永不相交的兩條射線,汽油發動機與柴油發動機的那些事


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隨著環保法規和排放保準的日益嚴苛以及越來越多新造車勢力的出現,現如今的新能源汽車市場已經逐步地擴大。越來越多的純電車型開始走進了我們的生活並廣受關注。甚至越來越多的傳統汽車製造商也開始朝著這個領域進行轉型。似乎單純地由內燃機驅動的“汽車”這個概念早也已經被顛覆。但無論如何,對於我們這一代人來說,汽油機和柴油機這兩個名詞早已如同它們的歷史一樣深入人心。那麼這兩位老朋友從“出身”到“性格”都截然不同的原因以及它們各自的優勢究竟是什麼?這便是接下來要一一為你揭曉的。


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正如所有的故事一樣,一切都要從二者的起點開始講起。1876年,德國發明家奧托(Otto)運用羅沙的原理,創制成功第一臺往復活塞式、單缸、臥式、3.2千瓦(4.4馬力)的四衝程內燃機。這個名字是不是非常的熟悉?沒錯,我們所熟知的汽油機上的奧托循環正是因為這位偉大的發明家而被命名的。可以說這臺四衝程內燃機的出現正式標誌著汽油發動機橫跨一個多世紀的光輝歲月正式開啟。


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而在19世紀末這個歐洲工業革命末期的這個時間點,還有許許多多在人類工業進程中起著舉足輕重作用的人物存在。同樣來自德國的工程師狄塞爾就是其中之一。在1892年,他提出了將吸入氣缸的空氣高度壓縮,使其溫度超過燃料的自燃溫度,再用高壓空氣將燃料吹入氣缸,使之著火燃燒的設想。在經過了數次試驗和失敗之後,他首創的壓縮點火式內燃機(柴油機)於1897年研製成功。而柴油機的出現也讓內燃機步入了屬於它的“黃金年代”。


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隨著二者的先後問世,它們完全不同的物理特性和工作方式讓它們被運用在了不同的領域,就此朝著兩個不同的方向延伸。從這開始,就將開始講述它們本質上的不同。


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眾所周知,四衝程發動機在一個工作週期內要完成進氣、壓縮、做工以及排氣這四個衝程。柴油引擎在壓縮衝程之後會向氣缸內噴油,進氣衝程時只會吸入空氣,並不會像汽油發動機一樣混合著燃油。在壓縮衝程時也只是同樣壓縮氣缸內的空氣。由於此時氣缸內沒有燃油,因此相較汽油機,可以達到更高的壓縮比。也意味著此時氣缸內的壓力和溫度都會更高。然後傳統汽油發動機上的火花塞會被一個噴油嘴取代。在做工衝程時由噴油嘴向被壓縮後溫度極高的空氣噴入柴油,此時柴油便會被點燃使得空氣膨脹以此來讓活塞向下運動。


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正是因為柴油機高壓縮比的特性,也就讓它具備了相較汽油發動機更加省油的特點。對於汽油發動機來說,過大的壓縮比會讓其在壓縮階段就已經達到了足夠大的自燃溫度,導致在火花塞點燃可燃混合物之前便自行產生燃燒,導致爆燃。而柴油發動機則是截然相反,完全不需要擔心是否會因為過度壓縮而導致氣缸內的溫度高於柴油本身的自燃點。因為在直至壓縮衝程階段氣缸內只有空氣存在。足夠高的溫度可以當噴油嘴將柴油噴入氣缸的一瞬間便產生燃燒。同時,柴油機還有一個優勢便是由於在壓縮衝程中它只是單純地壓縮空氣而不是像汽油發動機那樣的可燃混合物。因此,理論上來說,想要通過渦輪或者機械增壓來達到更大的功率只需要考慮本身零部件的強度是否足夠。


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雖然柴油機和汽油機從一開始就註定了走在不同的道路上,但是實際上在一百多年的發展歷程中,或許是為了向環保政策妥協,或許是它們始終抱著互相尊敬並欣賞對方的心態。在某些方面,它們其實正在逐漸地靠近。早期時候柴油機沒有節氣門。節氣門的主要用途是用來控制發動機自身輸出多少動力。汽油機上可以隨著駕駛者油門的開度的增大讓發動機吸入更多的空氣來達到輸出更大動力的效果。但對於柴油機來說,最重要的是能夠控制噴入柴油量的大小。因此,一般柴油機不需要節氣門來控制進氣管路的開啟與關閉。


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但隨著科技的發展以及排放法規。如果想要讓柴油機實現更大的動力輸入,更大量的柴油噴入以及不斷循環過程中被排除更多的廢氣必然無法讓柴油機符合環保的趨勢。因此,在一些現代柴油機的進氣管路上也裝置了節氣門。這麼做的主要目的便是能夠通過控制進氣歧管內的壓力來加強廢氣的再循環。


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值得一提的是,我們現在口中所說的油門的說法其實是來源於柴油機。因為對於汽油機來說,更合理的說法是氣門。因為最主要控制的是節氣門的開閉。而對於柴油機來說,直接往氣缸內噴油的工作方式才符合油門的說法。


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而後便是真正將二者結合在一起的一項技術,直噴。早期柴油發動機與汽油發動機始終無法相交的主要原因便是因為工作原理的不同。但是作為人類工業歷史上的產物,兩者都有著要面對排放法規和環保標準的命運。也就是這個原因,讓汽油機不得不將目光轉向了在柴油機上廣泛應用的直噴技術,也就是我們所熟知的缸內直噴。這樣可以改變過去可燃混合物是在氣缸外產生的局面。在一開始只吸入空氣能夠讓汽油發動機也達到更高的壓縮比。而壓縮比於燃油效率之間存在著必然的聯繫。在吸氣衝程結束的時候,噴油嘴便開始向氣缸內噴入汽油,在活塞壓縮的過程中充分混合並在到達上止點瞬間由火花塞點燃。可以說正是借鑑了柴油機上的技術才讓汽油發動機能夠迅速地發展,直至今天能夠實現性能與效率的兼顧。


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兩者在發展歷程中不斷互補還體現在柴油機也開始向汽油機學習一些先進的技術。在一開始柴油機始終是以純機械的形式示人。但無論是其過多的廢氣排放、更大的噪音都無法滿足法規嚴苛的經濟性要求。同時,柴油機自身工作原理而經常導致的冷啟動困難的現象也是它的瓶頸之一。這時候電控系統的加入就顯得極為有必要。而這時候,著名的電控大佬博世則給了柴油機新的希望。ECU根據傳感器信號精確計算噴油量和噴油正時。從而提高發動機的動力性和經濟性。大眾集團著名的TDI系列發動機正是電控柴油發動機的典型代表。同時,曾經柴油機只適合幹一些重活的標籤也隨著技術的發展被推翻。只要在保證缸體、活塞等零部件自身強度足夠,通過包括加裝電子渦輪、改變變速器齒比等方式大幅度提高響應速度和扭矩曲線的方式便可以讓柴油發動機具備如汽油發動機一般的高速行駛能力。同時,現如今越來越多的汽油發動機都具備了低轉速下能夠達到全扭矩的輸出形式。不難發現,兩者即使依然在本質上有著區別。但在現如今確實已經在很多方面走得更加近了。


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而在經歷過了一百多年的相互“扶持”,現如今又有一項新的技術將再次縮短二者之間的距離。一直執著於技術的馬自達在今年宣佈其最新汽油機已經具備了HCCI(均質壓燃)的技術。這無疑是將二者的優點結合的最完美的一次。也就是同時具備了柴油機的低油耗和汽油機低排放的兩個優點。對於這一全新發動機究竟能帶來怎樣的表現值得我們每個人期待,因為這同時也是內燃機仍然具有極大潛力的象徵。


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事實上無論是汽油發動機還是柴油機,無論經歷多久,它們都不會從我們的生活中徹底消失。即使在不久後的未來,我們能夠找到確實更加環保並有效率的新驅動方式來擁抱新能源汽車,傳統內燃機也一樣會在工程機械、農業、海陸空商業運輸等多個領域繼續發光發熱。它們就像兩條從兩個不同的端點無限延伸的射線,即使註定了它們永遠不會相交,但這並不代表它們永遠平行。曾在某些時間互相靠近並攜手走過一百餘年歲月的二者,也註定將是人類工業史上的奇蹟!


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