十一假期不知道大家有没有出远门,玩得还开心吗?
相信大家也看到了,这几天有不少商圈、公园的露天小广场,都在办摆摊集市。
仔细观察会发现这些集市旁边,通常会伴随出现“应急发电车”,给集市商户或是小舞台什么的临时供电用。
而越靠近应急发电车,柴油(的尾气)味就会越浓烈。
显然,这些应急发电车的供电方式,就是利用柴油发动机,把柴油转化成电能,相当于是个柴油增程器。
现场,我也问了一位发电车的管理员:“为什么选择烧柴油、不烧汽油?”
我本以为是因为柴油便宜、汽油贵,能省下一笔费用。但这位工作人员却给出了不同的答案:“柴油机发电多,比汽油机省油多了!”
确实,在很多人的刻板印象里,柴油机就是让大卡车的尾巴冒黑烟的罪魁祸首。这种“傻大黑粗”连环保都谈不上,更别说能省油了。
但现在的柴油机,却有一项指标能够完全吊打汽油机——就是热效率,也是发动机能量转化效率最直观的体现。
我们先来看看汽油发动机这边。
以节油率为傲的日系量产发动机,热效率能到41-43%就顶天了,还得说是峰值的最高热效率。这两年新出的国产混动专用发动机,最高点的热效率基本能到43-45%。
今年惊世骇俗的比亚迪第五代DM发动机,热效率达到了46%以上,这已经代表了现阶段汽油发动机热效率的最高水平:
我们再来看看柴油发动机这边。
早在2018年以前,一线柴油机的热效率水平,就已经能达到如今内燃机的天花板——45%了。
而在4年前的9月份,潍柴动力就发布了全球首款热效率突破50%的柴油发动机,和实验室里的汽油机一个水平;
到了今年的世界内燃机大会,潍柴动力再一次刷新了柴油机热效率极限,本体突破了53%。
这相比汽油机,就是省油20%以上的天顶星科技,能让秦L的NEDC馈电油耗低于2.5L/100km,续航能接近3000km!简直想都不敢想!
而柴油机这么强的最高热效率,如果拿来当做增程器发电,高速油耗能直接从8L/100km变成6L/100km,岂不美哉?为什么车企要选用热效率更低的汽油机呢?
这就要先和大家简单聊聊柴油机的发展历程了。
1876年,德国工程师奥托成功制造出了人类历史上第一台四冲程内燃机,这恰恰是人类工业史从蒸汽机时代向内燃机时代进化的关键转折点。
得益于内燃机噪音震动小、排放污染低等等优势,内燃机迅速在欧洲各地普及开来,代替蒸汽机的呼声空前高涨。
不过这时,有些人发现了内燃机的弊端,功率普遍比较小,在干农耕、重型货运等 “重活”时,特别容易扛不住就熄火,很多极端场景依然需要靠蒸汽机去扛大梁。
于是,科学家们就开始着手研发“能干重活”的内燃机。
功夫不负有心人,在首款汽油内燃机问世后的16年,德国人鲁道夫·狄塞尔(Diesel)研发出了人类历史上首款柴油内燃机,他也被后人誉为“柴油机之父”。
汽油机和柴油机,一个烧汽油一个烧柴油,虽然都是“烧”,但由于燃料本身性质的不同,导致了其运行原理存在本质上的不同。
汽油和柴油,都是通过石油原油蒸馏加工出来的产物。
汽油的主要成分是含有8-10个碳原子的碳氢化合物,由于分子量较轻,所以挥发性比较强,容易与空气混合被点燃。
所以汽油发动机的气缸运动,都是靠点燃混合气体来推动做功的。
柴油则完全不同,主要成分是12-15个碳原子组成的碳氢化合物,由于分子量较重,所以相对汽油没那么容易挥发,不容易被点燃,且其燃烧速率较为均匀,很难出现像汽油那样的爆燃现象。
但也正是因为柴油分子量比汽油大的优势,所以燃烧热值要更高一些,这也是同排量柴油机比汽油机“劲大”的原因之一。
狄塞尔在经过大量试验后发现,想让柴油出现爆燃推动活塞做功,就必须给柴油空气的混合气体施加更大的压力才行。
虽然柴油难以发生爆燃,但柴油的燃点只有220℃,是远低于汽油的400℃以上的。
顺着这一思路鲁道夫发现,高温的柴油空气混合气体,只要给足了压力,根本不需要主动点火,自己就能发生燃烧。
这就是汽油机和柴油机最本质的差异,前者是点燃式,而后者是压燃式。
虽然后来狄塞尔发明柴油机后,供货量不算少。
但可惜的是,在几年之后,这些流入市场的柴油机大面积的出现了故障率高的问题,始终得不到解决,导致大量客户退货和订单流失,用户对柴油机的信任度开始消退。
最终,狄塞尔因为濒临破产走投无路,选择了在英吉利海峡乘坐渡轮投海自尽,柴油机之父就此陨落。
至于早期柴油机故障率高的原因,主要是因为材料强度不足导致的。
毕竟柴油机压缩比通常需要达到20:1以上,而汽油机压缩比仅需8:1,这是一把双刃剑:
优点是柴油机热效率可以做到远高于汽油机,但缺点是压缩比越高,意味着气缸压力越大,就更容易导致气缸曲轴(发动机内的零部件)发生断裂。
狄塞尔去世后,柴油机也随之沉沦了一段时间。
直到一战时期,德国把柴油机图纸重新翻出来,用强度更高的材料制造,让柴油机的可靠性大幅增加,把柴油机放进了潜艇里应用。
相比汽油机潜艇,柴油机潜艇在续航和稳定性上均有了大幅提升,顿时成了德军在海上战场中大杀四方的存在,让盟军海军舰队闻风丧胆。
柴油机凭借潜艇一炮而红,随后越来越多的军队开始在舰船上使用柴油机,以至于到了现在,大部分大型游轮、运输船等等,都是采用柴油机作为动力来源的。
再接着,就是柴油机越来越多的开始出现在重型货运、农用机械等领域,很快就代替了烧煤的蒸汽机。
1936年,喜欢整花活的奔驰,首次尝试把柴油机装进了乘用车奔驰E级260 D(W138)里,算是柴油机里程碑式的跨越。
可尽管如此,在乘用车领域,柴油机却一直都没能得到广泛应用,主要还是因为柴油机动静大、冒黑烟等等,观感上没那么容易让人接受。
柴油机排放远高于汽油机,主要是因为柴油碳含量高,容易燃烧不充分导致的。
解决问题的关键,在于如何精准控制柴油和空气的混合比例。
后来,大名鼎鼎的博世,把汽油机上的电控喷油泵技术放到了柴油机上进行改良,使得柴油机的喷油精确度得到了大幅提升。
再后来,博世又专门为柴油机研发了高压共轨系统,让柴油机喷油压力大幅增加,且保证了每个气缸的压力均衡,大幅提高了柴油机的可靠性。
博世改良后的柴油机,在大众高尔夫上一炮而红。不仅百公里油耗比汽油版低了整整2L之多,更是战胜了一众汽油车型,荣获了当年德国“低排放车型”称号。
甚至有传言称,柴油版高尔夫环游欧洲时跑出过3.7L/100km的超低油耗。
再到后来就更离谱了,大众在1999年推出了名为XL1的柴油概念车,靠着极低的风阻系数和轻量化的车身,油耗仅为0.99L/100km,成为了世界上最省油的车。
进入2000年以后,解决了排放问题的柴油机,凭借同排量下比汽油机更猛的前段加速,开始在欧洲乘用车市场大杀四方。
大部分欧洲厂商,也趁势推出了柴油车型:普通汽油车加满一箱油能跑600-700公里,而柴油车加满一箱油续航往往能到1000公里以上,开起来也更加方便。
在2010年前后的一项统计数据显示,柴油车在欧洲的家庭用车中占比高达60%,而一些地区的出租车柴油机的比例甚至高达80%,路上也经常出现柴油车的身影。
尤其是像法国这样山路较多、高低起伏较大的国家,柴油车格外受欢迎:
但好景不长,随着欧洲排放法规日趋严格,柴油机的排放越来越难以满足法规标准。
柴油燃烧时,会难以避免的排放更多颗粒物和氮氧化物,想要中和掉这部分排放,就必须在尾气端用尿素、催化剂什么的去中和,流程非常繁琐复杂,这间接增加了柴油乘用车的制造成本和使用成本。
根据欧洲汽车制造商协会统计,2023年柴油车占市场总销量的比重,已经下滑到了仅14%,取而代之的是汽油轻混、纯电动、插电混动车比例的大幅提升。
那么问题来了,在电动化愈发普及的时代,汽油混动为何会比柴油混动更香呢?
个人认为,柴油机和电动机,二者的优势点是相似的,都是低转速就能输出较高的扭矩,体感上动力很强,而且能耗也都并不算高。
但柴油机很难做到高转速,一般4000-5000转就是极限了,因此输出功率(转速×扭矩)无法和动辄6000-8000转的汽油机媲美,也就是后段没劲儿。
因此柴油机+电动机做带直驱混动(PHEV/HEV),无法像汽油机+电动机一样,形成“低速用电、高速/急加速用油”的优势互补。
柴油机,也不适合作为增程器出现。柴油机的体积偏大,放到车头的机舱里,无疑会侵占一部分原本属于乘员舱的空间;
还有最主要的一点,就是柴油机真的太吵了,发电时的噪音几乎无法忍受,而大量堆隔音不仅效果没有那么明显,还会增加车身重量、以及车企制造的成本。
再叠加柴油机需要添加尿素使用,和乘用车追求便利的理念背道而驰,也就让省油的柴油机几乎彻底无缘混动。
写在最后
既然如此,柴油增程的未来就一定会被判死刑吗?
我想未必,毕竟曾接连被喷技术落后的增程技术,如今也同样火起来了。
而柴油机的发展历程,何尝也不是如此?从起步时的坎坷,再到被潜艇挖掘,再到火遍欧洲,再到因为排放法规落寞……
还是那句话,技术本身并无先进与落后,适应时代方可生存。