為什麼柴油機熱效率明顯高於汽油機？
梅卡：汽油機與柴油機淺談?zhuanlan.zhihu.com
問題一：汽油機與柴油機有什麼不同？
混合氣形成
汽油的沸點低，蒸發性好，因而在常溫或稍加熱的條件下易於在缸內與空氣形成預製均勻混合氣，因此，常規汽油機大都採用點火前預製混合氣的方式。而柴油的沸點高達180-360℃，不適合缸外預混合，即使加熱後能在缸外氣化混合，也因加熱造成空氣密度下降而減少進入氣缸的充量，並且額外消耗加熱所需的能量，這些都是不合理的。因此，常規柴油機採用燃料缸內高壓噴射，與空氣霧化混合形成濃度分層的混合氣。
著火、燃燒模式
常規汽油機缸外形成預製均勻混合氣後，若進行接近化學計量比的預製混合氣壓燃，由於同時著火，壓力升高率過高，近於爆炸，這是不允許的，因此適合採用外源強制點火燃燒模式，即先在火花塞附近高溫處著火，然後在混合氣中進行火焰傳播燃燒。（但這並不意味著汽油不能採用壓燃燃燒模式，事實上，在較稀的混合氣條件下汽油可以實現均質混合氣壓燃）
柴油的著火溫度較低，柴油機在開始噴霧到自燃著火的較短時間內，適合燃燒的混合氣量不多，初期工作粗暴的情況會得到緩解。柴油機在初期著火燃燒後，緊接著進行邊噴油、邊氣化、邊混合的擴散燃燒。柴油適合壓燃，在噴霧條件下的點燃難度大，也無必要。
負荷調節方式
混合氣形成方式的差異帶來了負荷調節方式的不同。汽油均勻混合氣能點燃的過量空氣係數（0.4-1.4）較小，一般靠改變節氣門的開度，控制混合氣進氣量來調節負荷，這種方式稱為負荷的量調節。
柴油機在循環噴油量較大的變化範圍內，噴束內都有適合著火的混合氣，因此柴油機在較大的平均的過量空氣係數範圍內都可以壓燃著火，所以可以依靠循環噴油量的多少來調節負荷。由於循環進氣量基本不變，平均的過量空氣係數會隨負荷變化而變化。這種依靠改變噴油量，即改變平均的過量空氣係數來調節負荷的方式，稱為負荷的質調節。
上述這些差異導致了二者在性能、設計和結構上的各種差異，而這些差異追溯的根源是汽油、柴油燃料本身理化特性的差異所引起的。
再就是有關工作模式的差異，排放等等。今天不說。
不過應該指出，上述汽油機和柴油機的工作模式差異既跟燃料特性有關，也取決於當時的科技發展水平。近年來，隨著電控技術的發展，出現了汽油缸內直噴（GDI）分層稀燃模式。目前國內外都在研究汽油均質混合氣壓燃（HCCI）模式也試圖將柴油的壓燃方式與汽油機的預製混合氣形成方式結合，以實現高效低污染燃燒。
問題二：為什麼柴油機比汽油機省油？
理論循環
從熱力學的理論高度來看，改善發動機動力、經濟性的基本原則就是提高燃效加熱後的能量質量，也就是在相同加熱量條件下，儘可能提高加熱過程中工質的平均溫度，以及儘可能降低向環境放熱過程的平均溫度。在現有循環模式下，有以下三個主要的實施方向：
1.在允許的條件下，儘可能提高發動機的壓縮比。
2.合理組織燃燒，提高循環加熱的等容度，即通過減小循環的預膨脹比和合理選擇選擇燃燒始點相位，使燃燒加熱中心接近上止點。
3.保證工質具有較高的等熵指數。
但是在標定工況下，實際柴油機比汽油機更接近等壓循環。由於柴油機的壓縮比大大高於汽油機，而且其最大燃燒爆發壓力也遠高於汽油機，所以它的熱效率高於汽油機。
柴油機是噴霧壓燃後邊噴油邊燃燒，當負荷下降時，噴油時間縮短，但初期相當於等容燃燒的變化不大，這相當於壓力升高比不變反而預膨脹比減小。
汽油機則是點火後火焰傳播燃燒，無論負荷如何變化，火焰傳播距離不變。負荷下降後，由於進氣充量減少，殘餘廢氣增多，燃燒溫度有所降低，使得火焰傳播速度降低，燃燒時間加長，相當於壓力升高比下降而預膨脹比上升。
汽柴油機的這種相反變化趨勢使得二者在中、低負荷時的燃料消耗率的差距進一步擴大。
這一結論與實際情況完全符合：在標定工況下，柴油機的有效燃料消耗率be約比汽油機低15%-25%，而包括大量中、低負荷工況在內的使用燃料消耗率可低30%-50%。當然，還有形成be差距擴大的其他因素，比如汽油機在中低負荷時節氣門造成的泵氣損失增大等。但正是基於理論循環的上述分析，才闡明瞭汽柴油機的燃料消耗率出現差距的最本質和最主要的原因。
理想循環條件下汽、柴油機熱效率的對比
考慮真實工質特性後，汽、柴油機熱效率的差距進一步加大。
1.高負荷時差距擴大的因素
在高負荷條件下，汽油機的混合氣較濃，過量空氣係數=0.8-1.0，而柴油機的平均過量空氣係數=1.3-2.0，混合氣總體偏稀。
汽油機的壓縮比雖然較低，但由於混合氣較濃而且等容度也較高，所以它的最高燃燒溫度反而比柴油機高很多；此外，汽油機的殘餘廢氣係數比柴油機高。以上兩方面的原因，使得汽油機的等熵指數比柴油機小，高溫熱分解作用加劇，這些都使得汽油機的熱效率相對於理論循環的下降幅度遠大於柴油機。雖然汽油機的分子變化係數要高於柴油機，但其影響較小，不起主要作用。
2.低負荷時差距進一步擴大的因素
由於混合氣形成和負荷調節方式的差別，汽油機的負荷越低，過量空氣係數越小。而柴油機則相反。這進一步擴大了兩者熱效率的差距。
汽油機是量調節負荷，負荷越低，進氣量越少，殘餘廢氣係數越高。而柴油機的殘餘廢氣係數在低負荷變化時大致維持不變。這一因素除對汽油機的等熵指數有影響外，更多的是使汽油機的燃燒速度降低，熱效率下降。
汽油機高、低負荷時，工質燃燒後的溫差要比柴油機小，即低負荷時汽油機仍保持較高的燃燒溫度。這是因為汽油機是量調節負荷，各種負荷時混合氣的過量空氣係數變化不大。雖然低負荷時進入缸內的混合氣量少，但單位質量工質的發熱量沒有改變，故燃燒後工質的溫度下降幅度不大。柴油機是質調節負荷，低負荷時過量空氣係數增大，單位質量工質的發熱量減少，燃燒後工質的溫度成比例下降。這一因素使汽、柴油機低負荷時的工質溫度差別更顯著，由此引起兩者的熱效率的差距加大。
通過汽、柴油機的理論循環和理想循環熱效率的全面對比，從理論上闡明瞭兩種不同燃燒模式對熱效率影響的本質原因。近年來，缸內直噴（GDI）、均質壓燃（HCCI）汽油機的出現，正是這些循環理論應用的突出體現。
負荷
如圖，汽油機柴油機主要差別就兩點。
1.汽油機的有效燃料消耗率（be）比同負荷的柴油機高，這是由於兩種機型的混合氣形成、著火燃燒以及負荷調節方式不同造成的。
2.中低負荷區be的差值明顯比最低油耗點和標定功率點大，如圖△be1＞△be2＞△bemin.這時因為汽油機的be曲線過於陡尖，而柴油機的be曲線有較寬平坦段的緣故。形成這種差別的理論依據在上面已作了詳細的介紹。統計資料表明，汽、柴油機的最低燃料消耗率bemin差值約15%-30%，而綜合使用油耗的差值可達25%-45%，這是由於汽車大部分時間在中、低負荷工況下運行所致。
由以上兩點可知，若單純從燃油經濟性考慮進行汽車動力的選擇，自然是柴油機優於汽油機，這是柴油機最明顯的優勢。實際選配發動機時，不可能只考慮這一個因素。此外，無論是汽油機還是柴油機，都希望儘可能提高符合率，使其經常接近最經濟的80%-90%負荷區工作。這一點對汽油機尤為重要。提高運行負荷率已成為改善發動機燃油經濟性、降低實際使用油耗的一個極為重要的原則。
下面的回答，是給小白看的，力爭去掉各種專業術語
步驟1：發現石油
黑乎乎，黏糊糊沒啥用。那就下一步
步驟2：煉油
和泡茶葉差不多，有些沉到底層了，就是瀝青，有些漂浮上去的是汽油。
於是分成了汽油、柴油、瀝青、航空燃油等
步驟3：汽油-柴油特點不同
最大不同是燃點差異。就是容易著火
汽油燃點高，差不多427℃才能燃燒，柴油只需要220℃就能燃燒
這個就反常識了，不是說汽油容易爆炸嗎？是的，因為汽油容易揮發，柴油不容易揮發，並不是燃點問題。
步驟4：不同特點，需要不同著火模式
汽油，難燃燒，那得點，就是用火柴點（火花塞）。
柴油，我直接增大空氣壓力，壓到著火就行了。汽油想壓到起火，那可難了。
既然一個靠點燃，一個靠壓燃，總得需要點不同結構吧。
步驟5：不同著火模式，需要不同結構
汽油機我要點火，很明顯得提前把油-空氣混合好啊。就是一個燃燒室（可以認為是點火的房間），氣體進房間前，是混合好的。我在房間有一根火柴點。
柴油機，氣體進房間，壓縮，溫度超過了燃點，我再噴油。油噴到哪裡，房間哪裡著火！所以，柴油機拚命噴油，不光要噴油，還得噴的霧化好。
步驟6：不同結構，決定了兩者的上限
記得汽油機嗎，房間內混合好了，用火柴點。雖然這個房間的混合氣燃點400多，一般達不到。但是，火柴點了房間中心一部分，房間溫度快速升高。火焰傳播到房間邊緣，需要時間，如果火焰沒傳播到房間邊緣，房間邊緣已經超過了400多度呢？那就是這個房間，四處著火。這個就是不可控狀態。這種現象是爆震。（這個方面，國內天津大學，國外美國西北大學相對研究經驗比較豐富）
這就是限制汽油機趕不上柴油機效率的終極原因:為了防止爆震，汽油機無法像柴油機那樣提高壓力，提高效率
不過，不是也因禍得福嗎？汽油機人家震動小，噪音小。
由於爆震，汽油機也無法把房間做很大（一般一個氣缸就0.3到0.6升）
柴油機：我無所謂啊，你隨便加壓，房間內溫度可以隨便高，反正我控制噴油時間，就可以了。我就一個噴頭（其實也有2個的），反正火焰一定是從噴頭往四周傳播，因為其他地方沒有油，根本沒有爆震可能性。
這個特點太好了。可以把房間做的很大，例如船舶的發動機，你做幾百倍汽油機房間也沒問題。
步驟7：全新突破
現在已經有了汽油機直噴，房間內邊噴油邊點燃！我11年工作單位，他們已經在做HCCI（汽油柴油融合）
未來，不會再分柴油汽油，柴油機效率更高這個問題，將不復存在。這個歐7之後新篇章。不過，說不定歐洲領導腦子一抽風，直接搞死內燃機，那就沒有歐7了。新篇章胎死腹中也是有可能的。
內燃機的效率，
卡諾定理說明熱機的最大熱效率只和其高溫熱源和低溫熱源的溫度有關。此定理以尼古拉·卡諾為名。
根據卡諾定理，則所有不可逆的熱機，其熱效率會比使用相同高溫和低溫熱源的卡諾熱機要低。
所有可逆的熱機，其熱效率會等於相同高溫和低溫熱源的卡諾熱機。
依卡諾定理可得到一熱機的最大熱效率
（也稱作卡諾效率）為
按照卡諾循環
限制因素是熱量進入發動機的溫度
以及發動機排放其廢熱的環境溫度
（當然，卡諾循環是可逆的，因此代表了發動機循環效率的上限。實際的發動機循環是不可逆的，因此在相同溫度
和
之間運行時，具有比卡諾效率本來更低的效率。
到這裡，基本上可以看出，因為柴油機（狄賽爾循環）的溫差比汽油機（奧拓循環）大，所以效率高
如果缺乏相關發動機的數據，我們還可以通過理論進一步推導：
奧託循環其理論效率取決於發動機的壓縮比r和燃燒室中氣體的比熱比γ
狄賽爾循環的效率如奧託循環，取決於r和γ，但也取決於截止比rc，rc是燃燒過程開始和結束時的氣缸體積比：
如果覺得枯燥的話，用一句話說明：
因為柴油機是壓燃，並且（所以）壓縮比高，所以效率高。
柴油機熱效率高的主要原因是柴油機壓縮比高。
壓縮比是活塞在下止點（氣缸體積最大）和活塞在上止點（氣缸體積最小）時氣缸體積的比值。一般來說，壓縮比越大，熱效率越高，因為燃燒完氣體膨脹做的功更多。
汽油機壓縮比一般為8-12，柴油機壓縮比一般為16-25，所以柴油機效率遠高於汽油機。汽油機的可燃混合氣是預混合的，然後在缸內壓縮，壓縮比太大的話會爆震，也就是可燃混合氣自發地劇烈燃燒，而不是被火花塞引燃。爆震會破壞發動機結構，所以汽油機壓縮比不會太高。但是柴油是在上止點附近噴射的，壓縮衝程時只有空氣被壓縮，所以壓縮比可以很大。
柴油機效率高於汽油的次要因素還有兩個，一是柴油機的混合氣是稀薄的，也就是說空氣是過量的，但汽油一般是當量空燃比。描述氣體有一個參數叫比熱容比 ，這個值空氣是1.4，混有燃油、二氧化碳、水等的混合氣的
都小於1.4，一般在1.3-1.35左右。這個參數可以理解成氣體膨脹的能力，這個值越大，氣體膨脹做的功越多。所以混合氣越稀薄，比熱容比越大，熱效率越高。
此外，汽油機的負荷（輸出功率多少）是通過節氣門控制的（汽車上所謂的油門其實叫節氣門，控制進氣量的大小，然後發動機再對應地噴射燃油），當節氣門半開時，進入發動機的空氣會有阻力，這叫泵氣損失，也是降低汽油機熱效率的一個因素。柴油機沒有節氣門，沒有泵氣損失。
另外，需要明確的是，理想奧拓循環和理想迪塞爾循環是兩種高度簡化的理想循環，用來類比現代內燃機並不合適。現代柴油機的燃油噴射壓力很高，燃燒速度較快，其實也可以認為更接近於奧拓循環而不是迪塞爾循環。19世紀迪塞爾循環被提出的時候，燃油噴射壓力很低，燃燒很慢，所以才用迪塞爾循環近似。並且，壓縮比一樣的情況下，奧拓循環的效率永遠比迪塞爾循環高。然而實際汽油機的壓縮比不可能做到和柴油機一樣，所以比較理想循環對討論實際汽柴油機而言，意義不大。
因為柴油機效率可以很輕易地做得很高，並且廉價可靠，所以在重型載具上還離不開它。但是柴油的排放污染問題無法解決，排放後處理裝置很昂貴，所以在小轎車上應該是被淘汰的。至於各種新型燃燒技術，它們可以認為是汽柴油機的結合體，並不能簡單地認為是汽油機或者柴油機的改進。
主要原因是因為柴油機壓縮比高於汽油機。
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