 放 此 數 值 約 等 於 24,000 輛 車 各 行 駛 15,000 公 里 總 計 之 燃 料 消 耗 或 碳 排 放 量 由 上 述 數 據 更 可 得 知 柴 油 引 擎 的 發 展 必 定 是 替 代 綠 色 能 源 完 全 取 代 前 重 要 的 課 題 之 ㄧ ( 資 料 來 源 : 博 世 雜 誌 2010 年 11 月 號 ) 肆 引 註 資 料 註 一 台 灣 丸 星 科 技 股 份 有 限 公 司 http://www.maruboshi.com.tw/news.html U-CAR.com.tw http://classroom.u-car.com.tw/classroom-featuredetail.asp?cfsid=31 註 三 TUV 德 國 萊 茵 華 爸 爸 的 部 落 格 http://tw.myblog.yahoo.com/tuvcpo88/article?mid=1031&prev=1076&next=1009 註 四 博 世 雜 誌 2010 年 11 月 號 http://www.bosch.com.tw/content/language1/html/715_3123.htm 註 五 賴 瑞 海 汽 車 學 Ⅳ( 柴 油 引 擎 篇 ) 台 北 市 : 全 華 圖 書 股 份 有 限 公 司 5