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汽油发动机和柴油发动机的异同及发展方向

供稿人:ISTIS  供稿时间:2005-3-14   关键字:汽油发动机  柴油发动机  TDI  GDI  
汽油发动机和柴油发动机都属于内燃机,都是燃烧燃料后通过推动气缸内活塞作往返运动来将燃料中的化学能量转换成为驱动车辆前进的机械能量,因此两者的工作原理大体是相同的。汽油发动机与柴油发动机的最主要的区别在于燃料物理特性所引起的点火方式的区别,从而表现出各自不同的热效率、经济性,以及外形特点等。详见下表的比较。
 
 
汽油发动机
柴油发动机
燃料
汽油
柴油
燃料能量密度
柴油为各日常燃料中最高,比液化天然气高出近1倍,比汽油高出10%以上
燃料挥发性
较强
不易挥发
燃料燃点
220-250℃
着火点较高
点火方式
火花塞点燃
压燃式
压缩比
一般≤10
一般为16-22
热效率
35%
45%
经济性
柴油机较高,比汽油节油15%-30%
特点
体积小、重量轻、起动性好,价格便宜,最大功率时的转速高;振动及噪声小
可靠性高,比较笨重,体积较大,成本较高,振动噪声大;柴油不易蒸发,冬季冷车时起动困难
应用
载客汽车、轿车
大、中型载重货车(近年逐步应用于轿车)
 
汽油发动机中,油气混合气进入气缸后,在压缩接近终了时由火花塞点燃。因此,汽油发动机需要一套控制何时让火花塞工作的点火系统,为保证汽油机的正常工作,必须精确控制火花塞放电的时刻和火花能量的大小,故燃料供给系和点火系是发生故障比例较高的部位。此外由于汽油的燃点较低,汽油机的压缩比就不能太高,以免油气自燃,因此其热效率和经济性较柴油机为差。汽油机的优点在于其体积小、重量轻、价格便宜、起动性好,最大功率时的转速高,工作中振动及噪声小。因此在载客汽车,特别是轿车中,汽油机得到了广泛的应用,特别是在我们国家目前生产的绝大多数轿车,都是采用汽油发动机作为自己的动力系统。
 
柴油机采用压缩空气的办法提高空气温度,使空气温度超过柴油的自燃燃点,这时再喷入柴油、柴油喷雾和空气混合的同时自己点火燃烧。因此,柴油发动机无需点火系。同时,柴油机的供油系统也相对简单,因此柴油发动机的可靠性要比汽油发动机的好。由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要,柴油机压缩比很高。热效率和经济性都要好于汽油机,同时在相同功率的情况下,柴油机的扭矩大,最大功率时的转速低,适合于载货汽车的使用。柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高,所以成本较高;另外,柴油机工作粗暴,振动噪声大;柴油不易蒸发,冬季冷车时起动困难。在环保方面,柴油机的二氧化碳排放平均比汽油机的低30%-35%。
汽油发动机缸内直喷技术
汽油机缸内直喷作为新技术前景喜人。缸内直喷的原理是通过均匀燃烧和分层燃烧,实现了高负荷、尤其是低负荷下的燃油消耗降低,动力还有很大提升,在部分负荷时仍具有的巨大节油作用。
在全负荷时,燃油喷射与进气同步,燃油得到完全雾化,使混合汽均匀地充满燃烧室,自然会得到充分的燃烧,使发动机动力得到淋漓尽致的发挥。在均匀燃烧时有着和传统喷射发动机相同的空气与燃油混合比,即空燃比是14.7∶1,此时的lambda值是1。而燃油的蒸发又使混合汽降温,去除了爆震的产生。也就是说在均匀燃烧情况下,在获得高动力输出和扭矩值的同时付出了较低的燃油消耗。
 
出色的经济性主要表现在部分负荷时的分层燃烧。可燃混合物只分布在火花塞周围,混合汽层的大小范围精确地反映了瞬时发动机动力的需求。在分层燃烧时,直到压缩行程时才喷射燃油,油雾直接进入燃烧室中的空气,而喷油就发生在点火前瞬间。分层燃烧时lambda值达到4,可见发动机在中、低速时燃油是多么节省。另一个优点是,在燃烧时空气层隔绝了热,减少了热量向汽缸壁的传递,从而减少了热量损失提升了发动机热效率。
 
完善的发动机后处理使排放达到欧Ⅳ标准:废气的30%又流回了燃烧室。帮助降低了燃烧温度,并使分层燃烧时的氮氧化物降低了70%。FSI发动机有2个触酶转化器,在排气歧管后面是三元催化转换器,再后面是NOx储存型转化器。排放达到了欧Ⅳ,在德国每年要节省307欧元的道路使用税。油喷射与进气同步,燃油得到完全雾化,使混合汽均匀地充满燃烧室,自然会得到充分的燃烧,使发动机动力得到淋漓尽致的发挥。
 
今天,各大公司已经把目光锁定在了直喷,如博世公司开发了Motronic MED7汽油直喷系统,奥迪公司开发了FSI系统,奔驰开发了CGI系统,菲亚特则开发了JTS系统,虽然名字不同,但它们都代表了汽油缸内直喷。
 
在2002年底,奔驰也上市了配有1.8L CGI汽油缸内直喷发动机的C级轿车,即C200 CGI。峰值功率是125kW,扭矩比上一代增加了15%,当发动机转速只有1500rpm时即可输出扭矩的75%,在3000rpm时输出最高扭矩250Nm,并持续到4500rpm。与相同排量C级车相比节油超过19%,综合油耗是7.8L/100km。排放达到欧Ⅳ。0到100km/h的加速时间是9.0秒,最高时速222km/h。与C200 CGI有着相同排量的C 180 KOMPRESSOR峰值功率是105kW,最高扭矩220Nm/2500rpm,0到100km/h的加速时间是9.7秒,最高时速222km/h,综合油耗8.2L/100km。从以上数值就可以看出这2款发动机的差距了。
 
经汽油发动机缸内直喷技术的相关最新专利检索,发现该技术的研发群体主要集中于德国和美国,详细情况列表如下:
 
专利号
专利名
申请日
公开日
申请人
同族专利
WO0218767
Mixture adaptation method for internal combustion engines with direct gasoline injection
2001-8-23
2003-01-01
BOSCH GMBH ROBERT [DE]
US6725826 (B2)
US2003106522 (A1)
DE10043093 (A1)
CN1388858
EP1486647
Method for regenerating a NOx storage catalyst in the exhaust system of a direct injection spark ignition gasoline engine
2004-6-2
2004-12-15
DAIMLER CHRYSLER AG [DE]
DE10326592 (A1)
RU2236607
METHOD OF AND DEVICE TO CONTROL OPERATION OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH DIRECT INJECTION OF GASOLINE
1999-1-21
2004-9-20
PANTRING JURGEN [DE]; KHESS VERNER [DE]
WO0052318 (A1)
EP1190167 (A1)
US6494179 (B1)
DE19909658 (A1)
EP1190167 (B1)
US2004187840
2004-3-31
2004-9-30
HITACHI LTD [US]
 
EP1443188
Reciprocating piston internal combustion engine with gasoline direct injection
2004-1-16
2004-8-4
BAYERISCHE MOTOREN WERKE AG [DE]
DE10304168 (A1)
EP1380745
Method of operating a direct injection gasoline engine
2003-6-3
2004-1-14
BAYERISCHE MOTOREN WERKE AG [DE]
DE10230913 (A1)
柴油发动机涡轮增压直接喷射技术
今天的柴油机由于采用了涡轮增压直接喷射技术(Turbo Direct Injection,简称TDI),彻底改变了原来那种令人厌恶的冒黑烟、功率低的旧形象,且寿命更长,动力更强劲。与传统的柴油喷射系统中:无论是直列泵还是分配泵,都是由一只油泵向所有的喷油器供油,这种结构最大的缺点是喷射压力低,喷油时刻和喷油量也很有限。而TDI柴油机从根本上克服了这些缺陷,它的每一个气缸都有一个独立的泵喷嘴,由于取消了油管,喷射压力得以大幅度的提高,而电脑控制系统的引入使喷射的时间控制更精确,另外还能通过预喷射进一步降低排气污染。此系统的核心部件为控制单元和泵喷嘴。泵喷射系统在技术上的突破使柴油轿车的扭矩、车速有了极大的进展,使柴油发动机达到了平稳、高效燃烧的理想状态,并降低了燃烧噪声、降低了尾气中的NOx的含量。
 
在豪华轿车的柴油发动机方面,德国奥迪公司在核心技术和工艺方面都处于领先地位。奥迪自1976年即开始了TDI的研发,1989年第一款配备TDI的奥迪柴油车正式投放市场。经过15年的发展,奥迪迄今已在TDI领域积累了丰富的技术和经验。奥迪在TDI的四气阀技术、涡旋进气系统、喷射系统等技术上取得了创造性的突破。奥迪还在世界上第一个推出六缸TDI柴油发动机,并最先用在奥迪A8豪华轿车上。
 
一汽大众推出的2004款宝来轿车上装备了先进的直喷式涡轮增压柴油发动机(TDI),采用了多项最新技术,例如泵喷射系统、可变喷嘴式涡轮增压器等都是首次在国产轿车上应用。
 
经柴油发动机涡轮增压直接喷射技术的相关最新专利检索,发现该技术的研发群体主要集中于德国和日本,中国专利中未见报道,详细情况列表如下:
 
专利号
专利名
申请日
公开日
申请人
EP0892165
Exhaust gas recirculation system for turbo-charged, fuel direct injection engine
1998-7-16
1999-1-20
MAZDA MOTOR (JP)
DE10241885

Drive and control system for direct fuel injection engine for road vehicle, has inputs from accelerator pedal and torque sensor to coordination circuit and outputs to fuel and ignition controls

2002-9-10
2004-3-11
VOLKSWAGENWERK AG [DE]
DE10146642
2001-9-21
2003-4-24
DORNIER GMBH [DE]
JP2001227395
FUEL CONTROL DEVICE FOR DIESEL ENGINE WITH TURBOCHARGER
2000-2-14
2001-8-24
MAZDA MOTOR
JP2001221092
FUEL CONTROLLER FOR DIESEL ENGINE WITH TURBO- SUPERCHARGER
2000-2-7
2001-8-17
MAZDA MOTOR
WO9905401
EXHAUST CLEANING ARRANGEMENT FOR A DIESEL MOTOR
1998-7-20
1999-2-4
SIEMENS AG [DE];; WITZEL FRANK [DE];; MATHES WIELAND [DE];; SCHNAPP STEFFEN [DE]
JP10073023
TURBOCHARGED DIESEL ENGINE
19960830
1998-03-17
HINO MOTORS LTD
柴油发动机市场发展前景
传统的柴油发动机比较笨重,升功率指标不如汽油机(转速较低),噪声、振动较高,炭烟与颗粒排放比较严重,所以一直以来很少受到轿车的青睐。但随着近年来柴油机技术的进步,特别是小型高速柴油发动机的新发展,一批先进的技术,例如电控直喷、共轨、涡轮增压、中冷等技术得以在小型柴油发动机上应用,使原来柴油发动机存在的缺点得到了较好的解决,而柴油机在节能与CO2排放方面的优势,则是包括汽油机在内的所有热力发动机无法取代的,因此,先进的小型高速柴油发动机,其排放已经达到欧洲III号的标准,成为“绿色发动机”,目前已经成为欧美许多新轿车的动力装置,“绿色柴油机”副主席兼中国AVL公司总裁MichaelLaske先生说:“当今柴油发动机技术的进步使发动机变得前所未有的平滑、低噪音而且更加干净。在降噪和制造工艺方面,柴油机和汽油机驱动的小汽车,几乎没有明显区别。”可以预见,我国将出现越来越多的柴油轿车。
 
石油价格日益高涨的今天,汽车的节能要求也日益提高,虽然目前出现了很多新能源:氢动力,燃料电池或混合动力等,新能源汽车也开始逐步实用化,但从真正经济实用的角度出发,现阶段采用新型柴油机作为车辆动力,无疑是最可行的方案之一。欧盟各国乘用车市场柴油机车市场占有率在2005年达到新高。作为世界第二大汽车消费市场,柴油机的经济和强动力性符合了欧洲市场的发展趋势。
 
根统计, 2004年欧洲销售的所有乘用车当中,柴油发动机车辆的购买率增加到了48.2%,2003年的柴油客车购买率是43.7%。同时,汽油发动机车辆的销售量下降了4.5个百分点,从2003年的56.0%降到了年2004的51.5%。
 
未来我国的能源需求将持续增长,采用先进的柴油技术和清洁的柴油燃料似乎可以成为解决依赖外国进口石油的一个好方法,同时还可以降低二氧化碳排放量,因而采用柴油发动机的汽车市场前景广阔。
 
 
参考文献:
1. 汽油发动机VS柴油发动机
2. 丰田展出雷克萨斯IS 首次配柴油发动机
3. 欧宝 雅阁 蓝旗亚 感受三款进口柴油轿车(1)
4. 欧洲乘用车市场柴油机占有率达42.8%
http://www.qiche.com.cn/files/200503/06033.shtml
国外内燃机.2003,35(5).-3-6
汽车与配件.2004(45).-27-28
内燃机.2002(6).-6-9
8. 汽油机缸内直喷技术
http://auto.sina.com.cn/news/2004-11-10/86032.shtml
9. SDI与TDI技术
http://www.pcauto.com.cn/news/yjpl/medium/0409/123167.html
10. Turbo Direct Injection
http://www.answers.com/topic/turbo-direct-injection
11. TDI FAQ
http://tdiclub.com/TDIFAQ/TDiFAQ-1.html#b
12. Exhaust gas recirculation system for turbo-charged, fuel direct injection engine
PN:EP0892165                PD:1999-1-20
PN:DE10241885               PD:2004-3-11
14. Mixture adaptation method for internal combustion engines with direct gasoline injection
PN:WO0218767               PD:2003-01-01
15. Method for regenerating a NOx storage catalyst in the exhaust system of a direct injection spark ignition gasoline engine
PN:EP1486647               PD:2004-12-15
 
 

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