柴油发动机工作原理及与汽油机的对比

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往复活塞式内燃机所用的燃料主要是汽油和柴油。由于两种燃料的性质不同，所以在发动机的工作原理和结构上也不相同。本篇除了介绍四冲程柴油发动机的工作原理外，还对汽油机和柴油机进行了对比。

一、柴油机工作原理

和汽油机一样，柴油机每个工作循环也是由进气、压缩、做功和排气行程组成。与汽油相比，柴油自燃温度低、黏度大、不易蒸发，因而柴油机采用压缩终点自燃点火。

柴油机工作原理如图1所示，接下来将分别进行介绍。

1、进气行程

进入气缸的工质是纯空气。

由于柴油机进气系统阻力较小，进气终了的压力一般为0.85~0.95倍的大气压，比汽油机高；进气终点的温度为300~340K，比汽油机低。

Note：K为热力学的开氏度，将摄氏温度换算成开氏温度时，将其加上273.15即可。例如，摄氏温度是30℃，那么开氏温度为：30 + 273.15 =303.15K。

2、压缩行程

由于压缩的工质是纯空气，因此柴油机的压缩比要比汽油机高（柴油机一般为16~22）。压缩终点的压力为3000~5000kPa，温度750~1000K，大大超过柴油的自燃温度（约为520K）。

3、做功行程

当压缩行程接近终了时，在高压油泵作用下，将柴油以10MPa左右的高压，通过喷油器喷入气缸燃烧室中，在很短的时间内与空气混合后立即自行发火燃烧。气缸内气体的压力急速上升，最高达5000~9000kPa，最高温度达1800~2000K。

由于柴油机是靠压缩自行着火燃烧，故称柴油机为压燃式发动机。

4、排气行程

柴油机排气与汽油机基本相同，只是排气温度比汽油机低，一般为700~900K。

二、柴油机和汽油机对比

二者的不同主要体现在以下6个方面：

1、混合气形成方式不同：这是由于汽油和柴油在蒸发性和流动性上的差别。除了缸内汽油直喷的汽油机外，现在绝大部分汽油机的可燃混合气是在气缸外部准备好的；柴油机的可燃混合气是在气缸内形成的。

2、可燃混合气着火方式不同：汽油机是点燃（指由电火花强制点火燃烧），柴油机是压燃（指可燃混合气在高温高压环境下自行着火燃烧）。

也即二者的燃烧模式不同，汽油机是预混合的火焰传播燃烧，柴油机则主要是扩散燃烧。正是因为燃烧模式不同，所以汽油机和柴油机的效率和污染物排放会有很大的区别。

3、压缩比对比：汽油机的压缩比受汽油爆燃的限制（压缩比过高会导致压缩终点的压力和温度升高，易使汽油机产生不正常燃烧，从而产生爆震），而柴油机压缩的是空气，其压缩比高于汽油机。

所以柴油机燃气膨胀充分，膨胀终了的气体温度较低，热量利用率高，热效率可达40%左右，汽油机只有30%左右。

4、质量和体积等方面：由于柴油机压缩比高，所以其启动困难，零件所受的机械负荷大，与相同功率的汽油机相比，其体积和质量大，制造和维修成本高，运转时振动噪声大。

5、排放物对比：由于柴油机的柴油与空气在气缸内混合的时间极短，通常需要比理论空气量多的过量空气，因此废气中的CO含量比汽油机低。

由于柴油在气缸内能充分燃烧，所以总的HC排放量比汽油机低得多，但NO_X（氮氧化合物）和PM（颗粒）排放量较高。

此外，由于柴油机的燃油经济性好，相应的CO₂排放量也比汽油机低。

6、其他：如柴油发动机转速低，汽油发动机转速高；汽油机多应用在轿车上，柴油机多用于各种货车和客车及工程机械等。

对于单缸发动机来说，其转速不均匀，发动机工作不平稳、振动大。这是因为四个行程中，只有一个行程是做功的，其他三个行程是消耗动力为做功做准备的行程。

为了解决这个问题，飞轮必须有足够大的转动惯量。但这样又会使整个发动机的质量和尺寸增加。所以，一般采用多缸发动机来弥补以上不足。