作为内燃机,柴油机与汽油机工作原理一样,都是将包含化学能的燃料,在发动机内燃烧,释放热能,通过热力学循环转变成机械能,但汽油机和柴油机的工作原理却完全不同,为什么汽油机需要火花塞?为什么柴油机更省油?为什么柴油机需要添加尿素呢?
这一切得先从燃料的特性说起。
汽油、柴油都是石油副产品,具有挥发性、可燃性的烃类混合物液体,非常适合用于燃料。但汽油自燃点高达420度—500度,而柴油自燃点低,仅为220度。
物理课上老师讲过,物体要燃烧需要满足一些条件:可燃物、氧化剂(助燃物)、温度(引火源)。不同的燃料特性使得柴油更适合压燃,柴油机压缩比高,所以当活塞运行到上止点的时候气缸内温度已经达到600度—800度,而柴油自燃点仅220度,所以无需火花塞这个火源,柴油就自己被点燃了。
而汽油闪点比较低,即便达到最大的压缩比时,汽油也无法自燃,因此汽油机需要配置火花塞这个火源来点燃油气混合物。
同样,由于燃料的密度以及发动机的工作原理不同,也导致了汽油机和柴油机不同的工况特性。
理论上,要说明一台内燃机的技术参数,可以概略地用功率与扭矩的大小来标示,但影响功率、扭矩输出的因素却很多,其中一个重要因素就是发动机的压缩比。压缩比表示活塞由下止点运动到上止点时,气缸气体被压缩的程度。
就发动机单个气缸而言,当活塞的行程到达最低点,此时的位置点便称为下止点,整个气缸包括燃烧室所形成的容积便是最大行程容积。当活塞反向运动,到达最高点位置时,这个位置点便称为上止点,所形成的容积为整个活塞运动行程容积最小的状况,需计算的压缩比就是这最大行程容积与最小容积的比值,即气缸最大体积(V1)与最小体积(V2)之比。
空气在压缩的过程中,其温度会升高。压缩比越高,意味着空气和燃油会被压缩的更狠,进而燃油分子也就会跟空气结合的更加充分,从而使燃烧更加充分。此外,高压缩比还有一个好处,混合更加充分的油气混合物能够实现更快的燃烧。
压缩比越高,热效率越高,但随压缩比的增高,热效率增长幅度越来越小。本文的重点在于前面这两句。
汽油机的压缩比一般为8-14左右,而柴油机的压缩比一般是15起步,约在15—18之间,高的还有20以上压缩比的机型。这样一看,柴油机的压缩比要远高于汽油机,自然燃烧效率也就越高,因此柴油机的热效率普遍高于汽油机。
在现阶段,汽油机的最高热效率普遍在40%上下,新能源专用汽油发动机在电池的帮助下可以达到43%—45%左右,而柴油机基本上是热效率45%起步,国内的潍柴等厂家已经量产了热效率50%的柴油发动机。
相比汽油来,柴油含有更多更长的碳原子链,同时柴油的密度为0.83 g/ml—0.855g/ml,汽油的密度0.725g/ml,能量密度上汽油比柴油略低一些。粗略计算下,每燃烧1升的柴油所释放的能量,约等于燃烧1.2升的汽油所释放的能量。
压缩比更高,燃油能量密度更高,使得同排量下柴油机普遍较汽油机省油。就拿2015款奔驰GL来对比,该车可选汽油/柴油发动机,排量都是3L,均配备涡轮增压器。在NEDC工况下,柴油机的百公里综合油耗为8.1L,而汽油机的百公里综合油耗达到10.1L,涨幅超过20%。
那为什么汽油机有个三元催化器就行了,柴油机除了三元外,还需要加尿素呢?
19世纪90年代,德国人鲁道夫·狄赛尔发明了柴油机。经过100多年发展,柴油机技术已经日臻完善,特别是采用了高压共轨喷射、涡轮增压等技术后,柴油机的效率进一步提高,使得柴油机现在仍然是热效率最高的内燃机之一。
和技术一起携手进步的还有环保和排放。
早在国一国二时代,那时候柴油发动机还采用机械泵,国三开始用上了共轨系统,大马力的代价,是日益先进的发动机技术,以及越来越精密的设备。现在来到国六时代,除了油品升级外,柴油发动机,特别是后处理器这一块已经相当完善。
国六柴油机,后处理器这一块主要是通过EGR废气再循环系统、DOC(柴油催化氧化)、DPF(颗粒物捕捉)、SCR(选择性催化还原)、ASC(氨逃逸监测)等组成。
其中需要定期加注维护的,就是SCR尿素系统了。
早期人们对柴油车的印象就是拖着黑烟跑,稍微大点油门,能熏黑一大片地方,堪称烟雾弹。其实这些黑烟就是固体微小颗粒,也称为碳烟。
冒黑烟的原因主要是柴油品质不佳、燃料混合气过浓、可燃混合气形成不良或燃烧不完善等原因造成的。
通过提前喷油,混合气的滞燃期随喷油提前角的加大而延长。因此,着火前喷油量较多,循环温度高,燃烧过程结束较早,从而使排烟下降。
但正所谓鱼和熊掌不可兼得,提前喷油会带来较高的燃烧噪声、较大的机械应力和较多的NOx排放。柴油和空气在高温高压下混合燃烧,使得氮气和氧气发生反应,生成各种氮氧化物,包括一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)。
于是人们不得不在柴油机的DPF后再加上一个SCR系统,通过尿素还原反应来降低氮氧化物排放。通过向催化剂上游的尾气中混入氨,利用贵金属催化器在温度为200-450℃的条件下,将尾气中的NOx转化为氮气和水,以此实现降低氮氧化物的排放。(朋月)