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為什么很難設(shè)計出高轉(zhuǎn)速柴油發(fā)動機(jī),？看了下面的幾個答案，感覺有一個很重要的問題大家都沒回答,，那就是柴油在發(fā)動機(jī)中的燃燒過程,。不說明這個問題，很難回答柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速為什么不能設(shè)計得很高,。 大家看柴油車的儀表盤,，感覺與汽油車有很大的差異，最大的區(qū)別就在于轉(zhuǎn)速表：汽油車的轉(zhuǎn)速表最大示數(shù)可以高達(dá)7000~8000轉(zhuǎn),，個別車型可以高達(dá)10000轉(zhuǎn)以上,，單缸摩托車的最大轉(zhuǎn)速更是高達(dá)15000轉(zhuǎn)以上；但是柴油車的轉(zhuǎn)速表,，最大轉(zhuǎn)速一般就是4000轉(zhuǎn)左右,，卡車的轉(zhuǎn)速表最大轉(zhuǎn)速更是只有2800轉(zhuǎn)，并且最經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)速區(qū)間一般在1500轉(zhuǎn)左右,，高轉(zhuǎn)速區(qū)間不建議使用,。很多人就感到奇怪了：為什么汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速可以這么高，但是柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速卻那么低,？如果把柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速也設(shè)計得很高會怎樣,？下面我們就來分析這個有趣的話題。
首先我們來看一下柴油機(jī)的特點,。所謂的柴油機(jī),，是指以柴油為動力源的發(fā)動機(jī),，是一個把柴油中的熱能釋放出來并轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的 一種機(jī)器。柴油機(jī)的特點是低速扭矩大,、省油,、熱效率高(平均比汽油機(jī)高5%左右)，缺點是工作粗暴,、噪音大,。柴油作為柴油機(jī)的燃料，它的自燃點較低,，只有220℃,，可以在壓縮終點時被壓燃；同時由于柴油在煉制過程中餾程較高,，一般在180～370℃之間,，所以柴油很難霧化、蒸發(fā),，也很難與空氣組成均勻的可燃混合氣,；此外，柴油粘度高,，熱值高,，但是燃燒速度較慢。 那么柴油在柴油機(jī)中的燃燒過程是怎樣的呢,？ 在活塞運動到壓縮上止點之前的某一個角度(噴油提前角),，噴油器開始向氣缸中高壓、高速的噴射柴油,，進(jìn)入燃燒室中的柴油,，在噴射過程中會被蒸發(fā)、霧化一部分,，與氣缸在被壓縮的高溫高壓空氣混合成可燃混合氣,。由于柴油的自燃點比較低，在溫度較高,、柴油較多的區(qū)域,，柴油就會自行發(fā)火燃燒，在氣缸中同時形成了多個火焰中心,，開始推動活塞向下運動做功,。在隨后的做功過程中，柴油會持續(xù)噴射,，一直不停的與空氣混合,、燃燒，形成一種“邊噴射,、邊混合,、邊燃燒”的奇特過程,。整個過程基本可以分為預(yù)燃期、速燃期,、緩燃期和后燃期四個階段,，柴油是在一種類似于等壓加熱過程中進(jìn)行燃燒的。由于在整個做功過程中都有動力輸出,，所以柴油機(jī)的扭矩更加充足,。 可以看出，柴油機(jī)的燃燒過程與汽油機(jī)是截然不同的,。汽油機(jī)的可燃混合氣是預(yù)先混合好的,，在做功過程中不再有汽油噴射；在壓縮上止點時由火花塞點火,，點燃可燃混合氣,，可燃混合氣在瞬間燃燒，幾乎可以在活塞還沒有下行的瞬間,，汽油就已經(jīng)燃燒殆盡,，是在一種類似于等容加熱的過程中進(jìn)行的。然后燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體推動活塞向下運動,，推動曲軸旋轉(zhuǎn)對外輸出動力,。在活塞下行過程中推力是逐漸減小的，所以汽油機(jī)的扭矩相對較小,。 從柴油的燃燒過程中可以看出,，柴油與空氣的混合是不均勻的，由于柴油粘度大,，蒸發(fā),、霧化較慢,，在噴射的瞬間很難與空氣完全混合,，事實上形成的是柴油液滴在空氣中懸浮的氣溶膠。并且柴油的燃燒過程也很復(fù)雜,，燃燒速度較慢,，需要較長的時間才能完全燃燒。所以,，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速一般都不高,，基本不超過4000轉(zhuǎn)/分鐘，普遍在3000轉(zhuǎn)/分鐘以下,，經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速一般在1500轉(zhuǎn)/分鐘左右,。它的結(jié)構(gòu)一般都是活塞行程大于氣缸直徑的低轉(zhuǎn)速設(shè)計。 如果把柴油機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)計得非常高會怎樣,？想要提高轉(zhuǎn)速其實是比較簡單的,，由于柴油機(jī)的控制屬于“質(zhì)”的控制,，沒有節(jié)氣門，進(jìn)入發(fā)動機(jī)中的空氣量基本是固定的,，只要多噴油,，就可以提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。但是如果轉(zhuǎn)速過高的話,，柴油在氣缸中沒有沒有時間與空氣充分霧化,、混合，會形成極不均勻的可燃混合氣,，這樣會導(dǎo)致可燃混合氣在燃燒時形成的火焰中心分布不均勻,，柴油機(jī)工作粗暴；此外,，由于柴油燃燒速度較慢,，過高的轉(zhuǎn)速會使大量柴油沒有燃燒完全就排出氣缸，汽車會冒黑煙,，從而極大地降低柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放,。 此外，早期的柴油機(jī)使用的是機(jī)械泵供油,，機(jī)械式調(diào)速器控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速,。如果發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速過高，會導(dǎo)致調(diào)速器卡死而形成一種“飛車”的故障,。此時的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速極高,，不受油門的控制，發(fā)動機(jī)活塞連桿在高速運轉(zhuǎn)的情況下,，很容易由于潤滑不足而導(dǎo)致拉缸,、化瓦等故障，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致拉缸折斷,，打碎發(fā)動機(jī)缸體?，F(xiàn)在的柴油機(jī)大多采用電控高壓共軌系統(tǒng)，取消了調(diào)速器,，柴油的噴射直接用電磁閥控制,，如果曲軸轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速過高，會直接切斷供油,，防止發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速過高,。 綜上所述，由于柴油燃燒速度慢,，柴油與空氣混合不均勻,，柴油燃燒過程復(fù)雜，所以柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速一般都不是很高,。如果強(qiáng)行設(shè)計高轉(zhuǎn)速的柴油機(jī),，反而會失去了柴油機(jī)自身的優(yōu)勢,。不過雖然柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速低，但是扭矩充足,，所以可以配置大速比的變速箱,，通過變速箱來提高最終的輸出轉(zhuǎn)速，所以,，柴油機(jī)雖然轉(zhuǎn)速低,，但是柴油車的速度并不低。 為什么很難設(shè)計出高轉(zhuǎn)速柴油發(fā)動機(jī),？柴油機(jī)具有很大的扭矩優(yōu)勢,，可以在高轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)高功率，但為什么柴油機(jī)是高扭矩低轉(zhuǎn)速機(jī)型,？ 原因是平衡的壽命,。 知識點一：柴油機(jī)為什么能實現(xiàn)大扭矩？ 第一個主要原因是其特殊的點火方式和點火提前角,。 柴油機(jī)可以實現(xiàn)極高的壓縮比直接點燃柴油的高溫,，四沖程發(fā)動機(jī)的運行步驟包括“進(jìn)氣壓爆排”四個步驟。 其中的壓縮行程壓縮空氣,，通過分子運動摩擦產(chǎn)生高溫,，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時，蒸發(fā)汽油,，或點燃柴油,。 “壓縮自燃式點火”等于將活塞行程設(shè)計得較大，也就是說從氣缸下止點到上止點的距離較長,，同時將空氣壓縮得更小(壓縮程度更大),。 空氣的運動強(qiáng)度高的話，摩擦引起的溫度也會變高,，柴油機(jī)在活塞被壓縮到上止點的瞬間燃燒開始工作,。 在這一瞬間活塞得到下行推進(jìn)力，曲軸被活塞推壓,，可以輸出較大的轉(zhuǎn)矩,。 柴油的“興奮” 汽油的燃燒火焰溫度為1200,，柴油機(jī)燃燒火焰溫度為1800,。 燃料的燃燒溫度越高，轉(zhuǎn)化的內(nèi)量越大,，越白,，推進(jìn)力越強(qiáng)。 因此,，目前最好的2.0T柴油發(fā)動機(jī)(中國制造)具有480Nm的峰值扭矩,，而最牛的汽油2.0T發(fā)動機(jī)也不過是420Nm,，推動活塞發(fā)力的節(jié)點與燃料自身的“能量儲存差異” 重點：用更大的內(nèi)部和更早的爆炸推進(jìn)活塞，實現(xiàn)了柴油機(jī)的高燃耗,，但同時也必然引起強(qiáng)度較大的振動,，這一點在第一節(jié)的照片中也得到了印證。 活塞和發(fā)動機(jī)的氣缸不是通過導(dǎo)軌或其他方式剛性連接的,，活塞刺入圓形的缸筒,，在與氣缸壁有間隙的運轉(zhuǎn)中震動強(qiáng)度大時，活塞和氣缸壁的“碰撞磨損”的程度變大,，相反地變低柴油機(jī)為什么不能實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速高扭矩,？ 為什么總是低功率？ 如何提高轉(zhuǎn)速 汽車的油門控制“節(jié)氣門”,，油門越大節(jié)氣門開度越大,，進(jìn)入發(fā)動機(jī)內(nèi)部的空氣也越多。 發(fā)動機(jī)的噴射量根據(jù)“空燃比”(14.7:1 )計算,，進(jìn)氣量越大,，噴射量越大――點。 進(jìn)氣量和噴射量的同時增加燃燒更多的燃料,，產(chǎn)生的內(nèi)在自然也變大,，帶動活塞桿的曲軸轉(zhuǎn)速變快，曲軸的轉(zhuǎn)速是發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速概念,。 綜上所述,，提高柴油機(jī)的功率其實很簡單，控制程序必須限制柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速,。 但是,，轉(zhuǎn)速越高，燃燒引起的內(nèi)向越大,，活塞振動也越強(qiáng),。 簡單來說，就是轉(zhuǎn)速高等振動強(qiáng),，也等于活塞的超嚴(yán)重磨損,。 在這種情況下，柴油發(fā)動機(jī)恐怕連汽油發(fā)動機(jī)的三分之一的壽命都沒有,。 這是柴油機(jī)扭矩大,，但功率不高的原因。 扭矩轉(zhuǎn)速9549=功率,，功率低的話高速加速能力差,，所以――的讀者不愿意接受高性能低油耗，但是必須以數(shù)萬公里更換組件的發(fā)動機(jī)。 |
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