乘用车柴油机优劣势分析
http://www.cction.com 2013-01-30 09:41 中企顾问网
本文导读：柴油发动机的转速较低，气缸燃烧温度与汽油车相比也较低，相关零部件不易老化，零部件磨损也比汽油发动机小，寿命也相对要长，所以柴油发动机的故障率远低于汽油发动机。
一、优势分析
与汽油机相比，柴油机热效率高、油耗低、扭矩大、可靠性高、使用寿命长，而且废气中CO、CO2和HC排放相对低。因此柴油轿车在以下几个方面具有优势：
1、更节能：高压缩比，热效率高
与同等排量的汽油车相比，柴油的压缩比在18-23，汽油的为6-11，压缩比越高，燃烧气体膨胀越充分，燃料燃烧后所发出的热能较多的转换成了机械功，所以柴油机热效率高。通常的汽油发动机热效率为30%左右，非直喷柴油发动机通常为35%左右，而TDI直喷柴油发动机的燃油被直接喷射到燃烧室内，其燃烧效率可以达到43%。因此柴油机能够节油30%-45%以上。由于柴油轿车具有优异的节油特性，行驶成本远远低于汽油轿车。在原油价格持续上涨、国内成品油价也不断上调的情况下，汽车使用过程中的经济性无论对社会还是个人，都非常显著。
2、低速大扭矩
同一排量的柴油机和汽油机，柴油机的功率要小于汽油机，而扭矩却远高于汽油机。主要原因是由于其燃烧特性决定的：柴油由于较长的分子链结构导致其燃烧速度较慢，且燃烧时间较长。较慢的燃烧速度降低了发动机的转速，较长的燃烧时间使得发动机获得较大的扭矩，但由于转速相对下降较多，所以根据公式：功率=扭矩*转速即可得出，柴油发动机的功率较低，但扭矩较大。
3、更环保
柴油车的CO2排放量比汽油车低30％以上，CO和HC化合物的排放也远低于汽油车，Nox排放与汽油车基本相当。柴油车的颗粒物（PM）排放量要远高于汽油车，但是可以通过后处理系统中的颗粒捕集器（DPF）及NOx选择性催化还原器（SCR）等技术在尾气排入大气之前减少或处理掉。而达到欧IV标准的柴油轿车，其排放的微小颗粒物和氮氧化合物已经与汽油车非常接近。
4、安全优势
与汽油相比，柴油不易挥发，着火点较高，不易因偶然情况被点燃或发生爆炸，所以使用柴油比使用汽油更为稳定。因此，柴油车在使用、维修过程中比汽油车安全得多。
5、可靠性高
柴油发动机的转速较低，气缸燃烧温度与汽油车相比也较低，相关零部件不易老化，零部件磨损也比汽油发动机小，寿命也相对要长，所以柴油发动机的故障率远低于汽油发动机。柴油发动机是压燃而不是点燃，没有高压线圈、火花塞、分电器等复杂的高压点火系统，当然也不会出现点火系统的故障。由于这一特点，使得柴油车比汽油车也更加耐用。
二、劣势分析
当然，乘柴仍存在一些问题，其中最突出的仍然是颗粒物和氮氧化物排放、振动和噪声问题。
1、颗粒物排放问题
柴油机排放的有害成分主要是颗粒物PM和NOx。PM生成的主要原因是由于燃烧不均匀,部分燃料燃烧不充分,在高温缺氧条件下氧化、裂解而形成。柴油机颗粒物的组成包含两大部分：一是由碳颗粒物(干碳烟DS)、硫酸盐和灰颗粒组成的不溶性颗粒;另一组分主要是来源于未完全燃烧的燃料、机油及其中间产物或悬浮微粒组成的可溶性颗粒。
解决PM的方法现在主要是通过增压中冷（减少PM产生）、高压共轨燃油喷射系统（减少PM产生）及排气后处理系统（减少PM排放）。
2、NOx产生较多
NOx在一般在燃烧温度大于2300k的富氧条件下生成,即在高温富氧情况下生成的。同一温度下,燃料混合气越稀薄即空燃比越高,则生成NOx的量越高;同一燃料混合浓度下,燃烧温度越高,生成NOx的量也越高。而当燃烧温度在1700k以下时,生成NOx的速度很低。控制NOx的生成量,必须控制燃烧温度,使燃烧放热率没有急速的峰值,控制燃烧放热率的平稳性。降低燃烧的初始温度能大幅度地降低NOx的排放。
因此，减少NOx排放的主要方法是：中冷技术、废气再循环系统(EGR)等。中冷技术主要是降低经增压器增压后的空气温度，能减少NOx的生成。EGR是利用废气再循环，将部分废气引回气缸，由于其具有惰性则将会延缓燃烧过程，从而导致燃烧室中的压力形成过程放慢来降低燃烧温度，从而减少NOx的生成。
3、振动和噪声问题
尽管柴油机技术取得了巨大进步，但在振动水平上与汽油车仍有一定差距，尤其在怠速工况时较为明显。柴油车噪音较大主要是由于压燃式的点火类似于汽油机的爆震，导致噪音较大。解决乘柴噪音的问题，目前主要通过好的发动机舱隔音降噪技术来吸收前舱传导噪音。在实际驾驶采用这种柴油发动机车型的时候，基本上感觉不到与汽油发动机明显的区别。
与汽油机相比，柴油机热效率高、油耗低、扭矩大、可靠性高、使用寿命长，而且废气中CO、CO2和HC排放相对低。因此柴油轿车在以下几个方面具有优势：
1、更节能：高压缩比，热效率高
与同等排量的汽油车相比，柴油的压缩比在18-23，汽油的为6-11，压缩比越高，燃烧气体膨胀越充分，燃料燃烧后所发出的热能较多的转换成了机械功，所以柴油机热效率高。通常的汽油发动机热效率为30%左右，非直喷柴油发动机通常为35%左右，而TDI直喷柴油发动机的燃油被直接喷射到燃烧室内，其燃烧效率可以达到43%。因此柴油机能够节油30%-45%以上。由于柴油轿车具有优异的节油特性，行驶成本远远低于汽油轿车。在原油价格持续上涨、国内成品油价也不断上调的情况下，汽车使用过程中的经济性无论对社会还是个人，都非常显著。
柴油版和汽油版大众高尔夫V百公里油耗对比
同一排量的柴油机和汽油机，柴油机的功率要小于汽油机，而扭矩却远高于汽油机。主要原因是由于其燃烧特性决定的：柴油由于较长的分子链结构导致其燃烧速度较慢，且燃烧时间较长。较慢的燃烧速度降低了发动机的转速，较长的燃烧时间使得发动机获得较大的扭矩，但由于转速相对下降较多，所以根据公式：功率=扭矩*转速即可得出，柴油发动机的功率较低，但扭矩较大。
3、更环保
柴油车的CO2排放量比汽油车低30％以上，CO和HC化合物的排放也远低于汽油车，Nox排放与汽油车基本相当。柴油车的颗粒物（PM）排放量要远高于汽油车，但是可以通过后处理系统中的颗粒捕集器（DPF）及NOx选择性催化还原器（SCR）等技术在尾气排入大气之前减少或处理掉。而达到欧IV标准的柴油轿车，其排放的微小颗粒物和氮氧化合物已经与汽油车非常接近。
Passat柴油版和汽油版CO2排放量对比
柴油机和汽油机排放污染物对比
| 污染物种类 |
柴油机 |
汽油机 |
备注 |
| CO(%) |
<0.5 |
<10 |
汽油机是柴油机的20倍以上 |
| HC(ppm) |
<500 |
<3000 |
汽油机是柴油机的5倍以上 |
| NOx(ppm) |
1000-4000 |
2000-4000 |
二者相当 |
资料来源：中企顾问网整理
4、安全优势
与汽油相比，柴油不易挥发，着火点较高，不易因偶然情况被点燃或发生爆炸，所以使用柴油比使用汽油更为稳定。因此，柴油车在使用、维修过程中比汽油车安全得多。
5、可靠性高
柴油发动机的转速较低，气缸燃烧温度与汽油车相比也较低，相关零部件不易老化，零部件磨损也比汽油发动机小，寿命也相对要长，所以柴油发动机的故障率远低于汽油发动机。柴油发动机是压燃而不是点燃，没有高压线圈、火花塞、分电器等复杂的高压点火系统，当然也不会出现点火系统的故障。由于这一特点，使得柴油车比汽油车也更加耐用。
二、劣势分析
当然，乘柴仍存在一些问题，其中最突出的仍然是颗粒物和氮氧化物排放、振动和噪声问题。
1、颗粒物排放问题
柴油机排放的有害成分主要是颗粒物PM和NOx。PM生成的主要原因是由于燃烧不均匀,部分燃料燃烧不充分,在高温缺氧条件下氧化、裂解而形成。柴油机颗粒物的组成包含两大部分：一是由碳颗粒物(干碳烟DS)、硫酸盐和灰颗粒组成的不溶性颗粒;另一组分主要是来源于未完全燃烧的燃料、机油及其中间产物或悬浮微粒组成的可溶性颗粒。
解决PM的方法现在主要是通过增压中冷（减少PM产生）、高压共轨燃油喷射系统（减少PM产生）及排气后处理系统（减少PM排放）。
乘柴高压燃油喷射系统
喷油嘴喷射过程压力变化曲线
乘柴颗粒扑集器效果对比
NOx在一般在燃烧温度大于2300k的富氧条件下生成,即在高温富氧情况下生成的。同一温度下,燃料混合气越稀薄即空燃比越高,则生成NOx的量越高;同一燃料混合浓度下,燃烧温度越高,生成NOx的量也越高。而当燃烧温度在1700k以下时,生成NOx的速度很低。控制NOx的生成量,必须控制燃烧温度,使燃烧放热率没有急速的峰值,控制燃烧放热率的平稳性。降低燃烧的初始温度能大幅度地降低NOx的排放。
因此，减少NOx排放的主要方法是：中冷技术、废气再循环系统(EGR)等。中冷技术主要是降低经增压器增压后的空气温度，能减少NOx的生成。EGR是利用废气再循环，将部分废气引回气缸，由于其具有惰性则将会延缓燃烧过程，从而导致燃烧室中的压力形成过程放慢来降低燃烧温度，从而减少NOx的生成。
增压中冷原理示意图
奥迪3.0FSI发动机中冷器
尽管柴油机技术取得了巨大进步，但在振动水平上与汽油车仍有一定差距，尤其在怠速工况时较为明显。柴油车噪音较大主要是由于压燃式的点火类似于汽油机的爆震，导致噪音较大。解决乘柴噪音的问题，目前主要通过好的发动机舱隔音降噪技术来吸收前舱传导噪音。在实际驾驶采用这种柴油发动机车型的时候，基本上感觉不到与汽油发动机明显的区别。
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