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作者:徐業良(2003-10-18);推薦:徐業良(2003-10-18)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2003年十一月號,史丹福專欄。

淺談柴油和柴油引擎

月初的時候雜誌社編輯告訴我,台灣加入WTO之後國內開放柴油引擎車進口,部分進口車商已積極規劃引進柴油引擎車,所以汽車購買指南也開始規劃一系列柴油引擎車報導文章。

報導柴油引擎車?確定嗎?要報導的是大貨車、大客車、還是,火車?

後來很快就發現自己這樣的疑問實在有夠不專業,不知道您是不是和我一樣,對柴油引擎車的印象,還是停留在不知道多少年前,粗糙、廉價、高污染的烏賊車?

那可能真的是很久以前的印象了。目前國內也許您完全看不到柴油引擎小客車,但是在國外,特別是歐洲,柴油引擎小客車可是有相當重要的地位。柴油引擎有先天上省油、耐用的低成本優勢,低轉速就有大扭力輸出,加上許多歐洲車廠致力於改善柴油引擎的精緻度和降低污染,您心目中的歐洲品牌高級車,朋馳、BMW、福斯等,都有配置柴油引擎的高級車款,還頗受歐洲車主的歡迎。前兩個禮拜看到一個數據,歐洲市場柴油引擎小客車的佔有率大約有40%,我在象牙塔裡不食人間煙火已久,看到這個數字著實嚇了一大跳。

所以這個月的史丹福專欄就也來共襄盛舉,寫一篇關於柴油與柴油引擎的技術文章,在柴油引擎車正式進口之前為大家熱熱身。

先不談柴油引擎,從柴油引擎的燃料—柴油開始談起。

柴油這個詞兒不知道中文的典故為何,柴油引擎英文叫做Diesel engine,柴油的英文就叫做Diesel fuelDiesel這個字一定得大寫,因為這其實是個人名,這位叫做Rudolf Diesel的先生在1892年時獲得柴油引擎的德國專利,從此以後名垂青史,不但他發明的引擎以他為名,甚至柴油引擎用的燃料也直接冠上了他的名字。

要瞭解柴油的特性,得要話說從頭,從原油的提煉談起。您知道,原油就是從地底下抽取的黑色液體,叫做石油(petroleum),而石油這種液體之所以如此特殊,主要是其富含脂肪性的碳氫化合物,所謂脂肪性碳氫化合物裡只有碳和氫,完全沒有其他元素,非常適合當作燃料。

在石油所含的碳氫化合物裡,碳原子都是連接在一起,形成長短不同的「碳鍊」,然後氫原子再依附在碳原子上,而碳鍊的長度不同,碳氫化合物就會有不同的行為表現。舉例來說,最短的碳鍊就是一個碳原子本身,氫原子依附在上面,形成最輕的碳氫化合物CH4,就是甲烷(methane)或俗稱的沼氣。甲烷如此的輕,可以像輕氣球裡灌的氦氣一樣浮在空氣裡。

噢,不知道您還記不記得國中的化學課,C是碳、H是氫,CH4就表示有一個碳原子和四個氫原子結合在一起,成為碳氫化合物。

當這個碳鍊越來越長的時候,形成的碳氫化合物就越來越重了。前面提到碳鍊只有一個碳原子時,形成的碳氫化合物是CH4(methane),碳鍊中有兩個、三個、四個碳原子時,形成的碳氫化合物分別是C2H6(ethane)C3H8(propane)、和C4H10(butane),中文命名就直接很方便地叫做甲烷、乙烷、丙烷、和丁烷。

有沒有注意到在這些碳氫化合物中,氫原子的個數總是比碳原子個數的兩倍還多兩個?以丁烷C4H10做例子,四個碳原子連成一條碳鍊「C-C-C-C」,一個碳原子有四隻手臂,可以連接四個其他的原子,在「C-C-C-C」這四個碳原子裡,中間兩個碳原子只剩兩隻手臂各牽一個氫原子,頭尾兩個碳原子則各還有三隻手臂可以牽各三個氫原子,所以碳氫化合物中氫原子的個數比碳原子個數的兩倍還多兩個,每個碳原子各牽兩個氫原子,碳鍊頭尾的兩個碳原子再各多牽一個氫原子。

還真像上化學課。

不過您還真的得對碳鍊的樣子有個概念,才容易瞭解石油中為何可以提煉出這麼多不同種類的油品。

甲烷、乙烷、丙烷、丁烷全部都是氣體,沸點都很低,分別在攝氏-107度、-67度、-43度、和-18度,基本上隨著碳鍊變長,沸點的溫度也逐漸升高。接下來碳鍊長度從從C5開始到C18左右的碳氫化合物,在室溫之下都是液體,碳鍊長度超過C19,在室溫之下就都是固體了。這些碳鍊長度不同的燃料,沸點的溫度也逐漸升高,因此可以用蒸餾法從原油當中分別提煉出來。這也是石油精煉廠實際發生的過程,將原油加熱,在不同的蒸發溫度下,不同碳鍊長度的燃料就會被蒸發,再凝結、提煉出來。

原油中提煉出來的碳氫化合物,碳鍊長度在C5C6、和C7範圍內時,雖然是液體,但都非常輕,很容易揮發,油品看起來很清澈,一般叫做揮發油,常常用來作為溶劑,像是乾洗衣服用的液體溶劑,或者溶解油漆的溶劑、以及其他快乾產品。在原油提煉過程中,碳鍊長度從C7H16C11H24的燃料,全部都混在一起,成為我們用的汽油。在這個範圍碳鍊長度之下,燃料的沸點低於水的沸點,這就是為什麼您會覺得汽油很容易揮發。再接下來是煤油,碳鍊長度範圍在C12C15,煤油之後被蒸餾分離出來的才是柴油(大約是C14H30)和重油(暖氣、鍋爐加熱常用的油)。

柴油、重油之後是潤滑油,潤滑油在室溫下便完全不會揮發了,像是您汽車引擎機油可以在攝氏120度以上的高溫,跑個一整天而完全不會揮發。潤滑油也有分別,從比較輕的引擎機油,到比較重的齒輪箱油,到半固體的油脂。碳鍊長度超過C20以上,室溫之下是固體,從石蠟到焦油,最後是拿來鋪路的瀝青。

哇!這麼多不同的物質都是從原油中提煉出來的!儘管外在性質差異很大,這些物質組成的成分卻都是碳氫化合物,唯一的差別是其碳鍊的長度,柴油便是其中碳鍊長度較長的液體燃料。

如果您實際拿著一罐柴油和一罐汽油,從外觀觀察比較看看,您會知道柴油和汽油看起來就明顯不同,味道聞起來也很不一樣。實際摸摸看,您會發現柴油更油、更黏,柴油揮發也比汽油慢得多。

比較不同的能源型態時,有個很重要的特性是所謂「能量密度(energy density)」,也就是單位體積的能源,包含了多少能量,能量密度越高的能源,使用上自然越有效率。和許多能源相比,汽油的能量密度已經非常好了,一加侖(3.8)汽油包含了132百萬焦耳的能量,柴油的能量密度則比汽油還高,平均來說,一加侖(3.8L)柴油包含大約155百萬焦耳的能量。

從原油提煉時,柴油需要較少的精鍊,所以價格通常比汽油便宜,然而每公升的柴油內卻包含了更多的能量,標準的俗擱大碗。

便宜、省油也正是柴油引擎對抗汽油引擎最大的優勢,Rudolf Diesel先生1892年發明柴油引擎時,主要的目標便是創造一具高效率的引擎,特別是在那個時代,1876年發明的汽油引擎並不十分有效率。除了省油之外,柴油引擎構造較簡單,可靠性較高,維修費用相對低廉,不看新車價格的話,柴油引擎車整體運作的成本確實頗有吸引力。

內燃機汽油引擎的動作原理,您大概早就十分清楚,柴油引擎的動作原理基本上也類似,進氣、壓縮、燃燒、排氣四個衝程,柴油引擎也都有。柴油引擎和汽油引擎動作原理上最重要的不同點,是進氣衝程時,汽油引擎通常使用化油器或噴射供油的方式,將燃料和空氣在進入汽缸之前便已經混合好了,引擎經由進氣閥門吸入汽缸內的是油氣混合氣,壓縮之後經由火星塞點火。柴油引擎則是僅僅吸入空氣,壓縮之後再將燃料噴入汽缸內壓縮空氣中,由空氣被壓縮產生的高溫、熱量讓燃料自燃。

壓縮衝程中汽油引擎油氣混合氣一起被壓縮,限制了汽油引擎的壓縮比,如果壓縮比太大,油氣混合氣會在壓縮衝程就提前自燃而產生爆震(knocking),所以一般汽油引擎壓縮比限制在8:112:1。柴油引擎只壓縮空氣,沒有提前自燃的顧慮,且要靠壓縮空氣產生的高溫高熱點燃柴油,先天上需要比較高的壓縮比,因此柴油引擎壓縮比一般從14:1到高達25:1。柴油引擎的壓縮比高,燃燒效率比較好,動力衝程力道大,因此低速時的扭力大,也是柴油引擎重要的特色。但也正因為其壓縮比高,壓縮衝程中活塞要走的行程較長,壓縮的抗力也較大,所以柴油引擎轉速拉不高,柴油引擎車極速、最大馬力的數字看起來都不怎麼樣。

另外為了顧及高壓縮比的設計,柴油引擎結構上必須要更為強固,而使得製造成本較高,但是柴油引擎沒有火星塞,相對也省了不少需要維修的零件,使得其維修成本較汽油引擎為低,引擎體積也可以做得比較小。噴油系統是柴油引擎上最複雜的元件,至今似乎仍是柴油引擎研發的重點,不同的引擎上都可能有不同的設計。噴油器必須能夠承受汽缸內的高溫高壓,而仍然能將柴油以細霧狀噴射出,同時必須讓霧狀柴油在汽缸中充分循環,能夠平均分佈,得到最好的燃燒效率。對柴油引擎著力最深的福斯車廠(Volkswagen)一連串SDI柴油引擎、TDI柴油引擎的研發,重點都是在噴油器的設計。

另外柴油引擎沒有火星塞,冷起動點火也是一個技術上的重點。有些柴油引擎採用一種glow plug的設計,當柴油引擎冷的時候,壓縮過程沒有辦法將空氣溫度提高到足以點燃燃料,這時glow plug是一個電熱導線,就像是您在烤麵包雞裡看到發紅的電熱導線,可以在柴油引擎冷時預熱柴油,讓引擎可以發動。不過現代較大型的柴油引擎則是由引擎控制模組(ECM)全盤掌控,利用一系列感測器量測引擎所有的狀況,從轉速到引擎水溫、油溫,當天氣冷時調整噴油時間,讓柴油較晚噴入汽缸,空氣在汽缸內獲得較大的壓縮,產生更高熱量,幫助起動。

最後還是柴油引擎廢氣排放的問題。柴油引擎廢氣排放和柴油燃料的組成以及油品品質很有關係。柴油引擎小客車雖然在歐洲大行其道,在全球最大的汽車市場北美洲,卻是全面潰敗,近乎絕跡,也是和北美柴油品質不如歐洲,造成柴油引擎車廢氣排放不能符合北美嚴格的標準有關。國內柴油油品的品質據稱也有同樣問題。不過以福斯車廠為首的幾家大力推廣柴油引擎汽車的車廠,不以歐洲市場為滿足,已經發展各種技術,如氧化觸媒技術、廢氣再迴圈裝置,希望能將柴油引擎的廢氣排放,符合全球各個市場日益嚴苛的廢氣排放標準,重新進軍世界。

福斯車廠已經對北美市場擬定了2004年大規模柴油引擎小客車反攻計畫,對於台灣這個小小的汽車市場似乎也有所規劃。

且讓我們拭目以待!