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解读汽车发动机(二) 汽油机VS柴油机

发布时间:2012年05月29日 02:36 | 进入汽车论坛 | 来源:车168 | 手机看视频


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能量:物质运动的一种度量。对应于物质的各种运动形式,能量也有各种形式,彼此可以互相转换,但总量不变。热力学中的能量主要指热能和由热能转换而成的机械能。我们汽车的发动机,正是将化石燃料中蕴含的化学能转化成机械能,从而推动汽车行驶。

内燃机的诞生。我们将其归为两类:奥托循环特性的燃气机和汽油机,狄赛尔循环特性的柴油机。现代燃气发动机基本等同于汽油机,缸内直喷汽油机虽结构有变化,但做功机制仍属奥托循环范围之内。为了方便解读,下文都称之为汽油机和柴油机。

解读汽车发动机(二) 汽油机VS柴油机

说到发动机的原理,很多读者都会脱口而出:四冲程发动机分为吸气、压缩、做功、排气四个阶段。汽油机吸入混合气,然后压缩至上止点,火花塞跳火点燃混合气,燃烧做工把活塞推至下止点,随即向上排出废气;柴油机区别在于吸入纯空气,在上止点位置将柴油喷入被压缩的热空气内点燃做功。

但我们是否曾经疑问过,汽油机为什么要有火花塞?柴油机为什么不能喷入汽油?为什么说柴油机更有力,更省油但平顺性却不理想?好吧,小编在此文中用对比的方式,解读汽汽油机和柴油机的工作原理。

表面上看,两种热机在进气和燃料的引燃方式有着区别,虽然看起来都是烧油,发力,但就是在活塞处于顶端,燃烧的一霎那,几个毫秒之内发生的事儿,让两种机器有着不同的特质。这也就是小编经常提起的奥托循环和狄赛尔循环的差异。

解读汽车发动机(二) 汽油机VS柴油机 解读汽车发动机(二) 汽油机VS柴油机

两种循环工作状态和对应的p-v图 左侧为狄赛尔循环,右侧为奥托循环

两种循环的工作程序

我们先说左侧的奥托循环。如上图所示,p代表缸内压力,v代表缸内容积,A-B吸气冲程,活塞向下吸气,此时燃气的压强几乎保持不变;B-C绝热压缩冲程,活塞向上运动压缩,使气体压强增加,这时活塞对气体做功,消耗了机械能,增加了气体的内能(温度升高);C-D等容燃烧过程,气体突然燃烧,压强激增,在这瞬间体积还来不及变化,所以可把它看作是等容变化,D-E绝热做功冲程,气体压强增加后作绝热膨胀推动活塞向下做功,同时消耗本身的内能转变为机械功,压强逐渐减小;E-B等容排气过程,做功冲程终了时,排气阀开放,气体压强突然降低而体积还来不及变化;B-A排气冲程,活塞由于惯性作用继续向上运动,同时排除废气,这时压强不变。

而作为等压燃烧的狄赛尔循环,C-D-E为做功冲程。第一阶段C-D为等压燃烧过程,柴油正在燃烧中,活塞在一定的压强下移动压强不变而容积增加,燃油一边推动活塞做功一边燃烧,D-E为绝热做功冲程。其他阶段同上。当然,图中p-v曲线是一种理想状态,实际工况有一定的差异,而作为乘用车的高速柴油机介于两种循环之间,燃烧过程分两个阶段,前半程为等容燃烧,后半程为等压燃烧,满足高转速同时也沿袭经典柴油机的特点。

你知道吗?柴油其实比汽油更容易引燃

汽油机与柴油机长期共存的理由,就是是因为有汽油和柴油两种燃料的存在,从而存在两种能把不同燃料充分发挥特性的内燃机。这看似废话,却也验证了那句“存在即是合理”。

汽油和柴油,都是由成分为碳和氢两种元素的烃类化合物组成的。汽油是由5-9个碳分子的烃类组成,而组成柴油的烃类的碳原子数则有10-20个,由于汽油分子比柴油要小,所以汽油的挥发性更好,燃烧速度也更快,但长链结构的柴油更容易被氧化,所以柴油自燃点要低于汽油。

柴油比汽油更容易引燃?看起来很难以理解,但这是事实。我们把烃类比作很常见的木头,那么汽油就好比一堆木屑,可以被吹散在空气中慢慢飘落,而柴油则好像牙签,怎样扔起来都会做自由落体运动;木屑用火柴很难点燃,但牙签很容易被点燃;但把木屑扔在火堆中,瞬间就化成一团火,而牙签至少可以烧几秒。

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两种发动机不是简单的压燃与点燃的区别,这仅仅是开始

正是因为有了这些差异,两种发动机也有了区别和特性

.汽油比柴油挥发更快,所以汽油可以混合气状态在吸气行程进入气缸,而柴油不易挥发,不容易形成混合气,所以只能在做功行程开始前直接喷入缸内。

.柴油的自燃点比汽油更低,所以柴油可以在高温高压的汽缸中自燃;而汽油机如果采用压燃方式,就必须要有更高的压力,从而得到更高的温度才能点燃,但因为汽油容易挥发,挥发时又会吸收大量的热,这就再次增加了压燃的难度,所以用火花塞点燃是最适合的方式。

.汽油比柴油燃烧的更快,所以把汽油放在高温高压的环境下太威猛,机体受不了这种火药脾气,所以要降低气缸的压力,而用火花点燃时,缸内火焰是以“波”的形式蔓延燃烧,这也就避免了爆燃形成的冲击;而柴油在高温高压空气中,多处同时燃烧形成火焰,也就是以爆燃的方式(和汽油机的“爆震”相似)做功,工作状态比较粗暴,但因为柴油燃烧较慢,所以虽然燃烧的开始很剧烈,但燃烧时间还是要长于汽油机的。

题外话:此油门非彼油门

汽油机通过油门踏板改变节气门的开度,控制混合气进入汽缸的数量,以达到不同功率的输出;而柴油机控制功率输出完全依靠喷油的多少,是真正意义上的油门,取消了节气门,发动机进气就更充足,燃烧也就更充分,这也是柴油机热效率较高的原因之一。

解读汽车发动机(二) 汽油机VS柴油机解读汽车发动机(二) 汽油机VS柴油机

同为2011款途锐,右侧柴油机最高为6000转,基本不可达到
而昨侧汽油机,6000转仅仅是红线开始

汽油机和柴油机优劣分析

汽油机内混合气体点燃后,瞬间燃烧,并爆发出能量,所以可以在单位时间内可以多次重复该循环,用高转速输出高功率,因而很小的体积,轻盈的体重,就能拥有较高性能和更快的响应速度,宽泛的转速区间也能够带来更好的操控感觉。但汽油机的压缩比往往只有柴油机的一半,做功行程时缸内温度和压力比柴油机低很多,所以热效率比较低,也就是俗称的“费油”。

柴油机喷入燃料后,燃烧需要一定的时间,所以适合较低转速下让燃油充分燃烧以带来大扭矩,而为了对抗气缸内高压和大扭矩,柴油机的汽缸和活塞的连杆等零件都要比汽油机强壮,所以较汽油机更笨重。但也正是柴油机因为高压缩比低转速的特性,能把热量更好的转化成动能,所以柴油机有着更好的热效率,也就是更好的油耗表现。这就是通常轿车和赛车使用汽油机,而公交车、卡车等大型车辆使用柴油机的原因。

解读汽车发动机(二) 汽油机VS柴油机

为了适应柴油机工况,目前国内乘用车柴油机的缸体还都采用厚重的铸铁制造

柴油机现状

随着技术的发展,柴油机在平顺性和体积上都有很大改善,高强度的铝制缸体制造工艺,减轻了发动机的重量;废气后处理与颗粒物回收有效降低尾气污染;燃油高压共轨喷射以及较低压缩比(相对于传统柴油机)有效抑制噪声;平衡轴的应用提升了平顺性;VGT可变截面涡轮和中冷器提升了发动机功率,众多优良的设计逐渐装备于乘用车之上(点击进入:高效强劲环保 乘用车柴油机技术浅析),让柴油机有了可以和汽油机竞争的资本,而其较低的碳排放以及出色的低速扭矩,被众多SUV甚至轿车所接受。

在欧洲,柴油车在乘用车中的比重已经达到40%,而国内柴油机主要搭配在SUV车型当中,就在最近,国产自主品牌柴油轿车也已经上市。但目前国内的柴油品质还不够好,导致柴油机在国内未被重视。主要问题在于十六烷值不够高(燃烧性不好),硫含量过高(损害发动机零部件增加尾气污染),多环芳香烃过多(也就是杂质过多,燃烧不好会结焦积碳)等,假如中国柴油的品质可以提升的话,相信在飞涨的油价和日益恶化的环境面前,国人也会逐渐接受柴油车。

大众奥迪公用的3.0T涡轮增压柴油发动机,体重和汽油机相差无几功率与汽油机相比略逊一筹,但扭矩更为强大。

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