为什么设计高速柴油机很难？

看了下面的回答，感觉有一个很重要的问题大家都没有回答，那就是柴油在发动机中的燃烧过程。不解释这个问题，很难回答为什么柴油机的转速不能设计得很高。

看柴油车的仪表盘，感觉和汽油车差别很大。最大的区别在于转速表:汽油车的转速表最高可达7000 ~ 8000转，个别车辆可高达10000转以上。单缸摩托车最高转速高达15000转/分以上。但是柴油机的转速表最高转速在4000转左右，卡车的转速表最高转速只有2800转，最经济的转速区间在1500转左右，所以不建议在高速区间使用。

很多人疑惑:为什么汽油机的转速那么高，而柴油机的转速却那么低？如果柴油机的转速也设计得很高，会发生什么？下面我们来分析一下这个有趣的话题。

首先，我们来看看柴油发动机的特点。所谓柴油机，是指以柴油为动力的发动机，是将柴油中的热能释放出来，转化为机械能的机器。柴油机的特点是低速大扭矩，省油，热效率高(平均比汽油机高5%左右)，但缺点是工作粗暴，噪音大。

作为柴油机的燃料，其自燃点较低，只有220℃，压缩结束时可以压缩。同时，由于柴油在炼制过程中馏程较高，一般在180℃-370℃之间，柴油很难雾化蒸发，也很难与空气形成均匀的可燃混合物。另外，柴油粘度大，热值高，但燃烧速度慢。

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前一定角度(喷射提前角)时，喷油器开始向气缸内喷射高压高速柴油。进入燃烧室的柴油在喷射过程中会汽化雾化，与气缸的压缩高温高压空气混合形成可燃混合物。因为柴油的自燃点比较低，在温度高、柴油多的区域，柴油会自燃燃烧，在气缸内同时形成多个火焰中心，开始推动活塞向下做功。在随后的工作过程中，柴油会不断喷射，不断与空气混合燃烧，形成一种奇特的“边喷射边混合边燃烧”的过程。整个过程基本上可以分为四个阶段:预燃烧、快燃烧、慢燃烧和后燃烧。

柴油的燃烧过程类似于等压加热。因为整个做功过程都有动力输出，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完全不同。汽油机可燃混合气是预混的，做功过程中没有汽油喷射。在压缩上止点，火花塞点火，点燃可燃混合气，可燃混合气瞬间燃烧。几乎在活塞下行之前，汽油就已经燃尽了，这是在一个类似于定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，推动曲轴旋转输出动力。活塞下行时，推力逐渐减小，所以汽油机的扭矩相对较小。

从柴油的燃烧过程可以看出，柴油与空气的混合是不均匀的。由于其粘度高，蒸发和雾化慢，在喷射的瞬间很难与空气完全混合。实际上是悬浮在空气中的柴油油滴的气溶胶形成的。而且柴油的燃烧过程也很复杂，燃烧速度慢，完全燃烧需要很长时间。所以柴油机的转速一般不高，基本不超过4000转，一般在3000转以下，经济转速一般在1500转左右。其结构一般是活塞行程大于气缸直径的低速设计。

如果柴油机转速设计的很高会怎么样？其实提高发动机转速是比较简单的。因为柴油机的控制属于“质量”控制，没有油门，进入发动机的空气量基本是固定的。只要喷射更多的燃料，发动机转速就能提高。但如果转速过高，柴油没有时间在缸内充分雾化并与空气混合，就会造成可燃混合气极不均匀，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，由于柴油燃烧速度慢，会有大量柴油没有完全燃烧就从气缸中排出，汽车会冒黑烟，从而大大降低柴油机的经济性和尾气排放。

此外，早期的柴油机采用机械泵