[百問] 柴油引擎要怎麼照顧? 顧得好比汽油引擎更環保!(下)

圖/各大汽車官網

問題六:何謂尿素觸媒還原系統?似乎愈來愈多新式柴油車都要添加。

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,至於什麼是SCR系統呢?
 
SCR系統與大家熟知的EGR(廢氣再循環系統)功能類似,都是為了將廢氣中的NOx減少的措施;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。
 

因應愈來愈嚴苛的歐盟與國內環保法規,新款柴油車已開始搭載SCR系統,將尿素透過電腦計算後,精密地噴入排氣管中,以減少NOx的排放量,使柴油車更乾淨。
 

DPF與SCR兩套系統的作用並不相同,因此多數皆並存於柴油車上,DPF的濾塵器在前,SCR的觸媒會在後,看來使用柴油車的代價只會愈來愈高。
 

由於尿素溶液會腐蝕一些零件,所以原廠需額外在車體內設置容器存放,多少會占用寶貴的車上空間,目前國內已有愈來愈多柴油車上都會使用SCR系統。

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問題七:柴油引擎有什麼保養技巧要特別注意的呢?機油等級要注意。

透過上述種種的新科技加持後,新世代柴油車擁有更環保、更低污染與更節能的優勢,尤其再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。

此外,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。
 

少數柴油引擎的機油會流入DPF中燃燒,所以配備DPF車種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。
 

機油的等級如果不夠,或太長時間沒有更換機油,都會導致柴油引擎的進氣歧管或EGR閥門出現大量的油泥,這些問題都會導致柴油引擎效率不彰,甚至渦輪故障。
 

目前坊間保養廠有推出利用藥水,靜態清洗柴油引擎的進氣歧管、燃燒室與DPF的服務,只要適當處理確實能幫助柴油引擎進行體內環保。

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問題八:如何幫助DPF碳微粒過濾器執行主動再生功能?

至於先前提到的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。
 

DPF前後都設有壓力管路,ECU透過壓差感知器從這兩條管路中取樣,就可得知DPF阻塞的情況,部分車種只要阻塞率超過50%,儀錶就會亮起圖中的DPF燈號,此時需盡快清潔DPF以免完全阻塞。
 

由於新世代柴油引擎的內部構造愈來愈精密,因此保養週期是否按時執行,將大大影響其運作正常與否,尤其是柴油機油的選擇更是關鍵,使用劣質油品,不只會縮短DPF的壽命,還會危及渦輪與高壓共軌系統的健康,不得不慎。
 

一般正常行駛的柴油引擎,建議的保養里程為1萬公里,可以提前但不建議延後,尤其是都市型用車環境更需確實執行保養工作。
 

新世代柴油車雖然有複雜的高壓共軌系統,但柴油引擎堅固耐用的優點還是沒有改變,保養時要注意的問題就那些,非常適合業務車使用,但如果是短程行駛的買菜車的話,還是選擇小型汽油車,甚至是油電車會比較經濟實惠。

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問題九:除了上述提到的這幾點外,柴油車保養時還要特別注意什麼?

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。
 

不論是燃油濾芯或機油濾芯,其內部構造都相似,都是透過紙質的細小間隙來攔阻雜質進入引擎內部,既然如此間隙一但都被雜質填滿,液體流量就會大大減少。
 

柴油濾芯外型比汽油濾芯更加複雜,有些車款的柴油濾芯上還設有燃壓感知器,主要是用來掌握低壓泵浦的作動是否正常。
 

圖中為舊款Ford Focus 2.0 TDCI引擎的柴油濾芯的更換過程,這款車在更換好柴油濾芯後,還要透過蓋子上的油孔,將濾芯內的空氣釋放乾淨,才能順利啟動引擎。


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[百問] 柴油引擎要怎麼照顧? 顧得好比汽油引擎更環保!(上)

柴油引擎擁有低轉速高扭力、高熱效率、低油耗、耐久性佳的優勢,雖然過去因為柴油門造假因素的關係,使得柴油車似乎蒙上一層汙染環境的陰影,不過站在熱效率的本質來看,柴油引擎其實非常優秀,要讓它在地球上消失可能還要很久時間,而且汙染環境的情況,可能比您想像中來得輕,另外柴油車輛的日常使用與保養上是否需特別注意哪些問題呢?看下去就知道。

圖/
各大汽車官網
 
問題:柴油引擎如何運作的呢?跟汽油引擎比較起來差別在哪裡?

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。
 
不過近幾年來,因為「高壓共軌直接噴射系統」與「高速運算ECU系統」加入後,柴油引擎早已擺脫這些的負面包袱。
 

柴油本身的能量密度為155百萬焦耳/加侖,相對於汽油的132百萬焦耳/加侖而言,擁有更高的能量密度,加上提煉柴油是所需的精煉步驟較少,因此可說是好用又平價的燃油。
 

多數柴油引擎的氣門角度都是垂直的,原本位於汽缸頭的燃燒室則改在活塞中央凹陷部分,表面經過硬化與強化處理,加上長行程設計,如此才能達到22:1以上的超高壓縮比。
 

柴油引擎的曲軸通常都很粗壯,這點從曲軸柄較粗的直徑與面積較大的波司就不難看出。

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問題二:柴油引擎的熱效率會比汽油引擎高嗎?其他汙染情況呢?

如上面所述,由於柴油引擎不用火星塞點火系統,完全是靠壓縮混合器時產生的高溫來讓柴油自燃,就像汽油引擎的爆震一樣,柴油引擎就是靠爆震來點燃油氣,因此汽缸內部必須承受比汽油引擎更大的壓力,故必須製造得更為堅固,如此一來就會讓引擎重量變重。
 
但在效率方面,柴油引擎的熱效率卻有高達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之CO2排放,約較汽油引擎少20%~30%,CO也能減少約76%之排放,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,這個問題對於也反映在車價上,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。
 

圖中便是高壓共軌直噴系統,圖中的左邊為高壓泵浦,連接的橫向白色管路即為共同燃油軌,連接在其上的藍色細管則為輸油管,灰色垂直管便是噴油嘴,每支噴油嘴都是透過ECU進行精密控制。
 

噴油嘴的噴頭有五孔、七孔設計,孔數愈多霧化效果愈佳。
 

如何製造出更乾淨、節能、環保與安靜的柴油引擎,是許多歐洲車廠是過去,也是未來持續關注的焦點,我們也樂見能透過這些車廠的努力,讓地球暖化速度放慢些,以達人類永續生存的目標。

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問題三:何謂高壓共軌式直噴系統?有什麼優點呢?

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(高溫是形成NOx的主因),讓柴油引擎愈來愈乾淨。
 
當然要使柴油引擎不排放黑煙,甚至不幅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。
 

高壓共軌式直噴系統,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,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。
 

位於引擎右側很大一顆圓形柱狀物體,便是結合觸媒轉換器與DPF碳微粒過濾器的淨化廢氣裝置,由於兩者皆需高溫才能正常運作,因此BMW四缸引擎的工程師直接把它安裝在渦輪後方。
 

DPF內部為蜂巢狀陶瓷構體,包含許多平行相鄰的過濾層,氣體可通過,但體積較大的碳微粒則會附著在過濾層壁之上,如此便可減少排氣管噴黑煙的情況產生。

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問題四:何謂DPF碳微粒過濾器?跟傳統的觸媒轉換器有何差別?

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的細部結構如圖所示,蜂巢狀陶瓷構體,包含許多平行相鄰的廢氣入口通道與廢氣出口通道,廢氣出入口通道間以過濾層壁相隔,而該過濾層壁係以白金、碳化矽本體、載層所構成,為可供氣體流動的孔洞組織,流通過的廢氣會進行類似傳統觸媒轉換器般轉化有毒氣體為無害氣體的作用,至於體積較大的碳微粒則會附著在過濾層壁之上,此排碳過程又稱為被動再生(Passive Regeneration),藉此可大幅減少排放到大氣中的碳微粒,不過由於碳微粒會不斷累積在過濾層壁上,當累積密度高到一定程度時,系統會啟動主動再生過程(Active Regeneration)。
 

從這張照片中應該可以更清楚了解DPF的孔隙有多小了吧!如果您是經常短程低速行駛的話,因為DPF無法進行主動再生過程,因此不斷增加的碳微粒是有可能阻塞DPF的,到時候不只引擎無法啟動,連DPF都要換新才能解決。
 

當愛車儀錶板的這個燈號亮起時,可能代表著您愛車的DPF已經快不裝滿了,請盡速找個時間,將愛車開上高速公路,將轉速控制在2000rpm以上,檔位排在5檔,定速開個15分鐘看看燈號是否會消失,若無請盡速回廠檢修。
 

Audi曾於2006年時率先使用柴油引擎參加利曼大賽,並且持續多年均獲得優秀佳績,代表柴油引擎早已非吳下阿蒙。

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問題五:聽說DPF會主動減少內部積碳量?它的作動機制為何?

這套機制就是上述所提到的「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。
 

此為DPF主動再生過程的示意圖,原廠電腦會偵測DPF前後管路內的壓力差,判斷DPF的阻塞狀況,若組塞情況嚴重便會增加噴油量,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,用以提高DPF的溫度達650度以上,進而將附著其上的碳微粒轉化為二氧化碳,排放於大氣中。
 

較新款柴油車的排氣管上,通常可見到DPF與兩顆觸媒轉換器的蹤影,目的都是為了使柴油引擎更加環保與乾淨。


有些柴油引擎的DPF與觸媒轉換器都會設置在渦輪旁,目的在獲得比較高的排氣溫度,以利DPF的主動再生功能,同時也可提造讓觸媒進入工作溫度。


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