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都是发动机，传统汽油机和柴油机的区别是什么

传统汽油机和柴油机的区别到底有哪些？这就来好好科普一下。

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。

理想奥拓循环和迪塞尔循环

在说实际汽油机和柴油机之前，不得不提一提理想循环。根据教科书的讲法，理想奥托循环（ideal Otto cycle）代表汽油机，理想迪塞尔循环（ideal Diesel cycle）代表柴油机， p-V 图如下所示。理想循环把进排气过程忽略了，假设封闭体系，工质为理想气体的空气。1-2代表着绝热压缩（没有散热损失），气体温度和压力都迅速上升。 V_{1}/V_{2} 是压缩比 CR 。到了上止点以后，燃烧开始，奥托循环是定容燃烧，迪塞尔循环是定压燃烧。为何有这个区别在下一节讲。燃烧完成以后，3-4进行绝热膨胀做功，4-1是排气。

理想迪塞尔循环的热效率公式就不放了，需要说一点，在压缩比一样的时候，迪塞尔循环的效率一定比奥托循环低，因为迪塞尔循环燃烧时是定压燃烧，有一部分能量是浪费掉的，没有对外做功。

实际情况下，任何燃料的燃烧都要花一定时间。哪怕汽油机真的可以瞬间完成燃烧，缸内压力瞬间上升几十bar会直接把发动机炸了的，所以花一点时间燃烧不是坏事。这段话很重要，请记住，在说到HCCI的时候有用。所以实际的循环更接近下图这样的一个五边形，但汽油机更接近奥托循环，3-4很短。

另外，理想奥托和迪塞尔循环都假设绝热压缩和膨胀，实际情况一定会有散热损失，尤其是膨胀做功的时候，高温气体会产生大量的散热损失，所以实际效率会低不少。

汽油机的火焰传播

这一节和下一节的燃烧过程是这篇文章的核心。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：

1、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）

2、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。

3、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，傻得要死。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。

汽油机和柴油机的效率差别

现代汽油机和柴油机相比，效率差别的最主要因素就是压缩比，这个原因我相信看我文章的99%的人都知道，我也就不赘述了。为了防止可燃混合气爆震，汽油机的压缩比不能太高，一般为10左右。柴油机压缩的仅仅是空气，可以把压缩比提得很高，可以到20左右。所以柴油机效率高。

此外，还有一个很重要的因素有相当的多的人不知道。那就是汽油机节气门半开的泵气损失。下图是一个相对真实的汽油机 p-V 图。相比前面的奥拓循环，真实 p-V 图有两个环而不是一个。从d-e是发动机做功冲程，然后排气门打开（EVO），发动机从e-a排气，因为汽油机一般都有一个三元催化器，所以排气背压会略高于大气压 p_0 ，然后进气门打开排气门关闭开始进气，因为节气门半开，所以进气道里面是负压。所以下面这个环其实是要消耗能量的。在节气门开度很小的时候，下面这个环相当大，而上面的做功的环变小。泵气损失导致了汽油机低负荷的热效率惨不忍睹。

所以总结来说，柴油机的高压缩比让它的效率高于节气门全开的汽油机。但汽油机更大的问题在于经常性的半开节气门可观的泵气损失。其它还有一些次要因素我就不提了。

汽油机和柴油机的排放差别

这里说的排放是污染物排放（Pollutant），而不是碳排放。碳排放的概念在汽车这个环节和热效率是等价的。

汽车的污染物排放主要有未燃烧碳氢UHC，一氧化碳CO，碳烟Soot，和氮氧化物NOx。

汽油机往往是当量空燃比燃烧，所以氧气会正好用完，这导致了，一定有一小部分的汽油没有燃烧完全，产生了一些UHC和CO。因为燃烧温度较高，但又没有多余氧气，所以会产生一点点NOx。但汽油机有个大杀器叫三元催化器，只要可燃混合气是当量比的，三元催化器就可以把尾气几乎完全转化成无害的CO2和水。所以传统汽油机不是没有污染，只是三元催化器太便宜太高效。

柴油就比较搞笑了，前面讲扩散燃烧的时候提到，柴油的混合气尽管是富氧的，但是局部氧气是缺乏的，所以会产生大量的碳烟，这些碳烟大部分会最终被氧化成CO2和水，但仍有一部分没有，变成了颗粒物排放。富氧的地方温度又非常高，产生了大量的NOx。所以柴油机的排放非常可怕，必须上很昂贵的后处理全家桶。不上全也可以，参考大众。

总结

1、理想奥拓循环假设汽油机瞬间完成等容燃烧、压缩膨胀过程没有散热损失，是普通汽油机效率的理论上限。理想迪塞尔循环是早期低压喷射柴油机的近似。

2、汽油机的可燃气是预混合的，燃烧途径为湍流火焰传播。火焰传播需要一定时间。可以通过中置火花塞、适当减少缸径、提高气体湍流强度来增加火焰传播速度，提高汽油机热效率。汽油机由于爆震限制压缩比不高，所以热效率不高。另外，节气门半开时的泵气损失也会显著降低热效率。

3、柴油机仅压缩空气，在上止点喷出高压柴油。柴油喷出后气化、扩散，逐渐和空气混合开始燃烧，一开始形成不完全燃烧产物，随后继续被空气氧化至CO2和水。扩散燃烧过程中，柴油经历低温缺氧，逐渐到高温富氧，所以碳烟和NOx排放都很高。但由于柴油机压缩比高，没有泵气损失，柴油机热效率较高。