上世纪七八十年,因为石油危机的影响,美国人已经很关注环保。他们开始担心汽车导致的能源消耗和环境问题,认为应该鼓励开发碳排放更少,更省油的发动机。可为什么压缩比更高的柴油机却没有被采纳?
事实上,柴油机在美国大量生产。通用汽车,国际收割机公司,康明斯公司等都为它们的卡车配备过很棒的柴油机。但是乘用车方面,只有Studebaker Lark和Checker Cab装备过柴油发动机——还是英国产的。
然而,欧洲却大力发展柴油车。1973年,奔驰已经制造了超过一百万辆柴油车,每年制造11.2万辆,占了总产量的36%,甚至还计划在1974年向美国出口9000辆。法国的标致也生产了超过10万辆柴油车,占总产量的16%。英国利兰公司的柴油出租车垄断了伦敦和许多其他城市的出租车业务。通用汽车的子公司欧宝也于1972年开始生产柴油车,并且占比快速上升。
柴油机的优势是什么?
第一,节油。
不同于汽油的火花点火,柴油机是气缸在压缩过程中产生热量将燃油混合物点燃,属于压燃点火。
柴油机的压缩比很高,七八十年代时就达到了18.0甚至22.0(一般的汽油机当时只有9.0)。高压缩比意味着更多的燃料能够被转换为有效的能量。
当时,汽油机有化油器和节流阀,会根据油门踩下的深度限制进气量。而柴油机没有这些,这使得它的进气量几乎没有限制,所以能够获得额外的经济性。
柴油车的油门踏板直接连接到喷油泵上,能够精确控制输送到每个气缸的燃油量,以达到控制发动机转速的目的。这也意味着柴油机在低功率运行期间的送油损耗低于汽油机。
柴油是重质油,与汽油的爆炸燃烧相比,柴油的燃烧更像是一场慢火,燃烧得更充分。
柴油机的最高燃烧压力通常比汽油机高,并且在低转速下也能保持。这同样对燃油经济性有所帮助。
总的来说,当时柴油机的燃油消耗量可以低至每小时164克,而美国的乘用车发动机很少有低于225克每小时的。而在实际测试中,即使装在更轻的车身上,同性能的汽油机还是比柴油机消耗多30%到50%的燃油。
第二,排放更加环保。
美国的EPA排放检测标准显示,因为燃烧更充分,柴油车的碳氢化合物和一氧化碳的排放更低。
福特排放办公室主任Donald A. Jensen在1973年说:“我们研究过柴油机,发现它们根本达不到每英里排放0.4克氮氧化物的要求。此外,柴油机尾气中的微粒、烟雾也是无法解决的问题。更不用说它在噪音、重量和性能损失上的缺陷了。”底特律的汽车制造商还指出柴油机成本太高,汽油发动机的配件成熟价廉,完全没有必要花钱造柴油机。
由于燃烧过程的问题,柴油车的油门响应速度不如汽油车。
柴油机的动力大约是同排量的汽油机的60%。这意味着相同动力下柴油机需要更大的排量及更重的发动机。而更大更重的发动机可能无法装入现有车型的发动机舱里,甚至会损害车辆的操控性。
由于柴油机所产生的一氧化碳太少,以至于无法使用催化转化器来控制氮氧化物。
柴油机比汽油机噪音更大。当时标致和奔驰不像传统柴油机一样将燃油喷射到气缸,而是喷射到预燃室,再流到气缸中。这一过程使其效率降低了7%,但噪音更小,排放的废气也更少。在标致504和奔驰220D上的大规模测试表明,大多数情况下柴油车的车内噪音仅比汽油车多1~3分贝,而在110公里的时速时差距基本消失。
冷启动难的问题。温度过低时,柴油会变稠,流动性变差。冬季柴油需要和电加热技术协同。
由于燃料成分中的醛类物质,柴油机气味难闻。不过,可以通过降低燃料的含硫量可以缓解这一问题。
由于冷启动时燃料未充分燃烧,所以柴油机会有白烟,但很快就会消失。黑烟则是空气过少以至于燃料混合物过浓。烟雾同样与燃油质量密切相关,为了达到无烟运行,十六烷值最低要达到45。大多数钡基放烟雾添加剂也被证实是有效的,可使烟雾减少50%到70%(取决于钡含量),副作用是损失3%的燃油经济性。
没有致命问题,为啥惨遭车厂抵制?
成本。
由于柴油机内部压力高,所以其结构要比汽油发动机更结实,也更重。这都提高了成本,并使柴油机的功率/重量比降低。其次是注射泵,这玩意儿比较贵,抵消掉了去掉化油器等降低的成本。一般来说,生产柴油机的成本要比同等级汽油机高8%~15%。不过,汽油发动机需要更多的环保设备,而柴油机不需要,所以成本差异可以缩小。
柴油机的养护成本也高,它需要添加剂用于酸处理、抗磨损和清洁,在冬季,低粘稠度也非常重要。由于压缩比较高,柴油过滤器每5000到700公里就要进行更换,而且其成本比汽油过滤器略高。此外燃油滤清器、电池等也比相应的汽油机维护成本高。不过,柴油机没有点火装置,所以在这方面比汽油机有优势。
在卡车上,重型柴油机在维护得当的情况下,使用寿命可以达到70万公里大修,而汽油机只有55万公里。从这方面看,虽然柴油机初期成本较高,但在整个生命周期内,柴油机的单位里程运营成本是要低于汽油机的。
这一切导致了在美国,没有人造柴油乘用车。但在欧洲,大家都对柴油机抱有很大期望,并将鲁道夫·迪塞尔的(Rudolf Diesel)发明发扬光大。
看完了这些,不妨再来了解下柴油机的发展历程。
话说回来,柴油机的发展历程是啥?
柴油机鼻祖鲁道夫·迪塞尔(Rudolf Diesel),1892年注册了一个叫“良好热力引擎”的专利。两年后柴油发动机运行成功,但直到1909年才能满足基本的功能需求,使用在汽车上。1919年,奔驰工程师Prosper L’Orange的专利终于让柴油机真正有了使用价值。
之后奔驰开始生产柴油发动机,最大功率15马力,每分钟400转,用于工业用途。1922年,第一批双缸30马力柴油机安装在奔驰拖拉机上,而且试验成功,促使奔驰决定生产100台,并后续安装到卡车上。
奔驰并不是唯一的在柴油机上研究的德国公司。奥格斯堡 - 纽伦堡机械制造公司(M.A.N)自1915年来便一直从事卡车柴油机的研究。工程师Franz Lang为此作出了重要贡献,并在1922年与迪塞尔一起在慕尼黑开设了Acro AG。1925年博世公司获得了Acro AG的所有专利,Franz Lang搬到了博世的斯图加特工厂,在那里他开发出了大量使用的气缸盖。1927年,博世将Acro的喷射装置装进了四缸柴油发动机里面,并装在汽车上。在接下来的两年里,这辆车行驶了36000公里,成为柴油史上的重要里程碑。
1926年,斯图加特已经成为柴油技术的中心。1933年,奔驰工程师Max Wagner带头研发了一台3.8升六缸柴油机,额定功率82马力,转速2800转。这台引擎一开始有严重的振动问题,但之后被Wagner解决了。1936年,奔驰260D正式发布,配备四缸柴油机,在3500转时能达到45马力,压缩比20比1。虽然按照今天的标准,它又粗糙又吵闹,但这在当时是个巨大的突破。
此时的法国也不甘落后。标致曾试验过二冲程柴油发动机,但最终被搁置。直到1937年,标致生产了一款轻型柴油货车。雪铁龙也在1937年推出了1.8升四缸发动机,它有19比1的压缩比,在3600转下能输出36马力。为了吸收振动,雪铁龙在发动机下垫上了橡胶。虽然这款车是雪铁龙制造的,但其缸盖和燃烧系统是英国Ricardo公司提供的。
Ricardo公司由Harry Ricardo创立,早在1909年便获得了柴油机的相关专利。1927年,Ricardo集团开始研究压燃发动机,并为伦敦巴士公司(AEC)制造高速柴油机。他们为AEC提供的了带有受控涡流湍流,用来增强气缸内空气的流动和燃料燃烧效率的涡流室。新型发动机安装在Flying Spray赛车上,开出了180km/h的速度。此外,英国人也在道路上测试过柴油车。
美国人在柴油机历史上干了啥?
早在1918年,位于印第安纳州哥伦布市的一家机械加工厂的老板康明斯决心引进发动机制造业务。他先拆解了其他公司的产品,并于1919年开始量产600转,6马力的小型单缸柴油机。随后康明斯制造了两缸、三缸、四缸和六缸产品。1929年,康明斯决定制造柴油车,他买了一辆二手车,并装上了U型四缸柴油发动机。这款发动机在1000转时输出50马力,最高时速达90km/h。
1930年,康明斯开车去纽约参加麦迪逊广场花园车展,成功吸引了展会上的底特律高管和工程师的注意,但走的时候迅速忘记了。三年后,康明斯带着改进后的柴油车参加印第安纳波利斯500比赛。它们是最慢的两辆车,四冲程车型没有完赛,二冲程车型艰难地获得了12名。此后,他们对参赛车辆进行拆解,发现四冲程发动机没有磨损,但二冲程发动机完全变形。于是,他们放弃了二冲程,全力投入到四冲程。
此时康明斯已经是卡车行业重要的柴油机供应商。他终于获得机会将在将柴油机装在一辆Auburn 851敞篷车上。之后,他驾驶着这辆车前往印第安纳波利斯寻求合作,可惜这辆车刚出哥伦布没多久便起火了。另一辆原型车则从纽约开到了洛杉矶,收到了奥本公司合作协议。可惜,奥本公司财务状况变差,最终不了了之,要不然在二战前美国便能有柴油车了。
1950年,康明斯将一台全新的柴油机装到了赛车底盘上,功率达到300马力。但和1934年一样,这辆车是所有赛车中最慢的。不过康明斯并没有放弃,在重新设计这款发动机后,它又参加了1952年的比赛。这次,它是最快的赛车,杆位发车,最快时领先其他车160公里。但在行驶了300公里后,跑道上的橡胶颗粒堵塞了涡轮增压器,这辆赛车遗憾地退出了比赛。康明斯最终放弃了乘用车柴油机。
战后,柴油车复苏缓慢。1945年,奔驰决定开发新一代的乘用车柴油机OM-636。它被装在70系列轿车上,额定功率38马力。这是第一款大量生产的柴油车,从1949年到1955年共售出了61000辆170D。
50年代开始,奔驰的柴油车开始流行。1953年,柴油车的销量占奔驰乘用车产量的50%,但在1954年降到44%,1958年至35.7%。虽然比率下降,但柴油车的实际数量翻了一番。OM-636发动机一直使用到1969年,即使170D早已被新车型替代。
180D于1953年投产,配备全新的OM-621发动机。新的动力单元的主要特征是顶置凸轮轴,最大能输出55马力。180D获得了巨大成功,从1953年到1962年生产了15万辆。在1958年,190D也上市了。1968年,200D和220D替代了190D,OM-615也取代了OM-621。新的发动机有两种尺寸:2L和2.2L,小的最大马力55马力,大的则有60马力。1973年生产的OM-615排量达到了2.4L,是当时最安静最流畅的柴油发动机。
战后的第二款柴油车是1953年的菲亚特1400。菲亚特于1909年制造了第一台两冲程柴油机,并在1931年将柴油机装备到卡车上。二战期间,菲亚特制造了一款用于坦克和装甲车的高速紧凑型柴油机。1950年菲亚特开始设计代号305的乘用车柴油机,排量1.9L,最大马力40马力,压缩比20:1。但在生产了13000辆柴油车型后,菲亚特停止了它的生产。
此时,英国路虎开始推出柴油车型。罗孚的柴油机于1957年投入生产,排量2.0L,缸盖底部平坦,压缩比高达22.5:1,在3500转时能输出52马力。1961年,奥斯汀也开始为出租车和轻型货车生产小型柴油机。奥斯汀的发动机压缩比23:1,排量1.6L,最大马力40马力,70年代还在出租车和商用车上使用。除了路虎,英国还有Perkins、考文垂的Standard Motor等生产柴油机。
标致拥有当时最先进的柴油发动机XL4D。这款发动机具有单顶置凸轮轴,能以极高转速运转,缸盖和缸体都是铝制的。其在5000转时能输出45马力最大功率,压缩比为23.3:1,最高时速130km/h。XL4D从1967年开始设计,1971年投产。
美国公司姗姗来迟。欧洲福特和欧宝(通用汽车的子公司)购买了彗星5号发动机许可证。福特的发动机于1971年投产,可用于轻型商务车,四缸型号能提供54马力,而六缸型号能提供87马力。欧宝的柴油机基于一台1.9L汽油发动机,排量扩充为2.0L,转速4400转,功率60马力。到1973年时产量超过了13000台。
为了推广柴油车,欧宝决定挑战一些速度记录。为了弥补动力的不足,欧宝的工程师将涡轮增压装入发动机,为其带来了额外的35马力。特制的流线型汽车被带到赛道上,以195km/h的速度行驶了8000公里,最高速度达到210km/h。不过,底特律的大佬仍以“性能不佳”为由拒绝柴油发动机普及。讽刺的是,1973年一款底特律产的二冲程柴油机在盐湖创造了柴油机的速度记录:380km/h。
关于排放和燃油经济性,CAV的博士A. E. W. Austen曾做过一个试验,他将一定量的水混入柴油中,能在降低排放的同时降低油耗,而且降低的量与水的比例有关。
那问题来了,谁知道后续的结果怎样了?
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