为什么同排量的柴油车比汽油车省油?

汽油机和柴油机谁更省油?是大家一直关心的问题。柴油机比汽油机更省油,这是真的吗?原因是什么?为什么我国轿车绝大多数还是采用汽油机?汽油机又是如何提高其燃油经济性?下面我们一一作答。

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首先,我们来对比分析一下图1中数据。同为奔驰CLK双门跑车,270CDI车型装的是柴油机,240车型装的是汽油机。两个发动机的排量近似,最高车速和加速时间基本一致,而百公里燃油消耗量装柴油机的跑车为6.74(L/100km),装汽油机的跑车为10.8(L/100km),柴油机比汽油机跑车节油37.6%。

我们首先来看一下,汽车百公里油耗的计算公式:

Qs = /frac{Pb}{1.02u_{a}/gamma}

式中,b燃油消耗率为发动机每发出一个单位有效功(kw.h)所需要的燃油消耗量(g/kwh);P为发动机实际发出的功率,ua为汽车的车速,为燃油的重度。发动机实际发出的功率等于传动系损失功率和汽车行驶时的阻力功率之和。即:

P = /frac{1}{/eta_{T}}(P_{f} + P_{w})= /frac{1}{/eta_{T}}(/frac{F_{f}u_{a}}{3600}+/frac{F_{w}u_{a}}{3600})

将其带入(1)式,得到:

Qs=/frac{Fb}{3672/eta_{T}}=C/cdot/frac{Fb}{/eta_{T}}(L/100km) (2)

由(2)式可知,汽车的百公里油耗与汽车的行驶阻力F、发动机燃油消耗率b和传动系统的机械效率T有关。行驶阻力F取决于车重、车速与汽车的外部造型、道路条件等因素;发动机燃油消耗率b主要取决于发动机种类、设计和制造水平、使用负荷率;效率T取决于特定的结构和使用时的调整和保养。不难得出图1中两车油耗差异的关键在于发动机的不同,柴油机的燃油消耗率b更小一些。

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为了比较汽油机和柴油机的油耗,下面将标定功率、转速接近的汽油机和柴油机负荷特性曲线进行对比,如图2所示。可以看出:

  1. 汽油机的有效燃料消耗率(be)比同负荷的柴油机高,这是由于两种机型的混合气形成、着火燃烧以及负荷调节方式不同造成的。

汽油的沸点低,蒸发性好,因而在常温或稍加热的条件下易于在缸内与空气形成预制均匀混合气;而柴油的沸点高达180-360℃,不适合缸外预混合,即使加热后能在缸外气化混合,也因加热造成空气密度下降而减少进入气缸的充量,并且额外消耗加热所需的能量。

汽油机若进行预制混合气压燃,由于同时着火,压力升高率过高,近于爆炸,这是不允许的,因此适合采用先在火花塞附近高温处着火,然后在混合气中进行火焰传播燃烧。柴油的着火温度较低,在初期着火燃烧后,紧接着进行边喷油、边气化、边混合的扩散燃烧。柴油适合压燃,在喷雾条件下的点燃难度大,也无必要。

混合气形成方式的差异带来了负荷调节方式的不同。汽油均匀混合气能点燃的过量空气系数(0.4-1.4)较小,一般靠改变节气门的开度,控制混合气进气量来调节负荷,这种方式称为负荷的量调节。柴油机在循环喷油量较大的变化范围内,喷束内都有适合着火的混合气,因此柴油机在较大的平均过量空气系数范围内都可以压燃着火,所以可以体靠循环喷油量的多少来调节负荷。由于循环进气量基本不变,依靠改变喷油量,即改变平均的过量空气系数来调节负荷的方式,称为负荷的质调节。对汽油机来说,其负荷是通过节气门控制的,当节气门半开时,进入发动机的空气会有阻力,这称为泵气损失,也是降低汽油机热效率的一个因素。柴油机没有节气门,没有泵气损失。

  1. 中低负荷区be的差值明显比最低油耗点和标定功率点大,如图△be1>△be2>△bemin.因为汽油机的be曲线过于陡尖,而柴油机的be曲线有较宽平坦段。

由于混合气形成、负荷调节方式不同,汽油机的负荷越低,过量空气系数越小,汽油机是量调节负荷,负荷越低,进气量越少,残余废气系数越高,会使汽油机的燃烧速度降低,热效率下降。而柴油机是质调节负荷,低负荷时过量空气系数增大,柴油机的残余废气系数在低负荷变化时大致维持不变。这样汽、柴油机低负荷时的工质温度差别很显著,引起两者热效率的差距加大。

在高负荷条件下,汽油机的混合气较浓,过量空气系数 =0.8-1.0,而柴油机的平均过量空气系数=1.3-2.0,混合气总体偏稀。汽油机的压缩比虽然较低,但由于混合气较浓而且等容度也较高,所以它的最高燃烧温度反而比柴油机高很多; 此外,汽油机的残余废气系数比柴油机高。以上两方面的原因,使得汽油机的等熵指数比上柴油机小,高温热分解作用加剧,使得汽油机的热效率相对于理论循环的下降幅度远大于柴油机。

统计资料表明,汽、柴油机的最低燃料消耗率bemin差值约15%-30%,而综合使用油耗的差值可达25%-45%,这是由于汽车大部分时间在中、低负荷工况下运行所致。由上可知,若单纯从燃油经济性考虑进行汽车动力的选择,柴油机优于汽油机。实际选配发动机时,无论是汽油机还是柴油机,都希望尽可能提高负荷率,使其经常接近最经济的80%~90%负荷率区工作(万有特性图3中涂色区域)。这一点对汽油机尤为重要。提高运行负荷率已成为改善发动机燃油经济性、降低实际使用油耗的一个极为重要的原则。

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尽管柴油机比汽油机省油,但汽油轿车目前占中国轿车市场主要份额。汽油机的热效率是低于柴油机,不过其成本低,且在中国汽油供应比柴油充足,升功率高、重量轻、后处理技术较成熟。柴油机在轿车使用不多,与我国柴油品质也有很大关系。提高汽油机部分负荷热效率的主要途径如下:

1)提高进气压力来降低泵气损失。采用可变气门定时或可变升程机构、均匀混合直喷与可变气门定时结合、废气再循环、稀燃、分层燃烧缸内直喷、各缸进气道节流等技术。其中“软喷射”或称“喷雾 引导”型分层燃烧缸内直喷汽油可提高汽车在规定运行工况的平均燃油效率近15%。

2)避免或减少发动机在低效率的低负荷工况区工作。包括采用部分气缸停缸技术、发动机启停技术、变冲程数发动机减小排量、增压减小发动机排量等。其中直喷增压减小排量后汽车平均燃油效率可提高 10% 以上。混合动力汽车的引入,是减少发动机在低负荷工况工作区的有效措施。

3)其它节油措施 包括改进结构设计和各运动副的摩擦来降低机械摩擦损失、控制润滑油粘度和温度、排气热量利用、冷起动时用排气加热进气、冷却水温控制提高机体温度、可变压缩比机构、可变排量机油泵、电动水泵、低负荷工况冷却水节流、电动风扇、高效电机等,都能不同程度地降低油耗。

结束语:

目前能源、互联、智能革命正在为汽车产业创新发展注入强劲活力,传统内燃机汽车向新能源汽车转变,互联化和智能化相辅相成,这些将带来汽车动力的深刻改变。

来源:知乎 www.zhihu.com
作者:飞行员绿师傅

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