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汽油机与柴油机工作原理解读

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汽油机与柴油机工作原理解读

发布日期:2018-05-03 作者: 点击:

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。威尼斯app官方汽车的发动机,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。

    前文提到很多四冲程发动机,威尼斯app官方将其归为两类: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。    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。

  但威尼斯app官方是否曾经疑问过,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。


    两种循环工作状态和对应的p-v图  左侧为奥托循环,右侧为狄赛尔循环

  两种循环的工作程序

  威尼斯app官方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;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。威尼斯app官方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。

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Z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。


    同为2011款途锐,左侧柴油机Z高为6000转,基本不可达到而右侧汽油机,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。


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(

  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Z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,硫含量过高,多环芳香烃过多等,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。

解读汽车发动机 内燃机的诞生与发展

  远古至今,威尼斯app官方一直希望使用人体之外的物体帮助威尼斯app官方工作;希望发明一种工具代替威尼斯app官方劳作;希望制造一种机械可以利用自然界的资源把人类自身或其他东西从A处运送到B处;希望威尼斯app官方能方便而可控的使用这种机械;希望威尼斯app官方可以拥有使用更少的资源成本,可以更舒适的达到目的工具;希望该系统能够更自动、智能、安全。


    于是,汽车按照这种渐进的逻辑诞生,至今仍然发展着。在这篇文章里,小编着重介绍一下安装在汽车上的Z重要的机械装置——发动机。


老式蒸汽机

    1765年,经过瓦特改良了的,广泛使用的活塞式蒸汽机,推动了开始于18世纪中叶的欧洲工业革命。随后日子里,一些人不满蒸汽机的笨重,希望解决掉蒸汽机上沉重的锅炉,从而可以有更灵活的应用,于是他们打起了气缸的注意,甚至有人试想将炸药置于气缸中,爆炸推动活塞。显然这种方法不成功,但却引发了一系列“缸内燃烧做功”的想法。当人们发现可燃气体和空气以一定比例混合后,点燃后会爆炸,产生很大的压强和膨胀。如果这个程度可以控制得当的话,会是一种很好的能源技术。于是内燃机的时代来了。


    1824年 物理学家卡诺建立卡诺循环模型将热力学与动力联系起来,并设计理想状态下的卡诺热机,为提高内燃机效率指明了方向。

  1858年 勒努瓦发明了一款二冲程煤气发动机。该发动机用煤气和空气的混合气体取代往复式蒸汽机的蒸汽,使用电池和感应线圈产生电火花,用电火花将混合气点燃爆发。遗憾的是,这台煤气机气缸中,混合气体并未压缩便点燃做功,导致能量转换效率底下。

  1862年 阿尔方斯?德罗沙提出著名的等容燃烧四冲程循环:进气、压缩、燃烧膨胀、排气。但一直没有样机诞生。

  1876年 奥托制造了一台新型的,以煤气为燃料的四冲程内燃机。这台机器对汽车发动机来讲意义极大:直至现在,汽油发动机的运转仍延续这种形式——奥托循环。在后文中威尼斯app官方会着重介绍这种循环的特点。


从古至今,四冲程汽油机都是按照这四个步骤运转的

    1883年 曾是奥托公司工程师的戴姆勒,和好友迈巴赫制成了第一台四冲程往复式汽油机,并以极富创意的使用白炽灯为发动机点火,这样就将发动机转数提升到了每分钟1000转。而当时奥托发动机仅为两百转。次年戴姆勒将改良了的发动机装在了自行车上,成为史上首辆摩托车。

  1886年1月29日 德国的卡尔?本茨将之前自行研发的二冲程汽油发动机,安装在一辆三轮车上,并注册专利。该车具备现代汽车的一些基本特点,所以人们一致认为该车为历史上第一辆标准的汽车。


    第一辆汽车是这样的

  1897年 柴油机出世。德国工程师狄塞尔设想将吸入气缸的空气高度压缩,使其温度超过燃料的自燃温度,再用高压空气将燃料吹入气缸,使之着火燃烧。他首创的压缩点火式内燃机于1897年研制成功,为内燃机的发展开拓了新途径,柴油和柴油机也以发明者而命名为diesel。


    当出现Diesel牛仔裤的广告,有人问你是什么牌子的时候,你可以淡定的回答:柴牌!

  就这样,汽油机和柴油机诞生了。时至今日,虽然现代发动机在功率、油耗、稳定性等性能都有很大程度提高,但基本工作原理完全没有变化。


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