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汽车发动机基础知识储备之压缩比的那些事

2017-12-13 09:14    艾森ECU升级(北京运营中心)

经常关注汽车的朋友们想必对发动机压缩比这个名字并不陌生,这东西听起来确实有些枯燥。不过别担心,这次让我用白话带您走近压缩比,让您不再被忽悠。

● 发动机为什么要将气体压缩  

  “发动机为什么要将气体压缩”这是在了解压缩比之前一个重要的问题,发动机将气体压缩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。

● 什么是压缩比

  了解了为什么发动机要将气体压缩后,开始我们的压缩比之旅吧。这次我们抛开一堆繁琐的描述、让人心烦的公式,整点简单易懂的。好了,书归正传了,如果您在看这篇文章前问过“度娘”什么是压缩比,相信您一定被弄晕乎了。放轻松,咱们来看点容易的,压缩比远没有“维多利亚的秘密”那么神秘。如下图所展示的,紫色部分为燃烧室容积,绿色部分为气缸行程容积,压缩比这玩意就是“(紫色+绿色)/紫色”。相信聪明的您一定懂了“压缩比就是这气缸总容积(黄色)与最小容积(紫色)的比值”。至于压缩比的公式ε=Va/Vc,如果您愿意,完全可以扔给您的初中老师了。

● 为什么要提高压缩比

  我知道大家对什么是压缩比没兴趣,即使它们被我伪装成了颜色搭配的问题。技术频道是为大家解决实际问题的,下面就让我们理论联系实际。相信您之前也或多或少听过压缩比这个名词,仔细回想下,您买车时销售代表是不是在忽悠时还说过“大哥,我家车好啊,发动机压缩比特别高,比别的车高一倍”。既然销售说高,那压缩比肯定是好东西啊,我们先把销售说的是否是实话的问题放在一边,了解下为什么要提高压缩比

  “压缩比”顾名思义是个比值,它的变化会引起一系列连锁反应。好吧,我又想说教了,咱们还是整简单、实在的吧。简单说,压缩比在合适的范围内提高,会使发动机的扭矩得到提高,对于我们来说也就是这车开起来更有劲儿。如果您觉得这么想还是浪费脑细胞,那不妨将它想成挤压弹簧,越用力挤压弹簧,弹簧的形变就越大,弹簧恢复原样时的速度也就越快,力量也越大。同理,气缸内的气体被压缩的越厉害,膨胀时产生的能量也就越大,我们的车也就更有劲儿。

  我们拿个排量为499.5ml的汽油机做个例子,假设压缩比是2:1,简单刨除各种影响因素,活塞向下的压力大概为510kg,当我们把压缩比设为3:1,再简单刨除各种影响因素,活塞向下的压力大概为793kg!瞧,我们仅仅是将压缩比提升了这么点,活塞向下的压力就提升了283kg,将近二分之一。活塞这股向下的力反馈到驾车的您那里,会从原来的“推背感”变成“踹背感”。而一般的汽车发动机压缩比都在11以下,还是这个发动机,我们将压缩比变为10:1,那活塞向下的力将达到2775kg。也就是压缩比2:1时的5倍!现在您明白为什么要提升压缩比了吧。

  当然请您注意: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,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。

● 为什么我们不马上去提高压缩比

  看了上面的分析,您一定会琢磨,既然较高的压缩比可以带来巨大的动力收益,那么我们为什么不马上找个店去提高压缩比,把压缩比值提高到20、30,甚至更高,怎么样?如果您真这么想,我劝您还是先冷静下。压缩比提高的效果并不总是从“推背感”变成“踹背感”,也不是从一个人踹变成十个人踹这么简单的效果。

  这世上有许多剑,压缩比这玩意不幸也是把双刃剑。相信您一定听过爆震这个词,简单说爆震就是不正常燃烧所导致的燃烧室内压力失常。您可以理解为发动机Hold不住了。而过高的压缩比正是导致发动机Hold不住的因素之一。

  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或者不普及,例如八九十年代的北京吉普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。现在您明白了吧,销售说他家的车好,发动机压缩比特别高,比别的车高一倍。这样的鬼话肯定是忽悠您买车呢,别再被骗了。

 

● 增压发动机为什么比自然吸气发动机压缩比

  了解了上面压缩比的问题后,有细心的朋友可能会问“增压发动机为什么比自然吸气发动机压缩比小呢?”其实这个问题很好理解,我们都知道无论是机械增压发动机还是涡轮增压发动机都是通过不同手段“强迫”发动机吸入更多的空气,也就是说发动机在吸气阶段吸入的空气或混合气本来就已被压缩,在进入到气缸进行到压缩进程中,将被再次压缩。这时压缩比要调校的低一些,以保证在增压之后,缸内压力不会过高而发生“爆燃”的情况。

  还用我们上面提到的弹簧举例,增压发动机在吸气时就像是您用尽全力压弹簧,当气缸进入到压缩进程中就像是一个胖子坐在了您身上,帮您一起压弹簧,可想而知。这时如果不想点“办法”,减轻点压力,会是什么后果。

  所以在改装领域,将自然吸气发动机加装增压器时,应当增加燃烧室容积,以降低压缩比。而最直接的方法就是换装更厚的缸垫。

●  汽油发动机与柴油发动机

  再提一个问题,您想过为什么汽油发动机的压缩比要低于柴油发动机压缩比吗?这个问题还得先从它们平时吃什么说起。

  从两个发动机的名字我们就可以看出他们吃什么,那就是汽油和柴油,而汽油和柴油都是由成分为碳和氢两种元素的烃类化合物组成的。汽油是由5-9个碳分子的烃类组成,而组成柴油的烃类的碳原子数则有10-20个,由于汽油分子比柴油要小,所以汽油的挥发性更好,燃烧速度也更快,我们把汽油好比一堆柳絮,可以被吹散在空气中慢慢飘落,而柴油则好像一块木头,怎样扔起来都会做自由落体运动。

  正是因为二者的化学性质不同,使得柴油的自燃点比汽油更低,所以柴油可以在高温高压的气缸中自燃;而汽油机如果采用压燃方式,就必须要有更高的压力,从而得到更高的温度才能点燃,但因为汽油容易挥发,挥发时又会吸收大量的热,这就再次增加了压燃的难度,所以用火花塞点燃是最适合的方式。汽油比柴油燃烧的更快,所以把汽油放在高温高压的环境下太威猛,机体受不了这种火药脾气,所以要降低气缸的压力,而用火花点燃时,缸内火焰是以“波”的形式蔓延燃烧,这也就避免了爆燃形成的冲击;而柴油在高温高压空气中,多处同时燃烧形成火焰,也就是以爆燃的方式(和汽油机的“爆震”相似)做功,工作状态比较粗暴,但因为柴油燃烧较慢,所以虽然燃烧的开始很剧烈,但燃烧时间还是要长于汽油机的。所以也就出现了汽油发动机的压缩比要比柴油发动机压缩比小的现象。

● 高压缩比发动机的范例——马自达创世蓝天技术(SKYACTIV)

★ 马自达SKYACTIV-G发动机
  与众不同之处:汽油机高达14:1的
压缩比
  特有技术:4-2-1排气,独特设计燃烧室,结构轻量化,VVT

  SKYACTIV-G发动机拥有汽油机中罕见的高达14:1压缩比,这套动力系统投放北美市场以来,获得了不少好评,不过能在投放市场第一年就入选沃德十佳,其实力确实不容小觑。

  真正意义上完全采用SKYACTIV技术的汽油机搭载在2012年上市的北美版马自达CX-5上,压缩比为13:1,能够实现这么高的压缩比,和这台发动机采用4-2-1排气、独特设计的燃烧室等不无关系。


★ 马自达SKYACTIV-D发动机
  与众不同之处:柴油机最低的压缩比——14:1
  特有技术:两级涡轮增压,可变气门升程

  SKYACTIV-D发动机也就是SKYACTIV中的柴油机(diesel)系列,尽管它的压缩比达到了有史以来柴油机最低的14——居然和那台汽油机的设计压缩比一样,但较之先期普通柴油机减少20%的燃油消耗也说明SKYACTIV-D发动机确实在经济性上确实有过人之处。

  由于压缩比相对较低,因此燃油和空气混合气在被压燃时,得到了更好的混合,因此燃烧的效率也更高,这不但提升了柴油机的燃料经济性,同时也减少了氮氧化物和颗粒物的排放——SKYACTIV-D发动机不费太多力气就可以满足严苛的欧6排放标准。同时,更低的压缩比相对也降低了对缸体、活塞、连杆等部件的强度要求,这可以进一步提高发动机的轻量化程度,减低整车重量。

 

 

全文总结:

  这篇文章我们一起揭开了压缩比的秘密,了解了压缩比不是越大越好,明白了汽车发动机和柴油发动机压缩比不同,以及增压发动机为什么比自然吸气发动机压缩比小的原因。

 

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