汽油机和柴油机的本质区别到底是什么?

2019-07-03来源:汽油机和柴油机责任编辑:汽油机和柴油机   

汽油机和柴油机的本质区别到底是什么?

  汽油机和柴油机最核心的区别是,它们的燃烧模式截然不同,汽油机的是预混合的火焰传播燃烧,柴油机主要是扩散燃烧。正是因为燃烧模式不同,所以汽油机和柴油机的效率和污染物排放会有很大的区别。

 当然了,火焰传播(flame propagation)和扩散燃烧(diffusive flame)这是燃烧学里的专有名词,所以为了方便大家理解,才会说成汽油机和柴油机,或者点燃和压燃的。

汽油机的火焰传播

  在汽油机里面,燃料和氧化剂,也就是汽油和空气,是预混合的,点火前缸内形成的是组分均匀的混合气。哪怕是缸内直喷,大多数的量产汽油机会选择在进气冲程或者压缩冲程前喷油,有时间让汽油和空气充分混合。对于一些缸内直喷分层稀燃的汽油机,尽管这个情况下缸内混合气组分不再均匀(宏观不均匀),但喷出来的油也已经和周围的气体充分混合了(微观均匀)。总之,对于汽油机,点火前燃油和空气已经混合完毕,这类燃烧叫预混合燃烧。

  在某一个合适的时刻,火花塞点火。火焰从火花塞产生,向外传播,最后燃尽整个燃烧室内的可燃混合气。这个过程叫火焰传播。

  那么很显然,火焰传播速度有快有慢,根据理想奥托循环和迪塞尔循环的比较,燃烧越快越接近等容燃烧,效率越高。所以,为了加快火焰燃烧速度,有几个措施:

  01.把火花塞放到气缸圆的中心,这样火焰只要传播半个缸径。火花塞可以很容易地放在四气门发动机的中心,但和直喷喷油嘴布置在一起有一定难度。因此有相当一部分直喷发动机的喷油嘴并不放在气缸当中。(这里并不是说喷油嘴一定要放在当中,但是火花塞必须放当中)

  02.减少缸径,这样火焰传播距离就短了。这和第一个原因告诉我们,美国超大排量肌肉车的燃烧注定不太好,因为缸径太大,火焰传播时间更长,而且那些肌肉车都是两气门的,所以火花塞不能放在当中。有一些肌肉车会选择在一个气缸里面装两个火花塞来改善这一问题。

  03.火焰传播速度是由缸内气体湍流强度决定的。什么意思呢,假设缸内的气体是完全静止的,火焰传播地会非常得慢。但是呢,因为进气的时候气流有一定的速度,活塞压缩气体的时候也有可能让气体产生不同方向的运动,这种混沌的运动叫作湍流。可以通过合理设计气门和燃烧室,来提高湍流强度,最经典的例子就是丰田的Dynamic Force Engine了,通过增加滚流比,来大幅提高火焰传播速度。

  这里需要提一点的是,增加湍流强度不是没有副作用的。缸内湍流强度增加会增加散热损失,因为缸壁和气体的热交换更加剧烈了。但是,汽油机的燃烧速度加快的话,如果配合更高压缩比,缸内温度维持在高温的时间会变短,所以对于现在这种情况,散热损失应该是下降了。

柴油机的扩散燃烧

  在柴油机中,燃料和空气不是预混合的,只有空气被压缩。在上止点附近喷油嘴喷出高压柴油,随后燃烧。喷油嘴喷出柴油的那一瞬间,燃烧并没有开始,因为柴油小液滴附近没有空气,烧不起来,局部空燃比是0(紫红色部分)。随着柴油液滴气化扩散,和空气混合,柴油开始燃烧,但这个时候,空气还是很少,局部柴油是过量的,那么不可避免地发生了不完全燃烧,产生碳烟(Soot)。下图里面从左侧淡蓝色、到深蓝色、到右边黄色的球,这都是碳烟。随着燃烧的进行,气体扩散会更快,碳烟和一些其它未燃烧的物质和空气混合后继续燃烧,最后转化成二氧化碳和水,这两者在围绕着喷雾周围的一圈橙色的扩散火焰中形成。随着柴油完全燃烧,温度很高,喷雾外侧又只有空气没有燃油,氧气过量,所以产生了NO。

  所以说,柴油这种燃烧方式,既会产生反应不完全的碳烟,又会产生高温氧气过量的NOx,傻得不行。但是,扩散燃烧是一种非常稳定的燃烧,在大部分地方都有应用。比如煤气灶就是扩散燃烧。航空发动机里面的燃烧室也是扩散燃烧。大部分可靠的燃烧其实都是扩散燃烧。但在发动机里的应用我觉得并不特别合适。原因有二,一是发动机要求燃烧快速完成,柴油机需要把柴油喷出来,然后雾化扩散,这需要时间,这导致了柴油机的燃烧并不接近理想奥拓循环。早期的柴油机,喷射压力非常低,柴油一边喷一边烧,所以被近似成迪塞尔循环。现代的高压共轨柴油机,喷射压力至少有1600 bar(BOSCH第二代共轨系统),燃烧比以前快多了,但柴油机的问题还是存在。第二,扩散燃烧很稳定,但是往复式发动机里面,燃烧一下就可以了,然后是做功、换气、压缩,再燃烧,所以,特别稳定的燃烧未必很有意义。

氮氧化物催化装置」的工作原理是什么?

尿素分解反应:

SCR反应:

SCR系统概况

  在SCR系统中,SCR催化剂扮演者重要的角色。国五之前,主要是V2O5基催化剂(抗高温能力弱),现在主要是分子筛催化剂,随着环保的越来越高的要求,对SCR催化剂的研制提出了更高的要求:

01.高效的NOx转化效率

02.良好的氨存储能力

03.良好的抗高温老化性能力

04.良好的抗硫老化和再生性能