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背景知识:发动机系列(三)

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华穗技术宅 

简单的来说,柴油机和汽油机之所以不同。就是源于柴油和汽油的不同~~ 

  

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1汽油和柴油 

  

柴油和汽油都是各种烃的混合物。 

  

“烃”字,左从碳,右从氢。因此所有碳氢化合物就叫“烃”。例如,我们熟知的甲烷(天然气)、丙烯(一种绘画颜料)都是烃。 

  

分子越大的烃越不容易挥发成气体,但是越容易和氧气反应,燃点越低。越小的烃越容易挥发成气体,燃点越高。 

  

柴油是10-22碳的烃,而汽油是5-10碳的烃。因此,柴油燃点更低,汽油更易挥发。 

  

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2汽油机和柴油机 

  

柴油,大分子烃,燃点低,挥发性差。 

汽油,小分子烃,燃点高,挥发性好。 

  

因此工程师在设计柴油机时,让柴油直接喷入进气缸,柴油燃烧采用了压燃法(压缩气缸空间使得柴油燃点进一步降低而发生自燃。) 

而设计汽油机时,让挥发后的汽油气体和空气混合成混合气体,喷入气缸,并添加了火花点燃装置,汽油的燃烧采用了点燃法。 

  

更进一步,由于柴油分子比较大,因此燃烧缓慢,燃烧的时间更长。推动活塞行进的距离也更长了。因此柴油机冲程更长,压缩比更高。由于柴油机冲程长,转速低,导致扭矩大。为了适应大冲程和大扭矩,柴油机尺寸和重量更大,零部件都会比较粗壮。 

而相反,汽油分子比较小,因此燃烧迅速,燃烧时间短。推动活塞行进的距离更短。因此汽油机冲程更短,压缩比更低。由于汽油机冲程短,转速快,导致扭矩小。因此汽油机一般轻巧。 

  

下图用两个GIF图说明柴油机和汽油机的不同工作状态。 

  

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这是柴油机的工作过程。可以看到C-D的过程中,压力几乎保持不变,而体积剧增,活塞发生了剧烈的位移。对应着柴油燃烧初始阶段的由于被压缩自燃而产生的爆燃。这个不断往复的工作循环过程也叫狄赛尔循环。 

  

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这是汽油机工作过程。可以看到在C-D的过程中,压力剧增而体积变化很小。对应着汽油燃烧初始阶段由于燃烧迅速导致压力徒增。这个不断往复的循环过程也叫奥托循环。 

  

值得一提的是,以上两图的BCDE四个点之间的红线所囊括的面积,就是不同发动机的在单位周期所做的功的大小。因此以上两个P-V图,又叫发动机的示功图。过些天,我们会分享华穗做的和发动机示功图相关的案例。 

  

怎么理解柴油初始会爆燃而汽油燃烧更迅速? 

  

鄙人画了个简陋的图。如下(PPower的意思),稍稍把柴油的初始爆燃效果、后续燃烧缓慢及后续燃烧时间长的效果夸张了下。� 

  

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3总结 

  

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,也就是相对“省油”。 

  

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。但汽油机的压缩比往往只有柴油机的一半,所以热效率低,也就是“费油”。