競爭和交融,汽油機和柴油機的百年恩怨

  從蒸汽機到內燃機,多位工程師和科學家在斷的探索和創新:

競爭和交融,汽油機和柴油機的百年恩怨

從蒸汽機到現代發動機,人類走過了很長的路

  想到燃料與空氣混合,燃燒直接推動活塞作功,而不是像蒸汽機那樣燃燒加熱水,用水蒸汽推動活塞作功;

  利用煤氣作燃料,模仿蒸汽機結構製成煤氣機;

  想到把煤氣在點燃前進行壓縮,再點燃後,燃燒膨脹作功,可以提高熱效率,奠定了現代內燃機理論;

  終於在1876年,德國發明家奧托在前人理論和實驗基礎上,創制成功第一臺現代意義的內燃機;以煤氣為燃料,內燃機工作時完成進氣、壓縮、作功和排氣這四個過程,我們將這一循環稱為奧托循環。

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奧托循環:進氣、壓縮、作功和排氣

  石油的開發,比煤氣易於運輸攜帶的汽油和柴油引起了人們的注意;

  1883年,德國的戴姆勒創制成功第一臺立式汽油機,現代汽車工業的大幕拉開;在進氣衝程,提前混合的汽油和空氣的混合氣被吸入氣缸;之後,活塞上移將混合氣壓縮,壓力和溫度升高,這就是壓縮衝程;利用高壓點火,點燃已被壓縮的混合氣,混合氣迅速的燃燒膨脹,推動活塞作功;最後活塞上行將燃燒後的氣體提出。

  前面提到,現代內燃機理論的基礎是壓縮;在發動機設計參數裡,有一個重要的參數,就是壓縮比。

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壓縮比可以理解為混合氣在壓縮前的體積和壓縮比後的體積之比

  拋開壓縮比的精確定義,它是兩個體積的比值:混合氣在壓縮前的體積和壓縮比後的體積之比。想一想,壓縮前體積大,壓縮後體積小,這個比例越大,也就是壓縮比越大,說明混合氣壓縮的程度越大,自然在下一輪的燃燒膨脹時“性能”越高。今天我們不斷的努力,汽油發動機的壓縮比可達10-12,馬自達搞的“創馳藍天”技術,進一步提高壓縮比來壓榨動力。

  高壓縮比帶來高溫、高壓和高效率,但是也會帶來一個問題:爆燃;(關於爆燃以後專門發文討論),說白了就是因為高溫,在火花塞點火前、或點火中,因為高溫出現其它著火點,都向前燃燒,形成衝擊波。燃燒過程變得惡化,而爆燃導致爆震。

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左正常燃燒,右爆燃

  怎麼辦,今天我們有很多技術控制,前人還沒有這麼多理念,即使用,技術上也實現不了!好,我們以熱烈的掌聲歡迎狄塞爾先生和他的柴油機出場!

  1892年,德國工程師狄塞爾(Diesel)受麵粉廠粉塵爆炸的啟發,設想將吸入氣缸的空氣高度壓縮,使其溫度超過燃料的自燃溫度,再用高壓空氣將燃料吹入氣缸,使之著火燃燒。他首創的壓縮點火式內燃機(柴油機)於1897年研製成功,為內燃機的發展開拓了新途徑。

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柴油機的壓縮比是汽油機的一倍

  柴油機工作時在進氣時吸入純空氣,採用高壓縮比,在壓縮結束時壓力和溫度遠高於汽油機,在合適的時機噴入高壓柴油,霧化形成混合氣,並且由於溫度已達柴油的燃點,柴油自行著火,因為柴油機依靠高壓導致高溫自行著火,所以也稱為壓燃式。

  因為柴油機的高壓縮比,柴油機的扭矩大-”有勁“!高壓縮比提高了熱效率,加之柴油的能量密度比汽油機高,所以燃油消耗平均比汽油機汽車低30%左右,所以燃油經濟性較好;廣柴油機廣泛的應用於現在工農業生產,商業運輸等各行業。

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柴油機能量密度比汽油機高

  但是,在一百多年前,狄塞爾先生面臨的問題大嚴峻的多:

  採用什麼燃料?不是柴油嗎?對,如果柴油機噴汽油,如此高壓高溫得壓爆了!試用植物油。這一試,也為我們後人指明瞭方向,我們可以生產生物柴油,高明吧!

  高壓縮比、高壓、高溫、也意味高振動,高強度。要求發動機的部件強化。一次實驗中,汽缸上的零件象炮彈碎片一樣四處飛散,差點兒造成人員傷亡。

  柴油機最難的技術是如何控制噴油:因為柴油機是噴油即著火、邊噴油、邊燃燒,混合氣形成時間短,所以對噴油的時間(相當的精確)、噴油的壓力(一定要高,一定要高啊)噴油噴油量有相當嚴格的要求,在一百年後,我們的柴油機還在冒黑煙,別說一百年前了!

  

狄塞爾先生克服千辛萬苦,試製成功,因為看到汽油機裝配的汽車成功,急於裝配汽車,因為工作粗爆、故障高而最終破產,而狄塞爾過早的結束了自己的生命為了紀念這位發明家,柴油就是用他的姓Diesel來表示,而柴油發動機也稱為狄塞爾發動機(Diesel engine)。

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傳統的柴油機直列泵供油系統

  而後來博世公司柴油機噴油泵、噴油嘴系統的發明應用,基本滿足了柴油機對噴油時間、噴油壓力和噴油量的精確控制,使得柴油機得以大規模應用。

  故事到這還沒完,之後一百年,當你縱觀汽油機和柴油機的供油技術,你會發出他們在相互學習,相互融合!

先看第一代汽油機和柴油機如何供油:

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化油器實物-現已淘汰

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化油器基本原理-虹吸原理

汽油機採用化油器供油-虹吸原理,利用高速氣流吸出汽油並迅速的吹散霧化;

柴油機採用直列泵系統-包括噴油泵、噴油器、調速器等部件;

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傳統的柴油機直列泵供油系統

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柴油機直例泵

  直列泵是多個柱塞泵(數量與發動缸數相同)的組合,柱塞由凸輪驅動,上移時建立油壓,頂開噴油器,向燃燒室噴射柴油;其間有機械裝置調節噴油量、噴油時間和噴油壓力。今天,很多農業機械柴油機還在採用這種直列泵系統。

先看汽油機學習柴油機:我也用噴油器噴油吧!

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這個車可能看不見了,面對他的供油系統,神來也沒法-機械噴射!

  汽油機看著柴油機用噴油器噴油,咱也搞個噴油器吧,與柴油機噴油器向燃燒室噴油不同,汽油機噴油器只能向進氣歧管噴油,以保證吸入氣缸的是已混合好的可燃氣。問題是如何調節噴油量呢?搞出了一個稱為燃油分配器的部件,也有柱塞,用一下檔板來在進氣道,進氣氣流推動檔板產生位移,位移量反映了進氣量,檔板通過槓桿調節柱塞位置,調節供油量。

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早期的機械噴射裝置圖

  這種機械噴射稱為K型噴射,後來加入了電子控制,但是電子控制只能通過修正油壓來調節噴油,本質上還是機械噴油器。20世紀60、70年代,奔馳、寶馬、奧迪採用,後期出現故障,真不如化油器好用:不會修,修不了,沒配件,有配件還很貴。

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電子控制燃油噴射系統實現了真正的電噴

  汽油機採用噴油器真正偉大的創新是採用電磁噴油器代替機械噴油器,噴油器是一個電磁閥,由電腦控制,通過控制噴油器通電打開時間可以精確控制噴油量,精確的到毫秒。這樣可以利用各種傳感器檢測發動機的參數,實現精確自由的噴油控制,如低溫時,電腦可以適當增加噴油,以適應低溫工作需要,減油門時,可以適當減小噴油,以提高經濟性。

  更重要的是,電腦的控制功能在不斷的擴展,如點火、怠速都可以控制,你會發出車好著了,好開了。同時,汽油機電噴的設計也在影響著柴油機的噴油。

先看柴油機學習汽油機:我們也加進電控制吧!

  柴油機的噴油控制也開始引入電子控制,也在一代代進化:

  

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柴油機噴油技術發展

  從直列泵到分配泵;

  單體泵;

  泵噴嘴一體;

  一步一步的!

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分配泵

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單體泵系統

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單體泵系統

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泵噴嘴一體

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泵噴嘴一體

  分配泵、單體泵、泵噴嘴一體,你會發現,它們對電控制的引入,只是對噴油壓力等調節,基礎還是機械噴油器,這制約了柴油機噴油技術的發展。

  直到,柴油機想到,我為什麼不像汽油機一樣,採用電磁噴油器呢?讓電腦直接控制噴油器工作!好,一個偉大的噴油系統產生:高壓共軌!此時你會發現,柴油機的噴油已經和汽油機噴油很相同了,只是汽油機噴入進氣歧管、柴油機噴入燃燒室,柴油機的噴油壓力更高。

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柴油機高壓共軌也在不斷進化

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柴油機高壓共軌

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柴油機高壓共軌原理圖

  正是柴油機高壓共軌的出現,使的柴油機噴油、排放控制技術達到了人類的終級理想:人類通過編程控制噴油器按人類的需要工作。如此,柴油機從商用車進入乘用車,轎車、SUV;今天在歐洲,我們眼裡的BBA豪車都有柴油機版本。柴油機已佔到近半的乘用車。

  柴油機第一次高呼:我打敗了汽油機,商用車是我的天下,乘用車也有我的半壁江山!

汽油機一看:我也要進步,學習柴油機,直接向燃燒室噴油!

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今天很多汽車採用燃燒室噴油,即缸內直噴

  缸內直噴就此產生,有很多優勢,什麼分層燃燒啦,因為高能,會專題討論!

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缸內直噴需要噴油壓力高,需要一個高壓油泵

  

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大眾TSI發動機缸內直噴系統

  至此,柴油機和汽油機供油系統幾乎相同了!融合了!這還不夠,因為汽油機是點燃式,柴油機是壓燃式,繼續融合!馬自達戰出來了!

馬自達對汽油機和柴油機的進一步融合:
壓燃汽油機(HCCI)

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壓燃汽油機優點-你好像全佔了!

  馬自達全新SKYACTIV-X汽油機不但經濟性更佳,也延續了此前馬自達在動力響應(乃至匹配)方面的一貫調性,而且還不走尋常路地使用機械增壓器,這讓我們對於新動力頗為期待,新一代昂科塞拉有望不久之後國產,SKYACTIV-X還會遠麼?

  另外,每一項新技術背後也有一定風險,馬自達能不能避免走轉子發動機最後進入死衚衕的老路,也是值得關注的,畢竟我們還是希望能有更多像馬自達這樣不走尋常技術路線的來推動汽車技術的多元化。

  最後兩段話我只能引用其網文了!

  我們能做什麼:拭目以待!

  最後我想說:車之道,亦人之道!


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