一文分析汽油機(jī)和柴油機(jī)的異同

稍微對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有所了解的人都明白，汽油機(jī)和柴油機(jī)有著天壤之別，最顯著的區(qū)別當(dāng)然是汽油機(jī)燒的是汽油，柴油機(jī)燒的是柴油。對(duì)于燃燒方式，兩者也是明顯不同的，汽油機(jī)是點(diǎn)燃的，而柴油機(jī)是壓燃的。相比而言，汽油機(jī)的壓縮比較低，一般在9-11之間，而柴油機(jī)的壓縮比高，一般為15-22。柴油機(jī)的燃燒效率也比汽油機(jī)高，一般為34%-45%，而汽油機(jī)只有30%左右。汽油機(jī)的主要排放物是HC和CO，而柴油機(jī)的主要排放物還有NOx和顆粒物（PM），因此后處理裝置也是不一樣的，汽油機(jī)主要是三元催化劑，而柴油機(jī)主要有DPF（顆粒捕集器）和SCR（選擇性催化還原）。

柴油機(jī)的功率大、熱效率高，汽油機(jī)就眼紅了，于是就從柴油機(jī)上“偷”了不少技術(shù)，經(jīng)過(guò)工程師的調(diào)試與優(yōu)化，不斷地提高汽油機(jī)的性能，提高熱效率，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

NO.1 缸內(nèi)直噴

由于柴油機(jī)用的燃料是柴油，它的粘度比汽油大，且不容易蒸發(fā)，而其自燃溫度卻比汽油低。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，進(jìn)入氣缸的是空氣，氣缸中的空氣壓縮到終點(diǎn)的時(shí)候氣體處于高溫高壓的狀態(tài)（T=500-700°C，P=40-50 bar），活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，供油系統(tǒng)的噴油嘴以極高的壓力在極短的時(shí)間內(nèi)向氣缸燃燒室噴射燃油，柴油形成細(xì)微的油粒，與高溫高壓的空氣混合，可燃混合氣自行燃燒，猛烈膨脹產(chǎn)生爆發(fā)力，推動(dòng)活塞下行做功。

而汽油粘性小，蒸發(fā)快，進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射系統(tǒng)將汽油噴入進(jìn)氣道中，通過(guò)與空氣混合，形成可燃混合氣，經(jīng)過(guò)壓縮達(dá)到一定的溫度和壓力后，用火花塞點(diǎn)燃，使氣體膨脹做功。

而缸內(nèi)直噴（GDI）技術(shù)則是汽油機(jī)從柴油機(jī)“偷”來(lái)的，缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射系統(tǒng)直接將汽油噴射到燃燒室內(nèi)，形成油氣混合氣。這樣缸內(nèi)直噴的發(fā)動(dòng)機(jī)就可以根據(jù)進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)刻，來(lái)精確知道進(jìn)入汽缸燃燒的空氣量的多少，從而根據(jù)進(jìn)氣量來(lái)決定噴出的燃油量。而進(jìn)氣量可以通過(guò)整車(chē)的負(fù)荷來(lái)決定，在怠速或者低負(fù)荷時(shí)，進(jìn)氣門(mén)開(kāi)度小，噴油量少。高負(fù)荷時(shí)，進(jìn)氣門(mén)全開(kāi)，進(jìn)氣量大，噴油量也大，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的功率能滿足需求。這樣，既能保證發(fā)動(dòng)機(jī)功率，又能實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。但需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，即使是缸內(nèi)直噴的汽油機(jī)，壓縮的仍然是油氣混合氣，只是將噴油的位置從進(jìn)氣道變到了燃燒室內(nèi)，而柴油機(jī)壓縮的是空氣，這是缸內(nèi)直噴的汽油機(jī)和柴油機(jī)顯著的不同。而且缸內(nèi)直噴汽油機(jī)雖然也是高壓噴射，但是相比柴油機(jī)的高壓來(lái)還是小巫見(jiàn)大巫。

NO.2渦輪增壓

渦輪增壓技術(shù)最早是在船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上開(kāi)始采用的，隨后在軍用飛機(jī)以及軍艦上逐步采用。在汽車(chē)用渦輪增壓動(dòng)力早期的發(fā)展史中，卡特彼勒是率先將渦輪增壓技術(shù)推廣到乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上的企業(yè)之一。直到上世紀(jì)七十年代，渦輪增壓技術(shù)才因?yàn)槭臀C(jī)的原因迎來(lái)了大發(fā)展的時(shí)期。1973年爆發(fā)的石油危機(jī)直接導(dǎo)致了汽油和柴油價(jià)格在全球范圍內(nèi)的瘋漲，此時(shí)在商用車(chē)市場(chǎng)中搭載渦輪增壓器的柴油車(chē)開(kāi)始熱銷(xiāo)。隨后，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始在賽道上大放異彩，1968年，搭載渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的STP-Paxton賽車(chē)獲得了Indy500賽事的冠軍。由于渦輪增壓先是搭載在柴油機(jī)上，隨后才搭載在汽油機(jī)上，因此也能認(rèn)為是汽油機(jī)從柴油機(jī)上“偷”過(guò)來(lái)的。

渦輪增壓原理

渦輪增壓都是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖力來(lái)推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪帶動(dòng)同軸的葉輪，葉輪壓縮輸送由空氣濾清器管道來(lái)的空氣，使之增壓之后進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增快，廢氣的排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪又壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以使更多的燃料充分燃燒，相應(yīng)的增加燃料量和調(diào)整一下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以實(shí)現(xiàn)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率了。

大眾宣傳的高科技神器——TSI+DSG的黃金組合中的發(fā)動(dòng)機(jī)，便是采用了缸內(nèi)直噴和渦輪增壓技術(shù)的組合，其實(shí)兩者都是從柴油機(jī)上“偷”來(lái)的，不過(guò)在歐洲，乘用車(chē)中，柴油車(chē)的比例本來(lái)就不比汽油車(chē)低，有著豐富的研究和制造柴油機(jī)經(jīng)驗(yàn)的大眾，將柴油機(jī)的優(yōu)勢(shì)移植到汽油機(jī)上也是情理之中的事。

NO.3高壓縮比

內(nèi)燃機(jī)氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積的比值，是內(nèi)燃機(jī)的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)?；钊幱谙轮裹c(diǎn)時(shí)氣缸有最大容積，用Va表示；活塞處于上止點(diǎn)時(shí)氣缸內(nèi)的容積稱(chēng)為燃燒室容積，用Vc表示。內(nèi)燃機(jī)的壓縮比ε=Va/Vc，它表示活塞從下止點(diǎn)移動(dòng)到上止點(diǎn)時(shí)氣缸內(nèi)氣體被壓縮的程度。汽油機(jī)一般為9-11，柴油機(jī)為15-22，由此可見(jiàn)，柴油機(jī)的壓縮比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于汽油機(jī)。

壓縮比對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能有多方面的影響。壓縮比越高，熱效率越高，但隨壓縮比的增高，熱效率增長(zhǎng)幅度越來(lái)越小。壓縮比增高使壓縮壓力、最高燃燒壓力均升高，故使內(nèi)燃機(jī)機(jī)械效率下降。但總體來(lái)說(shuō)，提高壓縮比可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。這也是柴油機(jī)的效率大于汽油機(jī)的關(guān)鍵原因。

既然如此，汽油機(jī)為什么不提高壓縮比呢？這是由于汽油機(jī)如果壓縮比過(guò)高的話容易產(chǎn)生爆震。當(dāng)發(fā)生爆震時(shí)如果爆震程度較為嚴(yán)重時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)是極為有害的。此時(shí)，氣缸內(nèi)的燃燒反應(yīng)極為劇烈，壓力變化異常，由此所產(chǎn)生的沖擊波會(huì)使得燃燒室內(nèi)的氣體產(chǎn)生震動(dòng)，甚至可以聽(tīng)到發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)產(chǎn)生金屬敲擊聲，嚴(yán)重情況下會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，將缸體擊穿，產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞。

因此提高壓縮比的制約因素是爆震，一般的汽油機(jī)壓縮比在11左右，能到12已經(jīng)算是很高了，而馬自達(dá)對(duì)外宣稱(chēng)其創(chuàng)馳藍(lán)天技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)能達(dá)到13：1的壓縮比，但是這個(gè)“壓縮比”卻大有文章。這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)可以看做是阿特金森循環(huán)（或者米勒循環(huán)），從壓縮比的定義上我們可以理解為活塞上下止點(diǎn)時(shí)氣缸容積之比。但是，米勒循環(huán)的主旨在于追求“膨脹比大于壓縮比”，所以在壓縮沖程的開(kāi)始階段，進(jìn)氣門(mén)并沒(méi)有關(guān)閉，而是偷偷的放走剛剛吸進(jìn)的空氣，這樣看來(lái)，實(shí)際壓縮沖程就被縮短了，實(shí)際壓縮比也遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到13：1。這就解釋了為什么如此高壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)可以不使用高標(biāo)號(hào)燃油了。其實(shí)，廣義上來(lái)說(shuō)，這類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)統(tǒng)稱(chēng)為“阿特金森-米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)”，原理相同，目的都是提高熱效率。

由此我們可以發(fā)現(xiàn)，高壓縮比是柴油機(jī)的法寶，汽油機(jī)努力了這么些年，也才升高了一點(diǎn)點(diǎn)，遠(yuǎn)不及柴油機(jī)的壓縮比，可謂是“偷”也“偷”不走，但是汽車(chē)工程師仍在不懈的努力，通過(guò)各種手段在不發(fā)生強(qiáng)烈爆震的前提下提高汽油機(jī)的壓縮比，從而提高汽油機(jī)的熱效率。

NO.4 壓燃

“汽油是點(diǎn)燃的，柴油是壓燃的”這是一個(gè)關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)的常識(shí)，但是這個(gè)常識(shí)也在逐漸被打破，汽油機(jī)正在“偷”柴油機(jī)壓箱底的法寶——壓燃。

柴油機(jī)工作原理

均質(zhì)充量壓縮燃燒（HCCI，Homogeneous Charge Compression Ignition）是一種以往復(fù)式汽油機(jī)為基礎(chǔ)的一種新型燃燒模式，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是汽油機(jī)的一種壓燃方式，兼有傳統(tǒng)汽油機(jī)均質(zhì)混合氣與柴油機(jī)高燃燒效率的優(yōu)點(diǎn)，具有實(shí)現(xiàn)高效、低排放燃燒的巨大潛力。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，都是向汽缸里面注入比例非常均勻的空氣和燃料混合氣。傳統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)火花塞打火，點(diǎn)燃空氣和燃料混合氣產(chǎn)生能量。但HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)則不同，它的點(diǎn)火過(guò)程同柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相類(lèi)似，通過(guò)活塞壓縮混合氣使之溫度升高至一定程度時(shí)自行燃燒。

實(shí)現(xiàn)HCCI必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造，可變壓縮比、EGR和VVT都是實(shí)現(xiàn)HCCI的手段，但是實(shí)現(xiàn)HCCI具有很大的局限性，只有在中、低負(fù)荷轉(zhuǎn)速工況下的HCCI才能達(dá)到最佳的燃燒效率和排放。而在起動(dòng)階段和高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷工況還必須采用傳統(tǒng)的點(diǎn)燃方式。目前被主流所接受的方式是用在混合動(dòng)力車(chē)型上和電動(dòng)機(jī)配合或者HCCI/SI雙模發(fā)動(dòng)機(jī)。

在理論研究方面，同濟(jì)大學(xué)的李理光教授已通過(guò)改變EGR率和VVT實(shí)現(xiàn)了HCCI/SI的切換。在實(shí)際運(yùn)用研發(fā)上，奔馳和GM走在了前列，其設(shè)計(jì)的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)可以比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)油15%左右。相信隨著技術(shù)難關(guān)的逐漸攻克，HCCI技術(shù)將會(huì)快速普及到大眾當(dāng)中，作為一種新的節(jié)能增效技術(shù)，為地球的藍(lán)天作一份貢獻(xiàn)。

?最后兩句

目前，汽油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)就是“柴油機(jī)化”，渦輪增壓、缸內(nèi)直噴等等這些曾經(jīng)在柴油機(jī)上的技術(shù)逐步在汽油機(jī)上得到普及，提高了汽油機(jī)的性能和熱效率，而有些則是正在研究的有希望出現(xiàn)在汽油機(jī)上的技術(shù)，如壓燃（HCCI）。隨著汽油機(jī)和柴油機(jī)技術(shù)的趨同化，也許有一天汽油機(jī)和柴油機(jī)之間的鴻溝就消失了，同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)既可以燒汽油，又可以燒柴油，真正實(shí)現(xiàn)汽油和柴油的“天下一統(tǒng)”。