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2007年3月5日 星期一

Audi TDI 柴油引擎發展史


1989年德國法蘭克福車展,Audi展出了世界上第一具搭載於乘用車的柴油引擎,該具引擎擁有最先進的缸內燃油直噴技術以及全電子化的引擎管理系統。
Audi將這項創世紀的科技革命,名為TDI。
此具柴油引擎在1990年初首度搭載於量產車Audi 100 Avant上,五汽缸2.5升排氣量,最大馬力可輸出120匹,峰值扭力高達27公斤米,一問世即在乘用車市場中造成轟動,完全顛覆了普羅大眾對於柴油引擎的刻板印象:動力貧乏、引擎運轉噪音吵雜不精緻等缺點在此具Audi TDI柴油引擎上全不復見,取而代之的是:輕快有力的油門反應、平順的引擎運轉以及傲人的燃油經濟性(與一般汽油引擎相較,平均約可省下30%左右的燃油消耗)。Audi TDI柴油引擎前所未有的將動態操控、傑出性能與低油耗性這兩項互相抵觸的特性結合,加上傳統柴油引擎與生俱來的低轉速超高扭力輸出、超長引擎壽命、保養簡單便宜等特色,都使得柴油引擎儼然成為下一世代引擎科技的重點發展項目。

Audi隨即在兩年後發表了全新的1.9升TDI引擎,四汽缸設計,最大馬力輸出為90匹,首輛搭載此具引擎的Audi車型為Audi 80。在1995年此具1.9升TDI引擎經過重新調校,最大馬力輸出小漲至110匹。


此後Audi TDI引擎仍舊持續不斷地精進,1995年Audi首度在TDI引擎上加入可變渦輪葉片幾何(VTG),讓渦輪增壓器的轉速、排氣效率增加,增壓值得以提升。同年,原先的2.5升TDI引擎經過調校更新,動力輸出亦小漲至140匹,同時更結合了Audi引以為傲的quattro恆時四輪驅動系統,在該年的日內瓦國際車展中徹底實現Audi的核心理念 ”創新性能,永無極限”。
1997年,Audi發表了全世界首具V6 TDI柴油引擎,從此將柴油引擎技術的發展帶入了更上一層境界。此具2.5升V6 TDI引擎為每缸四汽門設計,同樣具備VTG技術以及最新的VP44-S3三活塞噴油幫浦,噴射壓力可達1850bar,在全新科技灌注下,最大動力輸出為150匹馬力,在當時創下柴油引擎的最高記錄。而後此具2.5升V6 TDI柴油引擎經過調校,馬力提升至180匹,同時峰值扭力在1500轉至2500轉的轉速域內可達37.8公斤米的驚人扭力,搭載於Audi A6 quattro上,0-100 km加速不消9秒即可達成,極速可達220 km/h,加上其每一百公里僅需消耗約八公升的燃油,性能與油耗經濟兼得的優勢,當然也帶來了非常成功的銷售。

1999年,Audi將TDI柴油引擎的發展更往前推一步,在第20屆維也納國際引擎座談會中,全新3.3升V型八汽缸TDI引擎首度問世,當然這也是全世界首具V8柴油引擎,最大馬力於4400轉時可輸出225匹,而從轉速域1800轉至3000轉的高原扭力帶,此具引擎可維持輸出高達49公斤米的驚人峰值扭力,同時在引擎運轉噪音的抑制以及精緻度上,都為柴油引擎的發展寫下了新的里程碑。不只如此,此具V8 TDI更憑藉著4汽門的科技、一套共軌燃油噴射系統、兩具附有電子控制可變渦輪葉片幾何的渦輪增壓器以及進排氣循環冷卻系統,成為了該級距中首具通過Euro III歐盟第三期廢氣排放標準的柴油引擎。
共軌燃油噴射系統的特別優勢在於,即使引擎處於低轉速域或是在部分負荷的情況下,依舊可以維持高度噴油壓力,使得噴油幫浦能隨時彈性的依狀況噴射足夠的油量,加上預先噴油系統以及主要噴油階段的精密調整,於主噴油前先行噴注少量燃油於汽缸內,以提高燃燒效率及減少柴油引擎特有的敲缸聲,讓噴油過程更加有效率、有更均勻的油氣混和,使動力輸出更加平順有力,並同時能降低引擎運轉噪音及減少燃油消耗和燃燒的廢氣產生。

2000年,Audi再將柴油引擎往下紮根,同時推出1.2 TDI與1.4 TDI兩顆小排氣量柴油引擎,搭載於入門小車Audi A2上,搭配Audi獨家的全鋁合金車體結構,在當時創下油耗紀錄,每一百公里僅僅需要消耗不到3公升的燃油,在當時能與之相較的,也只有配備同一顆引擎的VW Lupo 3L,使得Audi再次證明了其在柴油引擎科技上的領先與優越。
時至今日,Audi TDI柴油引擎發展已將近16年,更多更先進的技術如第二代、第三代共軌燃油噴射系統、Piezzo高壓噴油嘴、水冷式Garrett渦輪增壓器,皆使得Audi TDI柴油引擎動力更加強大、引擎運轉品質更加出色,新一代的Audi TDI 柴油引擎也陸續推陳出新,包括將搭載於Audi A3及A4上的2.0 TDI引擎,以及搭載於Audi A6及Audi Q7上的3.0 TDI引擎,甚至於Audi柴油引擎的旗艦—4.2 TDI引擎,都個別展現了凌駕汽油引擎的動力輸出,而柴油微粒濾清器的搭配使用,更是讓廢氣污染的排放降到最低,目前Audi所有TDI柴油引擎皆通過Euro 4歐盟第四期廢氣排放標準。雖然目前各家車廠柴油引擎的發展技術皆相當成熟,但在柴油引擎技術發展的領域裡,Audi 依舊無人能出其右,在科技領先上持續扮演執牛耳的角色。

PART II: 缸內燃油直噴柴油引擎構造與工作原理


柴油引擎不只是使用的燃料上有所不同,構造和原理也與汽油引擎大相逕庭,柴油引擎的缸內燃油直噴設計乃是將空氣直接吸入汽缸後加以壓縮,再將燃料噴入汽缸壓縮後的空氣中,由空氣被壓縮所產生的高溫及熱量引燃,而非如汽油引擎一般由火星塞來點火,一般柴油引擎的壓縮比大約在22:1左右,約為一般汽油引擎的兩倍,如此的高壓與沈重的活塞,使得柴油引擎的轉速通常較汽油引擎低(柴油引擎的最大馬力通常出現在4500轉以下),同時為了要應付這樣的高壓,引擎本體通常會經過大幅強化,重量普遍也會較一般汽油引擎重。
另一方面,長衝程的設計使得柴油引擎在扭力方面的表現比馬力上的表現來的優異的多,同時中低速時的加速表現普遍也會比汽油引擎來的出色,而為了彌補柴油引擎高轉速的貧弱,Audi TDI更是領先加裝了渦輪增壓系統,使其在充沛的低速扭力以外,同時兼顧高轉速的馬力需求。
柴油引擎在近幾年來得以突飛猛進的關鍵要歸功於1998年推出的共軌燃油噴射系統,由於柴油的提煉過程遠比汽油來的粗糙,因此其分子比汽油的分子來的更重也更難以霧化。舊款的柴油引擎其供油壓力係隨著引擎的轉速而變化,必須藉由引擎轉速才有辦法提高噴油嘴的壓力來達到完全霧化,也因此在低轉速時會發生柴油霧化不完全的情況,而不完全燃燒的柴油分子便會造成嚴重的空氣污染,同時燃燒效率無法提高,馬力性能也會較差。


新一代的共軌噴射系統即在於先以超高壓的幫浦將共軌供油管中的柴油加以完全霧化後經由個別的噴油嘴加以噴入汽缸,如此一來,噴油嘴不必再身兼『加壓』與『噴射』兩項重任,供油壓力也不再與引擎轉速成正比,即便是在1500轉的低引擎轉速,就可以產生1000 Bar以上的高壓,這是以往所無法達成的事。此外,電腦可以根據引擎轉速及工作狀況來決定噴油量,而噴油壓力與正時也可以分別由電腦于以精確控制,也因為這樣的精確控制噴油正時,新款的柴油引擎還可以進行『後燃』的動作,也就是在汽缸完成燃燒爆炸的行程後,再噴入少量未完全燃燒的微粒再次燃燒殆盡,如此一來可以大幅減少污染物質。在這些新科技的幫助之下,動力上較舊款柴油引擎提升了將近約40%,油耗方面亦同時減少約20%,噪音抑制、引擎震動也同時有長足的進步,使新一代的柴油車無論在性能、舒適性都能與汽油車並駕齊驅!


另外,由於柴油引擎的構造較為簡單,減少點火系統,使得其也同時具有保養簡單、維修簡便的優點。據統計,Audi TDI柴油引擎的平均壽命可達85萬公里,大約為一般汽油引擎的2~3倍,同時Audi V6 TDI及V8 TDI還配置『鏈條驅動設計』,具有免保養,無須更換正時皮帶等特色,眾多優點都將使得消費者更樂於接受柴油車款!