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为什么柴油机能做到50%以上热效率?

05-22 12291 李劭行  

在中国市场,柴油发动机搭载在家用轿车上不多,但是在欧美国家柴油发动机是一个很普遍的机器,主要由于其出色的节能性以及强悍的扭矩得到不少消费者的喜爱。大扭矩,意味着车辆不需要特别高的转速就能得到不错的马力输出,对于日常用车来说有一定帮助,在车辆加速时不需要降挡就可以获得足够的加速度,降低了因为变速箱带来的不利影响。

 


压缩比


柴油机的压缩比会比汽油机的压缩比更高,而内燃机的压缩比更高,其做工的效率也会更高。柴油机比汽油机压缩比更高其中的原因是因为柴油发动机压缩时只有空气在进行压缩,即便是有很高的压缩比,也不会产生提前爆燃的情况,并且柴油机是依靠压缩空气本身的温度将喷射进去的燃油瞬间点燃,所以柴油机需要把空气压缩到柴油的自燃温度以上。

 


汽油机压缩的是混合气,理想情况下是压缩到一定程度后通过火花塞点燃混合气,不能将其压缩到那么高的温度,所以汽油机不会过多压缩混合气,以确保温度不会过高,而柴油机则需要更多的压缩来提升温度。压缩比的大小直接关系到发动机的效率和扭矩,所以更高压缩比的柴油机能够输出更大的扭矩。

 

燃烧速度


我们都知道,汽油机是通过火花塞点燃混合气,火焰以火花为中心传播开来,将所有的混合气燃尽,而柴油机是几乎在柴油被喷射进燃烧室的瞬间就被点燃了,所以能在更短时间内完全燃烧。

 


观察活塞运动可以发现,汽油机的活塞在混合气燃烧完之前已经下行了相当长的距离,而柴油机的活塞在燃油完全燃烧前只移动了很小的距离,这样的结果就是柴油机的燃烧火焰有更多的时间在推动活塞下行,转化为更多的有用功和更大的扭矩。而汽油机上,如果活塞在远离上止点后还有燃烧在发生,而这部分火焰就只能推动活塞很短的距离,如果更靠近上止点,就可以推动活塞运行更长的距离。所以汽油机如果拥有柴油机的瞬燃特性也能最大化扭矩输出。

 

缸径行程比


事实上柴油机更倾向于长行程小缸径,汽油机则更倾向于大缸径短行程,因为扭矩即力x距离,所以在柴油机应用中,不但有更大的力,还有更长的距离(更长的曲轴曲柄)来放大这个力,最终下来这些都转化为更大的扭矩。

 


举个例子,假如有两台0.6L的单缸发动机,柴油机缸径为80mm,行程120mm;汽油机缸径为100mm,行程80mm,排量都为0.6L,但是柴油机的行程长的多。

 

值得一提的是,因为柴油机的燃烧速度要快得多,所以燃烧发生的时机并不在最佳的曲轴角度,所以长行程对于制造更多的扭矩有明显帮助。更重要的是柴油机有着更高的压缩比,配合瞬间燃烧和涡轮增压等才是影响柴油机扭矩高的原因。

 


更长的行程限制了柴油机的转速,因为如果行程更长,相同转速下活塞就要移动得更快,以上文的参数为例,假设转速在3000rpm,120mm行程的柴油机活塞平均速度为12m/s,这这个活塞平均速度对应80mm行程的汽油机转速为4500rpm。所以两台发动机的活塞平均速度一样,但是汽油机的转速要高得多。

 

柴油机更适合涡轮增压


柴油机的零部件强度更高,铸铁缸体、活塞、连杆、曲轴的强度很高,这些会使发动机更加笨重,但也可以承受更大的扭矩。

 


柴油机另外一个特性是稀薄燃烧,柴油机的空燃比可以达到18:1~70:1之间,通过稀薄燃烧,就会有更多的空气可以用于膨胀做有效功,因此发动机的效率会更高,达到这种效果就需要涡轮增压器的帮助,使用涡轮尽可能压入更多的空气进行高效的燃烧。

 


同时,柴油机的泵气损失也比汽油机小,因为柴油机不需要节气门,或者说有一个几乎常开到最大的节气门。相反,汽油机的空燃比范围就小得多,同时增压值也不会太大,因为原厂的汽油机并不像柴油机那样设计得能承受很大的增压值。总的来说,更大的增压值、更多的燃油就等于更大的马力,也就拥有更大的扭矩。

 

柴油的能量密度大


相同体积的燃油,无论是1L柴油还是1L汽油,柴油大约比汽油多10-15%的能量,所以喷射同样多的燃油,柴油会制造更多的能量,也就是更多的扭矩。

 


美国威斯康辛大学有过一个研究,通过柴油和汽油混合达到60%热效率的发动机,不过这是在实验室条件下达成。主要是因为柴油和汽油的燃烧速度不同,通过歧管喷射汽油,随后通过缸内直喷喷射柴油,再通过柴油引燃汽油的方式来做功,低负载情况下汽油用量较少,使用更多柴油,而在高负载情况下汽油和柴油的比例最高可达9:1。

 


这种技术首先排放很低,几乎不会产生氮氧化物,同时由于进行了提前喷射进行混合,充分混合的柴油并不容易产生颗粒物;此外,虽然使用了柴油,但是这种发动机可以在不安装尾气处理装置满足2010年EPA排放法规,所以在排气处理上会比传统柴油机更有优势。

 


但由于需要有两种燃油,所以需要有两套燃油装置,这是这种发动机不足的地方。同时如果想要达到60%的热效率,就必须停止对活塞的冷却,但这样对于零部件的耐用程度是一种考验,也是以后量产需要解决的地方。

 


这种发动机的优点同样在热效率上,根据了解,最大热效率可达55%,不过其做功形式跟传统柴油发动机有所区别,这种发动机使用对向燃烧室的设计,这种发动机有achates power研发。

 


最早的对向活塞发动机要追溯到19世纪末期,被用在船、飞机、潜艇、坦克、火车等交通工具上,劳斯莱斯甚至在1950年代开发了用于军事用途的对向活塞发动机。


对向活塞发动机的活塞区别于普通发动机,它的活塞是对向运动的,在上止点相遇,之后分别开始做功,这种发动机是两冲程发动机,这意味着每当活塞在中间相遇的时候就开始做功,所以不需要四冲程发动机的换气冲程。

 


这个发动机的基本工作原理的很简单的,当活塞到达下止点时,新鲜的空气从气缸下面的进气口进入气缸,燃烧后的气体从气缸顶部的排气口排出,之后两个活塞相互靠近,在接近中点之前柴油会被直接喷入气缸,每个气缸有两个对向安装的喷油嘴。燃烧开始后将活塞分离,之后整个循环不断重复,上面的活塞和下面的活塞各自使用一根独立的曲轴,两根曲轴通过齿轮结合在一起,作为一根轴输出动力。

 


使用两根曲轴看似很复杂,实际上这个发动机没有气门结构,意味着没有凸轮轴、摇臂、气门、气门弹簧甚至连气缸缸头都没有。举个例子,一台2.7L 3气缸的这种高电脑挂机可以输出270匹马力,650N·m的扭矩。

 


首先,没有了缸头,燃烧后炙热气体接触的面积更小,相比起燃烧室的面积,接触面积减少了很多,相对于把热量传递给缸头,它的热量传递给了两侧对向的活塞,这意味着有更多的热量被用于做功,并且把整个气缸的运动距离分给了两个活塞,这使得冲程缸径比很大,并且活塞的运动速度很低,这就使得能量的利用率更高。

 


此外,两侧活塞顶部的燃烧室能设计得非常理想,这样空气和燃油混合得更快,燃烧速度也就更快;这台两冲程发动机由机械增压来控制进气压力,并且还有涡轮增压的双增压结构,进气孔和排气孔被设计得最有利于扫气,排气口会首先打开,让燃烧后的高温高压气体排出,当气缸内压力降低,进气口打开,新鲜空气进入气缸将剩余的废气排出,进排气口在活塞向中心运动时关闭,会有少量的废气剩余。

 


从效率角度来讲,这是最理想的配置,如果只有两个气缸,供给涡轮的气流就会有很大的真空期,会降低整体的效率,尤其是低转速、低负载时,没有足够的排气气流去推动涡轮。如果是四个气缸,一个气缸的排气口打开时间和另外一个气缸的进气口打开时间就会有过多重合,这就会让气缸内剩余的废气变多,降低扫气效率,最终同样会降低整体效率。

 


当然,这不能说明这种发动机不能使用其他的布局,2、3、4、5缸都是可以的,achates也在开发一种以性能为目标的四缸发动机,但是在效率角度来讲,三缸是最理想的。说到效率,测试数据显示在很宽泛的负载条件下,发动机输出热效率都能处于40%以上,最大热效率达到46%,气缸内热效率在负载测试下都没有低于51%,所以这个发动机的优势不仅仅是最大热效率很高,而且具有非常宽泛的转速和负载下都能有非常高的热效率。在2012年就达到了SAE一项2018年的研究报告中,使用三缸对向活塞柴油机达到了55%的最大热效率。

 


在2017年底特律车展上,有9家主机厂成为了这种该发动机的研发参与伙伴,如今只有有一家已经开始实验生产这种对向活塞发动机了。但是由于这是两冲程发动机,在环保上会有明显的劣势,因为两冲程发动机的机油是参与燃烧的,在日益严格的环保法规限制下,必然会遭受毁灭性打击。此外,由于没有配气机构,所以进排气口的位置、高度都会影响着发动机的进排气相位,同时直接影响发动机的性能,同时不同拥有可变气门技术,所以难以满足在任何工况下的效率、动力表现。

 


以上,就是柴油发动机比汽油发动机优胜之处,但想要柴油发动机在中国能够普及,油品质量必须先提高,只有拥有良好的配套设施,发动机才能出色发挥实力,而这一点是我国的短板。混合燃烧发动机拥有出色的热效率表现,但是由于需要两套燃油加注系统,不利于量产车型的使用;对向活塞发动机也是如此,热效率高,但发动机的震动,各个工况下的输出、排放是否能达到量产化标准,还需要厂家们继续努力。

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全部评论
玩车教授
2020-05-27
小刘同学
2020-05-27
科普帖
麻烦点个在看哦
小刘同学
2020-05-27
科普帖
玩车教授
2020-05-25
熊大三贱客ღ
2020-05-25
说通俗一点就是汽油机是点火爆发,柴油是压缩爆发。
是的
玩车教授
2020-05-25
专业美缝詹丰晨15988866386
2020-05-25
虽然看完就忘了但还是看完了[害羞]
大哥……你要这么老实么
玩车教授
2020-05-25
飞鸽🐦
2020-05-25
外国早就普及柴油小车,国内柴油油品啥时候能做得到外国的品质?
现在也开始逐渐淘汰柴油噜
玩车教授
2020-05-25
逍然
2020-05-25
19座平头东风中巴,玉柴发动机,二百块柴油360公里国道,这还是疫情以前的时候,现在油更便宜了,刚复工,烧的还是三个月前的柴油,不知道汽油车放置三个月还能不能打着,对了,这个公里数还是-20的柴油,绝对省油了吧!
牛!
玩车教授
2020-05-25
YY
2020-05-25
那个。。。有燃气轮机的车啊。。。泰克鲁斯·腾风[奸笑][奸笑][奸笑]。。。 米国m1坦克也是燃气轮机吧。 从早年间的涡喷和涡扇来看,燃气轮机似乎油门响应不是很及时。。。不过作为增程式似乎很合适。 当然,排放方面给它定什么标准是一个问题。。
什么?国二的?你还想进城?哼
说通俗一点就是汽油机是点火爆发,柴油是压缩爆发。
虽然看完就忘了但还是看完了[害羞]
玩车教授
2020-05-25
郑林山
2020-05-22
两桶油现在都陪钱,在提高柴油品质,陪的更多了[呲牙]
哈哈哈,所以电动车是好东西
玩车教授
2020-05-25
风清扬
2020-05-22
现有的发动机基本上都是往复式活塞运动,为什么没有类似汽轮机一样的旋转式发动机?
现在木有……要不我们脑洞开一下?看看能不能装汽车上?
YY
2020-05-25
那个。。。有燃气轮机的车啊。。。泰克鲁斯·腾风[奸笑][奸笑][奸笑]。。。 米国m1坦克也是燃气轮机吧。 从早年间的涡喷和涡扇来看,燃气轮机似乎油门响应不是很及时。。。不过作为增程式似乎很合适。 当然,排放方面给它定什么标准是一个问题。。
玩车教授
2020-05-25
LC
2020-05-22
期待柴油机能早日广泛应用于国内汽车
都开始研发电动车了
飞鸽🐦
2020-05-25
外国早就普及柴油小车,国内柴油油品啥时候能做得到外国的品质?
逍然
2020-05-25
19座平头东风中巴,玉柴发动机,二百块柴油360公里国道,这还是疫情以前的时候,现在油更便宜了,刚复工,烧的还是三个月前的柴油,不知道汽油车放置三个月还能不能打着,对了,这个公里数还是-20的柴油,绝对省油了吧!
玩车教授
2020-05-25
鸿.俊.發
2020-05-22
点在看太少了![微笑]
就是咯!
玩车教授
2020-05-25
杨勇
2020-05-25
提高缸压,喷汽油也燃烧的快,
爆震难搞哦,散热也难搞
玩车教授
2020-05-25
大海航行靠舵手
2020-05-25
谢谢
杨勇
2020-05-25
提高缸压,喷汽油也燃烧的快,
玩车教授
2020-05-25
鸟语花香
2020-05-22
以后新能源普及率越来越高,这个柴油小汽车估计也不需要多大的发展了。
可惜了
孤城
2020-05-23
混合燃烧最好
叭叭叭
2020-05-22广东深圳长城宽带
还是稳定点好,有些技术还不太成熟
为啥现在在10万以下就没有这么多的好车了。
柴油发动机是不是噪音要比汽油机大
赵长安
2020-05-22
好文章
理想还是相当不错的,高颜值,高操控,性价比也非常不错,值得入手。
王智龙
2020-05-22
柴油机吵得很
谢谢了,这个车我不太喜欢
王智龙
2020-05-22
可惜中国油品不行
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