上一回我们聊了柴油车在国内为何不流行的原因,今天我们接着聊更多关于柴油机的有趣知识。不知道大家想过没,一台2.0T排量的柴油机,动力表现不输于一台3.0排量的V6汽油机,而油耗却只相当于一台1.0排量的微面发动机……这听起来很魔幻,甚至有点天方夜谭。
根据网上的“主流说法”汽油机的热效率通常在35%左右,而柴油机热效率可以达到45%左右,因为热效率更高,所以省油。这说法对么?——如今最新的汽油机在采用阿特金森/米勒循环之后,热效率极限能做到40%,然而柴油机却已经做到50%了。
因此柴油机热效率永远高于汽油机,这说法并没毛病!然而柴油机热效率为啥就高于汽油机呢?网上很少有文章说清说透的。今天我们就硬核的来解释柴油机为啥更省油这件事儿!我将会从柴油机、汽油机不同的“空燃比控制原理”和“不同的燃烧过程”两部分来讲述。
首先复习“空燃比”这个基本常识。1克重量的标准汽油自由燃烧直到汽油全部烧完,需要消耗的空气量约为14.75克——也就是说每燃烧1克重量的汽油,它就要消耗掉14.75克的空气。这就是“理论空燃比”。通常汽车工业上把数字简化为14.7或者14.8。
而换成标准柴油,情况也基本类似:实验室里测得的柴油理论空燃比是14.3(也就是说每燃烧1克重量的柴油,它就要消耗掉14.3克的空气)。——记住了汽油和柴油的“理论空燃比”数据之后,我们就可以开展对比了!
首先是汽油机:为了保证汽油能充分燃烧,现代化汽油机的基本原理都是基于“恒定空燃比”原理。也就是说电脑会尽一切可能,尽量让发动机工作时,空燃比稳定在14.75附近。具体原理是:用空气流量传感器测定发动机的进气量,就能够计算出“需要喷射多少汽油”了。
而汽油机的具体控制方式叫做“量调节”原理:当我们踩油门的时候,节气门就开的更大一些(把节气门理解成“家里的窗户”,窗户开的越大,吹进家里的风也就越大),发动机进气量也就越大,电脑检测到进气量信号后,会自动“多喷油”,强行维持14.75的空燃比。
而柴油机的基本原理和汽油机完全不同!柴油机是基于“变空燃比”原理的。变化范围在80:1到18:1之间!——可以看到柴油机工作时全范围都处于“空气严重过量”的状态。这是因为柴油的燃烧速度很慢,如果工作在14.3的理论空燃比,那黑烟滚滚煞是好看!所以需要过量空气来确保柴油的完全燃烧。
此外,柴油机的具体控制方式叫做“质调节”原理:当我们踩油门的时候,其实是直接控制喷油量的(柴油机进气是自由进气)。喷油量变化,空燃比当然也就变化了!
导致汽油机和柴油机本质原理不同的原因,是汽油和柴油这2种燃料本身的物理特性差异。汽油蒸发速度快,很容易形成汽油蒸汽。一碗汽油不到1天就全蒸发完了,而柴油是很难蒸发的,一碗柴油放1个星期后还是一碗。
正是因为汽油蒸发气化的快,所以只要把汽油喷射成细小颗粒,它就能瞬间全部变成气态,然后和空气混合到一起,火花塞的火星一点它就炸!——而柴油蒸发的很慢,油喷射成细小颗粒后,依然是“液滴”状态,所以靠火花塞根本点不燃。——只能依靠气缸内高温强行引燃!
因此汽油机的点火方式是“电火花点燃”;而柴油机是“活塞压燃”。这也导致了汽油机和柴油机不同的压缩比特征。汽油机压缩比一般不超过11(马自达创驰蓝天那个原理比较特殊,不在讨论范围),因为过高的压缩比会导致“爆震”发生(火花塞没点火之前,气缸里的汽油不受控的自燃现象)
而柴油机为了让气缸温度达到柴油引燃的程度,就需要极高的压缩比。因为压缩比越高,气缸里的空气被挤压的越狠,温度就能越高。要达到柴油的自燃温度(380度以上)至少需要14以上的压缩比。因此柴油机压缩比通常都在16~22范围。高压缩比是导致柴油机比汽油机省油的一个重要原因。
除此之外,汽油机和柴油机截然不同的燃烧过程也注定了它们的效率不同。上面我们说过,汽油很容易蒸发、气化,然后和空气混合到一起。所以汽油的燃烧,实质上是“汽油蒸汽在燃烧”,而并不是“液态汽油燃烧”。正是因为如此,汽油的燃烧速度极快!火花塞点火之后的数毫秒之内就已经烧完了。
所以汽油机点火之后,气缸里的汽油蒸汽,燃烧过程基本就是“一瞬间”就结束(我们称之为“爆燃”)。瞬间的“爆燃”导致气缸里产生很强烈的压力波,导致活塞表面压力瞬间升高,于是活塞被推动……因为“爆燃”过程仅仅几个毫秒,从开始到“爆燃”结束,活塞位置几乎就没移动几毫米,所以汽油机的这种“爆燃”工作方式也被叫做“定容燃烧”(整个燃烧过程,气缸容积变化不大)。
反观柴油机,柴油液滴的燃烧速度本身就很慢、过程很柔和,因此柴油在气缸里被点燃之后,一边燃烧,一边产生二氧化碳,一边推动活塞下行。可以说活塞整个下行过程中都受到恒定不变的推力。所以柴油机的这种工作方式也被叫做“定压燃烧”(做功行程,缸压几乎不变)。
根据工程热力学原理,“定压燃烧”的效率明显高于“定容燃烧”,这就是导致柴油机油耗比汽油机更低的第二个关键原因。吃得少,干的多这就是柴油机!也许随着新能源的普及,国六B柴油机将会是“末代柴油机”,柴油车用一台少一台了!珍惜吧!
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