解讀汽車發(fā)動(dòng)機(jī)（四）壓縮比的意義

2025-02-19 18:06:02 作者：資訊小編

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上一篇文章提到，氣缸在點(diǎn)火前要壓縮空氣體或空氣燃料混合物，柴油機(jī)的壓縮比較大。在前一篇文章中，還簡要介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的定義和作用。壓縮比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響有多大？今天，邊肖分析了它的深度。

我們再來回顧一下壓縮比的概念:氣缸在下止點(diǎn)時(shí)的最大容積與氣缸在上止點(diǎn)時(shí)的最小容積之比就是壓縮比。

我們假設(shè)一個(gè)缸徑為84毫米，行程為90毫米，活塞面積約為55.5平方厘米，排量為499.5毫升，如果已知頂部燃燒室的容積約為55.5毫升，壓縮比為10: 1。同理，壓縮比為12，頂燃室容積為45.4ml，中學(xué)數(shù)學(xué)題，無需解釋。接下來，我們通過幾個(gè)問題來分析壓縮比的意義。

為什么要壓縮氣體？

我們在《解讀汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的誕生內(nèi)燃機(jī)》一章中提到，1858年，勒諾發(fā)明了二沖程燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，混合氣在沒有壓縮的情況下被點(diǎn)燃，導(dǎo)致效率低下。為什么沒有壓縮效率不高？

這是因?yàn)?隨著壓力的增加，氣體的密度變大，分子間的距離變小，使得燃料分子與氧氣分子的距離更近，燃燒速度更快；溫度可以使氣體分子運(yùn)動(dòng)更快，燃料分子和氧氣分子更容易相互作用，使混合氣體更容易點(diǎn)燃。而且較小的燃燒室空可以更快地完成燃燒，更快的燃燒過程也提高了性能。

為什么要提高壓縮比？

我們還對(duì)缸徑84毫米、行程90毫米、活塞面積約55.5平方厘米、排量499.5毫升的汽油機(jī)氣缸建立了一個(gè)非常簡單的數(shù)學(xué)模型:當(dāng)壓縮比為2:1時(shí)，假設(shè)進(jìn)氣壓力為正常的1個(gè)大氣壓，即0.1兆帕，在90毫米吸氣沖程后，499.5毫升混合氣體進(jìn)入氣缸，壓縮沖程后，壓力為0.2兆帕，缸內(nèi)燃料完全燃燒后，在絕熱條件下，溫壓增加比設(shè)定為初始值的5倍，即1Mpa，減去對(duì)抗的一個(gè)大氣壓，為0.9Mpa，換算壓力為90N/cm2。乘以55.5cm2，此時(shí)活塞承受的向下壓力為4995N，除以9.8，即為510Kg的當(dāng)量。

我們來看看壓縮比如何10:1:進(jìn)氣壓力為0.1Mpa，壓縮后氣缸壓力變?yōu)?Mpa，繼續(xù)絕熱燃燒，壓力增加5倍，即5Mpa，減去對(duì)抗的一個(gè)大氣壓，為4.9Mpa，換算后為490N/cm2。乘以55.5cm2，大約是27200N，也就是2775Kg！根據(jù)粗略的數(shù)值推斷，如果扭矩增加5倍以上，功率也會(huì)大大提高。

上述實(shí)驗(yàn)表明，壓縮比的提高對(duì)應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能和效率的提高。

注:以上算法不完全準(zhǔn)確，其中未考慮節(jié)流閥、燃燒室掃氣、非絕熱壓力轉(zhuǎn)換、混合氣體初始開爾文溫度、空氣體、燃油蒸氣、燃燒尾氣比熱容等因素造成的泵損。而且在不同工況下，燃料燃燒的程度不同，不能完全按照比例增加來分析缸內(nèi)壓力，但這種趨勢是存在的，可以用來證明。

壓縮比為什么不能提得太高？

根據(jù)上一段的分析，我們知道既然更高的壓縮比可以帶來巨大的功率增益，那我們把壓縮比提高到20、30甚至更高怎么樣？

當(dāng)然不是。我們之前的文章重點(diǎn)講了爆震，高壓縮比是導(dǎo)致爆震的因素之一。現(xiàn)代汽油機(jī)的壓縮比雖然越來越高，但都是在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展、汽油標(biāo)號(hào)越來越高的前提下得到提升的。畢竟這是一個(gè)過程，不是一蹴而就的。早期的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)不先進(jìn)，氣缸承受不了太大的壓力，即使發(fā)動(dòng)機(jī)允許，市場上也沒有高檔的汽油機(jī)油或者不普及。比如上世紀(jì)（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策）八九十年代，212和2021年，壓縮比只有7: 00，能燒75號(hào)油甚至更低，進(jìn)口切諾基比85號(hào)汽油低，不會(huì)正常工作。而且，對(duì)于柴油機(jī)來說，更高的壓縮比必然會(huì)產(chǎn)生更高的壓力，這也是對(duì)零件堅(jiān)固性的考驗(yàn)。

因此，在正常情況下，相同排量的發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比越高，其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性就越好。但是凡事都有個(gè)度，單純?yōu)榱俗非蟾咝阅芏岣邏嚎s比，讓其正常工作的難度是幾何級(jí)數(shù)的翻倍。而且目前國內(nèi)的油品確實(shí)不好，這也限制了一些優(yōu)秀發(fā)動(dòng)機(jī)在國內(nèi)的推廣。

這個(gè)時(shí)候就會(huì)有人問為什么渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比不是特別高。說到增壓，有很多話要說。我們將把這個(gè)問題留在下一章。我們將解釋增壓的類型和效果以及常見問題。請(qǐng)注意！

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