新聞主題	汽油機和柴油機速度特性的比較

 

摘要：汽油機和柴油機都屬于內燃機，都是燃燒燃料后通過推動氣缸內活塞作往返運動來將燃料中的化學能量轉換成為驅動車輛前進的機械能量，因此兩者的工作原理大體是相同的。汽油機與柴油機的最主要的區別在于燃料物理特性所引起的點火方式的區別，從而表現出各自不同的熱效率、經濟性、外形特點，以及功率和速度特性曲線。

 

一、汽油機和柴油機的主要不同

 

1、混合氣形成上的區別

      汽油與柴油的性能差異會引起發動機在混合氣形成上的不同。與柴油相比，汽油揮發性強，因而可能在較低溫度下以較充裕的時間在氣缸外部進氣管中形成均勻的混合氣，因而控制混合氣的數量，便能調節汽油機的功率。而柴油揮發性差，但粘性比較好，不可能在低溫下形成油氣混合氣，但適宜用油泵油嘴向汽缸內部噴油，靠調節供油量來調節負荷，而吸入的空氣量基本上是不變的。

2、著火與燃燒上的區別

      汽油與柴油的性能差異同時會引起著火與燃燒上的不同。汽油自燃溫度較高，但汽油蒸氣在外部引火條件下的溫度較低，因而不宜壓燃但適宜外源點火；為促使有規律的燃燒，應防止其自燃(壓縮比不能高);而且由于混合氣均勻，著火后，以火焰傳播的方式向均勻的混合器展開。對于柴油，則利用其化學安定性差，易自燃的優點，采用壓縮自燃的方式；為促進自燃，壓縮比不宜過低，柴油的噴射及與空氣的混合，既短暫有不均勻，常有隨噴隨燒的現象，因而使燃燒時間延長。

3、燃油耗上的區別

（1）汽油機內混合氣體點燃后，瞬間燃燒，并爆發出能量，所以可以在單位時間內可以多次重復該循環，用高轉速輸出高功率，因而很小的體積，輕盈的體重，就能擁有較高性能和更快的響應速度，寬泛的轉速區間也能夠帶來更好的操控感覺。但汽油機的壓縮比往往只有柴油機的一半，做功行程時缸內溫度和壓力比柴油機低很多，所以熱效率比較低，也就是俗稱的“費油”。

（2）柴油機噴入燃料后，燃燒需要一定的時間，所以適合較低轉速下讓燃油充分燃燒以帶來大扭矩，而為了對抗氣缸內高壓和大扭矩，柴油機的汽缸和活塞的連桿等零件都要比汽油機強壯，所以較汽油機更笨重。但也正是柴油機因為高壓縮比低轉速的特性，能把熱量更好的轉化成動能，所以柴油機有著更好的熱效率，也就是更好的油耗表現。

4、點火系統的不同

（1）汽油發動機中，油氣混合氣進入氣缸后，在壓縮接近終了時由火花塞點燃。因此，汽油發動機需要一套控制何時讓火花塞工作的點火系統，為保證汽油機的正常工作，必須精確控制火花塞放電的時刻和火花能量的大小，故燃料供給系和點火系是發生故障比例較高的部位。此外由于汽油的燃點較低，汽油機的壓縮比就不能太高，以免油氣自燃，因此其熱效率和經濟性較柴油機為差。汽油機的優點在于其體積小、重量輕、價格便宜、起動性好，最大功率時的轉速高，工作中振動及噪聲小。

（2）柴油機采用壓縮空氣的辦法提高空氣溫度，使空氣溫度超過柴油的自燃燃點，這時再噴入柴油、柴油噴霧和空氣混合的同時自己點火燃燒。因此，柴油發動機無需點火系。同時，柴油機的供油系統也相對簡單，因此柴油發動機的可靠性要比汽油發動機的好。由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要，柴油機壓縮比很高。熱效率和經濟性都要好于汽油機，同時在相同功率的情況下，柴油機的扭矩大，最大功率時的轉速低，適合于載貨汽車的使用。柴油機的噴油泵與噴嘴制造精度要求高，所以成本較高；另外，柴油機工作粗暴，振動噪聲大；柴油不易蒸發，冬季冷車時起動困難。

 

二、汽油機和柴油機的外特性區別

 

      眾所周知，發動機輸出功率=發動機輸出扭矩*發動機轉速，也就是說，馬力越大，是發動機扭矩和轉速的乘積越大，并不代表發動機越有勁。如果發動機運行在非常高的轉速，即使發動機輸出扭矩較小，仍然能夠輸出較大的功率。在相同排量和技術水平下，通常柴油機的額定轉速低功率低但最大扭矩大，而汽油機的額定轉速高功率高但最大扭矩小。額定轉速是發動機輸出功率最大時對應的發動機轉速，汽油機的額定轉速是一個看得見但一般用不到的轉速，通常在5000rpm及以上。

      為了更清楚的說明這一點，李Sir通過發動機外特性曲線來說明。外特性曲線是發動機在不同轉速下全油門運行時的特性曲線，通常分析使用外特性功率和外特性扭矩。下面的例子展示了相同馬力的柴油機和汽油機的外特性曲線。

1、外特性功率曲線

如1圖所示的外特性功率曲線，可以看出：

（1） 柴油機和汽油機的最大功率一樣，都是170馬力；

（2） 柴油機的最大功率出現在3600rpm，汽油機的最大功率出現在4800rpm。

2、外特性扭矩曲線，

如2圖所示的外特性扭矩曲線，可以看出：

（1） 雖然最大功率一致，但柴油機的扭矩明顯比汽油機高；

（2） 柴油機的怠速扭矩高于汽油機的怠速扭矩，柴油機低速起步有勁；

（3） 柴油機在常用轉速2000rpm左右扭矩達到450Nm，而汽油機在同轉速下扭矩僅有200Nm左右，柴油機比汽油機更有勁；

（4） 在3600rpm左右，柴油機最大功率對應的扭矩大約330Nm，比同轉速下汽油機的扭矩略大；

（5） 更高轉速下汽油機仍有較大扭矩輸出，柴油機扭矩則快速下降，因為高轉速實際很少使用，所以一般看不出來區別。

 

圖1  柴油機和汽油機的功率對比曲線

圖2  柴油機和汽油機扭矩對比曲線

 

三、柴油機和汽油的速度特性區別

 

      汽油機的速度控制開關直接控制節氣門開度，所以汽油機的速度特性是指節氣門位置一定時汽油發電機的性能指標隨轉速的變化規律。汽油機的外特性曲線是指節氣門開度最大時，發電機的性能指標隨轉速的變化規律。這里汽油發電機的性能指標主要指轉矩Ttq、輸出功率Pe和燃油消耗率be。

1、適應系數

      發電用柴油機的轉矩儲備系數，是用來評價發電機組不加油門條件下的克服短期超載的能力，是表征發電機組動力性的主要指標之一。發電機組的這種性能主要取決于柴油機轉矩的外特性曲線形狀。所以，轉矩儲備系數定義為

 Φ_tq=T_tqmax/T_tqn....................(公式1)

      式中，T_{tq max}為外特性上最大轉矩；T_tqn為額定功率點的轉矩。

      轉矩儲備系數只表示柴油機轉矩的變化所能克服的外界阻力變化的大小，即Ф_tq越大，短期超載能力越強。但對一定的外界阻力曲線，對不同的柴油機外特性曲線，由于T_tq隨n的變化特性不同，其克服外界阻力的能力就不一樣。這就是說柴油機對外界阻力的適應性，除中以外，還與轉速變化特性有關。因此也定義轉速儲備系數，即

 Φ_n=n_n/n_tq........................(公式2)

      式中，n_n為額定功率點轉速；n_tq為最大轉矩點轉速。

      圖3所示為當A、B兩臺柴油機的Ф_tq和n_n（圖中n₁＝n_n）分別相同而n_tq不同（分別為n_2A和n_2B）時所能克服的外界阻力矩的能力。其中，B柴油機由于最大轉矩出現在較高轉速區，即其使用轉速范圍窄，所以所能克服的最大外界阻力矩為T_R2，若阻力矩進一步增加，則柴油機輸出的轉矩T_tq＜T_R，克服不了外界阻力，所以轉速不斷降低直到熄火。而A柴油機的最大轉矩雖然與B柴油機的相同（Φ_tq相同），但T_tqmaxA出現在更低的轉速范圍（n_2A＜n_2B），拓寬了其使用轉速范圍，所能克服的最大阻力矩提高到T_R3（T_R3＞T_R2），表明A 柴油機克服外界阻力的潛力比B柴油機大。這就是說，n_tq越低，Φ_tq越大，在不換檔的條件下，柴油機克服阻力的能力越強，特別是有利于一檔起步性能。因此，發電用柴油機要求低速轉矩特性良好，且使用轉速范圍越寬越好。

      兼顧Φ_tq和Φ_n對柴油機克服外界阻力能力的影響，引入柴油機適應系數中Φ_tqn的概念，由此衡量一臺柴油機的動力性對外界阻力變化的適應能力，即

Φ_tqn=Φ_tqΦ_{n .........................................}  (公式3)

      根據上述汽油機和柴油機速度特性的分析，由于柴油機轉矩隨轉速變化的曲線比較平緩，所以其Φ_tq和Φ_n值較小，因此與汽油機相比較，柴油機對外界阻力的適應能力較差。

      一般，汽油機  Φ_tq＝1.25～1.35，Φ_n＝1.6～2.5， Φ_tqn=2.0~3.4；而柴油機  Φ_tq＝1.05～1.25，Φ_n＝1.4～2.0， Φ_tqn=1.5~2.5。

2、最高轉速       

      由于汽油機使用轉速高，且其Φ_c隨n變化比較陡，造成高速區T_tq迅速降低，因此功率曲線也比較陡。當轉速超過額定轉速時，功率迅速降低，因此限制了汽油機輸出功率為零的最高轉速。但是柴油機，由于使用轉速范圍較低，且Φ_c隨n變化較小，所以T_tq隨n變化平緩。因此功率隨轉速的增加而增加，曲線變化緩慢，所以對應輸出功率為零的最高轉速很高。這就是說柴油機限速是一個很重要且不可粗心大意的問題。特別是柴油機電控化以后，取消了機械式調速器，直接用數據MAP圖來控制。因此，從柴油機運行可靠性和安全角度而言，最高轉速的限速MAP圖具有重要的意義，不可忽略。否則，可能發生飛車事故。

3、經濟性

      對于柴油機在不同負荷下，由于質調節，無進氣節流損失，而且質調節，所以Φ_c和η_i隨轉速變化平坦，同時柴油機使用轉速范圍比汽油機低。而汽油機隨負荷的減小，節流損失增加，不僅Φ_c降低，而且由于殘余廢氣系數的增加，轉速也降低。因此，柴油機的隨轉速變化緩慢，而且比汽油機的還要低。

      從圖4中可以讀出每個特定轉速下柴油機不同功率狀態時的扭矩、燃油消耗率和其它參數，并可以觀察出柴油機最佳經濟運行區域。這就叫柴油機的萬有特性曲線，它指以柴油機轉速為橫坐標，以平均有效壓力或扭矩為縱坐標，將柴油機各轉速下的負荷特性曲線、速度特性曲線、功率和油耗等參數綜合到一起繪出的曲線。

 

圖3  轉速對儲備系數的影響曲線圖

圖4  發動機萬有特性曲線圖

 

總結：

隨著世界能源危機和、環境污染的日益嚴重，節約能源，保護生態環境、減少污染已是當今世界各國的共識。大量研究結果表明，柴油機是日益產業化應用的各種動力機械中熱效率最高、能量利用率最好、最節能、有害廢氣排放量較少的一種機型。在相同路況下，柴油機與同等排量汽油機的油耗比例為7:10。柴油機不但有優良的燃油經常性，還具有很大的改進潛力。世界上最先進的柴油機技術——CDRI(高壓共軌柴油直噴技術)可使柴油發電機更節能、排放更環保，因此，越來越受到企業和用戶的重視。

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