基础知识普及发动机压缩比的那些事
2014-08-22 09:08 艾森ECU升级(北京运营中心)
压缩比的概念：气缸在下止点时的最大体积与气缸在上止点时最小体积之比，即为压缩比。
我们假设一个气缸，缸径84mm，行程90mm，活塞面积约为55.5cm2（考虑到缝隙，实际值应更小些），排量即为499.5ml，如果已知顶部燃烧室容积约为55.5ml，则可得出其压缩比为10：1，同理换算，如果压缩比值为12，则顶部燃烧室容积为45.4ml。中学的数学题，不用多解释了。
我们为什么要将气体压缩？
1858年勒努瓦发明了一款二冲程煤气发动机，混合气未被压缩即点燃，导致效率不高。为什么说不经过压缩，效率就不高呢？
这是因为：压力升高可以让气体的密度变大，分子间的距离也就变小，这样燃油分子和氧分子距离也就更近，燃烧速度就更快；温度可以让让气体分子运动速度加快，燃油分子和氧气分子更容易互相作用，这就让混合气体更容易点燃。而且较小的燃烧空间可以较快的完成燃烧，燃烧过程加快也提高了性能。
为什么要提高压缩比？
我们还拿那个缸径84mm，行程90mm，活塞面积约为55.5cm2，排量即为499.5ml的汽油机汽缸建立一个非常简单的数学模型：
当压缩比为2:1时，假设此时进气压力为正常的1个大气压，即0.1Mpa，经过90mm吸气行程，499.5ml混合气进入汽缸，经过压缩行程后，压力为0.2Mpa，缸内缸内燃油完全燃烧后，绝热状况下，温度和压力升高倍率设定为初始值5倍，即1Mpa，减去对抗的一个大气压为0.9Mpa，换算之后压强为90N/cm2。乘以55.5cm2，此时对活塞的向下压力为4995N，除以9.8即510Kg等效重量。（虽然这个数值看起来很大，但这是瞬间最大值，与整个循环中持续的扭矩相差甚远。而且经过曲轴转换之后，换算成扭矩要小很多。）
当压缩比为2:1时，假设此时进气压力为正常的1个大气压，即0.1Mpa，经过90mm吸气行程，499.5ml混合气进入汽缸，经过压缩行程后，压力为0.2Mpa，缸内缸内燃油完全燃烧后，绝热状况下，温度和压力升高倍率设定为初始值5倍，即1Mpa，减去对抗的一个大气压为0.9Mpa，换算之后压强为90N/cm2。乘以55.5cm2，此时对活塞的向下压力为4995N，除以9.8即510Kg等效重量。（虽然这个数值看起来很大，但这是瞬间最大值，与整个循环中持续的扭矩相差甚远。而且经过曲轴转换之后，换算成扭矩要小很多。）
我们再看压缩比为10:1的情况如何：进气压力为0.1Mpa，压缩后缸内压力变成1Mpa，继续绝热燃烧，压力升高5倍，即5Mpa，减去对抗的1个大气压，为4.9Mpa，换算后为490N/cm2。乘以55.5cm2后，约为27200N，即2775Kg！按数值粗略推断，光是扭矩相比之前升高5倍多，功率也一样会有大幅提高。
经过上述实验，足以说明压缩比的提高，对应着发动机的性能和效率的提高。
注意：以上算法并不完全准确，其中未考虑进气压力由于节气门产生的泵气损失，燃烧室扫气情况，非绝热压力转换，混合气始开氏温度，以及空气、燃油蒸汽和燃烧尾气的比热容等因素，而且不同工况下，燃油燃烧程度也不同，所以缸内压力不能完全按照比例增长去分析，但这种趋势是存在的，因而可以用来证明压缩比给动力带来的增加。
为什么压缩比不能提的太高？
根据上段的分析，我们得知，既然较高的压缩比可以带来巨大的动力收益，那么我们把压缩比值提高到20、30，甚至更高，怎么样？
当然不可以。高压缩比正是导致爆震因素之一。虽然现代汽油发动机的压缩比越来越高，但这是在科技不断发展，且汽油标号也越来越高的前提下提升的。这毕竟是一个过程，不是一蹴而就的。早期发动机技术不先进，气缸不能承受太大压强，而且即便发动机允许，市面上也没有高标号的汽油油或者不普及，例如八九十年代的212和2020，压缩比只有七点几，可以烧75号油甚至更低，而引进的切诺基低于85号汽油就不正常工作。而且对于柴油机而言，更大的压缩比也必然产生更高的压强，对机件的坚固性也是一个考验。
所以在通常情况下，相同排量的发动机，压缩比越高，其动力性和经济性越好。但凡事有度，为追求高性能而单纯提高压缩比，又要其正常工作，其难度是呈几何倍增的。而且国内目前油品确实不怎么样，也限制了一些优秀发动机在国内的推广。
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