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为什么柴油发动机,很难设计出“高转速”?

 茂林之家 2023-02-23 发布于湖南

想知道柴油发动机的转速为什么低,我们要先了解柴油机的工作原理。柴油和汽油都是通过把原油加热分馏,得到不同沸点的物质蒸汽,再进行冷却得到不同的产品

汽油的分子量小,燃点更高,柴油的分子量更大,燃点更低。这种燃料特性的差异,也导致汽油机和柴油机工作方式的不同,最大的不同就是点火方式

点燃 VS 压燃

由于汽油的燃点高,所以在发动机活塞压缩之后,必须通过火花塞点火才能引燃

而柴油发动机则不需要火花塞,依靠气体压缩后的温度上升,就可以直接让柴油发生自燃

这种压燃的工作方式有很多好处,比如不需要点火系统,故障率更低;压缩比可以做得很高,普通汽油机压缩比13:1已经是极限,但是柴油机可以轻松达到17:1,再利用更长的活塞连杆,增加活塞的运动行程,大大提升了柴油机的扭矩容量

由于柴油的分子量更大,燃烧产生的能量也更多,相同排量下,柴油机的燃油经济性更好

正是因为采用了压燃的方式,导致柴油机的转速无法提高

燃料混合问题

汽油发动机可以预制混合气,就是先把汽油和空气进行混合之后,再通过进气歧管喷射到气缸内

或者是采用缸内直喷,利用高压喷油嘴,把汽油雾化,在气缸内一边混合一边压缩,在活塞上止点时通过火花塞引燃,总之就是会让汽油和空气先混合,再燃烧

但是柴油粘度高,无法与空气进行有效混合,所以柴油机会先吸入空气,然后把空气进行压缩升温,在活塞接近上止点时才喷入柴油,利用高温的空气把柴油引燃

这种方式有一个明显的缺点,就是需要更长的燃烧时间,前面提到增加活塞行程,也是这个目的

当发动机的转速为6000转,每分钟就要完成3000次的喷油进气,也就意味着气门需要每秒开闭50次,如此短暂的开闭时间,势必会导致进气量不足,汽油机可以通过可变气门正时、气门升程来改善高转速下的进气不足

而柴油机对进气要求不高,通过低转速吸入空气就能满足运行要求,不需要花大价钱搞什么气门正时技术,所以柴油发动机的转速并不需要做得太高

转动惯量问题

转速太快不仅会让柴油无法完全燃烧,疯狂地冒黑烟,而且还会出现扭矩衰减的现象。世界上最大的发动机,就是装在轮船上的柴油发动机,额定转速只有102r/min

在乘用车领域,柴油机的断油转速可以达到5000转,比如大众的TDI、PSA的HDI机型

而对于一些重型车来说,由于活塞、连杆、曲轴这些部件自重太高,机器在运转时产生的转动惯量过大,转得太快整个车架可能都无法承受。

小结

所以说柴油机转速低,一方面是因为特殊的点火方式,需要更长的燃烧时间;另一方面是因为大型柴油机的运动惯性太大,这也是限制柴油机转速最大的2个原因。

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