在一般常见的发动机中,又分为利用点火器(如火花塞)点火的火花点火(SI)发动机,及利用高压高温空气使燃料燃烧的压缩点火(CI)发动机。汽油发动机属于火花点火发动机,柴油发动机则属压缩点火发动机。
十八世纪末期,瓦特(James Watt)发明了蒸气机促使了英国{dy}次的工业革命,也改变了人类的生活方式,使人们由自身劳力或畜力转而利用机械动力。一百年后(1876年),德国人奥图(Nikolaus Otto)发明了{dy}具四冲程内燃发动机,随后(1887年),戴姆勒(Daimler)将四冲程发动机成功应用于汽车上。公元1892年,德国工程师狄赛尔(Rudolf Diesel)发明了燃烧效率较高的非火花点火发动机,并取得专利,这是内燃机发展的一个新里程碑。柴油发动机与汽油发动机的应用与发展,至今已有一个多世纪之久,两种发动机各有其市场,也各有其应用领域。一般来说,柴油发动机因为它所产生的动力较大,而运转度较低,多半应用于船舶、重型车辆及大型机械;而汽油发动机因其体积与重量小,运转精致且适合高速运转,可应用于轿车、割草机等小型机械及小型螺旋桨飞机等。
由于柴油发动机技术不断更新,越来越多轿车及商旅车采用小排气量的柴油发动机,到底柴油发动机车与汽油发动机车有什么不同呢?以下将就其机械特性与行驶特性对柴油和汽油发动机做比较,而柴油发动机以目前广泛应用于小型车的共轨直喷发动机为比较对象。
机械特性
柴油发动机与汽油发动机在机械特性上的差异如下:
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汽油发动机 | 柴油发动机(共轨直喷型) |
燃油 | 汽油、液化石油气 | 柴油 |
进气 | 混合器/纯空气 | 纯空气 |
点火方式 | 火花点火(火花塞) | 压缩点火 |
压缩比 | 6~11:1 | 16~23:1 |
负载控制 | 控制混合比 | 控制燃油量 |
空气燃料比 | 13~17(混合比浓度) | 16:1以上(空气超过燃油的稀薄燃烧) |
燃烧压力 | 50~70bar | 60~90bar |
热效率 | 25~30% | 35~40% |
燃料的雾化 | 利用真空或高压喷嘴使汽油雾化 | 使用高压喷嘴使柴油雾化 |
燃料特性 | 燃点越高越好 | 燃点越低越好 |
燃烧过程 | 混合燃烧(火焰传播) | 扩张燃烧火焰 |
{zg}转速 | 7500rpm以上 | 4500rpm左右 |
废气温度 | 高 | 低 |
发动机重量 | 轻 | 重 |
各种柴油系统比较:直接喷射
各种不同形式的柴油发动机除排气量的不同外,{zd0}的差别在于其燃烧室及供油系统设计。柴油发动机依燃烧室设计不同,可分为直接喷射(DI)式及间接喷射(IDI)式两种,间接喷射又可分为预燃室型与涡流式型两大类。
直接喷射式:
直接喷射发动机的缸头燃烧室设计是平的,主燃烧室位于活塞上端锻造成的特殊的凹陷空间内,并经过处于凹洞中央处的多孔型喷油嘴来完成迅速将燃油喷的之目的。
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优点:
燃烧室构造简单且表面积较小,热损失和耗油率低;
缸头构造简单,受热变形机会小;
发动机启动容易且不需预热塞;
燃烧室表面积的容积率小,冷却损失亦小。
缺点
对燃油的可燃性级数的要求较高;
需要较高的燃油喷射压力;
使用的多孔型喷油嘴价格较高;
喷油嘴微小的衰退会大大影响发动机的性能;
因其气流涡动较弱,空气的使用率较差,不适合在高转速运作。
预燃室型间接喷射:
预燃室位于主燃烧室上方,在燃烧冲程前期,喷油嘴将燃油喷入预燃室中产生局部燃烧,因而产生高温高压气体。随此压力,剩余的燃油经喷油嘴的油孔喷出并进入主燃烧室中,然后与涡动的空气混合来xx燃烧。预燃室型发动机,它的燃烧过程分两阶段完成,差别是在燃油与空气的混合是利用从预燃室所喷出的气流来完成。
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优点
因燃油喷射压力相对较低(80~150bar),燃油系统故障较率低且寿命较长;
对燃油可燃性级数要求较低;
运行较宁静且不易发生爆震;
空气与燃油的混合状况较佳。
缺点
缸头构造复杂;
因预燃室的表面积容量大,所以冷却损失亦较大;
发动机启动困难且需预热系统;
需较大启动扭力,也就是需要高功率的启动马达;
耗油率较直接喷射式更高。
涡流型间接喷射:
涡流型在压缩冲程期间,空气流入涡流室,当燃油喷入时会产生强大的涡动效果,然后到达燃烧室。燃油点燃是借着喷入涡流室的燃油与空气混合时产生强烈的循环而发生。在预燃室型式中,燃油仅局部被点燃,但在涡论室型式中,所有的燃油均被点燃。因此,涡流室的容积占整个燃烧室容积的70~80%以上。涡流室型式的燃烧特性介于直接喷射式与预燃室型式之间。
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优点
燃油与空气之混合状况较佳,发动机转速与平均有效压力可提升;
具更低的喷射压力;
因发动机的转速范围更广,发动机运转更平顺。
缺点
缸头构造复杂;
热效率较直接喷射式低;
在低速时容易发生爆震;
在发动机启动期间需要预热塞。
各种柴油系统比较:柱塞式喷射泵系统
柴油发动机的燃烧方式是将燃油喷入燃烧室中,并于燃烧室中之空气混合来产生自燃。因此,为达{zd0}性能与平稳运行的情况,必须有适当的喷油量与喷油时机。同时,在喷入燃油之时必须要让燃油以雾化形式来喷出以获取平顺的燃烧效果。简单的说,柴油发动机的供油系统必须在喷油量、喷油时间及燃油雾化三方面有准确的控制。
下面我们将介绍柱塞式喷射泵系统及共轨式喷射系统这两种不同柴油发动机之供油系统。
柱塞式喷射泵系统:
柱塞式喷射泵系统为传统柴油发动机所采用之供油系统,因为其制造技术成熟成本低,目前仍广为中大型柴油发动机采用。
其运行方式是由供油泵将燃油自油箱吸至喷射泵内,喷射泵内有一凸轮轴,凸轮轴由发动机传动。凸轮轴转动使得凸轮依发动机旋转正时来压动控制各缸喷油压力的柱塞,以建立燃油压力,并将燃油藉由高压油管输送至各缸喷油嘴,并将燃油注入汽缸内,而喷油嘴的启闭是由发动机凸轮轴所控制。因为是由发动机运转来驱动喷射泵,所以燃油压力会随着发动机转速的不同而改变。
柱塞式喷射泵系统虽广为柴油发动机采用,但因为其喷射泵是以机械方式驱动,无法依据发动机负荷状况提供xx的供油量;并且由于喷射泵至各缸的距离并不相同,使得输送至各缸的燃油压力不尽相同。这样的缺陷会降低发动机运转的精致性,并增加噪音、排污及油耗。
共轨式喷射系统:
共轨式喷射系统是由高压泵将燃油加压,并输送至具有调压阀的共享油轨中,再由喷油嘴将油轨中的燃油注入汽缸中。目前应用于小型车及商旅车的共轨直喷发动机,是由发动机控制系统(ECU)来控制高压泵、调压阀及喷油嘴等组件之运作,使得燃油在极高的压力下,仍能依据当时之发动机负载及转速准确地调整喷油量,让发动机运转顺畅,并且运转噪音及排污量都较传统柴油发动机小了许多。并且喷油泵体积及重量也较柱塞式喷射泵小,减轻不少发动机重量
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