柴油動力汽車使用體驗較差·節油優勢正在被取代
似乎柴油動力汽車在乘用車型中非常罕見,只有營運客車與載貨汽車更偏向這種機型;但大部分司機都說柴油車會更省油,明知其優勢而不選,這是不是顯得有些矛盾?其實這是個很正常的現象,柴油發動機是一種瑜不掩瑕的內燃機,兩個突出的缺點以及一種更節能的技術基本決定了這種機型的終結。
下面就來看一看這種機型的缺點吧。

性能&NVH
都說柴油機加速迅猛動力強勁,這種說法并不客觀。以≤3.0T的柴油機為參考(柴油機99.99%均為廢氣渦輪增壓技術),合資汽車陣營中的2.5-3.0T的最大功率普遍為110kw左右,最大扭矩低至平均300N·m出頭;只有少數的國產優秀2.0T增壓機可以達到≥400N·m以上的標準,這是什么水平呢?
優秀的2.0T汽油增壓機現階段的平均最大扭矩在375N·m左右,高標準機型同樣可以達到400N·m;扭矩直接決定性能,因為「扭矩×轉速÷9549×1.36=馬力」,從這個角度分析則說明柴油機并沒有性能的優勢,如果從“轉速限制”的節油設定分析則柴油車性能更差。

上文說明了馬力高低的決定因素是扭矩或轉速,兩者是相乘的關系;那么假設2.0T的汽柴油機的扭矩都是400N·m,裝備于同款車上的性能誰更強呢?如果在轉速一致的前提下則沒有區別,然而柴油機為了省油而對轉速進行了嚴格限制。
汽車裝備的四沖程內燃機的轉速指曲軸每分鐘的旋轉次數,轉兩次就會噴油做功一次;轉速越低則單位時間的噴油頻率越低,所以只要限制了轉速就等于限制了耗油量。

柴油機的極限轉速平均在≤4000rpm的范圍內,而汽油機可以達到≤7000rpm的范圍;汽油機每個前進擋都能把轉速拉升到7000轉,每個前進擋輸出的馬力都要大于柴油機,所以真實的標準是相同參數標準的汽油車加速肯定比柴油車強!
這是個不需要爭論的問題,參考最大扭矩400N·m的H9,其破百成績十秒開外;反之390N·m的的GS8破百只需要8秒,整備質量的懸殊很小。其次470N·m的福特柴油動力Ranger加速12秒左右,相同標準的汽油皮卡加速可以達到7秒左右,這就是限制轉速對性能的影響。

「NVH·噪音/振動/聲振粗糙度」是評價汽車品質的重要參考,駕駛過程中能感覺到明顯共振和過大噪音的車輛,對于駕乘感受很顯然會有較為嚴重的影響。而柴油機的問題正在于NVH水平差,因其點火方式是偏向節油的設定。
壓燃點火是柴油機的點火方式,概念是通過壓縮沖程活塞以超高的壓縮比,以極大的行程壓縮空氣;空氣在壓縮過程中會因分子碰撞產生高溫,只要壓縮程度大則會產生超過柴油自燃點的溫度。于是柴油就這樣被引燃了,重點是點火瞬間是活塞將將達到上止點的標準,活塞受到的沖擊力較大且不會規則,隨著而來的就是比較嚴重的振動,空氣隨之共振則會產生聲波(噪音)。

汽油機采用的火花塞點火的方式,機器以較低的壓縮比實現壓縮溫度低于汽油自燃點,能實現的是混合油氣只蒸發而不自燃;蒸發后在做功沖程中由火花塞電出電弧,混合油氣隨著被點燃而開始燃燒做功。
點火角度也會比較特殊,往往是在活塞開始下行的初級點做功并產生推力;這種設計雖然會比柴油機多損耗一些動力,但也做到了減少活塞與機體的振動強度。所以汽油機不僅有性能的優勢,同時有使用體驗的優勢;家用汽車的用戶追求的車輛的高品質,這就是柴油代步車很少見的原因。

柴油機會被取代
柴油機的核心缺點:NOx氮氧化物與顆粒物!
高壓縮比和柴油自身的特點,決定了燃燒后的產物主要是這兩種物質。顆粒物會影響空氣質量應當無需解釋,對于PM2.5有些概念的話就會懂得應當控制顆粒物的排放;而氮氧化物是造成雨水偏酸性的第二酸分,酸雨會對農田和農作物造成相當程度的影響。
所以控制這兩種物質的排放是很重要的,SCR尿素系統就是用于分解氮氧化物,DPF顆粒物捕捉器也成為柴油車的標配。這兩套系統不僅提高了柴油車的制造成本,也讓用車的便利性變差了一些;重點是仍舊不能很理想的處理尾氣物質,于是停產柴油機則成為各大汽車大國的話題。

歐盟多國已經制定出了柴油機停產時間表,北美乘用車以汽油機為主,只是商用車型用柴油機;這點是與國內相同的, 所以目前還沒有制定出轉型規劃。但是插電混動技術和增程式技術,這兩種技術可以讓柴油乘用車失去價值,商用車也有轉型的儲備了。
混動汽車參考并聯式插電混動的唐DM,此車以2.4噸的整備質量、全時四驅和超高的加速性能,實現了8-10L/100km的油耗。綜合性能與其接近的柴油動力SUV,百公里油耗也得在15-20L之間,然而這臺車的內燃機是2.0T直噴汽油機,為什么可以這么低呢?答案在于主要用電驅動,內燃機只是作為輔助的存在而已。

知識點:
1、內燃機的平均熱效率有35%?就算是這個標準吧,但是最佳標準往往只能在幾百轉的范圍內實現,比如2000-2300轉,低于或超過這個標準的熱效率會低很多。所以燃油汽車的平均熱效率能達到30%左右就算不錯,柴油機就算高一些也不過是40%上下。
但是主流的永磁同步電機可以達到95%以上,也就是轉化動力的過程中只損耗個位數的能量;所以用電機驅動的能耗會很低,按照一升汽油等于3kwh(度)的標準計算,電驅可以降低?甚至更高的能耗。所以內燃機主要用于發電,偶爾輔助驅動,以增程和油電混合模式運行必然更省油——兩套驅動系統的綜合效率是遠高于柴油機的。

2、電機的結構非常有意思,因其轉化動能的方式是電磁場與永磁體磁極互斥,定子和轉子不需要接觸即可進行動力轉化。沒有接觸當然也就沒有振動、噪音和磨損,所以電機要比汽柴油機都要安靜太多;同時沒有磨損則可以實現很高的轉速,轉速高則功率高,功率高則加速能力強。
然而電機并不是只有能達到1.5-2.0萬轉的轉速優勢,低轉速扭矩爆發力也是要超過柴油機的;因為柴油機提升扭矩需要提高進氣量和噴油量,進氣量的提升需要拉升轉速,這個過程需要時間。而動力電池組往電機繞組輸入電流形成電磁場的速度,這是僅次于光速的,也就是說電機起步第一轉即可爆發最大扭矩,柴油機做得到嗎?

總結:柴油機曾經的優勢只有節油,節油的基礎是通過轉速限制和柴油自身的特點實現,但同時也帶來了很多的問題。所以這種機器只適合用于追求低行駛成本的商用車,對于家用汽車用戶而言并不理想。
在乘用車陣營中,目前插電混動和增程技術實現了性能和油耗表現超越柴油車,這種技術基本沒有再應用的價值;至于商用車也只是需要克服動力電池制造成本的問題,之后同樣也會淘汰柴油動力。要知道高鐵、地鐵、云軌、輕軌,以及很多船舶艦艇都是電驅,電機是種潛能很大的發動機。

編輯:天和Auto-汽車科學島
天和MCN授權發布
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