汽車的動力來源有許多種(汽油、柴油、電動及油電混合等),以目前的使用狀況而言,仍是以汽油及柴油為燃料的引擎為主要的動力。主要的原因除了燃油的能量密度高、補充速度快之外,另一個原因是這兩種引擎已有近百年的使用與發展的歷史,工程界對於這兩種引擎不但熟悉且有多年的研發經驗,使得兩種引擎有著便宜且可靠好用的優點。
而柴油引擎運作原理,與汽油引擎大致相同,同樣都是四行程設計,不同的是柴油引擎燃燒爆炸的方式,是透過壓縮空氣後形成的高溫,使緊接著噴入燃燒室的霧化柴油,產生爆震而自燃,進而形成推送活塞的動力,因此柴油引擎無需火星塞等點火系統。但由於柴油的分子比汽油分子更大更重,也更難霧化,而傳統的柴油引擎因採用間接噴射,且電子控制系統技術尚未成熟,無法精確控制噴油量、噴油壓力及時間,使得引擎在低轉速時,柴油分子的霧化不完全、燃燒效率差,造成耗油、廢氣污染,以及加速遲緩、引擎震動大等問題,因此過去只有商用車或貨車才使用柴油引擎。
在效率方面,柴油引擎的熱效率高達40%~50%的熱效率,而一般汽油引擎僅有30%~35%左右,因此柴油引擎在油耗表現較汽油引擎來得好。不過在動力輸出上,柴油引擎的低速扭力雖然強大,但是由於引擎轉速受到燃料、重量與其它設計上的限制,不但高速時的馬力較汽油引擎為小,駕駛起來的爆發力也略較汽油引擎來得短,另外NOx與微粒污染物也較汽油引擎高。
不過近年來共軌式噴射技術與DPF微粒過濾裝置的強制導入,搭配柴油品質之精煉改善後,目前很多新世代柴油引擎的輸出功率,已與汽油引擎相距不遠,而NOx與微粒污染物的排放量亦能達到汽油車之標準,更重要的是柴油引擎的CO2排放,約較汽油引擎少20%~30%,CO也能減少約76%的排放,對於地球暖化的影響較汽油引擎來得低,反倒上述兩項空氣汙染物對汽油引擎來說,排放量不容易下降,所以柴油引擎不見得比汽油引擎來得不環保。
但為了符合環保法規之標準,所加裝DPF微粒過濾裝置、觸媒轉換器等廢氣處理裝置,也造成了柴油引擎價格通常較汽油車款貴10%左右,這個問題也反映在車價上,如果您是業務用車,且常跑高速公路的話,柴油車是非常明智的選擇,較貴的車價會從省下來的油錢賺回來,不過前提是有好好保養柴油車下才會把錢省回來。
當前小客車所搭載的柴油引擎,都會配置高壓共軌式直噴系統,這套系統是藉由高壓泵浦將燃油加壓,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直接注入汽缸中,精準的高壓噴射壓力可達1350~2050bar,由於噴射壓力高,油料噴射時的霧化效果良好,油料與空氣混合更完全,因此燃燒效率佳,加上採用缸內直噴設計,搭配計算快速的ECU系統,不僅能更精準確地調整噴油量與噴油時間,分秒不差地進行噴射,還能依據當時之引擎負載及轉速,自動調整噴油量,使得整個引擎轉速區域內,皆可保持高度壓縮及最佳增壓值,低速爆發高扭力,高轉速時在未超過必要的增壓展現高馬力,確保引擎使用壽命,並有效降低油耗與有害廢氣排放量。
值得一提,由於可以精確的控制噴油正時,高階的柴油引擎除了主要噴射行程外,又多出了先導噴射與二次噴射的動作,前者可於活塞尚未抵達上死點前,先進行極少量的燃油噴射,除可提高燃燒室的壓力外,還可提高主燃行程的燃燒速度,讓柴油引擎的燃燒效率更佳;至於後者則是在汽缸已經完成了主燃行程後,再噴入少量的油來降低汽缸內的溫度,以減少有害氣體NOx的產生,讓柴油引擎愈來愈乾淨。
當然要使柴油引擎不排放黑煙,甚至減少有害氣體的排放,不能只靠上述系統,還需透過所謂的碳微粒過濾器(Diesel Particulate Filter簡稱DPF),甚至是最新的Selective Catalytic Reduction-SCR尿素觸媒還原系統的幫助下才能達成。會造成環境衝擊的柴油引擎污染氣體有CO、HC、CO2、NOx與PM,不過由於柴油引擎對於前三者的排放量較低,因此只有後兩者需進行管制,特別是PM也就是懸浮微粒最容易被注意,因為它是排氣黑煙的主要來源,也就是沒有燒完的柴油微粒。
PM的產生主要是因為柴油未完全燃燒所導致,在加入高壓共軌直噴系統,提昇燃燒效率後,雖能有效減少碳微粒的產生,但在車輛起步或瞬間大腳油門的情況下,還是很難避免排氣管噴出黑煙,由於懸浮微粒會增加大氣含塵量,對人體呼吸器官具危害性,甚至有致癌的風險,因此歐盟基於維護生活品質的一貫原則,在歐洲市場柴油車佔有率的節節上升的情況下,遂制定越加嚴格的排放標準,因此新世代柴油車款才會在排氣管中段上,額外加入DPF碳微粒過濾器此裝置。
DPF會主動減少內部積碳量,這套機制就是主動再生過程,它可將上述的碳微粒,轉化為二氧化碳的3道過程,但最關鍵的步驟在於提高DPF的溫度,從正常的攝氏300~500度,升高到600~650度。運用的方式如下:關閉EGR廢氣循環回路以增加燃燒室溫度;增加噴油量,讓未經燃燒的柴油形成蒸發油氣,跟隨廢氣流入集塵器中再進行燃燒,用以直接加溫;電子節氣門會控制進入引擎的空氣量到最低需求,達到稀薄燃燒以提高排氣溫度;渦輪增壓值隨之調整,以調整引擎出力,讓駕駛者感覺不出系統正在進行清除工作。
藉由上述的過程便可將原本累積在DPF內部的碳微粒,燃燒轉化為二氧化碳,並排放到大氣中,如此DPF即可再繼續服役。值得一提,上述提到的過程都是最理想的狀態,由於DPF要執行主被動再生過程,需具備一定行車條件才能進行,因此不當的使用習慣或環境,是有可能導致DPF故障的。
除了上述提到的多項柴油引擎科技外,目前市面上還有一項逐漸落實於所有柴油引擎上的系統,那就是Selective Catalytic Reduction-尿素選擇性觸媒還原系統,簡稱「SCR系統」,這套系統主要是因應歐盟六期環保法規而出現,包含國內過去五期法規也都採用類似嚴格的排汙規範,因此未來可預期搭載SCR系統的柴油車將會愈來愈普遍。
SCR系統與大家熟知的EGR(廢氣再循環系統)功能類似,都是為了減少廢氣中的NOx。由於燃油在內燃機中高溫燃燒必然產生氮氧化物NOx,氮氧化物(NOx)包括一氧化氮(NO)與二氧化氮(NO2),其中一氧化氮易與血紅素快速結合,吸入濃度過高會造成體內缺氧,也是臭氧生成的前趨污染物;二氧化氮有刺激性臭味,會刺激眼、鼻及肺部,長期暴露會造成氣管炎、肺炎及降低抵抗力,且會造成溫室效應。
這些有毒的氣體必須盡量去除才可排放至大氣中,EGR的作用原理是降低燃燒溫度,因此它利用廢氣中所含大量的CO2導入進氣歧管,透過CO2在燃燒時不發生作用,而且能吸收燃燒的熱量的特性,進而降低燃燒溫度,就能減少NOx的產生。至於SCR系統,則是將天然氣中特別提煉的無毒透明液態尿素AdBlue,藉由電腦精密計算噴量後,以專門系統噴在排氣管中,利用尿素將NOx分離重組為對人體無害的水與氮,可大幅降低氮氧化合物NOx的排放量,強化引擎的低排污表現,且對減低油耗方面也有助益,平均而言,符合台灣四期標準須要柴油用量3至5%尿素,而台灣五期標準須要柴油用量4至6%的尿素。值得注意的是,SCR與DPF是不同作用的系統,因此多數都並存於車輛上,這點是須特別說明的。
柴油引擎的保養心法
1、機油等級要注意
新世代柴油車擁有更環保、更低污染與更節能的優勢,尤其在油價節節攀升的這個年代,似乎是有別於油電車的另外一種救贖,但柴油車真的這麼好?沒有任何令人詬病的缺點嗎?事實上卻非如此,因為如果沒有養成好的使用習慣與保養觀念的話,柴油車可是會壞得比較快。
首先是柴油車的保養里程,柴油引擎所搭載的高壓共軌噴射系統雖然較汽油引擎複雜,但其他零件其實還算簡單堅固,考量到台灣都會區的用車環境與使用習慣後,柴油車的保養里程不妨1萬公里就進行,如此才能確保機油潤滑品質,以保護引擎內部機件與渦輪軸心。
另外,須特別注意的是少數柴油車會吃機油,這表示機油會流入DPF中燃燒,所以配備DPF車種(2009年後柴油車款)務必使用合乎柴油引擎規範的機油,而且未經過原廠認證的任何機油添加劑,也建議不要使用才好,因為有些添加劑在燃燒後會產生灰份(Ash),會有阻塞DPF的可能性,使維修成本增加。而高壓柴油泵浦是透過凸輪軸的連動來建立1350bar以上的燃油壓力,因此負責提供潤滑的機油品質也不可忽略,總之選用大品牌、有認證的機油,較能確保高壓泵浦與凸輪軸的壽命。
2、短距離行駛的車主要注意
先前提到的DPF主動再生功能,如果經常在市區短距離行駛、短時間的行程,DPF在溫度不高的狀態下,是無法進行主動再生作用。當DPF內部的碳微粒數量過高時,有些車款的儀錶板會亮警示燈,遇到這種狀況,必須以60km/h以上的速度行駛15分鐘以上,最理想的環境是引擎轉速2000rpm,並位於4、5檔,有機會就維持這樣的環境,就能幫助ECU電腦進行DPF主動再生作用,進而延長DPF碳微粒過濾器的使用壽命。如果還是不予理會,DPF就有完全堵塞的可能,引擎將因此無法運轉,DPF可能需換新才能恢復正常。
此外,不當的使用習慣或環境,例如半年跑高速公路的次數在3次以下,或使用規格不符的機油等,都是有可能導致DPF阻塞而故障的,而柴油品質好壞,對於DPF的壽命也影響甚鉅,尤其是含硫量過高的柴油,燃燒後產生的剩餘物質會損壞DPF,應該經量避免使用來源不明的柴油,才能確保車況正常。
還有,建議所有駕駛渦輪車的車主,記得養成Turbo Timer的習慣,在抵達目的地前的1~2公里內,降低引擎運轉的轉速,平順的駕駛一段路程,降低機油與渦輪軸芯的溫度後再熄火,才能避免渦輪軸芯內的機油,在停止流動下因高溫碳化,而阻塞軸心潤滑油道,最終導致渦輪故障,尤其是長時間高轉速運轉或行駛完長上坡後,更需進行此動作。
3、定期更換燃油濾芯
燃油作為引擎爆炸力量的來源之一,確保其品質純淨是追求穩定燃燒的必要工作,而且柴油引擎的高壓噴油嘴,其孔徑都非常細小,如果稍有體積大一些的雜質進入到噴油嘴中,就有可能導致噴油嘴卡住作動不良,這對於噴油量的控制都會產生不良影響,因此汽車工程師才需在油管中間設置一過濾裝置,負責將上述提到的雜質攔阻下來,不要進入到噴油嘴內。
不過由於柴油濾芯不是油類消耗品,加上乾淨與否無法像空氣濾芯或油品般可用肉眼確認,除非汽車固定在一家修車廠保養維修,否則修車技師很容易忘記要更換它。此外,這項零件的妥善率好壞,在平常是無法察覺出來,只有在某些場合或某個零件壞掉了,才知道燃油濾芯已阻塞要換了。
沒錯,燃油濾芯如果長時間沒換,它的內部就會被雜質慢慢阻塞,影響燃油通過的順暢性,如果阻塞情況太嚴重時會發生甚麼問題呢?首先在車輛爬坡、加速或載重時,出現加速無力或油門不順的問題,很像引擎吸不到油的情況,這是因為爬坡、加速或載重等重負荷的狀態時,引擎對燃油的需求量會變大,但此時如果因為燃油濾芯阻塞導致燃油無法大量通過濾芯時,引擎就會出現燃油供應不足而導致馬力下降狀況。這時候如果不趕緊更換燃油濾芯的話,燃油泵浦就有可能因為泵油阻力過大,而過熱停擺故障,引擎就會無法正常啟動。
事實上,實務經驗中很多情況都是等到燃油泵浦燒掉,車主才發現愛車的燃油濾芯已多年未換,不信您回想一下自己愛車的燃油濾芯多久沒換了?很多車主或許都還不知道有這個東西要換。而且由於柴油特性的關係,相較於汽油更容易出現雜質與水分,因此定期更換柴油濾芯,把裡面的水清乾淨,也是延長柴油引擎的重要方法。
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