柴油机
柴油发动机由鲁道夫·迪塞尔博士在19世纪后期创造，是所有已知内燃机类型里最省油的动力系统。这种高效能造就了出色的燃油利用率，并且能减少温室气体释出。柴油的优势，如经久耐用、运行稳定和燃料安稳，是其他能源转换设备难以企及的。然而柴油机也有不足之处，例如会产生噪音、NOx和PM污染物，并且造价较高。
1.什么是柴油发动机？
当前多数柴油引擎运用常规的气缸与活塞构造，这种构造借助与汽油机等其它内燃机通用的连杆曲柄机构运作。基于这种核心原理，柴油动力机和汽油动力机的主体构造差异并不显著。
柴油引擎的工作原理是，首先将空气压缩到极高压力和温度状态，接着向这种受热压缩的空气中注入少量燃油，高温使得喷射的燃油迅速雾化并蒸发，与燃烧室内的热空气相混合，蒸发的燃油会逐渐升温，当达到其自燃点时便会自行燃烧，从而将燃料中储存的能量释放出来。
柴油引擎的内涵历经多年而不断变化。所谓“纯正的柴油机”，在早期具备这些条件：
压缩比能够使燃料达到自燃的温度条件，借助压缩空气喷射燃料，最高循环压力在燃烧期间不会显著高于压缩压力，也就是说，不会出现明显的爆炸现象
第一项表现与当代柴油引擎相符云开·全站体育app登录，但另外两项则不尽相同。在二十世纪二十年代和三十年代这段时期，剩余的两个表现变得不再重要。
固体燃料的注入方式大约在 1910 年前后崭露头角，然而真正得到广泛接受却是在 1920 年代末期。值得注意的是，戴塞尔之所以倾向于采用鼓风喷射，更多是现实所迫而非主动意愿。他原本构想的燃料供给方案，是一种固体燃料喷射系统，而非空气喷射方案。
柴油引擎务必维持等压燃烧状态，不过，这种做法仅限于1920年代以前通行的那些体型庞大且转速较低的柴油机。到了1920年代，随着小型高速发动机的问世，实际操作更倾向于让燃烧过程近似奥托循环里的定容过程，而非迪赛循环中的定压过程。
2.柴油机的种类
2.1分类
内燃机的一种区分方式是看其工作循环的类型——柴油发动机能够依据两种循环方式工作，分别是 (1) 双动循环和 (2) 四动循环。目前最常见的柴油发动机是采用四动循环的机型。尽管双动循环的发动机在过去比较流行，但现在仍有一些领域继续沿用。例如，一些船用发动机的气缸直径可以达到一米左右，属于低速发动机；还有部分中速柴油发动机，特别是通用电气公司制造的机型。因为要符合环保规定，底特律制造的二冲程柴油机已无法用于北美和欧洲等地区。不过，目前有许多二冲程柴油机正在研制中，涵盖了小型飞机用发动机和多种对置活塞机型，比如 Achates Power、Ecomotors 以及 Cox Powertrain 的方案。
发动机的另一个分类依据是燃烧室构造的不同。柴油发动机存在两种主要的燃烧室布局，分别是直接喷射式和间接喷射式。直喷式凭借其突出的热效率表现和燃油经济性优势，已广泛应用于当前绝大多数柴油发动机的各类场合。而间接喷射式尽管在部分领域（尤其是非道路车辆）仍有应用，但基本上已具备历史价值。
2.2 间接喷射
在分体式燃烧室发动机里，燃料经由预燃室喷入，该室与主燃烧区相连且通道较为狭窄。这种发动机有时也叫分室燃烧机。启动时通常借助预热器，它能点燃预燃室里的燃油雾化物，因为雾化物会碰到炽热尖端并在小空间内着火。燃烧产生的气体穿过分隔室两部分的连接喉管，然后进入主燃烧区继续氧化反应。预燃室燃烧非常剧烈，由此生成的气体和部分燃烧生成物经由喉部区域进入主燃室，在那里引发强烈湍流。这种湍流的形成，源于主燃室内的空气与残留未燃燃料，以及从预燃室排出的高温生成物三者之间的混合作用。在压缩冲程阶段，当空气从主腔室反向通过喉部流向预燃室时，也会产生类似的现象。进入预燃区的气流动能造成涡流，这是为了促进燃料和空气的充分混合以便有效燃烧。因此，在IDI系统中，喷射动力无需设定得很大，因为气体的动能对混合过程起着更关键的作用
图 1 展示了三种不同的预燃室构造。这些构造体现了喉部区域多样的轮廓形态、尺寸大小和宽度差异，不过它们具备某些相似之处。它们均配备电热塞以实现冷态启动，并且都设有连接两个腔室的结构，这种设计会对发动机性能产生负面影响。压缩冲程中，空气流进预燃室总是被喉管挡住，这就加大了泵送损耗，也使得这个设计整体效率不高。所有预燃室发动机设计的另一个共同点是，跟发动机冷却液接触的表面积比较大，这就造成冷却损耗更多。
图 1 三种 IDI 燃烧室设计
这种发动机还存在若干不足之处，比如能量转换比不高，燃烧气体从特定部位喷出时容易击打顶部零件，部分构造中，高温气体可能触及某个重要部件，造成其温度过高并迅速损坏，进而使润滑油的使用周期变短。
另一方面，预燃式发动机的噪音表现较为安静，这与其较低的压力增长速度以及最高燃烧压力和温度密切相关。这些特点，包括低噪音和特定的压力参数，使它们特别适合那些将乘坐舒适度放在首位的汽车领域。
早些时候，IDI 发动机在诸多领域占据主导地位，它们借助成本较低的低压喷射系统，能够实现颗粒物排放控制效果，当价格高昂的高压喷射技术尚难体现其价值时，这种优势显得尤为突出。不过，目前多数场合已不再采用 IDI 发动机，而是普遍使用 DI 发动机了kaiyun全站网页版登录，当代 IDI 柴油机仅在那些将成本控制放在首位且环保标准宽松到能接纳 IDI 燃烧方式的领域还能见到，比如在北美洲和欧洲地区，额定马力低于 75 马力的非道路用柴油机中，IDI 发动机技术仍然在使用。
乘用车领域中，IDI 发动机的燃料利用率一般比同类汽油机型高出十五至二十个百分点，特别是在火花塞点燃引擎往往需要较多节流的都市行驶环境中。1980 年代中叶，IDI 在汽车领域对 DI 发动机的统治力遭遇了挑战，当时福特于 1984 年向欧洲地区投放了首个量产的轻型高速 DI 柴油引擎 (HSDI)；这款 2.5L 自然吸气福可约克在 4000 转时能输出 52 kW 的动力，最初配备在福特旗下车型上。1990 年代，燃油喷射技术取得显著进步，同时社会对燃油效率愈发关注，促使直喷发动机方案得以推广，尽管这需要放弃传统进气门喷射发动机。
当代汽车柴油引擎普遍配备了直喷技术。新一代的 HSDI 引擎，其节能表现超越以往的 IDI 发动机，平均用油量较 IDI 引擎减少了十个百分点到十五个百分点。同汽油引擎相比较，特定条件下，其节油效果可达到百分之三十到四十。全新发动机方案及其配套材料，专为制造适用于轿车领域的新型直接喷射发动机而设计，实践证实，此类高压缩比直喷发动机能够维持在可接受的噪音、振动与声振粗糙度指标范围内运行
2.3直接喷射
DI柴油动力系统的燃料直接注入到主燃烧空间——没有设置独立的预燃空间。在DI柴油引擎里，燃烧空间一般位于活塞顶部，呈现碗状结构，如图2所示。空气和燃料的参与共同促进混合气的形成，进而提升了燃烧效能。为此，人们着力于设计高效的燃烧系统，并使其与燃料雾化特性相适应，目的是提升发动机工作效率，同时尽可能降低有毒气体的产生。在这样一套燃烧系统中，混合气的形成过程更侧重于燃料雾化的运动能力，因此，喷射的力度以及喷嘴口的构造（包括孔的粗细和长短）在直接喷射发动机上，其作用程度要远超间接喷射发动机。
图 2。开室DI燃烧系统
分隔室不设喉部约束，使得 DI 系统泵送损耗得以降低。另外，缺省预燃室，IDI 系统中冷却剂受热面积较 DI 系统显著缩小，因而冷却剂的热散失也相应减小。这些优势促使 DI 发动机燃油效率比 IDI 发动机提升 10% 至 15%。因为这个缘故，当前多数新型柴油引擎系统均为全封闭式直喷动力装置。
3.效率和温室气体排放
柴油引擎具备显著的动力效能。大型载重卡车的动力单元制动热效率大概达到四成五，小型客车的发动机制动热效率大约是四成。柴油引擎能取得优异性能和超卓节能效果的关键点在于无需节流阀运作，并且能够运用高压缩比技术。同诸多其他热力转换装置对比，柴油机制造商具备降低二氧化碳排放量的空间。
图 3 描绘了德国联邦环境署对 99 台汽油动力与 36 台柴油动力汽车在 NEDC 驾驶测试中的尾气二氧化碳排放情况。该研究结果表明，柴油引擎在二氧化碳排放量上，相较于汽油引擎平均要低 19%。这项调查中考察的柴油机多数属于非直喷类型，这类发动机的燃料利用率比直喷机型要差大约十个百分点到十五个百分点。据此推断，若想让交通运输领域的二氧化碳排放量降低四分之一，提倡使用直喷式柴油机或许是个可行途径。欧洲环境署在二零一三年公布的资料（见图四）证实，在NEDC测试循环下行驶的汽车情况确实如此。但柴油机在其余驱动模式下表现出的长处并不明显，比如在美标 FTP测试中。
图 3。大约1991年汽油和柴油乘用车的 CO 2排放量
NEDC测试周期
图四，在2013年左右，汽油动力私家车与柴油动力私家车产生的二氧化碳排放量
NEDC 测试周期
必须明白，采用多种节能技术的汽油火花点火发动机也能达到类柴油的 BTE 水平和 CO 2 排放。汽油 BMEP（或扭矩密度）普遍不如柴油。历史上，汽油火花点火发动机的效率概念一直受限于压缩比不高、BMEP 较低以及需节流进气来控制输出等问题。不过，将前沿的燃烧理念同汽车高效技术融合起来，诸多这些阻碍得以突破，具体表现为动力传动系统效能得到提升，变速箱性能得到优化，车身重量得以削减，空气动力学阻力得以减小，以及轮胎滚动阻力得以降低。
另外，配备汽油动力或柴油动力的混合动力装置能够实现更多二氧化碳的削减，在某些行驶状况下，使用汽油驱动的混合动力汽车排出的二氧化碳量，甚至可以小于表现最出色的纯柴油动力非混合汽车。
点燃式发动机的热转换能力。往复活塞式内燃机在发展过程中压缩率相对有限，这限制了其能量转换水平。不过，随着直接喷射、进气道加压以及可变气门定时与升程等技术的普及，汽油机得以借助压缩比提升至14比1和17比1的优势，从而显著增强热效率表现。
传统 SI 发动机主要依靠调节进气量来控制输出功率。这种调节方式会造成能量消耗，从而降低发动机整体效能，特别是在低负荷运转时更为明显。采用可变进气门开启程度是控制进气通道同时避免能量损耗的一种技术。此外，增加废气再循环的比率也能有效降低泵送阶段的能量损失。
三元催化剂的出现和进步为汽油发动机带来了比较容易实现、花费较少的尾气净化装置，让汽油发动机能够做到排放量非常低。不过，三元催化剂需要发动机在化学计量空燃比状态下工作，从效率方面考虑，这通常不是最合适的。
部分硬件制造商正在研制应用新型燃烧技术的汽油动力装置，其中不少方案意图借助汽油燃料达成近似柴油机的动力性能，并且能够规避安装代价高昂的柴油机尾气净化系统。运用多种技术可以提升性能表现，例如采用接近柴油的压缩方式，去除进气时的能量损耗，实现类似理论最优的燃烧模式，并降低热量散失。自 2000 年代末起，通用汽车、戴姆勒、马自达、德尔福以及现代等众多汽车厂商，都在探索创新的发动机解决方案。
2014年量产的SI汽油机效率大约是38.5%。未来十年，这一数值或许能提升至45%。同时，当BTE值较高时，汽油发动机的运行工况范围也会更宽广。
本田公司的一项实例显示，其45%制动热效率汽油发动机具备若干技术特点，例如压缩比为17的几何参数，进气门关闭时间推迟12.4的有效压缩比，1.5的行程与缸径比值，以及35%的废气再循环比率。为了达成高废气再循环比率，必须采用高湍流强度，高能量点火装置，以及精心设计的燃烧室。低压废气再循环系统保障了充足的废气供给给涡轮增压器。增压系统要达到所需的增压气流范围，需要连接多个不同级别的涡轮增压器，它们是并联工作的。这台发动机是为使用 91 辛烷值汽油而设计的。
4.柴油机的特点
4.1标准排放
多年来，柴油机研发者们始终在应对降低氮氧化物与颗粒状污染物排量的难题。自七十年代中期起，汽油机便已借助成本较低的后处理装置，借助精确配比空气与燃料的方式，成功管控了氮氧化物、一氧化碳以及未燃碳氢化合物的排量。另外，空气和燃料混合得比较均匀的预混合特点能够导致颗粒物排放量很低，柴油发动机没有这样简单的办法，柴油燃烧整体偏稀的特性造成控制氮氧化物非常困难并且成本较高，而空气和燃料混合很不均匀的情况则容易造成颗粒物排放。
表 1 通过美国 EPA 的认证数据证实了这一点。要符合1991车型现行的排放规范，柴油引擎无需安装尾气净化装置。其 HC 和 CO 的排放量远低于法定标准，并且只是汽油引擎排放量的一小部分。即便是柴油引擎的 NOx 排出量，也比同等汽油引擎低大约 1.0 g/bhp-hr。当时不少汽油引擎无需额外净化就能符合标准要求，不过部分引擎借助三效催化剂完成认证，这种净化装置对于减少污染物的排放效果非常突出。
在 2013 车型年到来之前，由于排放标准日趋严格，道路用柴油引擎就必须安装尾气净化装置，以控制多种用途中颗粒物的排放量（即柴油颗粒捕集器，DPF）以及氮氧化物（采用尿素选择性催化还原技术，SCR）。很多时候，这些尾气净化设备还能额外降低碳氢化合物和一氧化碳的含量。现代汽油发动机与柴油发动机的排放量非常接近，仅 2013 年汽油发动机的二氧化碳排放量高于柴油发动机。
表 1
美国环保署在重型瞬态FTP循环测试中，评估了道路用重型柴油和汽油发动机的排放情况
测试条件
排放量，g/bhp-hr
HC
CO
NOx
PM
1991 年款
柴油，发动机输出
0.15
1.5
3.4
0.07
汽油，发动机输出
0.81
30
4.3
汽油三元催化剂
0.07
2.3
0.04
2013 年款 b
带 SCR 和 DPF 的柴油
0.01
0.29
0.20
汽油三元催化剂
0.09
4.2
0.13
最终数据是十五部汽油引擎、九部柴油机以及三部装配三元净化装置的重型汽油引擎的中间值，各类引擎的排量都在七升左右。
b结果为 4 部汽油引擎（4.8-6.8 公升）与 5 部柴油引擎（5.2-7.7 公升）的算术均数。
令人惊讶的是，涉及表 1 中平均值计算的三元催化剂汽油发动机的尾气排放量，在近二十年时间里始终没有下降。
4.2耐用性
发动机能否经久耐用，关键在于所用材质和零件的挑选，跟发动机运转的时间长短没有直接联系。重型柴油机通常比轻型汽油机拥有更长的使用期限，可达三到五倍之多。在重型领域，柴油引擎常常能连续工作达百万英里，也就是相当于一千六百万公里，才需要彻底检修一次，这种情况并不少见。低速船舶柴油机部分核心构件的维护周期，能够达到十万小时以上。
4.3可靠性
惯常认知里，柴油机比汽油机更为稳定耐用。旧款汽油机里的点火装置是故障频发的关键部位。不过，在尾气处理装置应用后，柴油机被迫配备大量感应元件和废气处理回路等精密控制系统，其稳定性因此受到影响。根据 JD Power 对重型卡车发动机及变速箱的研究显示，约四分之一的重型卡车发动机用户在应用 EGR 技术以符合 EPA 2004 排放标准前，曾反映过诸多发动机故障。至 2011 年，该比例已接近半数。可以肯定的是，汽车厂商将着力增强这些低排放发动机的稳定性能。
令人惊讶的是，轻型火花点火发动机的性能表现大幅提升，这是为了满足车辆全程环保标准，同时也要应对复杂的车辆自检机制。优良的耐久性火花塞，稳固的高压点火装置组件，耐用的排气构造以及可靠的燃油系统组件等优势有助于在汽车整个使用期间维持较低污染水平，并且能够确保用户不会因车辆过于频繁的维护而产生过重经济负担。
4.4燃料处理和储存
柴油的燃点比汽油要高，这使得它在安全操作和储存方面更加便利。柴油的挥发性能弱于汽油，因此一般无需安装第 1 阶段或第 2 阶段蒸气回收装置来管理燃料处理时产生的蒸气。不少地区规定，在汽油的储存场所（比如码头、仓库、零售网点和油罐车）必须使用第 1 阶段蒸气回收装置，目的是防止汽油蒸气排入空气。部分地区规定第二期汽油蒸汽回收装置在车辆加注燃油时，必须从汽车油箱内回收汽油挥发的气体。
4.5压缩率
柴油引擎一般不用考虑爆震问题，所以它们能以更大的压缩比工作。压缩比增大通常意味着热效率提升。相较汽油机而言，这是导致柴油机更高效的重要原因之一。
需要留意的是，当有效压缩比、有效膨胀比和几何压缩比相近时，发动机设计效率最佳压缩比大约为十五比一。过高的压缩比常常加大摩擦损耗，并且可能损害发动机效率。尽管部分柴油发动机采用高于最佳效率的压缩比，但通常是为了保证足够的气缸内温度，确保可靠的冷启动和减少白烟排放。当代动力装置能借助诸多方法实现低温发动，柴油机的发展方向是减小压缩程度，以便获取最优效能。
汽油发动机在传统上，压缩比设定得远低于理想值，目的是防止爆震现象发生，但如今，诸如缸内直喷和可变气门正时这类先进技术，让汽油发动机得以运用比以往更高的压缩比，目前汽油发动机的发展方向是，通过提升压缩比，向效率的峰值不断靠近。
马自达的 SKYACTIV 发动机系列颇具特色，它展示了柴油动力与汽油动力压缩比的趋同现象。该系列汽油版和柴油版均设定了相同的压缩比数值。这个压缩比数值为 14:1。
4.6摩擦损失
内燃机的摩擦损耗，跟发动机转速等多个条件相关；当发动机转速较低时，损耗也相对较小。柴油发动机一般是在进气歧管压力较高的状态下工作，比如借助涡轮增压器，并且它不像采用预混合充气方式的汽油发动机那样，容易产生爆震或早燃现象。所以，柴油发动机在发动机转速较低的情况下，能够输出比自然吸气汽油发动机更大的扭矩。功率输出与扭矩和速度的乘积是正相关的，比较相同额定功率的柴油发动机和汽油发动机可以发现，柴油发动机往往在发动机转速较低的情况下运行，并且摩擦损耗也相对较小。
不过，涡轮增压直喷技术正吸引着汽油发动机，其产生的低速扭力远胜于传统进气式前身。因此，这些较新的汽油机可以在较低转速下工作，从而减少摩擦损耗。
4.7泵送损失
柴油引擎的动力输出依靠调整燃油供给量来实现，与汽油机依靠控制进气量不同。因为不使用节流装置，所以不会阻碍空气进入引擎，进而维持了理想的进气充气效果和容积利用率，同时降低了泵送方面的损耗。也就是说，这台引擎为吸入足够空气完成充分燃烧所付出的能量被降至最低。这是柴油机比汽油机效率更高的关键原因之一。它主要得益于燃烧过程的不同。柴油的压缩比通常更大，导致燃烧温度更高。这使得燃料能更充分地释放能量。而汽油机由于压缩比受限，燃烧效率相对较低。此外，柴油燃烧方式更接近等容燃烧，能量利用率也更好。这些特点共同促成了柴油机在效率上的优势。
不过，和压缩比类似，汽油发动机的设计者也运用了多种方法，把柴油发动机惯常具备的部分长处，转变成了汽油机的特性。为了降低汽油机的泵送损耗，常用的技术有：进气门开启时间可以提前或推后、气门驱动方式能够调整、采用冷却式废气再循环以及气缸暂时关闭。
4.8噪音
柴油引擎因其燃烧特性，历来被视为声响较大，但如今发动机与汽车设计师已能大幅减弱当代柴油车的声量，让柴油与汽油的音量差距几乎微乎其微，难以分辨，部分降噪手段涵盖新型燃油喷射系统，该系统能实现多次喷射及喷射速率调整，同时加强发动机机体的构造，并采用机舱内的隔音材料。
4.9比输出
过去常觉得柴油引擎每升排量功率不高，但从 1990 年代初开始，这个看法已大不相同，如图 5 所示，当代增压式柴油机的功率密度，常能超过自然进气式汽油机 50-60 kW/L 的典型水平，而且当体积功率密度提升时，重量功率密度也相应增大。现代轻型柴油发动机扭矩增大，加速表现更佳，胜过 SI 发动机。这类发动机也用于赛车，能与 SI 发动机车队抗衡，甚至取得胜利。比如勒芒赛事中的奥迪 R10，以及马自达的 SKYACTIV-D GRAND-AM GX 车型。
图 5。乘用车柴油机比输出的演变
要发挥柴油发动机低速时强大的扭矩优势，往往需要比普通汽油发动机更结实、价格更高的变速箱。不过，随着汽油发动机也常采用降低转速的技术，越来越多汽油发动机正搭配上结构更复杂、档位更丰富的昂贵变速箱。另外，SI 发动机和混合动力系统搭配运用，混合动力系统需要配备一个或多个电动机以及相关装置，这些装置的成本远高于任何与柴油引擎相连接的变速箱。
5.成本
自 1980 年代起，柴油引擎不断进行着设计上的改进和技术的革新，不过引擎造价居高不下依旧是个突出难题。造成这种昂贵状况的关键因素在于高压燃油喷射装置以及价格不菲的尾气净化装置。当前柴油引擎的尾气处理环节通常配备颗粒物捕集器和带尿素喷射功能的 SCR 尾气净化装置，这套系统比起普通汽油引擎的排放控制机制要复杂许多。
但是kaiyun.ccm，同汽油引擎对比，柴油引擎在达成二氧化碳排放标准方面的花费或许更少，由于为了符合严苛的温室效应气体排放指标，汽油引擎必须加装价格高昂的装置，比如强制进气增压系统和动力复合技术。
6.排气温度
最终，鉴于对燃烧后处理设备的关注日益增强，柴油机排气温度较低这一特点带来机遇与困难并存。这类发动机能以减少废气热量散失的方式实现高效运作，然而，这也给尾气净化环节造成难题，因为后者往往需要更高的温度才能发挥最大效用。
