趣味现象:汽油机不断提升压缩比,柴油机为何不断下调呢?

序:

  • 在解析问题之前首先要了解什么是「压缩比」
燃油汽车装备的是活塞往复循环式·内燃式热机 , 这种机器做功的基础是燃烧产生的热能 , 推动活塞在气缸内上下或左右的往复运转;与活塞连接的是发动机的曲轴 , 活塞的运转等于推动曲轴输出动力 。
  1. 活塞扫过的空间(行程)小于气缸总空间(容积)
  2. 总容积-活塞行程=燃烧室容积
  3. 总容积÷燃烧室容积=压缩比
这就是压缩比的概念 , 但为什么要压缩呢?内燃机压缩的实际为进入气缸内部的空气 , 空气在压缩的过程中会出现分子的不规则碰撞摩擦;摩擦生热是最常见的物理现象 , 压缩的初衷就是为产生热能 。
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汽油机压缩比≤15:1几乎是汽油内燃机的极限标准 , 大部分多点电喷机会在10:1左右 , 缸内直喷发动机的压缩比普遍为13:1左右 。 压缩比前面的数字越大则空气被压缩的程度也就越大 , 说白了就是空气被“压得更狠一些”;那么在压缩过程中就会产生更强烈的碰撞 , 产生的热能当然会更多 。
简而言之 , 压缩比越高的发动机缸内温度与压力都会越高;高温是提高燃烧效率(扭矩)的基础 , 为什么这么说呢?
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汽车与摩托装备的发动机均为四冲程机 , 运行步骤为以下四个步骤 。
  • 进气喷油
  • 压缩蒸发
  • 燃烧做功
  • 排气吸气
最核心的步骤往往被认定为做功冲程 , 其实更重要的是压缩过程;因为液态燃油的燃烧速度很慢 , 只有蒸发为气态后才能在几十毫秒的刹那间 , 让燃油尽量的接近充分燃烧 。
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固定量的燃油燃烧程度越充分 , 转化出的热能当然也就越多 , 这些热能推动活塞曲轴运转最终“创造”的就是「扭矩」了 。
也就是说热能越高扭矩越大 , 压缩蒸发的程度越理想则热能越高;那么在点火强度与燃烧效率相当的前提下 , 参与燃烧燃油多为气态当然会产生更大的扭矩了——这就是汽油机要提高压缩比以升级蒸发效率的原因 , 但为何柴油机要下调呢?
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柴油机压缩比柴油内燃机的压缩比总是很高的 , 最高可以达到22:1 , 由此可见这种发动机的蒸发与燃烧效率都会非常高 。 但是最低的标准也可以低至8:1 , 不过平均还在15-20:1的范围内 , 相比曾经普遍超20的标准可以说是越来越低了 。
然而柴油机的压缩比降低不是机器本身的原因 , 而是客观因素导致的结果;因为压缩比过高温度就会越高 , 在标注你过高的温度中会产生一种比较麻烦的物质 。
这种物质叫做「NOx·氮氧化物」 , 它的危害在于会加速形成偏酸性的雨水;而酸性水对于土壤和农作物都会产生相当的影响 , 所以柴油汽车的主要尾气检测物就是NOx , 但是为什么汽油机敢于升高呢?
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原因有两点 , 首先是很容易理解的“阈值”;不超过某个标准则产生氮气在允许范围内 , 而超过某个标准就会超标了 。
其次则是汽油机采用的是「点燃式·做功」 , 燃油与空气会在压缩冲程中进行充分的混合 , 第三冲程才会开始做功——压缩过程则为【预混合】 。 理想混合后的油气为扩散式燃烧 , 状态仅为与空气混合的区域进行氧化反应 。
但是柴油发动机是压燃点火做功 , 依靠的是超高压缩比产生的高温 , 以超过柴油燃点的标准直接引燃(无需火花塞电出电弧引燃);这种燃烧的方式类似于“喷射式”燃烧 , 产生的火焰温度是要高于汽油机的 , 标准可以超过600摄氏度 。


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