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摘要：柴油发动机跟汽油发动机的工作过程相同，均由进气、压缩、做功、排气四个行程组成一个完整的工作循环。两者的最大区别在于点火方式——汽油机通过火花塞直接点燃预混合的油气混合物，而柴油机则采用压燃式点火：由于柴油的粘度比汽油大、不易蒸发，但自燃温度却比汽油低，因此柴油机通过高压压缩空气产生高温，使喷入气缸的燃油自行着火燃烧。本文系统阐述柴油机的工作原理、主要技术特点，并与汽油机进行全面对比，为柴油发电机组的选型与使用提供技术参考。

 

一、柴油发动机的工作原理与主要特点

 

1. 柴油机的工作过程

柴油机在进气行程中吸入的是纯空气（而非汽油机那样的油气混合物）。在压缩行程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。由于柴油机压缩比高（一般为16～22），压缩终了时气缸内空气压力可达3.5～4.5MPa，同时温度高达750～1000K（而汽油机在此时的混合气压力为0.6～1.2MPa，温度仅为600～700K），大大超过柴油的自燃温度。因此，柴油在喷入气缸后，在很短时间内与空气混合后便自行发火燃烧。气缸内的气压急速上升到6～9MPa，温度也升到2000～2500K。活塞在高压气体推动下向下运动并带动曲轴旋转做功，废气经排气管排入大气。

这一压燃过程决定了柴油机对喷油正时和喷油量的控制精度要求极高——喷油过早会导致工作粗暴（燃烧压力上升过快），过晚则后燃严重、排气温度升高、功率下降。

2. 传统供油系统与共轨系统的比较

普通柴油机由发动机的凸轮轴驱动高压油泵，将柴油输送到各缸喷油器。这种机械式供油方式要随发动机转速的变化而变化，无法做到各种转速下的最佳供油量——低速时供油压力不足导致雾化不良，高速时供油压力过高增加泵的负荷。

共轨喷射式供油系统由高压油泵、公共供油管、喷油器、电子控制单元（ECU）和一些管道压力传感器组成。系统中的每一个喷油器通过各自的高压油管与公共供油管相连，公共供油管对喷油器起到液力蓄压作用。工作时，高压油泵以高压将燃油输送到公共供油管，高压油泵、压力传感器和ECU组成闭环控制，对公共供油管内的油压实现精确控制，彻底改变了供油压力随发动机转速变化的现象——即使在怠速工况下，共轨系统仍能保持较高的喷射压力（通常为120～180MPa），确保燃油良好雾化。

共轨系统的主要优势包括：
（1）喷油正时与燃油计量完全分开，喷油压力和喷油过程由ECU适时控制；
（2）可依据发动机的工作状况去调整各缸喷油压力、喷油始点及持续时间，从而追求喷油的最佳控制点；
（3）能实现很高的喷油压力，并能实现柴油的预喷射（在主喷射之前喷入少量燃油，降低燃烧噪声和NOx排放）。

3. 柴油机的综合特点

相比汽油机，柴油机具有燃油消耗率低（平均比汽油机低30％）的显著优势，且柴油价格相对较低，因此燃油经济性较好；同时柴油机的转速一般比汽油机低、扭矩比汽油机大，适合重载和低速大扭矩工况。但其质量大、工作时噪声大，制造和维护费用较高。随着涡轮增压、中冷、高压共轨及后处理等现代技术的发展，柴油机的噪声、排放等缺点正逐渐被克服，现代柴油机的NVH（噪声、振动、平顺性）性能已大幅改善。

 

康明斯6BT柴油发动机3D模型

 

二、汽油机和柴油机的主要区别

 

1. 点火方式不同

汽油机吸入燃料与空气的混合物并将其压缩，然后通过火花塞产生的电火花将混合物点燃。火花塞的点火时刻由ECU根据转速和负荷精确控制，点火提前角通常在10～40°曲轴转角之间。柴油机只吸入空气并将其压缩，然后将燃油喷入压缩空气中，压缩空气产生的热量就能使燃油自燃。因此，柴油机不需要火花塞和点火系统，但需要更高精度的喷油控制系统。

2. 压缩比不同

汽油机的压缩比一般为8：1至12：1，而柴油机的压缩比可达14：1，甚至能达到25：1。由于柴油机压缩比更高，其理论热效率也更高（奥托循环与狄塞尔循环的差异所致）。高压缩比使柴油机在压缩终了时能获得更高的温度和压力，是实现压燃式点火的前提条件。

3. 燃油混合方式不同

汽油机具有汽化作用——空气与燃油的混合是在空气进入气缸之前（化油器时代）或在进气口处（油口燃油喷射）完成的；或在开始进气冲程之前在气缸外喷射燃油，使燃油在进入气缸前已有充分时间蒸发混合。柴油机采用直喷式——直接将柴油喷入气缸，燃油的雾化和混合在压缩行程末期极短的时间内完成（约1～3ms），对喷油器的雾化质量要求极高。

4. 喷油器位置不同

喷油器是柴油机的重要部件，不同类型发动机其喷油器的位置各不相同。喷油器需承受气缸内部的温度和压力，喷出雾状的燃油呈细密型，使气缸内部循环的油雾能够均匀分布。因此，一些柴油机采用特殊的感应阀、预燃烧腔或其他装置，使燃烧腔内的气流呈旋涡状，改进点火和燃烧过程。汽油机的喷油器（油口喷射或缸内直喷）位置与柴油机不同，其工作压力也远低于柴油机。

5. 燃油注入方式不同

注入步骤不同是柴油机与汽油机之间一项很大的差异。大多数汽油机不采用直喷而采用油口喷射或化油器，因此在进气冲程期间全部燃油被注入气缸（或进气道）中进行压缩。燃油与空气的混合物的压缩限制了发动机的压缩比，因为若过度压缩燃油与空气的混合物会自行点燃并导致爆震（不正常燃烧）。而柴油机仅压缩空气，因此压缩比高出汽油机许多，产生的功率随压缩比升高而增大。

6. 冷启动预热方式不同

预热塞在一些柴油机中使用。当柴油机在冷机状态时，压缩过程无法将空气升至燃油的燃点（尤其在冬季环境温度低于-10℃时）。预热塞是一个电热线圈，在发动机低温时加热进入气缸的空气或燃烧室壁面，使发动机正常启动。预热塞的预热时间通常为3～8秒（依环境温度和系统设计而定），操作人员应等待预热指示灯熄灭后再启动。

现代大型发动机很少采用预热塞，而是通过ECM（电控模块）检测环境温度并使发动机在寒冷天气下延迟喷油计时，同时增加启动供油量。气缸内的空气受到的压缩程度越高，辅助启动的热量就会产生更多。较小的发动机以及没有先进计算机控制的发动机仍采用预热塞来解决冷启动问题。

7. 燃料特性不同

柴油与汽油在物理和化学性质上有许多不同点：柴油比重较大（约0.83～0.86g/cm³，汽油约0.71～0.77g/cm³），汽油汽化比柴油快很多。柴油较重、蒸发很慢，其碳原子链更多更长（柴油一般约为C₁₄H₃₀，而汽油一般约为C₉H₂₀），因此柴油的能量密度比汽油更高。从平均计算，柴油3.8升约含有155×10⁶焦耳能量，而汽油3.8升含有132×10⁶焦耳——每升柴油比汽油多约17%的能量。这使柴油机在同等排量下可输出更多有用功，是柴油机比汽油机效率更高的根本原因之一。

8. 优缺点差异总结

汽油发动机的优点是转速高、质量轻、工作噪声小、启动容易、制造和维修费用低，不足之处在于燃油消耗较高，燃油经济性较差（尤其在市区工况下）。

柴油发动机的优点是功率大、寿命长（同等使用条件下柴油机大修周期通常为汽油机的1.5～2倍）、动力性能好、排放低（单位功率CO₂排放比汽油机低约45％）。随着涡轮增压、中冷、直喷、尾气催化转换和颗粒捕集器等先进技术的应用，柴油机的排放已可达到欧V、欧VI排放标准，其优点已赶上汽油机的水平，动力性及经济性均优越于汽油发动机。对于发电应用而言，柴油机因其耐久性好、燃油经济性高和输出扭矩大，仍是固定式发电机组的主流选择。

 

风冷型汽油发动机外形图

 

结语

柴油机与汽油机在工作循环结构上相同，但点火方式、压缩比、燃油混合方式、冷启动预热和燃料特性等方面存在本质差异。柴油机采用压燃式点火，无需火花塞，压缩比高（14～25：1），热效率高，燃油经济性好（油耗比汽油机低约30%），扭矩大、寿命长，适合重载和长时间连续运行，是发电应用的主流选择。其不足在于质量较大、噪声较高、制造维护费用较高，但随着高压共轨、涡轮增压和尾气后处理等现代技术的应用，这些缺点正逐步被克服。理解两种发动机的工作原理和差异，有助于在选型和维护中做出合理决策，充分发挥柴油发电机组的性能优势。

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