解讀汽車發(fā)動(dòng)機(jī)(二) 汽油機(jī)VS柴油機(jī)
能量:物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的量度。對(duì)應(yīng)于物質(zhì)的各種運(yùn)動(dòng)形式,也有各種形式的能量,可以相互交換,但總量不變。熱力學(xué)中的能量主要是指熱能和熱能轉(zhuǎn)化而來(lái)的機(jī)械能。我們汽車的發(fā)動(dòng)機(jī),是化石燃料中所含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,從而驅(qū)動(dòng)汽車。
如上所述,許多四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)分為兩類:具有奧托循環(huán)特性的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī),以及具有柴油循環(huán)特性的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。現(xiàn)代的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)基本相同。缸內(nèi)直噴汽油機(jī)雖然結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,但其工作機(jī)理仍在奧托循環(huán)內(nèi)。為了便于解釋,下文稱它們?yōu)槠蜋C(jī)和柴油機(jī)。
說(shuō)到發(fā)動(dòng)機(jī)的原理,很多讀者都會(huì)脫口而出:四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)分為吸氣、壓縮、做功、排氣四個(gè)階段。汽油機(jī)吸入混合氣體,然后壓縮到上止點(diǎn),火花塞跳火點(diǎn)燃混合氣體,燃燒工人推動(dòng)活塞到下止點(diǎn),然后向上排出廢氣。柴油機(jī)的不同之處在于,它吸入純空氣體,在上止點(diǎn)將柴油噴入壓縮的熱空氣體中點(diǎn)燃做功。
但是我們有沒(méi)有想過(guò)為什么汽油發(fā)動(dòng)機(jī)需要火花塞?柴油機(jī)為什么不能噴汽油?為什么柴油機(jī)動(dòng)力更強(qiáng),更省油,但舒適性卻差?好了,邊肖在這篇文章中通過(guò)對(duì)比解釋了汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理。
表面上看,兩種熱機(jī)在進(jìn)氣和燃油的點(diǎn)火方式上存在差異。雖然看起來(lái)都是在燒油,在發(fā)力,但是就是活塞在頂部的幾毫秒內(nèi)發(fā)生的事情,使得兩種發(fā)動(dòng)機(jī)有不同的特點(diǎn)。這就是邊肖經(jīng)常提到的奧托循環(huán)和狄塞爾循環(huán)的區(qū)別。
兩種循環(huán)工作狀態(tài)及對(duì)應(yīng)的p-v圖,左側(cè)為奧托循環(huán),右側(cè)為狄塞爾循環(huán)。
雙循環(huán)工序
讓我們從左邊的奧托循環(huán)開(kāi)始。如上圖所示,P代表氣缸內(nèi)的壓力,V代表氣缸的內(nèi)部容積。在A-B吸氣沖程中,活塞向下吸氣,燃料氣體的壓力幾乎不變。B-C絕熱壓縮沖程,活塞向上運(yùn)動(dòng)壓縮,增加氣體壓力。這時(shí)活塞確實(shí)對(duì)氣體做功,消耗了機(jī)械能,增加了氣體的內(nèi)能;C-D定容燃燒過(guò)程中,氣體突然燃燒,壓力驟增,此時(shí)此刻,體積沒(méi)有時(shí)間變化,所以可以視為定容變化,D-E絕熱做功沖程,氣體壓力增大后,它使絕熱膨脹推動(dòng)活塞向下做功,同時(shí)自身消耗的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功,壓力逐漸降低;E-B定容排氣過(guò)程,在做功行程結(jié)束時(shí),排氣閥打開(kāi),氣體壓力突然下降,容積沒(méi)有時(shí)間變化;B-A排氣沖程,活塞因慣性繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng),同時(shí)排出廢氣,此時(shí)壓力恒定。
而C-D-E是作功沖程作為柴油循環(huán)的恒壓燃燒。第一階段,C-D是一個(gè)等壓燃燒過(guò)程,柴油在燃燒,活塞在一定壓力下運(yùn)動(dòng),不改變壓力但增加容積,燃料邊燃燒邊推動(dòng)活塞做功,D-E是一個(gè)絕熱做功沖程。其他階段同上。當(dāng)然,圖中的p-v曲線是一種理想狀態(tài),實(shí)際工況有所不同。而高速柴油機(jī)作為乘用車,處于兩個(gè)循環(huán)之間,燃燒過(guò)程分為兩個(gè)階段,前半段為定容燃燒,后半段為定壓燃燒,滿足了高速的要求,遵循了經(jīng)典柴油機(jī)的特點(diǎn)。
你知道嗎?/你知道嗎?事實(shí)上,柴油比汽油更容易點(diǎn)燃。
汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期共存的原因是汽油和柴油兩種燃料,所以有兩種內(nèi)燃機(jī)可以充分發(fā)揮不同燃料的特點(diǎn)。這看似無(wú)稽之談,但也驗(yàn)證了“存在即合理”這句話。
汽油和柴油都是由含碳和氫的碳?xì)浠衔锝M成的。汽油是由5-9個(gè)碳分子的碳?xì)浠衔锝M成,而組成柴油的碳?xì)浠衔锏奶荚訑?shù)是10-20。由于汽油分子比柴油小,汽油的揮發(fā)性更好,燃燒速度更快,但長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)的柴油更容易被氧化,所以柴油的自燃點(diǎn)比汽油低。
比柴油更容易點(diǎn)燃?這似乎很難理解,但這是真的。我們把碳?xì)浠衔锉茸髌胀ǖ哪绢^,那么汽油就像一堆鋸末,可以在空氣體中被吹走,慢慢下落,而柴油就像一根牙簽,扔出去就會(huì)自由下落。用木屑火柴很難點(diǎn)燃,但是牙簽很容易點(diǎn)燃。但是往火里扔木屑瞬間變成火,牙簽至少能燒幾秒鐘。
這兩款發(fā)動(dòng)機(jī)并不是簡(jiǎn)單的壓燃和點(diǎn)火的區(qū)別,這只是一個(gè)開(kāi)始。
由于這些差異,兩種發(fā)動(dòng)機(jī)也有差異和特點(diǎn)。
汽油揮發(fā)比柴油快,所以汽油在吸氣沖程中可以以混合氣的狀態(tài)進(jìn)入氣缸,而柴油不容易揮發(fā)形成混合氣,所以只能在做功沖程開(kāi)始前直接噴入氣缸。
柴油的燃點(diǎn)比汽油低,所以柴油在高溫高壓的氣缸內(nèi)可以自燃;但是,如果汽油機(jī)采用壓燃法,它必須有較高的壓力,這樣才能在較高的溫度下點(diǎn)火。但由于汽油易揮發(fā),揮發(fā)時(shí)會(huì)吸收大量熱量,增加了再次壓燃的難度,所以用火花塞點(diǎn)火是最合適的方式。
汽油比柴油燃燒更快,所以把汽油放在高溫高壓的環(huán)境中太猛,身體受不了這種火藥脾氣,所以需要降低氣缸的壓力,當(dāng)被火花點(diǎn)燃時(shí),氣缸內(nèi)的火焰以“波”的形式蔓延燃燒,這樣也避免了爆燃的影響;但在高溫高壓空氣體中,柴油燃料在多處同時(shí)燃燒形成火焰,即靠爆燃做功,工作狀態(tài)相當(dāng)粗糙。但由于柴油燃燒緩慢,雖然燃燒開(kāi)始劇烈,但燃燒時(shí)間仍比汽油機(jī)長(zhǎng)。
離題:這個(gè)油門不是另一個(gè)油門。
汽油機(jī)通過(guò)油門踏板改變節(jié)氣門開(kāi)度來(lái)控制進(jìn)入氣缸的混合氣量,從而達(dá)到不同的動(dòng)力輸出;但柴油機(jī)的控制功率輸出完全取決于噴油量,這才是真正的油門。如果取消油門,發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣和燃燒會(huì)更加充分,這也是柴油機(jī)熱效率較高的原因之一。
和2021年的途銳(查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策)一樣。左柴油機(jī)的最高轉(zhuǎn)速是6000 rpm,基本上是高不可攀的,而右汽油機(jī)的6000 rpm只是紅線的開(kāi)始。
汽油機(jī)和柴油機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)。
點(diǎn)燃后,汽油機(jī)中的混合氣瞬間燃燒并爆發(fā)出能量,因此單位時(shí)間內(nèi)可以多次重復(fù)循環(huán),高速輸出大功率,這樣體積小重量輕就能有更高的性能和更快的響應(yīng)速度,較寬的速度范圍也能帶來(lái)更好的操控感受。但汽油機(jī)的壓縮比往往只有柴油機(jī)的一半,在做功沖程時(shí)缸內(nèi)溫度和壓力遠(yuǎn)低于柴油機(jī),所以熱效率相對(duì)較低,俗稱“油耗”。
燃油噴入柴油機(jī)后,需要一定的時(shí)間才能燃燒,因此適合在較低的轉(zhuǎn)速下充分燃燒燃油,帶來(lái)很大的扭矩。為了對(duì)抗氣缸內(nèi)的高壓和大扭矩,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸和活塞的連桿比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿更強(qiáng),因此它們比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿更重。但正是因?yàn)楦邏嚎s比、低轉(zhuǎn)速的特點(diǎn),使得柴油機(jī)能夠更好地將熱量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,所以柴油機(jī)具有更好的熱效率,也就是更好的油耗表現(xiàn)。這就是為什么汽車和賽車通常使用汽油發(fā)動(dòng)機(jī),而大型車輛,如公共汽車和卡車使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。
為了適應(yīng)柴油機(jī)的工作條件,國(guó)內(nèi)乘用車柴油機(jī)的缸體全部采用重鑄鐵制造。
柴油機(jī)的現(xiàn)狀
隨著技術(shù)的發(fā)展,柴油機(jī)的平順性和體積都有了很大的提高,高強(qiáng)度鋁氣缸制造技術(shù)減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。廢氣后處理和顆粒物回收可有效減少?gòu)U氣污染;高壓共軌燃油噴射和較低的壓縮比可有效抑制噪音;平衡軸的應(yīng)用提高了乘坐舒適性;VGT變截面渦輪和中冷器提升了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力,乘用車上也逐漸配備了許多優(yōu)秀的設(shè)計(jì),這讓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有了與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)競(jìng)爭(zhēng)的資本,其低碳排放和出色的低速扭矩被許多SUV甚至轎車所接受。
在歐洲,柴油車在乘用車中的比例已經(jīng)達(dá)到了40%,而國(guó)產(chǎn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于SUV車型。最近國(guó)產(chǎn)自主品牌柴油車也上市了。但目前我國(guó)柴油質(zhì)量不夠好,導(dǎo)致我國(guó)對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)重視不夠。主要問(wèn)題不是十六烷值高、硫含量高、多環(huán)芳烴超標(biāo)等。如果中國(guó)柴油的質(zhì)量能夠提高,相信在油價(jià)飆升、環(huán)境惡化的情況下,中國(guó)人會(huì)逐漸接受柴油車。
大眾奧迪共享的3.0T渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī),重量與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)。與汽油機(jī)相比,動(dòng)力稍遜一籌,但扭矩更強(qiáng)勁。
至此,本文接近尾聲。但是看完第一篇文章,很多同學(xué)對(duì)以“Diesel”結(jié)尾的廣告圖片很感興趣,于是邊肖又放了一張?jiān)瓐D給大家看。
這三位老人就是二戰(zhàn)著名的三巨頭——丘吉爾、羅斯福和斯大林。
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