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http://classroom.u-car.com.tw/class...il.asp?cfsid=35 U-CAR網路汽車共和國
柴油引擎，可以說是2004年以來，臺灣汽車市場最熱門的話題之一。而隨著油價的不斷墊高，柴油引擎省油的特性，讓其在市場上更受歡迎。
柴油引擎，在過去的臺灣市場之中，一直是普羅大眾所感到陌生的。柴油引擎由於容易排放黑煙而受到排放污染的限制，因此在民國69年法規更改之後，柴油小客車便在臺灣市場絕跡了近20年的時間。
而在臺灣對於柴油小客車採取限制的同時，柴油引擎省油、低轉速大輸出的特性，一直為國際車廠所喜歡，也成為都市區生活最適合的動力系統選擇。在數十年的研發之後，國際車廠已開發出各方面均不遜於汽油引擎的產品，使其不論在性能、排放等表現上，均與汽油引擎平分秋色，而在柴油煉製成本較低的情形之下，柴油引擎更是受到先進國家消費者的喜愛，甚至連高價位的豪華車款，亦紛紛搭載了柴油引擎，其表現的優異可見一般。
而臺灣在2002年加入WTO之後，柴油小客車的相關法令，也終於配合修改，讓柴油小客車可以正式重回臺灣市場。究竟柴油引擎與大家所熟悉的汽油引擎之間有什麼不同呢？
一.柴油引擎的歷史
1.內燃機的崛起
在機械工程學的定義中，凡利用熱能而產生動力的機械，統稱為熱機(Heat Engine)。而熱機又分為內燃機與外燃機兩大類，燃料在熱機內部燃燒產生熱能，再將熱能轉變為機械動力者，皆稱為內機，如汽油引擎、柴油引擎、燃器渦輪機等。而燃料在熱機外燃燒者稱為外燃機，如蒸氣機。
在一般常見的引擎中，又分為利用點火器(如火星塞)點火的火花點火(SI)引擎，及利用高壓高溫空氣使燃料燃燒的壓縮點火(CI)引擎。汽油引擎屬於火花點火引擎，柴油引擎則屬壓縮點火引擎。
十八世紀末期，瓦特(James Watt)發明了蒸氣機促使了英國第一次的產業革命，也改變了人類的生活方式，使人們由自身勞力或獸力轉而利用機械動力。一百年後(1876年)，德國人奧圖(Nikolaus Otto)發明了第一具四行程內燃引擎，隨後(1887年)，戴姆勒(Daimler)將四行程引擎成母野峏顙T車上。西元1892年，德國工程師狄賽爾(Rudolf Diesel)發明了燃燒效率較高的非火花點火引擎，並取得專利，這是內燃機發展的一個新里程碑。
2.柴油引擎的發展
Rudolf Diesel(1858-1913)，另闢奚徑，在Otto循環引擎之外，開創柴油引擎的世界。
在奧圖發明了第一具四行程內燃引擎後，當時釵h工程師都致力於內燃機的發展，但是多以火花點火引擎為發展方向，如Mercedes-Benz的創辦人戴姆勒，正是將汽油引擎應用於車輛的始祖。但由於當時點火裝置技術並不成熟，狄賽爾便以空氣壓縮使溫度升高的理論，朝向壓縮點火方向發展內燃機技術。也就是先將汽缸內的空氣壓縮至高溫，再將燃料注入燃燒室，燃料因高溫高壓而自燃，產生引擎所需動力。
由於要將空氣加溫至燃料的燃點溫度，需要極大的壓力，當時的燃油—汽油在如此高溫高壓下，會產生猛烈的爆震，所以狄賽爾必須發展不同的燃油，他甚至曾經嘗試使用植物油，而最後選定了當時最不受重視的柴油。柴油因不易點燃不能作為火花點火引擎燃料，並且柴油點燃後會產生黑煙，也不能像煤油般作為照明燃料，所以在那時不受重視。但是柴油安定不易爆震的特性，正好可作為壓縮點使用。
經過將近二十年的研發，第一具壓縮點火引擎於1892年問世，同年，狄賽爾也取得此項技術專利。由於狄賽爾的柴油引擎在發展初期技術尚未成熟，儘管它有不錯的熱效率及省油性，在當時卻很難與技術以達成熟的汽油引擎競爭，然而狄賽爾卻仍將他推入市場中，導致他所販售的20台柴油引擎一一招致退貨，並且在往後一段時間，人們都無法接受柴油引擎。而失意的狄賽爾也於1913年10月29日於船上投海自盡
柴油引擎在沈寂了一段時間後，美國Cummins公司在1924年時，將供油噴射泵應用於柴油引擎上，解決了當時狄賽爾以高壓空氣供油方式的不穩定運轉，並首度將柴油引擎裝於卡車上，奠定了車輛使用柴油引擎的基礎。1936年，柴油引擎也搭載於Mercedes-Benz 260D，這也是柴油引擎應用於轎車的濫觴。
3.替代能源前合適的過渡方案
柴油引擎由於出力大而省油佳，但早期因噪音及黑煙的排放，所以多用於大型車輛及機具使用。而柴油引擎正因扭力大而省油的特性，也讓歐洲釵h車廠致力改進以適用於小型車輛上。在共軌直噴與可精確供油的壓電式噴嘴技術成熟後，柴油引擎更適合小行車使用。在尋求替代能源的現今，柴油引擎雖不是終極的解答，但是柴油引擎的省油特性，可作為十分合適的過渡方案。
二.柴油引擎運作原理
1.柴油引擎亦分二行程與四行程
在「柴油引擎的歷史」中已經提過，有別於汽油的火花點火(SI)引擎，柴油引擎為壓縮點火(CI)引擎。與汽油引擎一樣，柴油引擎依其運轉方式可分為四行程與二行程引擎。二行程柴油引擎可能大家較為陌生，但是當過裝甲兵的讀者，對於使用在M113運兵車及M109自走砲車上的六缸與八缸二行程柴油引擎，應該會有點印象。用在一般車輛上的柴油引擎，還是以四行程居多，所以本文還是以介紹四行程柴油引擎運作原理為主。
2.四行程柴油引擎的運作原理
柴油引擎是以壓縮點火的方式，利用空氣的高溫點燃柴油，產生動力。
進氣行程：
排汽門關閉而進氣門打開。當活塞從上死點往下行時，僅有在進氣歧管中之空氣經由進氣門被吸入汽缸中，此時並沒有燃油進入汽缸內。
壓縮行程：
在進氣行程結束後，並當活塞從下死點開始往上走時，進氣門即關閉並停止進氣。在活塞上升的同時壓力和溫度便開始增加。在柴油引擎中，空氣必需被壓縮加熱，直至它到達點火溫度以上。
動力行程
當壓縮行程接近終了時，噴油嘴將燃油以霧化方式噴出，經壓縮加熱後之空氣即會點燃被霧化之燃油。在此結果下，汽缸內之壓力將迅速上升並將活塞往下推，此推力變成讓曲軸產生轉動的力量。
排氣行程
在燃燒過程結束後，並當活塞往下走接近下死點時，排汽門即會開啟。當活塞再度往上行時，廢氣便經由排汽門、排汽歧管和消音器將廢氣排至大氣中。
3.高壓縮比與壓縮點火
柴油引擎在機構元件方面，非常類似於汽油引擎的，但是汽油引擎主要是靠火星塞來點燃混合器，而柴油引擎則是純粹導入空氣並經具高壓縮比(16~23:1)的汽缸容積來壓縮空氣，使所壓縮的空氣其溫度迅速上升超過500℃，然後經由噴油嘴將柴油注入加以霧化，之後藉由已被壓縮的空氣所產生之高溫來自行點燃霧化的柴油。因此柴油引擎不需使用點火系統，但它仍需要噴射泵浦和噴油嘴所組成的燃油噴射系統。
為什麼可以靠壓縮空氣來點燃油氣，而不需要火星塞呢？原因是當空氣分子被導入汽缸壓縮後，空氣中之分子受到互相衝撞與摩擦，因而使分子移動速度被迅速地增加。空氣分子加速表示已從外在吸收了能量，所以造成溫度上升。然而要使汽缸內空氣達能夠點燃柴油溫度，是需要很高壓縮比的，所以高壓縮比是柴油引擎必備的一大特性。
三.柴油引擎 vs 汽油引擎
柴油引擎與汽油引擎的應用與發展，至今已有一世紀之久，兩種引擎各有其市場，也各有其應用領域。一般來說，柴油引擎因為它所產生的動力較大，而運轉度較低，多半應用於船舶、重型車輛及大型機具；而汽油引擎因其體積與重量小，運轉精緻且適合高速運轉，可應用於汽機車、割草機等小型機具及小型螺旋槳飛機等。
由於柴油引擎技術不斷更新，越來越多轎車及商旅車採用小排氣量的柴油引擎，到底柴油引擎車與汽油引擎車有什麼不同呢？以下將就其機械特性與行車特性對柴油與汽油引擎做比較，而柴油引擎以目前廣泛用於小型車的共軌直噴引擎為比較對象。
主流的四行程柴油引擎(圖右)與四行程汽油引擎(圖左)的設計極為類似，主要差別在於壓縮點火與火星塞點火。新一代的柴油引擎大多採用共軌直噴引擎，而汽油引擎亦朝向缸內燃油直噴的方向發展。
四.各種柴油系統比較：直接噴射 vs 間接噴射
各種不同形式的柴油引擎除排氣量的不同外，最大的差別在於其燃燒室及供油系統設計。柴油引擎依燃燒室設計不同，可分為直接噴射(DI)式及間接噴射(IDI)式。間接噴射又可分為預燃室型與渦流式型兩大類。
1.直接噴射式：
直接噴射式柴油引擎將燃油直接注入汽缸之中。
直接噴射引擎之缸頭燃燒室設計是平的，主燃燒室位於活塞上端鍛造成之特殊的凹陷空間內，並經由處於凹洞中央處之多孔型噴油嘴來達成迅速將燃油噴入之目的。
優點：
燃燒室構造簡單且表面積較小，熱損失和耗油率低。
缸頭構造簡單，受熱變形機會小。
引擎啟動容易且不需預熱塞。
燃燒室表面積的容積率小，冷卻損失亦小。
缺點
對燃油之可燃性級數的要求較高。
需要較高的燃油噴射壓力。
使用之多孔型噴油嘴價格較高。
噴油嘴微小的衰退會大大影響引擎的性能。
因其氣流渦動較弱，空氣的使用率較差，不適合在高轉速運作。
2.預燃室型間接噴射：
預燃室型間接噴射柴油引擎，先在預燃室內產生點火，再點燃主燃燒室。
預燃室位於主燃燒室上方，在燃燒行程前期，噴油嘴將燃油噴入預燃室中產生局部燃燒，因而產生高溫高壓氣體。隨此壓力，剩餘之燃油經噴油嘴之油孔噴出並進入主燃燒室中，然後與渦動的空氣混合來完全燃燒。預燃室型引擎，它的燃燒過程分兩階段完成，差別是在燃油與空氣的混合係利用從預燃室所噴出的氣流來完成。
優點
因燃油噴射壓力相對較低(80~150bar)，燃油系統故障較率低且壽命較長。
對燃油可燃性級數要求較低。
操作上較寧靜且不易發生爆震。
空氣與燃油之混合狀況較佳。
缺點
缸頭構造複雜。
因預燃室的表面積容量大，所以冷卻損失亦較大。
引擎啟動困難且需預熱系統。
需較大啟動扭力，也就是需要高必v的啟動馬達。
耗油率較直接噴射式為高。
3.渦流型間接噴射：
渦流型間接噴射是介於直接噴射與預燃式間的設計。
渦流式型在壓縮行程期間，空氣流入渦流室，當燃油噴入時會產生強大的渦動效果，然後到達燃燒室。燃油點燃是藉著噴入渦流室的燃油，與空氣混合時產生強烈的循環而發生。在預燃室型式中，燃油僅被局部點燃，但在渦論室型式中，所有的燃油均被完全點燃。因此，渦流室的容積佔全部整個燃燒室容積達70~80%以上。渦流室型式之燃燒特性介於直接噴射式與預燃室型式之間。
優點
燃油與空氣之混合狀況較佳，引擎轉速與平均有效壓力可提升。
具更低的噴射壓力。
因引擎的轉速範圍更廣，引擎運轉更平順。
缺點
缸頭構造複雜。
熱效率較直接噴射式低。
在低速時容易發生爆震。
在引擎啟動期間需要預熱塞。
五. 各種柴油系統比較：柱塞式噴射泵浦系統 vs 共軌式噴射系統
柴油引擎的燃燒方式是將燃油噴入燃燒室中，並於燃燒室中之空氣混合來產生自燃。因此，為達最大性能與平穩操作之情況，必須有適當的噴油量與噴油時間。同時，在噴入燃油之時必須要讓燃油以霧化之形狀來噴出以獲取平順的燃燒效果。簡單的說，柴油引擎的供油系統必須在噴油量、噴油時間及燃油霧化三方面有準確的控制。
1.柱塞式噴射泵浦系統：
柱塞式噴射泵浦系統為傳統柴油引擎所採用之供油系統，因為其製造技術成熟成本低，目前仍廣為中大型柴油引擎採用。
柱塞式噴射泵浦系統為傳統柴油引擎所採用之供油系統，目前仍廣為中大型柴油引擎採用。
其作動方式是藉由供油泵浦將燃油自油箱吸至噴射泵浦內，噴射泵浦內有一凸輪軸，凸輪軸由引擎傳動。凸輪軸轉動使得凸輪依引擎旋轉正時來壓動控制各缸噴油壓力的柱塞，以建立燃油壓力，並將燃油藉高壓油管輸送至各缸噴油嘴，並將燃油注入汽缸內，而噴油嘴的啟閉是由引擎凸輪軸所控制。因為是由引擎運轉來驅動噴射泵浦，所以燃油壓力會隨著引擎轉速的不同而改變。
柱塞式噴射泵浦系統雖廣為柴油引擎採用，但因為其噴射泵浦是以機械方式驅動，無法依據引擎負荷狀況提供精確的供油量；並且由於噴射泵浦至各缸的距離並不相同，使得輸送至各缸的燃油壓力不盡相同。這樣的缺陷會降低引擎運轉的精緻性，並增加噪音、排污及油耗。
2.共軌式噴射系統：
新的共軌式柴油引擎，具有控制精準、重量輕等優勢，能有效控制排放。
共軌式噴射系統是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注入汽缸中。目前應用於小型車及商旅車的共軌直噴引擎，是由引擎控制系統(ECU)來控制高壓泵浦、調壓閥及噴油嘴等元件之運作，使得燃油在極高的壓力下，仍能依據當時之引擎負載及轉速準確地調整噴油量，讓引擎運轉順暢，並且運轉噪音及排污量都較傳統柴油引擎小了釵h。並且噴油泵浦體積及重量也較柱塞式噴射泵浦小，減輕不少引擎重量。
