柴油发动机，这一由鲁道夫·迪塞尔博士在19世纪后期发明的动力装置，以其卓越的节能性在所有类型的内燃机中脱颖而出。其高效率不仅带来了出色的燃油经济性，更确保了低温室气体排放。此外，柴油发动机还具备出色的耐用性、可靠性和燃料安全性，这些特点使得它在能源转换机器中独树一帜。尽管柴油机在某些方面如噪音、NOx和PM排放以及成本上存在不足，但其整体性能依然不容忽视。接下来，我们将深入探讨柴油发动机的更多细节，包括其定义、分类以及在实际应用中的表现。

1. 柴油发动机的定义与工作原理

柴油发动机，这一历经百年演变的动力装置，其核心工作原理始终如一。大多数现代柴油发动机依然采用传统的气缸和活塞设计，配合连杆曲柄机构，实现与其他内燃机相似的运行机制。尽管柴油机和汽油机在结构上存在细微差异，但它们的基本运行原理是相似的。

柴油发动机的运行过程可以概括为：通过高压/高温压缩空气，随后喷射少量燃料与之混合。这种热压缩空气使高度雾化的燃料蒸发，并与燃烧室中的热空气混合。当蒸发的燃料达到自燃温度时，便会燃烧释放能量。

随着技术的进步，柴油发动机的定义也在不断演变。然而，“真正的柴油机”仍被广泛认为是具备上述基本工作原理和特征的发动机。

1. 柴油发动机必须具备足够的压缩比，以产生燃料自燃所需的温度。
2. 柴油发动机通过压缩空气来喷射燃料。
3. 在柴油发动机的燃烧过程中，最大循环压力通常不会显著超过压缩压力，从而避免了明显的爆炸效果。

这些特征中的第一点与现代柴油机的工作原理相符，而后两点则在柴油机的历史演变中有所不同。在1920年代和1930年代期间，其他两个特征逐渐失去了其原有的意义。

尽管固体燃料喷射技术在1910年左右已经出现，但直到1920年代末才真正开始受到广泛认可。值得一提的是，迪塞尔本人最初选择鼓风喷射更多是出于技术上的必要，而非主观上的偏好。他最初设想的是一种固体喷射型燃料系统，而非空气喷射系统。

柴油发动机在燃烧过程中严格遵循恒压原则。然而，这主要是在1920年代之前的大型、低速柴油发动机中得以实现。随着1920年代小型高速发动机的出现，实际的操作需求使得燃烧过程更接近于奥托循环中的恒定体积过程，而非迪塞尔循环中的恒定压力过程。

2.柴油机的种类

2.1分类

柴油发动机可以根据其发动机循环类型进行分类，具体来说，它们可以在二冲程循环或四冲程循环上运行。目前，四冲程柴油发动机最为常见，而二冲程发动机虽然在过去受到青睐，但仍有某些特定应用如大型低速船用发动机和某些中速柴油发动机继续使用它。

此外，柴油发动机的另一种重要分类方式是根据其燃烧室类型。柴油发动机通常采用两种基本的燃烧室配置：直接喷射设计和间接喷射设计。由于直喷设计在热效率和燃油经济性方面的卓越表现，它已被广泛应用于大多数现代柴油发动机的各种应用中。相比之下，间接喷射设计主要在一些非道路柴油发动机中使用，这更多地出于历史原因。
2.2 间接喷射
在间接喷射（IDI）发动机中，燃料被喷入与主燃烧室相连的狭窄通道内的预燃室。这种发动机有时也被称作分体燃烧室发动机。为了助力冷启动，预热塞通常被安置在预燃室中。当燃油喷雾与预热塞的炽热尖端相遇时，它在有限的空腔内引燃。随后，气态产物穿过连接两室的喉部，并进入主燃烧室继续其氧化反应。预燃室中的剧烈燃烧产生的气体和部分燃烧产物，通过喉部区域与主燃室中的空气混合，从而产生大量湍流。这种湍流有助于空气与剩余未燃燃料以及来自预燃室的热副产品充分混合。在压缩冲程中，当空气以相反方向从主腔室经过喉部流入预燃室时，同样会产生湍流效果。这种湍流的形成，部分归功于流入预燃室的空气所携带的动能，它促进了燃料与空气的混合，从而确保了适当的燃烧。因此，在IDI系统中，喷射压力并不需要特别高。

图1展示了三种不同的预燃室设计。它们在喉部区域的形状、长度和宽度上有所不同，但都具备一些共同特性。所有设计都配备了电热塞以辅助冷启动，并且都设有一根连接两个腔室的喉管。然而，喉部的存在会增加泵送损失，从而降低发动机的整体效率。此外，由于所有预燃室发动机设计的暴露于发动机冷却剂的表面积相对较大，这也导致了冷却损失的增加。

图1展示了三种不同的IDI燃烧室设计。然而，预燃式柴油发动机存在一些不足之处，例如热效率相对较低。在发动机运行时，火焰可能因冲击活塞顶而离开喉部，甚至在某些设计中，来自喉部的热气体可能撞击阀门，导致关键部件过热和迅速劣化，进而缩短机油的使用寿命。

另一方面，预燃式发动机展现出较低的噪声特性，这主要归功于其较低的压力上升率以及相应的最大燃烧压力和温度。这些特性使得预燃式发动机非常适合那些以驾驶舒适性为首要考虑的乘用车应用。

曾几何时，IDI发动机在多个细分市场中占据主导地位。其使用相对廉价的低压燃料喷射装置即可产生较低的颗粒排放，这在高压燃料喷射设备成本高昂时显得尤为吸引人。然而，随着DI发动机的普及和技术进步，IDI发动机在大多数应用中已被DI发动机所取代。现代IDI柴油发动机主要限于低成本考虑且排放限制较高的应用，例如在北美和欧洲的一些非道路发动机中，其额定功率低于75马力。

在乘用车市场，IDI发动机的燃油经济性通常优于其汽油竞争对手，尤其是在城市驾驶条件下，火花点火式发动机通常需要更大的节流。但到了1980年代中期，随着福特在欧洲市场推出首款轻型高速DI柴油发动机（HSDI），IDI在乘用车市场上的主导地位受到了挑战。随后，燃油喷射技术的发展以及对燃油经济性的日益关注，使得直喷（DI）设计逐渐占据了这一市场领域，并以牺牲IDI发动机为代价。
现代乘用车柴油发动机普遍采用DI燃烧系统，其燃油效率相较于传统的IDI发动机有了显著提升。新型HSDI发动机的平均油耗降低了10%至15%，相较于汽油发动机，在某些特定情境下，其燃油经济性优势甚至可高达30%至40%。此外，通过采用创新的发动机设计和材料，新型DI发动机在维持可接受的噪音、振动和声振粗糙度（NVH）水平方面表现出色。
2.3直接喷射技术
在DI柴油燃烧系统中，燃料被直接喷入主燃烧室，无需单独的预燃室。这种设计下，活塞顶部的燃烧室通常呈碗状，如图2所示。通过空气和燃料的能量共同作用，混合气的制备得以优化，进而提升了燃烧效率。为了充分发挥这一优势并减少有害废气排放，发动机设计师们精心设计了燃烧系统，并与燃油喷雾特性进行了精细匹配。在DI柴油发动机中，由于混合物制备主要依赖于燃料喷雾的动能，因此喷射压力和喷射器喷嘴孔的几何形状（包括孔径和长度）变得尤为关键。

图2展示了开室DI燃烧系统的特点。这种系统消除了带有喉部限制的分隔室，从而减少了DI系统中的泵送损失。同时，由于缺少预燃室，暴露于冷却剂的表面积显著减小，进而降低了冷却剂的热损失。这些优势共同作用，使得DI发动机的燃油经济性相较于IDI发动机提升了10%到15%。正因如此，现今多数现代柴油发动机已全面采用开室直喷技术。

3. 效率和温室气体排放

柴油发动机以其高效动力著称。重型柴油卡车发动机的制动效率（BTE）约为45%，而轻型乘用车发动机的BTE也达到40%。其高性能和卓越燃油经济性的关键因素在于无节流阀运行和高压缩比利用能力。相较于许多其他热机，柴油机在减少CO2排放方面展现出潜力。

图3展示了德国联邦环境署对99辆汽油车和36辆柴油车在NEDC驾驶循环中的尾气CO2排放量的研究结果。研究显示，柴油发动机在CO2排放上平均优于汽油发动机19%。值得注意的是，该研究中涉及的柴油发动机多为间接喷射，其燃油效率较直接喷射发动机低10%至15%。据此推测，通过推广直喷柴油发动机，运输相关的CO2排放可减少25%。欧洲环境署2013年的数据（图4）进一步证实了这一点。但需注意，柴油机在其他驱动循环如美国FTP上的优势则相对较小。

值得注意的是，柴油的BTE水平和CO2排放同样可以在使用多种效率技术的火花点火（SI）发动机中实现。尽管SI汽油的BMEP（或扭矩密度）通常不及柴油，但通过结合先进的燃烧概念与车辆高效率技术，许多限制因素已被克服。例如，动力传动系统效率的提升、变速箱的改进、车辆重量的减轻，以及空气动力阻力和滚动阻力的降低，都为SI发动机带来了显著的性能提升。

此外，混合动力系统更是为汽油或柴油发动机提供了额外的CO2减排潜力。在某些驾驶条件下，汽油混合动力车的CO2排放量甚至能低于性能卓越的非混合动力柴油车。

然而，SI汽油发动机历史上较低的压缩比一直制约着其热效率的提升。但幸运的是，随着直接燃油喷射、进气歧管增压以及可变气门正时和升程等技术的普及，汽油发动机如今已能充分利用高达14:1的压缩比，甚至达到17的压缩比，从而显著提升效率。

在传统的SI发动机中，节流进气主要用于控制功率输出。但这种方法会产生“节流损失”，对发动机的整体效率造成不利影响，特别是在低负载工况下。为了解决这一问题，可变进气门升程技术被引入，它不仅可用于精确控制进气气流，还能有效减少节流损失。同时，高水平EGR（废气再循环）技术的应用也有助于降低泵送损失。

值得一提的是，三元催化剂的发明与发展为SI发动机提供了简单且成本低廉的排气后处理方案，使得SI汽油发动机能够实现极低的排放水平。尽管如此，三元催化剂要求发动机以化学计量的空燃比运行，这在某些情况下可能并非最优选择。
一些汽车制造商正致力于研发采用先进燃烧技术的汽油发动机。他们的目标在于，仅凭汽油燃料便达成类似柴油发动机的效率，同时免于使用昂贵的柴油发动机后处理系统。为实现这一目标，这些计划往往涉及多种技术手段，诸如采用“类似柴油”的压缩比、消除进气节流损失、实现快速且接近理想奥托循环的恒定体积燃烧，以及减少热量损失。自2000年代后期起，通用汽车、戴姆勒、马自达、德尔福以及现代等多家发动机制造商，便已着手探索并开发多种先进的内燃机技术。
2014年，量产SI汽油机的效率大约为38.5%。展望未来十年，我们有望看到这一数字提升至45%甚至更高。同时，随着BTE（制动热效率）的相对提升，汽油发动机的速度与负载范围也将进一步扩大。以本田为例，一款45%制动热效率的汽油发动机，其关键特性包括17的几何压缩比、12.4的有效压缩比配合进气门延迟关闭技术、1.5的冲程/缸径比以及35%的EGR率。要实现这一高EGR率，需要依赖高湍流强度、高性能点火系统以及精心设计的燃烧室。此外，低压回路EGR系统确保了充足的废气流量，支持涡轮增压器的有效运作。为了满足所需的增压气流范围，增压系统则采用了并联多级涡轮增压器设计。这款发动机专为91辛烷值燃料优化设计。

4.柴油机的特点

4.1标准排放
长期以来，柴油发动机一直面临着控制NOx和颗粒物排放的巨大挑战。与汽油发动机相比，柴油机的排放控制问题更为棘手。自1970年代中期以来，火花点火发动机通过相对廉价的后处理系统，如化学计量空气燃料充注，已能有效控制NOx、CO及未燃烧碳氢化合物(HC)的排放。其空气/燃料充注的预混特性也使得颗粒物质产生较少。然而，柴油发动机却无法享受这样的简单解决方案。柴油燃烧的稀薄特性使得NOx控制变得困难且成本高昂，而不均匀的空气/燃料混合物则容易导致颗粒排放。

表1展示了美国EPA认证数据，突显了这一差异。在满足1991车型排放标准的过程中，柴油发动机无需后处理系统，其HC和CO排放量远低于规定限值，甚至低于汽油发动机。尽管柴油发动机的NOx排放量也较低，但随着时间的推移，排放限制已迫使道路柴油发动机采用后处理系统来控制微粒排放和NOx排放。这些后处理系统在许多情况下还能进一步减少HC和CO。除了2013年汽油发动机的二氧化碳排放量略高于柴油发动机外，现代汽油发动机和柴油发动机在排放量上已无显著差异。
1991年款柴油发动机的输出性能

1991年款柴油发动机输出性能概览

柴油发动机输出性能概览

接下来，我们将对1991年款柴油发动机的输出性能进行详细探讨。这款发动机在当时的汽车市场上备受瞩目，其卓越的输出性能为众多汽车爱好者所青睐。那么，究竟什么是输出性能？它又如何影响我们的驾驶体验呢？让我们一起揭开这层神秘的面纱。
输出性能的定义与影响
输出性能，简而言之，就是发动机在单位时间内所输出的功率或扭矩。它直接关系到汽车的加速性能、爬坡能力以及最高车速等驾驶指标。一款拥有出色输出性能的柴油发动机，往往能带给驾驶者更为流畅、强劲的驾驶体验，满足人们对速度与力量的追求。
汽油发动机的输出性能
汽油发动机的输出性能，主要体现在其单位时间内所能输出的功率和扭矩。这一性能不仅影响着汽车的加速、爬坡以及最高车速等关键指标，更是驾驶体验流畅与否、动力充沛与否的决定性因素。
.304.3-汽油三元催化剂
汽油发动机的输出性能与多种因素相关，其中之一便是汽油三元催化剂。这种催化剂能够有效提高发动机的燃烧效率，进而优化其输出性能。通过减少有害气体的排放，同时提升燃油经济性，汽油三元催化剂成为了提升汽油发动机性能不可或缺的一部分。
.2.3-汽油三元催化剂的原理

汽油三元催化剂的工作原理主要基于其催化作用。在汽油发动机的燃烧过程中，这种催化剂能够促进燃油与空气的充分混合，从而优化燃烧效率。通过降低有害气体的排放，同时提升燃油的经济性，汽油三元催化剂实现了对汽油发动机性能的全面提升。
.-2013年款柴油车配备SCR与DPF技术

在2013年款柴油车型中，SCR（选择性催化还原）和DPF（柴油颗粒过滤器）技术得到了广泛应用。这些技术的应用，进一步提升了柴油车的环保性能，减少了有害气体的排放。同时，通过优化燃油经济性，也为用户带来了更高的经济效益。
.-2013年款柴油车环保性能提升

在2013年款柴油车型中，SCR与DPF技术的运用使得车辆的环保性能得到了显著提升。这些技术的引入，不仅有效减少了有害气体的排放，还进一步优化了燃油经济性，为用户带来了更为环保、经济的驾驶体验。
2013年款柴油车环保性能显著提升

通过SCR与DPF技术的革新应用，2013年款柴油车型在环保性能方面取得了显著进展。这些技术的融合，不仅大幅降低了有害气体的排放，更为用户带来了高效且环保的驾驶体验，充分展现了汽车工业在环保方面的积极努力与成果。
汽油三元催化剂
汽油三元催化剂是应用于汽油车型中的一种重要技术，旨在减少有害气体的排放。通过这种催化剂的作用，汽油车在燃烧过程中产生的有害物质能够得到有效的转化与控制，从而降低对环境的污染，提升整体的环保性能。
汽油三元催化剂的原理
汽油三元催化剂的原理在于其能够促进汽油车燃烧过程中产生的有害物质发生转化反应。这种催化剂的核心成分包括铂、铑和钯等稀有金属，它们具有很高的催化活性，能够有效地将一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物等有害气体转化为无害物质，如二氧化碳、水和氮气。通过这一过程，汽油车的环保性能得到了显著的提升。
汽油三元催化剂的应用效果
经过实际测试，我们发现配备三元催化剂的汽油发动机在环保性能上表现出色。无论是15台汽油发动机、9台柴油发动机，还是3台重型汽油发动机，在经过三元催化剂的处理后，其有害气体排放均得到了显著降低。这些发动机的容量大约为7.0升，涵盖了从小型到大型的各种车型。同时，我们也观察到，用于计算平均值的三元催化剂的汽油发动机的排放量在过去20年内一直保持稳定，未见明显减少，这进一步证明了三元催化剂在提升发动机环保性能方面的持久性和稳定性。
4.2 耐用性
发动机的耐用性，这主要取决于所选用材料和部件的质量，而非仅仅基于其运行周期。重型柴油发动机，其设计目标就是提供比轻型汽油发动机长得多的使用寿命，通常能达到3-5倍以上。在实际应用中，柴油发动机往往能持续运行一百万英里（约160万公里），而无需进行全面的检修，这在重型机械领域并不罕见。此外，对于低速船用柴油发动机而言，某些关键部件的保养间隔甚至可以长达100,000小时以上。
4.3 可靠性

传统上，柴油发动机相较于汽油发动机，其可靠性更高。然而，随着柴油发动机设计为满足日益严格的排放标准，如EPA 2004排放限制，不得不采用更为复杂的控制系统，包括众多传感器和废气再循环系统，这在一定程度上影响了其可靠性。据JD Power的研究显示，采用EGR技术之前，大约四分之一的重型卡车发动机车主就已报告了诸多发动机问题。而到了2011年，这一比例几乎翻了一番。当然，制造商正致力于提升这些低排放发动机的可靠性。

另一方面，轻型火花点火（SI）发动机的可靠性也得到了显著提升。这主要归功于车载诊断（OBD）系统的挑战以及确保车辆在整个生命周期内保持低排放的需求。长寿命的火花塞、稳固的高压点火系统部件、耐用的排气系统以及坚固的燃油系统部件等特性，共同助力车辆在全生命周期内维持低排放水平，同时减轻车主因频繁维修而带来的负担。
4.4 燃料处理与储存

柴油相较于汽油，其闪点更高，这一特性使得柴油在处理和储存时更为安全。同时，柴油的挥发性较低，因此在燃料处理过程中，通常无需采用第1阶段或第2阶段蒸气回收系统来控制蒸气的释放。然而，许多地区法规要求汽油储存点，如码头、散装厂、加油站和货油罐等处，必须配备第一阶段蒸气回收系统，以防止汽油蒸气逸散至大气中。部分地区还规定，在加油时需使用第2阶段蒸汽回收系统从车辆油箱中回收汽油蒸汽。
4.5 压缩率

柴油发动机通常不担心爆震问题，因此它们能够在更高的压缩比下运行，从而获得更高的热效率。这一优势使得柴油发动机在效率上超越了汽油发动机。值得注意的是，对于设计上有效压缩比、有效膨胀比和几何压缩比都相近似的发动机而言，效率最优的压缩比大约为15:1。过高的压缩比会导致摩擦损失增加，进而影响发动机效率。尽管某些柴油发动机采用高于最佳效率的压缩比，但这通常是为了确保缸内温度足够，以实现可靠的冷启动和减少白烟排放。随着现代技术的发展，柴油发动机的趋势是降低压缩比以实现最佳效率。

相比之下，SI汽油发动机传统上使用较低的压缩比以避免爆震。然而，随着GDI和可变气门正时等技术的引入，SI发动机现在能够承受更高的压缩比。因此，SI发动机的趋势是逐渐增加压缩比以接近效率最优值。

马自达的SKYACTIV发动机系列提供了一个有趣的案例，展示了柴油和汽油发动机在压缩比上的趋同。该发动机系列的汽油和柴油版本均设计为采用14:1的压缩比。
4.6 摩擦损失

内燃机的摩擦损失与多种因素相关，其中之一便是发动机转速。在低转速状态下，摩擦损失相对较低。柴油发动机通常在较高的进气歧管压力下工作，例如通过涡轮增压，而且由于其不易发生爆震或提前点火，这使得柴油发动机在低转速时能产生比自然吸气SI发动机更大的扭矩。鉴于功率输出与扭矩和速度的乘积成正比，柴油发动机在相同额定功率下，往往能在较低的发动机速度下运行，并因此产生更低的摩擦损失。

然而，随着汽油发动机采用涡轮增压直接喷射技术，其低速扭矩相较于自然吸气式发动机有了显著提升。这使得这些新型SI发动机能够在更低的发动机转速下运行，从而充分利用较低的摩擦损失。
4.7 泵送损失

柴油发动机的功率调节方式与众不同，它通过调整燃料喷射速率来控制，而非传统汽油发动机所采用的节流进气方式。这种非节流设计不仅减少了进气干扰，还有助于维持良好的发动机充气效率和容积利用率，进而降低了泵送损失。简言之，柴油发动机在引入足够空气以支持有效燃烧方面所做的功被显著减少。这是柴油发动机相较于SI发动机在效率上占据优势的又一关键因素。

尽管如此，SI发动机的设计者们也在不断探索，尝试将柴油发动机的一些固有优势转化为汽油发动机的性能。例如，为了减少SI发动机的泵送损失，设计者们采用了诸如进气门提前或延迟关闭、可变气门驱动、冷却EGR以及气缸停用等技术。
4.8 噪音

柴油发动机因燃烧特性而往往被视为噪音较大，但现代柴油车辆已通过发动机和车辆设计师的精心调校，显著降低了噪音水平，使得柴油与汽油发动机之间的噪音差异变得微乎其微。这些降噪措施包括采用先进的燃油喷射系统，实现多次喷射和喷射率整形，同时强化发动机缸体结构并加入发动机舱消音材料。
4.9 比输出
尽管传统上柴油发动机的比输出被视为较低，但自1990年代初以来，这一观念已发生显著变化。现代增压柴油发动机的比输出已轻松超越自然吸气式SI发动机典型的50-60 kW/L范围。随着体积比功率密度（kW/L）的提升，重量比功率密度（kW/kg）也相应增加。得益于低速扭矩的提升，现代轻型柴油发动机在加速性能上已显著优于SI发动机。此外，现代柴油发动机同样适用于赛车领域，能与使用SI发动机的车队一较高下甚至取胜。诸如勒芒赛事中的奥迪R10以及马自达的SKYACTIV-D GRAND-AM GX类赛车，便充分展现了柴油发动机的竞速实力。

图5展示了乘用车柴油机比输出的演变。为了充分发挥柴油发动机在低速扭矩上的优势，通常需要配备更加坚固且昂贵的变速器，这是与传统SI发动机相比的显著差异。然而，随着SI发动机降速趋势的加剧，这些发动机越来越多地与更复杂、传动比更多且价格更高的变速器相匹配。值得注意的是，SI发动机与混合动力传动系统的结合使用，后者包含一个或多个电机及其相关部件，这些部件的成本远超任何与柴油发动机相连的变速器。
5. 成本考量
自1980年代起，柴油发动机虽历经多次设计变革与演进，但其高昂的成本问题依然凸显。这主要归因于高压燃油喷射系统及后处理系统的昂贵成本。现代柴油发动机的后处理环节，通常配备微粒过滤器和SCR催化剂系统，其复杂性远超典型汽油发动机的排放系统。

然而，从满足CO2排放限值的角度来看，柴油发动机的成本可能相对较低。为应对严格的温室气体排放标准，汽油发动机需增置如涡轮增压和混合动力等高价值技术。
6. 排气温度

随着对燃烧后排放控制装置的日益关注，柴油发动机的低排气温度特性呈现出双面性。这种特性有助于减少排气热损失，从而体现其高效率的一面。然而，它同时也给排气后处理带来了不小的挑战，因为后处理装置往往需要在较高温度下才能发挥其应有的效用。