为什么很难设计出高转速柴油发动机？

为什么很难设计出高转速柴油发动机？看了下面的几个答案，感觉有一个很重要的问题大家都没回答，那就是柴油在发动机中的燃烧过程。不说明这个问题，很难回答柴油机的转速为什么不能设计得很高。

大家看柴油车的仪表盘，感觉与汽油车有很大的差异，最大的区别就在于转速表：汽油车的转速表最大示数可以高达7000~8000转，个别车型可以高达10000转以上，单缸摩托车的最大转速更是高达15000转以上；但是柴油车的转速表，最大转速一般就是4000转左右，卡车的转速表最大转速更是只有2800转，并且最经济的转速区间一般在1500转左右，高转速区间不建议使用。很多人就感到奇怪了：为什么汽油机的转速可以这么高，但是柴油机的转速却那么低？如果把柴油机的转速也设计得很高会怎样？下面我们就来分析这个有趣的话题。

首先我们来看一下柴油机的特点。所谓的柴油机，是指以柴油为动力源的发动机，是一个把柴油中的热能释放出来并转化成机械能的 一种机器。柴油机的特点是低速扭矩大、省油、热效率高（平均比汽油机高5%左右），缺点是工作粗暴、噪音大。柴油作为柴油机的燃料，它的自燃点较低，只有220℃，可以在压缩终点时被压燃；同时由于柴油在炼制过程中馏程较高，一般在180～370℃之间，所以柴油很难雾化、蒸发，也很难与空气组成均匀的可燃混合气；此外，柴油粘度高，热值高，但是燃烧速度较慢。

那么柴油在柴油机中的燃烧过程是怎样的呢？

在活塞运动到压缩上止点之前的某一个角度（喷油提前角），喷油器开始向气缸中高压、高速的喷射柴油，进入燃烧室中的柴油，在喷射过程中会被蒸发、雾化一部分，与气缸在被压缩的高温高压空气混合成可燃混合气。由于柴油的自燃点比较低，在温度较高、柴油较多的区域，柴油就会自行发火燃烧，在气缸中同时形成了多个火焰中心，开始推动活塞向下运动做功。在随后的做功过程中，柴油会持续喷射，一直不停的与空气混合、燃烧，形成一种“边喷射、边混合、边燃烧”的奇特过程。整个过程基本可以分为预燃期、速燃期、缓燃期和后燃期四个阶段，柴油是在一种类似于等压加热过程中进行燃烧的。由于在整个做功过程中都有动力输出，所以柴油机的扭矩更加充足。

可以看出，柴油机的燃烧过程与汽油机是截然不同的。汽油机的可燃混合气是预先混合好的，在做功过程中不再有汽油喷射；在压缩上止点时由火花塞点火，点燃可燃混合气，可燃混合气在瞬间燃烧，几乎可以在活塞还没有下行的瞬间，汽油就已经燃烧殆尽，是在一种类似于等容加热的过程中进行的。然后燃烧产生的高温高压气体推动活塞向下运动，推动曲轴旋转对外输出动力。在活塞下行过程中推力是逐渐减小的，所以汽油机的扭矩相对较小。

从柴油的燃烧过程中可以看出，柴油与空气的混合是不均匀的，由于柴油粘度大，蒸发、雾化较慢，在喷射的瞬间很难与空气完全混合，事实上形成的是柴油液滴在空气中悬浮的气溶胶。并且柴油的燃烧过程也很复杂，燃烧速度较慢，需要较长的时间才能完全燃烧。所以，柴油机的转速一般都不高，基本不超过4000转/分钟，普遍在3000转/分钟以下，经济转速一般在1500转/分钟左右。它的结构一般都是活塞行程大于气缸直径的低转速设计。

如果把柴油机转速设计得非常高会怎样？想要提高转速其实是比较简单的，由于柴油机的控制属于“质”的控制，没有节气门，进入发动机中的空气量基本是固定的，只要多喷油，就可以提高发动机转速。但是如果转速过高的话，柴油在气缸中没有没有时间与空气充分雾化、混合，会形成极不均匀的可燃混合气，这样会导致可燃混合气在燃烧时形成的火焰中心分布不均匀，柴油机工作粗暴；此外，由于柴油燃烧速度较慢，过高的转速会使大量柴油没有燃烧完全就排出气缸，汽车会冒黑烟，从而极大的降低柴油机的经济性和尾气排放。

此外，早期的柴油机使用的是机械泵供油，机械式调速器控制发动机转速。如果发动机转速过高，会导致调速器卡死而形成一种“飞车”的故障。此时的发动机转速极高，不受油门的控制，发动机活塞连杆在高速运转的情况下，很容易由于润滑不足而导致拉缸、化瓦等故障，严重时甚至会导致拉缸折断，打碎发动机缸体。现在的柴油机大多采用电控高压共轨系统，取消了调速器，柴油的喷射直接用电磁阀控制，如果曲轴转速传感器发现发动机转速过高，会直接切断供油，防止发动机转速过高。

综上所述，由于柴油燃烧速度慢，柴油与空气混合不均匀，柴油燃烧过程复杂，所以柴油机的转速一般都不是很高。如果强行设计高转速的柴油机，反而会失去了柴油机自身的优势。不过虽然柴油机的转速低，但是扭矩充足，所以可以配置大速比的变速箱，通过变速箱来提高最终的输出转速，所以，柴油机虽然转速低，但是柴油车的速度并不低。