初中物理内燃机知识点

1、热机：

定义：热机是利用内能来做功，把内能转化为机械能的机器。热机的种类：蒸汽机、内燃机（汽油机和柴油机）、汽轮机、喷气发动机等。

2、内燃机：

内燃机活塞在汽缸内往复运动时，从气缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程。四冲程内燃机包括四个冲程：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。在单缸四冲程内燃机中，吸气、压缩、做功、排气四个冲程为一个工作循环，每个工作循环曲轴转2周，活塞上下往复2次，做功1次。在这四个冲程中只有做功冲程是燃气对活塞做功，而其它三个冲程（吸气冲程、压缩冲程和排气冲程）是依靠飞轮的惯性来完成的。压缩冲程将机械能转化为内能。做功冲程是由内能转化为机械能。

家用汽车选择汽油好还是柴油好？类似的问题不胜枚举，然而参考乘用车型的主力选项，答案似乎又是没有争议的；因为主流的三类载客车型中，似乎仅存两台柴油动力选项了，而且还都是硬派越野车型，比如五十铃牧游侠和大通D90Pro，这是为什么呢？

原因在于「买方市场」主导车企的产品规划，说白了就是用户需要什么样子的汽车，车企就会生产哪种车型；而全球范围内主流车市的用户需求，都是NVH（噪音·振动·声振粗糙度）理想的汽油发动机，下面先来了解两类发动机的运行原理与NVH差异吧。

点火方式差异

「点燃式·做功」是汽油发动机的运行基础（点火方式），目前汽车与摩托准备的内燃机，均为活塞往复循环式·四冲程内燃式热机，运行步骤如下。

进气喷油压缩蒸发点火做功排气进气

汽油发动机的压缩冲程设计比较保守，活塞的“压缩比”会比较低，一般为≤15:1。压缩比的概念是气缸总容积减去活塞上下运动扫过的容积（燃烧室空间），与总容积的比值。

比值越大等于活塞压缩行程越大，说白了就是活塞压缩空气的程度更大；空气在压缩的过程中会出现分子的不规则运动，分子的摩擦碰撞会产生热能。

也就是说压缩比越大缸内的压力与温度都会更高，如果高于燃油的燃点则会直接引燃混合油气；这种方式是柴油机的点火方式，特点为动能转化效率很高，不过做功时产生的振动也会比较强。因为活塞上行到止点（最高点）的瞬间，混合油气随即就会爆燃做功；活塞面对热能的不规则撞击程度也会很大，程度大到机体也会产生共振，比如下图组的状态。

图1：柴油机的压缩止点极限概念

图2：怠速中的柴油机装饰盖共振

知识点：发动机会通过机脚与车架固定，振动程度大则会通过机脚将振动本质的撞击力传导至车身，于是车内的档杆、座椅甚至中控台也会共振并产生噪音。虽然优秀的的柴油动力汽车可以做到程度相当于汽油动力汽车，但极限也只是同级车辆对比的“接近”而已。

上文描述似乎在暗示汽油发动机的NVH的水平高，其实事实情况就是这样；原因在于汽油机的压缩比低（柴油机可达20:1左右），足够低的压缩比决定了活塞上行止点不会太夸张，压缩产生的温度是不足以让汽油自燃的。

所以燃烧做功就必须通过其他设备点燃油气，方式是利用火花塞超2.2万伏特的高压电弧引燃；而点火的瞬间活塞已经开始往下运转，热能则会一定程度的按照下行方向推动活塞，这种运行流程可以有效降低活塞与机体的振动，NVH水平自然会好得多，也更能满足用户安静驾车的需求，不过这只是原因之一。

性能&油耗

1：柴油发动机的中低转速输出马力普遍更大，因为压燃点火的目的就是提高发动机的扭矩。

扭矩×转速÷9549×1.36＝马力，大扭矩则能够实现大马力，柴油汽车的初段加速感是很好的；但是以80-120km/h的时速驾驶，期间的加速能力会相当差。原因为柴油机运行中的振动比较强，高强度振动等同于高强度的磨损；如果发动机以很高的转速运转则无法控制磨损（使用寿命）。

所以柴油机的转速峰值也只是4000rpm左右，而且扭矩平均在2500转节点就会开始下滑；扭矩和转速是相乘的关系，马力的驱动力是恒定不变的，低转速输出的马力足以实现中低车速区间的理想加速感，而完全没有高转速则无法让马力达到很高的标准，车辆极速与高车速加速能力必然会差。

（主流2.0T排量的柴油发动机，最大马力平均在≤163PS的范围内）

2：汽油发动机曾经的中低转速输出马力普遍更小，因为点燃式的流程会损耗部分扭矩（热能），平稳运行和超大扭矩只能二选其一。

但随着涡轮增压技术的不断进步，相同排量的汽油机最大扭矩也可以很高了，比如2.0T柴油机在280-400N·m区间，汽油发动机完全重合。不过点火方式还是决定了振动强度会更低，所以这种机器的转速则可达到≤7000rpm，基数增大则最大马力肯定会更高，在限速范围内的加速体验显然要更加理想，那么综合静音与加速优势，汽油机则更适合家用汽车。

油耗差异：柴油发动机普遍会更省油。这样的描述看似有些“反科学”，因为在动力相当的前提下，只要传动效率和整备质量也相同，油耗就应该是一样的，但是别忘记燃油类型还存在差异。

汽油燃烧温度1200℃柴油燃烧温度1800℃

火焰温度的600度差异，说明的是等量燃油在燃烧反应过程中，转化出的扭矩是更大的；大扭矩能够以低转速输出大马力，家用代步汽车主要在城市道路以中低车速行驶，过程中的发动机转速总不会很高，所以油耗才会更低。

不过这只是理论层面的结论，由于各大车企都基本放弃了对柴油机的研发投入，结果造成了相同排量的柴油机扭矩还不如汽油机大；很多2.5-3.0T的柴油机扭矩还不足300N·m，但是2.0T一线机型至少在350N·m以上。那么在排量（喷油量）相同的前提下，同样的转速实现的马力与车速反而更低，想要追平就要拉升转速，油耗只会比汽油机更高。

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