汽油发动机和柴油发动机都属于内燃机，都是燃烧燃料后通过推动气缸内活塞作往返运动来将燃料中的化学能量转换成为驱动车辆前进的机械能量，因此两者的工作原理大体是相同的。汽油发动机与柴油发动机的最主要的区别在于燃料物理特性所引起的点火方式的区别，从而表现出各自不同的热效率、经济性，以及外形特点等。

汽油与柴油的性能差异会引起发动机在混合气形成上的不同。与柴油相比，汽油挥发性强，因而可能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气，因而控制混合气的数量，便能调节汽油机的功率。而柴油挥发性差，但粘性比较好，不可能在低温下形成油气混合气，但适宜用油泵油嘴向汽缸内部喷油，靠调节供油量来调节负荷，而吸入的空气量基本上是不变的。汽油与柴油的性能差异同时会引起着火与燃烧上的不同。汽油自燃温度较高，但汽油蒸气在外部引火条件下的温度较低，因而不宜压燃但适宜外源点火；为促使有规律的燃烧，应防止其自燃（压缩比不能高）；而且由于混合气均匀，着火后，以火焰传播的方式向均匀的混合器展开。对于柴油，则利用其化学安定性差，易自燃的优点，采用压缩自燃的方式；为促进自燃，压缩比不宜过低，柴油的喷射及与空气的混合，既短暂有不均匀，常有随喷随烧的现象，因而使燃烧时间延长。

汽油机内混合气体点燃后，瞬间燃烧，并爆发出能量，所以可以在单位时间内可以多次重复该循环，用高转速输出高功率，因而很小的体积，轻盈的体重，就能拥有较高性能和更快的响应速度，宽泛的转速区间也能够带来更好的操控感觉。但汽油机的压缩比往往只有柴油机的一半，做功行程时缸内温度和压力比柴油机低很多，所以热效率比较低，也就是俗称的“费油”。

柴油机喷入燃料后，燃烧需要一定的时间，所以适合较低转速下让燃油充分燃烧以带来大扭矩，而为了对抗气缸内高压和大扭矩，柴油机的汽缸和活塞的连杆等零件都要比汽油机强壮，所以较汽油机更笨重。但也正是柴油机因为高压缩比低转速的特性，能把热量更好的转化成动能，所以柴油机有着更好的热效率，也就是更好的油耗表现。这就是通常轿车和赛车使用汽油机，而公交车、卡车等大型车辆使用柴油机的原因。

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