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汽油機(jī)與柴油機(jī)在性能特點(diǎn)方面有何區(qū)別
發(fā)布時(shí)間:2024-03-13 19:43:49  ▏閱讀:

 

 

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。

 

柴油機(jī)和汽油機(jī)的功率對比曲線.png

圖1  柴油機(jī)和汽油機(jī)的功率對比曲線

柴油機(jī)和汽油機(jī)扭矩對比曲線.png

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

 Φtq=Ttqmax/Ttqn....................(公式1)

      式中,Ttq max為外特性上最大轉(zhuǎn)矩;Ttqn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Фtq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Ttq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

 Φn=nn/ntq........................(公式2)

      式中,nn為額定功率點(diǎn)轉(zhuǎn)速;ntq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Фtq和nn(圖中n1=nn)分別相同而ntq不同(分別為n2A和n2B)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TR2,若阻力矩進(jìn)一步增加,則柴油機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩Ttq<TR,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(Φtq相同),但TtqmaxA出現(xiàn)在更低的轉(zhuǎn)速范圍(n2A<n2B),拓寬了其使用轉(zhuǎn)速范圍,所能克服的最大阻力矩提高到TR3(TR3>TR2),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,ntq越低,Φtq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ΦtqΦn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Φtqn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

ΦtqntqΦn .........................................  (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Φtq和Φn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)  Φtq=1.25~1.35,Φn=1.6~2.5, Φtqn=2.0~3.4;而柴油機(jī)  Φtq=1.05~1.25,Φn=1.4~2.0, Φtqn=1.5~2.5。

2、最高轉(zhuǎn)速       

      由于汽油機(jī)使用轉(zhuǎn)速高,且其Φc隨n變化比較陡,造成高速區(qū)Ttq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Φc隨n變化較小,所以Ttq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Φc和ηi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Φc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。

 

轉(zhuǎn)速對儲備系數(shù)的影響曲線圖-柴油發(fā)電機(jī)組.png

圖3  轉(zhuǎn)速對儲備系數(shù)的影響曲線圖

發(fā)動機(jī)萬有特性曲線圖.png

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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