汽油机的效率, 汽油机的效率目前可达到多少(汽油发动机和柴油发动机有何区别)

作为混合动力汽车动力总成的重要组成部分，内燃机长期在其特性曲线场范围内运行。为此，研究人员对内燃机进行了优化设计，以大幅提高其工作效率。由德国IAV公司开发的1款新款汽油机，具有较高的压缩比。通过充量稀释技术与活性预燃室点火系统实现良好匹配，从而使该机型的最高效率达到了45%。

根据欧盟委员会的要求，降低CO2排放势在必行，从而显著提高了对车辆动力系统的要求。从2021年起，CO2排放指标将在原有的95 g/km排放限值基础上再降低37.5%。不仅如此，研究人员会采取一定技术措施以降低汽油机的燃油耗，同时须使车辆动力系统在所有行驶条件下均能有效降低CO2排放。因此，该技术要求对汽油机与电驱动部件的组合提出了更高挑战。为此，研究人员可在特性曲线场中对汽油机进行更有针对性的设计，从而大幅提高整机效率。

混合动力总成系统可按照所采用的混合动力形式（微混合动力、轻度混合动力和全混合动力）或者按照电机的布置方式（串联、并联和功率分支）进行分类。在对技术复杂性、节能潜力、工作能力和成本进行权衡的情况下，并联混合动力被视作是1类具有较好应用前景的布置方式。全混合动力型式由于可有效降低CO2排放，并能实现能量回收和辅助动力输出，从而也具有较高的技术竞争力。如果研究人员对插电技术和再生能量回收技术进行进一步优化，以此可持续提高整车节能潜力。图1示出了在混合动力总成系统中内燃机的工作范围，此时需协调并优化低端扭矩（LET）、额定功率和部分负荷等因素之间的矛盾。在低部分负荷工况范围内，车辆以纯电动状态行驶，同时在蓄电池尚未完全充满电的情况下应通过调整运行工况点以避开该工况范围。

该方案的技术核心是通过显著增大压缩比来提高整机热效率，并限制低端扭矩范围来实现上述目标。除此之外，研究人员通过应用冷却废气再循环（EGR）与米勒配气定时以及较短的燃烧持续期以降低整机爆燃倾向。充量稀释带来的附加效果是热损失逐步降低。除了采用充量稀释等策略之外，由于较大的行程缸径比和较高的压缩比会导致较高的壁面热损失，而能否将换气损失降到最低程度则取决于废气涡轮增压器的设计方案。此外，经充分优化的进气通道和按最佳工况点而设计的压气机转子可使该方案得到进一步完善。

在对新型汽油机进行设计的过程中，研究人员须对众多机型参数进行优化。由于某些机械损失的状况各有不同，从而产生了多标准优化的问题。在该方面，一维（1D）换气模拟与IAV公司独创的数学优化程序实现关联，基于爆燃、增压、壁面热量和燃烧过程而设立的基础模型被运用至相应的发动机模型中，研究人员通过优化过程对转速、负荷、压缩比和汽油机效率等参数进行了设置（图2）。最佳配置使汽油机在转速为4 400 r/min时的有效热效率可达到45.4%。同时，在研究人员针对汽油机运行范围进行优化的前提下，汽油机在转速为3 000 r/min时的有效热效率能达到45%，此时压缩比为17.4，EGR率为42%，行程缸径比为1.25。

除了稀薄燃烧过程之外，研究人员也可通过稀释废气来提升发动机效率，以实现化学计量空燃比。虽然借助于三元催化转化器进行废气后处理具有显著优势，但是EGR率受到点火系统潜力的限制。为了解决EGR率与汽油机点火能力之间的矛盾，IAV公司已开发出了1种活性预燃室点火系统，通过将少量的气体封装在预燃室中即可使部分混合气的过量空气系数达到能着火的范围。同时，该预燃室可用于产生高能量的火焰锋面，以此能迅速点燃高度稀释的混合气。为了在高EGR率情况下形成易于着火的混合气，需要采用1种特殊的喷油器，其能通过空燃混合气对预燃室进行扫气，因此预燃室中在点火瞬间时的EGR率比主燃烧室更低。图4中示出的试验结果表明，该类燃烧过程的残余废气兼容性得以显著提高，在爆燃极限范围内更合适的燃烧重心位置和较短的燃烧持续期提升了整机效率，但是由于并未配备扫气泵，在试验台上缺乏足够的扫气压差，为了不影响燃烧稳定性，EGR率被设定为32%。

虽然目前采用的可变气门机构并非不可或缺，但以此能扩大汽油机高效率工作范围。图6示出了汽油机的效率特性曲线场，除了45%的最高效率工况点之外，效率为40%以上的工作范围得以有效扩展。在车辆以内燃机状态行驶时，全球轻型汽车测试循环（WLTC）条件下的节油潜力为每百公里0.6 L，而C级混合动力车带来的节油效果为每百公里1.0 L，从而具有较好的应用前景。

作者：[德]M.SENS等

整理：范明强

一般情况下，船舶上所使用的发动机大都为柴油发动机，而城市里的家用小轿车则大都是使用的汽油发动机，二者为何会不同？其中有着怎样的学问呢？

首先我们先要了解柴油发动机和汽油发动机的区别。首先，柴油发动机使用的燃料是柴油，而汽油发动机使用的燃料是汽油。在价格方面，一般来说汽油是要比柴油贵的，但是由于汽油的价格浮动较大，我们也可以勉强认为两者在平均价格上是差不多的。例如：2021年3月18日0时，北京的92号汽油价格为6.78元每升，95号汽油价格为7.21元每升，98号汽油价格为8.19元每升，而0号柴油价格为6.45元每升；西藏地区92号汽油价格为7.66元每升，95号汽油价格为8.11元每升，0号柴油价格为6.97元每升。通过这些富裕和贫困地区的油价对比，我们也可以看出来，在全国各地，其汽油价格基本是要比柴油价格更贵一些的。

其次，由于柴油的燃点大致为220摄氏度，汽油的燃点为420摄氏度以上。所以，柴油机可以采用压缩空气的办法来提高空气的温度，通过活塞运动，使得柴油与高温高压的空气混合在一起，从而达到自燃的效果。但是汽油就没有办法通过压缩空气的办法点燃了，必须要通过额外的火花塞放点火才能让气体点燃。这种情况也间接导致了柴油机比汽油机效率更高，由于柴油的燃烧是由喷油嘴来控制的，那么如果担心气缸内柴油过多产生的热量和空气震动程度过于激烈，我们完全可以减少喷油嘴的喷射时间或者喷射量，也就不比太担心爆震现象的出现。

这里要说一下，爆震就是指火花塞发电点燃附近的汽油后，在中心火焰还没有到达边缘汽油之前，那些混合气没有被引燃就自行燃烧的现象。如果发生严重爆燃，发动机的功率和转速会下降，机器工作也会很不稳定，可能会出现发动机抖动严重的现象，还可能会在高转速高负荷下出现极其严重的爆震现象，导致火花塞和活塞被烧化，严重的情况下也会使气缸及汽油发动机被炸穿。总的来说，就是会使发动机动力下降、汽油损耗增加、噪音相比之前也会加大等等。

一般柴油机是不会出现这种震爆现象的，但是汽油发动机不一样，我们前面说到，汽油发动机是要火花塞点火的，但是火花塞点火并不能控制汽油点燃的量是多少，那么就很可能出现爆震现象，所以为了防止爆震，汽油发动机不能像柴油发动机那样提高压力，提高效率，就会使得柴油发动机比汽油发动机效率更高、更加省油。

不仅从经济角度上，从使用角度上，我们依然会选择柴油发动机用作船舶的动力机器。这是因为柴油发动机的安全性、维护费用、动力系统相比汽油发动机更好、更便宜。

首先，柴油机的故障大部分为机械故障，容易观察判断，也方便处理；汽油发动机多了一个通过电火花点燃汽油的系统，一般涉及到用电方面的故障，都很难通过直接的观察得出结果，有时候会比较复杂，需要详细的检查。其次，柴油发动机动力性要比汽油发动机好，转速相比之下比较低，而扭矩则更大，不过柴油发动机的噪音也更大，一般大量被用于重型工程机械。汽油发动机有着比较高的转速，由于限制了发动机的效率，相应的它的噪音也会更小，广泛运用于城市交通。另外，虽然从外表看起来，汽油发动机往往比柴油发动机更干净，但柴油发动机的寿命会更长，也更加耐用，相比之下，它的性价比也就更高。柴油发动机的转速相比汽油发动机更低，相关零部件也就不容易老化，与汽油发动相比，零件磨损程度会大大降低。机由于没有点火系统，辅助电器也很少，所以柴油发动机要比汽油发动机更不容易出现故障，无形当中能够为我们节省一大笔维修费。

在安全性方面，和汽油相比，柴油更不容易挥发。燃点也有220摄氏度，比平时正常温度要高得多，不会因为一些意外情况而起火，发生一些安全事故。所以使用柴油的柴油发动机比使用汽油的汽油发动机更加稳定和安全。

此外，柴油发动机可以在转速较低的时候，拥有比较高的扭矩，这在一些需要强发动力的情况下，性能要汽油发动机更好。只是在高速公路这种平地，提速、高速行驶方面柴油车表现不如汽油车。

所以，综合各种情况，民用船舶基本都是使用柴油发动机。

柴油发动机本身也是有着很多种分类，有低速、中速、高速三种柴油发动机，可为什么选择低速柴油发动机呢？

这是因为船舶的推动主要是靠螺旋桨工作的，船舶是通过主发动机带动船体的螺旋桨旋转，然后凭借螺旋桨对水做功的反作用力来推动船舶前进行驶，通过舵机带动舵叶掌控船体行驶的方向。那么为了增加螺旋桨的动力，就需要让螺旋桨和发动机的转速尽可能一致，而且也需要螺旋桨的直径更长，直径越长，效率也就越高。但直径越长的螺旋桨，它的转速就越低，那么只有低速柴油发动机才可以更好地适应它。

不过，低速柴油发动机往往体型巨大。船用低速机机身和缸径一般都是很大的，高的最高能够到达五六米，并且由于尺寸过大，柴油机运转时，不能像中高速柴油发动机那么快，否则连杆等机器上的零部件会承受不住转动惯量，容易发生断裂现象。

这里我么要注意的是，低速柴油发动机不是先尺寸大，再转速低。而是为了转速低才会变得尺寸大。不仅如此，民用船舶所使用的柴油发动机往往是二冲程的，二冲程低速柴油发动机是从普通机型向现代机型的转化,同时也是一种技术上的进步。主要体现在：发动机功率的提高、单位耗油量的降低,并且还达到了国际环保的要求。

之所以不用中高速的柴油发动机还有一个重要的原因，就是高速柴油机还需要额外使用齿轮减速箱来驱动螺旋桨，齿轮箱一般设置有倒顺车机构用来完成螺旋桨的逆转运动，但是，在低速柴油发动机和一些中速柴油发动机种，它们本身可以自行逆转。就不需要再通过齿轮箱了，而且通过齿轮箱工作的话，也会消耗很多能量，导致效率的降低。

以上就是现在民用船舶选择低速柴油发动机的原因了，但至于一些军用方面的船只和特别的船舶，可能由于各种需要会使用其他类型的发动机，那就要看具体的设计了。

但听说现在汽油发动机也在不断改造，可能能够解决爆震问题，到时候又会是谁的天下呢？让我们拭目以待吧~

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