新聞主題	汽油機(jī)和柴油機(jī)速度特性的比較

 

摘要：汽油機(jī)和柴油機(jī)都屬于內(nèi)燃機(jī)，都是燃燒燃料后通過推動氣缸內(nèi)活塞作往返運(yùn)動來將燃料中的化學(xué)能量轉(zhuǎn)換成為驅(qū)動車輛前進(jìn)的機(jī)械能量，因此兩者的工作原理大體是相同的。汽油機(jī)與柴油機(jī)的最主要的區(qū)別在于燃料物理特性所引起的點(diǎn)火方式的區(qū)別，從而表現(xiàn)出各自不同的熱效率、經(jīng)濟(jì)性、外形特點(diǎn)，以及功率和速度特性曲線。

 

一、汽油機(jī)和柴油機(jī)的主要不同

 

1、混合氣形成上的區(qū)別

      汽油與柴油的性能差異會引起發(fā)動機(jī)在混合氣形成上的不同。與柴油相比，汽油揮發(fā)性強(qiáng)，因而可能在較低溫度下以較充裕的時(shí)間在氣缸外部進(jìn)氣管中形成均勻的混合氣，因而控制混合氣的數(shù)量，便能調(diào)節(jié)汽油機(jī)的功率。而柴油揮發(fā)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(nèi)部噴油，靠調(diào)節(jié)供油量來調(diào)節(jié)負(fù)荷，而吸入的空氣量基本上是不變的。

2、著火與燃燒上的區(qū)別

      汽油與柴油的性能差異同時(shí)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(diǎn)火；為促使有規(guī)律的燃燒，應(yīng)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?zhèn)鞑サ姆绞较蚓鶆虻幕旌掀髡归_。對于柴油，則利用其化學(xué)安定性差，易自燃的優(yōu)點(diǎn)，采用壓縮自燃的方式；為促進(jìn)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(xiàn)象，因而使燃燒時(shí)間延長。

3、燃油耗上的區(qū)別

（1）汽油機(jī)內(nèi)混合氣體點(diǎn)燃后，瞬間燃燒，并爆發(fā)出能量，所以可以在單位時(shí)間內(nèi)可以多次重復(fù)該循環(huán)，用高轉(zhuǎn)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(yīng)速度，寬泛的轉(zhuǎn)速區(qū)間也能夠帶來更好的操控感覺。但汽油機(jī)的壓縮比往往只有柴油機(jī)的一半，做功行程時(shí)缸內(nèi)溫度和壓力比柴油機(jī)低很多，所以熱效率比較低，也就是俗稱的“費(fèi)油”。

（2）柴油機(jī)噴入燃料后，燃燒需要一定的時(shí)間，所以適合較低轉(zhuǎn)速下讓燃油充分燃燒以帶來大扭矩，而為了對抗氣缸內(nèi)高壓和大扭矩，柴油機(jī)的汽缸和活塞的連桿等零件都要比汽油機(jī)強(qiáng)壯，所以較汽油機(jī)更笨重。但也正是柴油機(jī)因?yàn)楦邏嚎s比低轉(zhuǎn)速的特性，能把熱量更好的轉(zhuǎn)化成動能，所以柴油機(jī)有著更好的熱效率，也就是更好的油耗表現(xiàn)。

4、點(diǎn)火系統(tǒng)的不同

（1）汽油發(fā)動機(jī)中，油氣混合氣進(jìn)入氣缸后，在壓縮接近終了時(shí)由火花塞點(diǎn)燃。因此，汽油發(fā)動機(jī)需要一套控制何時(shí)讓火花塞工作的點(diǎn)火系統(tǒng)，為保證汽油機(jī)的正常工作，必須精確控制火花塞放電的時(shí)刻和火花能量的大小，故燃料供給系和點(diǎn)火系是發(fā)生故障比例較高的部位。此外由于汽油的燃點(diǎn)較低，汽油機(jī)的壓縮比就不能太高，以免油氣自燃，因此其熱效率和經(jīng)濟(jì)性較柴油機(jī)為差。汽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于其體積小、重量輕、價(jià)格便宜、起動性好，最大功率時(shí)的轉(zhuǎn)速高，工作中振動及噪聲小。

（2）柴油機(jī)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(diǎn)，這時(shí)再噴入柴油、柴油噴霧和空氣混合的同時(shí)自己點(diǎn)火燃燒。因此，柴油發(fā)動機(jī)無需點(diǎn)火系。同時(shí)，柴油機(jī)的供油系統(tǒng)也相對簡單，因此柴油發(fā)動機(jī)的可靠性要比汽油發(fā)動機(jī)的好。由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要，柴油機(jī)壓縮比很高。熱效率和經(jīng)濟(jì)性都要好于汽油機(jī)，同時(shí)在相同功率的情況下，柴油機(jī)的扭矩大，最大功率時(shí)的轉(zhuǎn)速低，適合于載貨汽車的使用。柴油機(jī)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(jī)工作粗暴，振動噪聲大；柴油不易蒸發(fā)，冬季冷車時(shí)起動困難。

 

二、汽油機(jī)和柴油機(jī)的外特性區(qū)別

 

      眾所周知，發(fā)動機(jī)輸出功率=發(fā)動機(jī)輸出扭矩*發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，也就是說，馬力越大，是發(fā)動機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速的乘積越大，并不代表發(fā)動機(jī)越有勁。如果發(fā)動機(jī)運(yùn)行在非常高的轉(zhuǎn)速，即使發(fā)動機(jī)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(shù)水平下，通常柴油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速低功率低但最大扭矩大，而汽油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速高功率高但最大扭矩小。額定轉(zhuǎn)速是發(fā)動機(jī)輸出功率最大時(shí)對應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，汽油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是一個看得見但一般用不到的轉(zhuǎn)速，通常在5000rpm及以上。

      為了更清楚的說明這一點(diǎn)，李Sir通過發(fā)動機(jī)外特性曲線來說明。外特性曲線是發(fā)動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下全油門運(yùn)行時(shí)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(jī)和汽油機(jī)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(jī)和汽油機(jī)的最大功率一樣，都是170馬力；

（2） 柴油機(jī)的最大功率出現(xiàn)在3600rpm，汽油機(jī)的最大功率出現(xiàn)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(jī)的扭矩明顯比汽油機(jī)高；

（2） 柴油機(jī)的怠速扭矩高于汽油機(jī)的怠速扭矩，柴油機(jī)低速起步有勁；

（3） 柴油機(jī)在常用轉(zhuǎn)速2000rpm左右扭矩達(dá)到450Nm，而汽油機(jī)在同轉(zhuǎn)速下扭矩僅有200Nm左右，柴油機(jī)比汽油機(jī)更有勁；

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

（5） 更高轉(zhuǎn)速下汽油機(jī)仍有較大扭矩輸出，柴油機(jī)扭矩則快速下降，因?yàn)楦咿D(zhuǎn)速實(shí)際很少使用，所以一般看不出來區(qū)別。

 

圖1  柴油機(jī)和汽油機(jī)的功率對比曲線

圖2  柴油機(jī)和汽油機(jī)扭矩對比曲線

 

三、柴油機(jī)和汽油的速度特性區(qū)別

 

      汽油機(jī)的速度控制開關(guān)直接控制節(jié)氣門開度，所以汽油機(jī)的速度特性是指節(jié)氣門位置一定時(shí)汽油發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。汽油機(jī)的外特性曲線是指節(jié)氣門開度最大時(shí)，發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。這里汽油發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)主要指轉(zhuǎn)矩Ttq、輸出功率Pe和燃油消耗率be。

1、適應(yīng)系數(shù)

      發(fā)電用柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)，是用來評價(jià)發(fā)電機(jī)組不加油門條件下的克服短期超載的能力，是表征發(fā)電機(jī)組動力性的主要指標(biāo)之一。發(fā)電機(jī)組的這種性能主要取決于柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩的外特性曲線形狀。所以，轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)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(zhuǎn)矩；T_tqn為額定功率點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩。

      轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)只表示柴油機(jī)轉(zhuǎn)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(qiáng)。但對一定的外界阻力曲線，對不同的柴油機(jī)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(jī)對外界阻力的適應(yīng)性，除中以外，還與轉(zhuǎn)速變化特性有關(guān)。因此也定義轉(zhuǎn)速儲備系數(shù)，即

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

      式中，n_n為額定功率點(diǎn)轉(zhuǎn)速；n_tq為最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速。

      圖3所示為當(dāng)A、B兩臺柴油機(jī)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(shí)所能克服的外界阻力矩的能力。其中，B柴油機(jī)由于最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在較高轉(zhuǎn)速區(qū)，即其使用轉(zhuǎn)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(jìn)一步增加，則柴油機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩T_tq＜T_R，克服不了外界阻力，所以轉(zhuǎn)速不斷降低直到熄火。而A柴油機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩雖然與B柴油機(jī)的相同（Φ_tq相同），但T_tqmaxA出現(xiàn)在更低的轉(zhuǎn)速范圍（n_2A＜n_2B），拓寬了其使用轉(zhuǎn)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(jī)克服外界阻力的潛力比B柴油機(jī)大。這就是說，n_tq越低，Φ_tq越大，在不換檔的條件下，柴油機(jī)克服阻力的能力越強(qiáng)，特別是有利于一檔起步性能。因此，發(fā)電用柴油機(jī)要求低速轉(zhuǎn)矩特性良好，且使用轉(zhuǎn)速范圍越寬越好。

      兼顧Φ_tq和Φ_n對柴油機(jī)克服外界阻力能力的影響，引入柴油機(jī)適應(yīng)系數(shù)中Φ_tqn的概念，由此衡量一臺柴油機(jī)的動力性對外界阻力變化的適應(yīng)能力，即

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

      根據(jù)上述汽油機(jī)和柴油機(jī)速度特性的分析，由于柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)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(jī)相比較，柴油機(jī)對外界阻力的適應(yīng)能力較差。

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

2、最高轉(zhuǎn)速       

      由于汽油機(jī)使用轉(zhuǎn)速高，且其Φ_c隨n變化比較陡，造成高速區(qū)T_tq迅速降低，因此功率曲線也比較陡。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)，功率迅速降低，因此限制了汽油機(jī)輸出功率為零的最高轉(zhuǎn)速。但是柴油機(jī)，由于使用轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的增加而增加，曲線變化緩慢，所以對應(yīng)輸出功率為零的最高轉(zhuǎn)速很高。這就是說柴油機(jī)限速是一個很重要且不可粗心大意的問題。特別是柴油機(jī)電控化以后，取消了機(jī)械式調(diào)速器，直接用數(shù)據(jù)MAP圖來控制。因此，從柴油機(jī)運(yùn)行可靠性和安全角度而言，最高轉(zhuǎn)速的限速M(fèi)AP圖具有重要的意義，不可忽略。否則，可能發(fā)生飛車事故。

3、經(jīng)濟(jì)性

      對于柴油機(jī)在不同負(fù)荷下，由于質(zhì)調(diào)節(jié)，無進(jìn)氣節(jié)流損失，而且質(zhì)調(diào)節(jié)，所以Φ_c和η_i隨轉(zhuǎn)速變化平坦，同時(shí)柴油機(jī)使用轉(zhuǎn)速范圍比汽油機(jī)低。而汽油機(jī)隨負(fù)荷的減小，節(jié)流損失增加，不僅Φ_c降低，而且由于殘余廢氣系數(shù)的增加，轉(zhuǎn)速也降低。因此，柴油機(jī)的隨轉(zhuǎn)速變化緩慢，而且比汽油機(jī)的還要低。

      從圖4中可以讀出每個特定轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)不同功率狀態(tài)時(shí)的扭矩、燃油消耗率和其它參數(shù)，并可以觀察出柴油機(jī)最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域。這就叫柴油機(jī)的萬有特性曲線，它指以柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)，以平均有效壓力或扭矩為縱坐標(biāo)，將柴油機(jī)各轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷特性曲線、速度特性曲線、功率和油耗等參數(shù)綜合到一起繪出的曲線。

 

圖3  轉(zhuǎn)速對儲備系數(shù)的影響曲線圖

圖4  發(fā)動機(jī)萬有特性曲線圖

 

總結(jié)：

隨著世界能源危機(jī)和、環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，節(jié)約能源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境、減少污染已是當(dāng)今世界各國的共識。大量研究結(jié)果表明，柴油機(jī)是日益產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的各種動力機(jī)械中熱效率最高、能量利用率最好、最節(jié)能、有害廢氣排放量較少的一種機(jī)型。在相同路況下，柴油機(jī)與同等排量汽油機(jī)的油耗比例為7:10。柴油機(jī)不但有優(yōu)良的燃油經(jīng)常性，還具有很大的改進(jìn)潛力。世界上最先進(jìn)的柴油機(jī)技術(shù)——CDRI(高壓共軌柴油直噴技術(shù))可使柴油發(fā)電機(jī)更節(jié)能、排放更環(huán)保，因此，越來越受到企業(yè)和用戶的重視。

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