为什么很难设计出高转速柴油发动机？

为啥难以设计出高转速柴油机？或者说柴油机的转速相对汽油机而言为什么更低？结论就是柴油黏度大，做不到在短时间内与空气完成比较均匀的混合。柴油含碳多，燃烧更慢。所以在混合慢、燃烧慢的先天条件制约下，如果柴油机的转速过高，那么混合气浓度会急剧飙升，最终导致失火。

柴油发动机的转速真的很低？实际上这个问题要从两个角度去看待，商用车、工具车上所使用的大排量重型柴油机，而另一方面则是乘用车上所使用的轻型柴油机，比如大众TDI机型、PSA的HDI机型，它们是可以达到5000转的，断油转速在5500转附近。实际上现如今的涡轮增压汽油机的断油转速大都在6000转附近。

所以在乘用车领域，柴油机的转速已经不低了，也可以理解成在乘用车领域柴油机与汽油机的转速已经很接近了。但那些大排量的重型柴油机，由于活塞、连杆、曲轴等部件自重太高，机器在运转时所产生的转动惯量过大，所以不可能转快，真转快了机体也承受不住。这就是那些大排量重型内燃机都要面对的问题，即便是汽油机实际上也转不了太快，需求、用途所产生的差异。

当然如果汽油机如果有需要，转速可以轻松破万，但这对于轻型柴油机而言绝对是望尘莫及的。即便是那些柴油版的赛车，通常最高转速也仅仅是5000转出头。如上图所示标致908HDI赛车，峰值转速也不过5000转左右。不过这并不影响它的强大，因为功率为扭矩与转速的乘积，转速不够就可以拿每循环更高的扭矩输出来找平。

想获得更高的转速，就必须让每一个循环都快速完成。想快速完成一个循环，需要做到哪些？其一充足的进气量、其二快速的混合过程。无论是汽油机还是柴油机，高转速运行时起时都会面对进气不足的问题。比如当发动机6000转运行时，每分钟要完成3000次循环。也就是说每分钟喷油、进气过程要达到3000次，那么每秒要进气50次。也就是说进气门每秒要完成50次开启。

这么短的时间完成50次进气，留给每一次进气的时间太少，所以汽油机产生了可变气门正时、升程等技术用来改善高转速运行时的进气不足问题。而随着涡轮增压技术的普及则实现了汽油机的低转速化。当然这些技术同样可以应用在柴油机上，但阻挡柴油机高转速化的根本原因在于柴油与空气的混合过程太慢、也太困难。

柴油偏重质，链长且碳原子多，所以柴油更粘稠、挥发更差。所以喷出的柴油相与空气混合均匀难于登天。如上图所示，喷油嘴喷出的油雾，由于黏度高、挥发差，柴油雾柱内部永远呈现混合气过浓状态，无论进气量有多大，雾柱内混合气浓度都偏浓。而雾柱外部则恰恰相反，雾柱外部混合气浓度永远呈现偏稀状态，且越往外越稀。

所以柴油机是利用油门控制喷油量，而节气门时刻保持最大开度（一些老旧的柴油机没有节气门），也就是实际空燃比要大于理想空燃比的状态。因为无论进气量有多大，雾柱内部的浓度皆偏大，所以柴油的燃烧方式就是外部稀混合气率先被压燃，之后产生的能量迫使更多的燃油完成混合，继续被之前的火花点燃，最终完成所有柴油的燃烧。

这种对工况的控制方式就称之为质循环，汽油机是根据进气量计算喷油量，而柴油机的进气量时刻最大化。所以柴油的燃烧就是从外到内一步步的燃烧、加速挥发、燃烧、加速挥发不断循环的过程，最终完成每次循环所有柴油的燃烧。知道柴油机为啥要选择压燃么？并非仅仅是柴油自燃点低的原因，根本原因在于每次燃油的喷射雾柱，均呈现出外稀内浓的状态。

可燃物质均存在点火临界，而柴油雾柱这种外稀内浓的状态根本就点不着，或点燃后由于能量不足在传播过程中就熄灭了。所以柴油最难的是快速完成均匀混合，没办法迅速完成与空气的混合就没办法让做功冲程迅速结束，这样一来就会拉长单次循环的完成时间。影响转速的外部因素如转动惯量、进气量等等问题都容易解决，但柴油与空气的混合还是太慢了。

实现均匀混合的速度慢，就没办法为燃烧过程提速。所以一旦提高柴油机转速，就会缩短做功冲程的时间（4个冲程占用的时间都缩短），那么就会导致柴油的燃烧极为不完全。本来就混合得极为不均匀，再缩短了燃烧时间，那么不均匀混合问题会更严重，最终导致压燃失败，也就是失火。所以柴油黏度大、挥发差是影响转速的根本原因，当然现如今的高压共轨技术已经改善了很多的问题，但与能上万、甚至几万转的汽油机相比较，柴油机很难达到。

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。

为什么很难设计出高转速柴油发动机？

总的来说柴油机转速普遍低于汽油机，极端点的比如一些重型柴油机每分钟可能只有几十转，还有很多重卡转速也就两三千。而汽油机转速轻松好几千转甚至上万。

比如重卡的柴油机转速就很低，2000转就到红线转速了。

还有轻型柴油乘用车，其转速比重卡高多了，比如上图，大众途欢的2.0涡轮增压柴油机，5000转到红线转速，最高转速有6000转。但是和主流汽油机相比还是差得远。

这几年家用车的汽油机基本上都是6000转才到红线转速，转速表表底都是8000起步。有些性能车更是能达到上万转。为什么柴油机转速和汽油机差这么多呢？这主要是燃烧方式决定的。

因为发动机想要正常运行的基本条件就是做功冲程有足够的时间让混合气燃烧产生动力。比如发动机转速为8000转时单个气缸做功冲程所占的时间仅有0.225秒，这点时间对汽油机来说足够了，但是柴油机就有点力不从心了。

因为汽油很容易引燃，汽油机工作时在进气冲程就开始把汽油和空气混合，再经过压缩冲程继续混合，到火花塞点火时气缸里已经充满了混合均匀的混合气，只需要火花塞一个电弧就可以瞬间让混合气快速燃烧。

而柴油机就不一样了，它在进气冲程只吸气，压缩冲程只压缩空气，待到做功冲程时才开始喷油，而且柴油粘度大，不易蒸发，所以喷入气缸的柴油都是最外侧的先燃烧，燃烧的高温让后面的柴油一边蒸发混合一边燃烧，这速度想快都快不起来。

柴油车油门踩重了很容易冒黑烟，主要是因为踩油门时喷油量增加，油多了来不及燃烧就产生黑烟。所以说限制柴油机最高转速的就是其燃烧方式。

综合以上内容我们可以得到这样的结论：柴油机转速之所以不能太高主要是其燃烧方式决定的。

为什么很难设计出高转速柴油发动机？

高转柴油发动机_能设计出来但没有意义

• 柴油发动机有大扭矩优势，加上高转速则可实现高功率，但为什么柴油机都是高扭低转机型呢？原因在于均衡使用寿命。

知识点1：柴油发动机为什么能实现大扭矩？第一因素是其特殊的点火方式与点火提前角。柴油机以极高的压缩比实现可以直接引燃柴油的高温，四冲程发动机的运行步骤包括“进压爆排”四步骤；其中的压缩冲程是通过压缩空气使其分子运动摩擦产生高温，温度达到一定程度即可蒸发汽油或者引燃柴油。

「压燃式点火」是将活塞行程设计的很大，也就是从气缸下止点到上止点的距离很长，同时也等于把空气压缩到更小（压缩程度更大）。那么空气运动强度高则摩擦产生的温度也会很高，于是柴油在活塞将将压缩到上止点的瞬间开始燃烧做功了。在这一瞬间活塞随即得到下行推动力，曲轴在活塞推动的作用下即可输出很大的转矩。

（汽油机是在低压缩比状态下蒸发汽油，在活塞达到上止点后点火引燃汽油，并在活塞开始下行后推动其运转，所以汽油机的扭矩就会小一些。下图1为压缩比概念，图2为汽柴油机做功柴油的概念）。

• 汽油燃烧火焰温度为1200℃（摄氏度）
• 柴油燃烧火焰温度为1800℃

燃料燃烧温度越高，等于转化出的内能越大，说白了就等于推动力越强。所以目前最优秀的2.0T柴油机（中国制造）已经有高达480N·m的峰值扭矩，但是最牛的汽油2.0T发动机也不过420N·m，推动活塞发力的节点以及燃油自身的“能量储备差异”，决定了技术水平相当的柴油机一定会有更大扭矩。

重点：更大的内能与更早的爆发推动活塞为柴油机实现了高油耗，但同时也必然造成强度更大的振动，这点是第一节的图片中也可以印证。活塞与发动机的气缸并不是通过轨道或者其他方式刚性连接，活塞就是捅在圆形的缸筒里，而且与缸壁是存在间隙的；那么在运行过程中振动强度大则会造成活塞与缸壁的“碰撞·磨损”程度加大，反之低强度振动的汽油机就会小一些，所以柴油机不能设计成高转速机，否则磨损会非常严重。

• 如何提升转速

汽车的油门控制的是「节气门」，油门越大节气门开度越大， 那么进入发动机内部的空气也就会越多。发动机的喷油量喷油量按照“空气燃料比”（14.7:1）计算，进气量越大则喷油量越大——重点：进气量与喷油量的同步增加则等于燃烧更多燃料，产生的内能自然也会越大，推动活塞连杆曲轴运转力量大则曲轴运转速度就会变快，曲轴的转速是发动机的转速概念。

综上所述，提升柴油发动机的功率其实很简单，只要控制程序不限制柴油机的转速即可。但是转速越高燃烧产生的内能越大，引起的活塞振动也会越强；简而言之为转速高等于振动强，也等于活塞的超级严重磨损。在这种工况下柴油机怕是连汽油机三分之一的使用寿命都没有，这就是柴油发动机扭矩很大但是功率无法很高的原因，因为：扭矩×转速÷9549＝功率，而功率低则高速加速能力差，懂了吧——读者们可以想一想，愿不愿意接受高性能低油耗，但是几万公里就要换总成的发动机嘛。

编辑：天和Auto

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为什么很难设计出高转速柴油发动机？

柴油机由于没有火花塞，需要压缩空气温度超过柴油的燃点然后直接喷油燃烧做功。所以，设计发动机的时候压缩比要很大，一般在18比1左右。所以活塞行程就很长。

我们都知道，压缩比越大，燃烧效率就越高。所以柴油车普遍省油，热效率都能达到45%以上。

而由于柴油燃烧速度慢，所以，整个做功行程动力都是持续的。加上高压缩比，就可以让扭矩可以做大，这也是为何柴油车普遍扭矩高的原因。

回到问题，压缩比大，燃烧速度慢，所以，柴油车的最佳转速就普遍比汽油车低。

如果转速过快，那么长的行程转起来有多费劲，柴油也有可能没有燃烧完就排出去了。

加上现在都在用的涡轮增压，柴油车的最大扭矩转速起步基本都在1000转以下。

为什么很难设计出高转速柴油发动机？

柴油机的结构所至，受限于活塞速度≤17m/秒，而柴油机因压缩比的关系活塞行程大于汽油机，相对活塞运动速度大于汽油机，所以柴油机转速必须小于汽油机。因此高功率柴油机都是1500转以下~200转/分，只有乘用车柴油机近几年来才做到4500转/分以下的，而商用车都是3000转/分以下居多。

另一方面柴油机曲柄连杆机构结构强度及质量远高于汽油机同类机构，转动惯量更是受到转速限制。但柴油机缸径易于加大提升缸功率，汽油机只能靠增加缸数增大功率。