柴油发动机和汽油发动机到底有什么不同?哪个更好呢?
对于4冲程发动机(4-stroke engine)来说,第一个冲程是进气冲程,进气门打开。第二个冲程是压缩冲程,气门关闭压缩气体。第三个冲程燃烧做功。第四个冲程排气门打开排放尾气。活塞往复循环走两次720度。
不同的是,汽油机进气的时候进入的是汽油和空气的混合。而柴油机进入的只是空气。然后在活塞压缩气体到上止点后,汽油机靠火花塞点燃油气混合物,而柴油机直接喷油,由于压缩气体产生高温,柴油喷进去之后直接燃烧。
所以点燃方式的不同都产生了神马影响呢?
首先就是汽油和柴油的不同,汽油是短链(平均大概8个碳),柴油是长链(平均大概16个碳)。汽油需要在高温下不自燃,如果在点火之后,由于压缩空气温度上升,在火焰还没燃烧还没有传播到位置(end gas)油气混合物自燃了,就会产生爆震(knock)损坏发动机。柴油如果喷进去的时候在高温下不自燃,发动机就会熄火(misfire)。这都是不行的。
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第二就是压缩比的不同,导致热效率(efficiency)的不同。压缩比是指活塞在下止点是气缸体积/活塞在上止点气缸体积。根据某个我实在懒得贴上来的公式,压缩比越高,热效率越高。可是压缩比越大,在压缩冲程结束的时候缸内气体温度也越高。对于汽油机来说压缩冲程缸内温度太高不行的,会自燃爆震啊。可是柴油机后喷油就不存在这个问题了,温度高好啊,反正就是要自燃么。压缩比的不同,就直接导致了柴油机的热效率远远的大于汽油机。
这就引出了第三点。柴油机热效率比汽油机好那么多,为什么不都用柴油机算了呢?答案是多么的简单,因为柴油机脏啊,就是说排放不过关啊。为什么柴油机排放大呢?首先是氮氧化物(NOx),根据另一个我懒得贴出来的公式,NOx的形成速率是跟温度呈指数关系的,前面也说到柴油机压缩比大所以燃烧温度高,所以生成的NOx显然更多。另一个就是碳烟(soot)啊,就是传说中雾霾的元凶。汽油机中油气是均匀混合的,所以反应过程中油气充分接触产生的soot相对很少。可是柴油机就不一样了,油喷进去直接燃烧,根本来不及混合啊,所以接触不到足够空气的油在高温下直接热解(pyrolysis)形成了soot。
再来说Otto Cycle 和 Diesel Cycle 的区别:
Otto Cycle 假定 Heat addition 过程中,也就是燃烧过程中,气缸体积不变,可能是由于汽油机油气预先混合,所以燃烧过程迅速,于是假定放热过程气缸体积不变。Diesel Cycle 则是假定放热过程中气缸中压力不变,大概是由于汽油机是压燃,一边燃烧一边有新的油喷进去,燃烧过程相对汽油机缓慢,所以假定燃烧过程中气缸中压力不变。这两个 Cycle 只是理想模型而已,实际汽油机和柴油机的燃烧过程都是介于两者之间的。