知識普及 汽油機與柴油機工作原理解讀
能量：物質(zhì)運動(dòng)的一種度量。對應于物質(zhì)的各種運動(dòng)形式，能量也有各種形式，彼此可以互相轉換，但總量不變。熱力學(xué)中的能量主要指熱能和由熱能轉換而成的機械能。我們汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機，正是將化石燃料中蘊含的化學(xué)能轉化成機械能，從而推動(dòng)汽車(chē)行駛。
前文提到很多四沖程發(fā)動(dòng)機，我們將其歸為兩類(lèi)：奧托循環(huán)特性的燃氣機和汽油機，狄賽爾循環(huán)特性的柴油機?，F代燃氣發(fā)動(dòng)機基本等同于汽油機，缸內直噴汽油機雖結構有變化，但做功機制仍屬奧托循環(huán)范圍之內。為了方便解讀，下文都稱(chēng)之為汽油機和柴油機。 說(shuō)到發(fā)動(dòng)機的原理，很多讀者都會(huì )脫口而出：四沖程發(fā)動(dòng)機分為吸氣、壓縮、做功、排氣四個(gè)階段。汽油機吸入混合氣，然后壓縮至上止點(diǎn)，火花塞跳火點(diǎn)燃混合氣，燃燒做工把活塞推至下止點(diǎn)，隨即向上排出廢氣；柴油機區別在于吸入純空氣，在上止點(diǎn)位置將柴油噴入被壓縮的熱空氣內點(diǎn)燃做功。
但我們是否曾經(jīng)疑問(wèn)過(guò)，汽油機為什么要有火花塞？柴油機為什么不能?chē)娙肫?？為什么說(shuō)柴油機更有力，更省油但平順性卻不理想？好吧，小編在此文中用對比的方式，解讀汽汽油機和柴油機的工作原理。
表面上看，兩種熱機在進(jìn)氣和燃料的引燃方式有著(zhù)區別，雖然看起來(lái)都是燒油，發(fā)力，但就是在活塞處于頂端，燃燒的一霎那，幾個(gè)毫秒之內發(fā)生的事兒，讓兩種機器有著(zhù)不同的特質(zhì)。這也就是小編經(jīng)常提起的奧托循環(huán)和狄賽爾循環(huán)的差異。
兩種循環(huán)工作狀態(tài)和對應的p-v圖 左側為奧托循環(huán)，右側為狄賽爾循環(huán)
兩種循環(huán)的工作程序
我們先說(shuō)左側的奧托循環(huán)。如上圖所示，p代表缸內壓力，v代表缸內容積，A-B吸氣沖程，活塞向下吸氣，此時(shí)燃氣的壓強幾乎保持不變；B-C絕熱壓縮沖程，活塞向上運動(dòng)壓縮，使氣體壓強增加，這時(shí)活塞對氣體做功，消耗了機械能，增加了氣體的內能；C-D等容燃燒過(guò)程，氣體突然燃燒，壓強激增，在這瞬間體積還來(lái)不及變化，所以可把它看作是等容變化，D-E絕熱做功沖程，氣體壓強增加后作絕熱膨脹推動(dòng)活塞向下做功，同時(shí)消耗本身的內能轉變?yōu)闄C械功，壓強逐漸減??；E-B等容排氣過(guò)程，做功沖程終了時(shí)，排氣閥開(kāi)放，氣體壓強突然降低而體積還來(lái)不及變化；B-A排氣沖程，活塞由于慣性作用繼續向上運動(dòng)，同時(shí)排除廢氣，這時(shí)壓強不變。
而作為等壓燃燒的狄賽爾循環(huán)，C-D-E為做功沖程。第一階段C-D為等壓燃燒過(guò)程，柴油正在燃燒中，活塞在一定的壓強下移動(dòng)壓強不變而容積增加，燃油一邊推動(dòng)活塞做功一邊燃燒，D-E為絕熱做功沖程。其他階段同上。當然，圖中p-v曲線(xiàn)是一種理想狀態(tài)，實(shí)際工況有一定的差異，而作為乘用車(chē)的高速柴油機介于兩種循環(huán)之間，燃燒過(guò)程分兩個(gè)階段，前半程為等容燃燒，后半程為等壓燃燒，滿(mǎn)足高轉速同時(shí)也沿襲經(jīng)典柴油機的特點(diǎn)。
你知道嗎？柴油其實(shí)比汽油更容易引燃
汽油機與柴油機長(cháng)期共存的理由，就是是因為有汽油和柴油兩種燃料的存在，從而存在兩種能把不同燃料充分發(fā)揮特性的內燃機。這看似廢話(huà)，卻也驗證了那句“存在即是合理”。
汽油和柴油，都是由成分為碳和氫兩種元素的烴類(lèi)化合物組成的。汽油是由5-9個(gè)碳分子的烴類(lèi)組成，而組成柴油的烴類(lèi)的碳原子數則有10-20個(gè)，由于汽油分子比柴油要小，所以汽油的揮發(fā)性更好，燃燒速度也更快，但長(cháng)鏈結構的柴油更容易被氧化，所以柴油自燃點(diǎn)要低于汽油。
柴油比汽油更容易引燃？看起來(lái)很難以理解，但這是事實(shí)。我們把烴類(lèi)比作很常見(jiàn)的木頭，那么汽油就好比一堆木屑，可以被吹散在空氣中慢慢飄落，而柴油則好像牙簽，怎樣扔起來(lái)都會(huì )做自由落體運動(dòng)；木屑用火柴很難點(diǎn)燃，但牙簽很容易被點(diǎn)燃；但把木屑扔在火堆中，瞬間就化成一團火，而牙簽至少可以燒幾秒。
兩種發(fā)動(dòng)機不是簡(jiǎn)單的壓燃與點(diǎn)燃的區別，這僅僅是開(kāi)始 正是因為有了這些差異，兩種發(fā)動(dòng)機也有了區別和特性
·汽油比柴油揮發(fā)更快，所以汽油可以混合氣狀態(tài)在吸氣行程進(jìn)入氣缸，而柴油不易揮發(fā)，不容易形成混合氣，所以只能在做功行程開(kāi)始前直接噴入缸內。
·柴油的自燃點(diǎn)比汽油更低，所以柴油可以在高溫高壓的汽缸中自燃；而汽油機如果采用壓燃方式，就必須要有更高的壓力，從而得到更高的溫度才能點(diǎn)燃，但因為汽油容易揮發(fā)，揮發(fā)時(shí)又會(huì )吸收大量的熱，這就再次增加了壓燃的難度，所以用火花塞點(diǎn)燃是最適合的方式。
·汽油比柴油燃燒的更快，所以把汽油放在高溫高壓的環(huán)境下太威猛，機體受不了這種火藥脾氣，所以要降低氣缸的壓力，而用火花點(diǎn)燃時(shí)，缸內火焰是以“波”的形式蔓延燃燒，這也就避免了爆燃形成的沖擊；而柴油在高溫高壓空氣中，多處同時(shí)燃燒形成火焰，也就是以爆燃的方式做功，工作狀態(tài)比較粗暴，但因為柴油燃燒較慢，所以雖然燃燒的開(kāi)始很劇烈，但燃燒時(shí)間還是要長(cháng)于汽油機的。
題外話(huà)：此油門(mén)非彼油門(mén)
汽油機通過(guò)油門(mén)踏板改變節氣門(mén)的開(kāi)度，控制混合氣進(jìn)入汽缸的數量，以達到不同功率的輸出；而柴油機控制功率輸出完全依靠噴油的多少，是真正意義上的油門(mén)，取消了節氣門(mén)，發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣就更充足，燃燒也就更充分，這也是柴油機熱效率較高的原因之一。
同為2011款途銳，左側柴油機最高為6000轉，基本不可達到而右側汽油機，6000轉僅僅是紅線(xiàn)開(kāi)始
汽油機和柴油機優(yōu)劣分析
汽油機內混合氣體點(diǎn)燃后，瞬間燃燒，并爆發(fā)出能量，所以可以在單位時(shí)間內可以多次重復該循環(huán)，用高轉速輸出高功率，因而很小的體積，輕盈的體重，就能擁有較高性能和更快的響應速度，寬泛的轉速區間也能夠帶來(lái)更好的操控感覺(jué)。但汽油機的壓縮比往往只有柴油機的一半，做功行程時(shí)缸內溫度和壓力比柴油機低很多，所以熱效率比較低，也就是俗稱(chēng)的“費油”。
柴油機噴入燃料后，燃燒需要一定的時(shí)間，所以適合較低轉速下讓燃油充分燃燒以帶來(lái)大扭矩，而為了對抗氣缸內高壓和大扭矩，柴油機的汽缸和活塞的連桿等零件都要比汽油機強壯，所以較汽油機更笨重。但也正是柴油機因為高壓縮比低轉速的特性，能把熱量更好的轉化成動(dòng)能，所以柴油機有著(zhù)更好的熱效率，也就是更好的油耗表現。這就是通常轎車(chē)和賽車(chē)使用汽油機，而公交車(chē)、卡車(chē)等大型車(chē)輛使用柴油機的原因。
為了適應柴油機工況，目前國內乘用車(chē)柴油機的缸體還都采用厚重的鑄鐵制造 柴油機現狀
隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，柴油機在平順性和體積上都有很大改善，高強度的鋁制缸體制造工藝，減輕了發(fā)動(dòng)機的重量；廢氣后處理與顆粒物回收有效降低尾氣污染；燃油高壓共軌噴射以及較低壓縮比有效抑制噪聲；平衡軸的應用提升了平順性；VGT可變截面渦輪和中冷器提升了發(fā)動(dòng)機功率，眾多優(yōu)良的設計逐漸裝備于乘用車(chē)之上(
在歐洲，柴油車(chē)在乘用車(chē)中的比重已經(jīng)達到40%，而國內柴油機主要搭配在SUV車(chē)型當中，就在最近，國產(chǎn)自主品牌柴油轎車(chē)也已經(jīng)上市。但目前國內的柴油品質(zhì)還不夠好，導致柴油機在國內未被重視。主要問(wèn)題在于十六烷值不夠高，硫含量過(guò)高，多環(huán)芳香烴過(guò)多等，假如中國柴油的品質(zhì)可以提升的話(huà)，相信在飛漲的油價(jià)和日益惡化的環(huán)境面前，國人也會(huì )逐漸接受柴油車(chē)。
解讀汽車(chē)發(fā)動(dòng)機 內燃機的誕生與發(fā)展
遠古至今，我們一直希望使用人體之外的物體幫助我們工作；希望發(fā)明一種工具代替我們勞作；希望制造一種機械可以利用自然界的資源把人類(lèi)自身或其他東西從A處運送到B處；希望我們能方便而可控的使用這種機械；希望我們可以擁有使用更少的資源成本，可以更舒適的達到目的工具；希望該系統能夠更自動(dòng)、智能、安全。
于是，汽車(chē)按照這種漸進(jìn)的邏輯誕生，至今仍然發(fā)展著(zhù)。在這篇文章里，小編著(zhù)重介紹一下安裝在汽車(chē)上的最重要的機械裝置——發(fā)動(dòng)機。
老式蒸汽機 1765年，經(jīng)過(guò)瓦特改良了的，廣泛使用的活塞式蒸汽機，推動(dòng)了開(kāi)始于18世紀中葉的歐洲工業(yè)革命。隨后日子里，一些人不滿(mǎn)蒸汽機的笨重，希望解決掉蒸汽機上沉重的鍋爐，從而可以有更靈活的應用，于是他們打起了氣缸的注意，甚至有人試想將炸藥置于氣缸中，爆炸推動(dòng)活塞。顯然這種方法不成功，但卻引發(fā)了一系列“缸內燃燒做功”的想法。當人們發(fā)現可燃氣體和空氣以一定比例混合后，點(diǎn)燃后會(huì )爆炸，產(chǎn)生很大的壓強和膨脹。如果這個(gè)程度可以控制得當的話(huà)，會(huì )是一種很好的能源技術(shù)。于是內燃機的時(shí)代來(lái)了。
1824年 物理學(xué)家卡諾建立卡諾循環(huán)模型將熱力學(xué)與動(dòng)力聯(lián)系起來(lái)，并設計理想狀態(tài)下的卡諾熱機，為提高內燃機效率指明了方向。
1858年 勒努瓦發(fā)明了一款二沖程煤氣發(fā)動(dòng)機。該發(fā)動(dòng)機用煤氣和空氣的混合氣體取代往復式蒸汽機的蒸汽，使用電池和感應線(xiàn)圈產(chǎn)生電火花，用電火花將混合氣點(diǎn)燃爆發(fā)。遺憾的是，這臺煤氣機氣缸中，混合氣體并未壓縮便點(diǎn)燃做功，導致能量轉換效率底下。
1862年 阿爾方斯?德羅沙提出著(zhù)名的等容燃燒四沖程循環(huán)：進(jìn)氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣。但一直沒(méi)有樣機誕生。
1876年 奧托制造了一臺新型的，以煤氣為燃料的四沖程內燃機。這臺機器對汽車(chē)發(fā)動(dòng)機來(lái)講意義極大：直至現在，汽油發(fā)動(dòng)機的運轉仍延續這種形式——奧托循環(huán)。在后文中我們會(huì )著(zhù)重介紹這種循環(huán)的特點(diǎn)。
從古至今，四沖程汽油機都是按照這四個(gè)步驟運轉的 1883年 曾是奧托公司工程師的戴姆勒，和好友邁巴赫制成了第一臺四沖程往復式汽油機，并以極富創(chuàng )意的使用白熾燈為發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火，這樣就將發(fā)動(dòng)機轉數提升到了每分鐘1000轉。而當時(shí)奧托發(fā)動(dòng)機僅為兩百轉。次年戴姆勒將改良了的發(fā)動(dòng)機裝在了自行車(chē)上，成為史上首輛摩托車(chē)。
1886年1月29日 德國的卡爾?本茨將之前自行研發(fā)的二沖程汽油發(fā)動(dòng)機，安裝在一輛三輪車(chē)上，并注冊專(zhuān)利。該車(chē)具備現代汽車(chē)的一些基本特點(diǎn)，所以人們一致認為該車(chē)為歷史上第一輛標準的汽車(chē)。
第一輛汽車(chē)是這樣的
1897年 柴油機出世。德國工程師狄塞爾設想將吸入氣缸的空氣高度壓縮，使其溫度超過(guò)燃料的自燃溫度，再用高壓空氣將燃料吹入氣缸，使之著(zhù)火燃燒。他首創(chuàng )的壓縮點(diǎn)火式內燃機于1897年研制成功，為內燃機的發(fā)展開(kāi)拓了新途徑，柴油和柴油機也以發(fā)明者而命名為diesel。
當出現Diesel牛仔褲的廣告，有人問(wèn)你是什么牌子的時(shí)候，你可以淡定的回答：柴牌！
就這樣，汽油機和柴油機誕生了。時(shí)至今日，雖然現代發(fā)動(dòng)機在功率、油耗、穩定性等性能都有很大程度提高，但基本工作原理完全沒(méi)有變化。
