既然开这个坑了，就把这个系列写完吧。希望能以每一到两周的频率更新。这个系列写完再说以后写什么。

想写这个系列的主要是想说一说均质压燃HCCI和它的衍生技术，这是我认为的目前最靠谱的能大幅提高汽车内燃机热效率的途径。在说HCCI之前，我要把传统汽油机和柴油机讲清楚，否则，会产生很多误解。比如，HCCI里面的压燃和柴油机压燃一点点关系都没有，你知道吗？

所以这一篇主要讲一讲传统汽油机和柴油机的区别到底有哪些。我特地在知乎上翻了一下，有很多个问汽油机柴油机区别的问题，答到点上的就两个答案：为什么柴油机热效率明显高于汽油机？汽油发动机和柴油发动机到底有什么不同？我清楚知乎上知道这个问题答案的人很多，但我还是来好好科普一下吧。

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， 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。 是压缩比 。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。

理想奥托循环的热效率计算在上一篇文章里已经介绍过了，压缩比越大，热效率越高，但压缩比很大的时候，上升很有限。在这里，我还是不想花时间来介绍参数比热容比 。有兴趣的可以自己去查。

理想迪塞尔循环的热效率公式就不放了，我需要说一点，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。详细的可以参考 @张文川 的关于丰田新发布最高41%热效率的2.5L直4汽油发动机视频详细内容是什么？。（我觉得我已经把知乎各个大佬写的精品答案当参考文献用了）

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。

最后放一个点燃发动机的视频。这类视频是通过一种叫光学发动机的特殊研究型发动机完成的。光学发动机里，一般会把金属燃烧室某个面换成石英，这样就能通过高速摄影机来对缸内燃烧过程进行拍摄了。 https://www.youtube.com/watch?v=XcOvZAq7XEA

点燃式发动机燃烧高速摄影 https://www.zhihu.com/video/1087320387523674112

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。

最后也是放一个柴油燃烧的视频，还是很酷炫的。https://www.youtube.com/watch?v=0sujbRp1EW0

柴油燃烧高速摄影 https://www.zhihu.com/video/1087326448716652544

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 图。相比前面的奥拓循环，真实 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 ，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。

下一次讲什么

我觉得还是直接讲均质压燃吧。本来打算讲提高热效率的方法和最近几年各种量产车的汽油机魔改了。虽然会是自己原创性的东西，但很多内容已经被回答掉了。所以那两块暂时不写。

下一次会正式说HCCI，HCCI是Homogeneous Charge Compression Ignition，的确是压燃。但是通过前面对于柴油机扩散燃烧的介绍，大家应该意识到了，HCCI和柴油机压燃，完全不是一回事。柴油机甚至可以说根本就不是压燃的，柴油机只是把空气压缩，放在那里朝里面喷柴油而已。HCCI才是真的压燃。那么，下次我来好好讲一讲HCCI。

题图

Study on the flame development patterns and flame speeds from homogeneous charge to stratified charge by fueling n-heptane in an optical engine

继续安利自己的回答

上一篇文章：汽车内燃机的热效率真的不可能高于发电厂热机吗？
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来源：知乎 www.zhihu.com

作者：阿葱葱葱

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