解讀汽車發動機（四） 壓縮比的意義

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上一篇文章提到，氣缸在點火前要壓縮空氣體或空氣燃料混合物，柴油機的壓縮比較大。在前一篇文章中，還簡要介紹了發動機壓縮比的定義和作用。壓縮比對發動機的影響有多大？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:氣缸在下止點時的最大容積與氣缸在上止點時的最小容積之比就是壓縮比。

我們假設一個缸徑為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，中學數學題，無需解釋。接下來，我們通過幾個問題來分析壓縮比的意義。

為什么要壓縮氣體？

我們在《解讀汽車發動機的誕生內燃機》一章中提到，1858年，勒諾發明了二沖程燃氣發動機，混合氣在沒有壓縮的情況下被點燃，導致效率低下。為什么沒有壓縮效率不高？

這是因為: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動更快，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毫升的汽油機氣缸建立了一個非常簡單的數學模型:當壓縮比為2:1時，假設進氣壓力為正常的1個大氣壓，即0.1兆帕，在90毫米吸氣沖程后，499.5毫升混合氣體進入氣缸，壓縮沖程后，壓力為0.2兆帕，缸內燃料完全燃燒后， 在絕熱條件下，溫壓增加比設定為初始值的5倍，即1Mpa，減去對抗的一個大氣壓，為0.9Mpa，換算壓力為90N/cm2。 乘以55.5cm2，此時活塞承受的向下壓力為4995N，除以9.8，即為510Kg的當量。

我們來看看壓縮比如何10:1:進氣壓力為0.1Mpa，壓縮后氣缸壓力變為1Mpa，繼續絕熱燃燒，壓力增加5倍，即5Mpa，減去對抗的一個大氣壓，為4.9Mpa，換算后為490N/cm2。乘以55.5cm2，大約是27200N，也就是2775Kg！根據粗略的數值推斷，如果扭矩增加5倍以上，功率也會大大提高。

上述實驗表明，壓縮比的提高對應于發動機性能和效率的提高。

注:以上算法不完全準確，其中未考慮節流閥、燃燒室掃氣、非絕熱壓力轉換、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？

當然不是。我們之前的文章重點講了爆震，高壓縮比是導致爆震的因素之一。現代汽油機的壓縮比雖然越來越高，但都是在科學技術不斷發展、汽油標號越來越高的前提下得到提升的。畢竟這是一個過程，不是一蹴而就的。早期的發動機技術不先進，氣缸承受不了太大的壓力，即使發動機允許，市場上也沒有高檔的汽油機油或者不普及。比如上世紀（查成交價|參配|優惠政策）八九十年代，212和2021年，壓縮比只有7: 00，能燒75號油甚至更低，進口切諾基比85號汽油低，不會正常工作。而且，對于柴油機來說，更高的壓縮比必然會產生更高的壓力，這也是對零件堅固性的考驗。

因此，在正常情況下，相同排量的發動機壓縮比越高，其動力性和經濟性就越好。但是凡事都有個度，單純為了追求高性能而提高壓縮比，讓其正常工作的難度是幾何級數的翻倍。而且目前國內的油品確實不好，這也限制了一些優秀發動機在國內的推廣。

這個時候就會有人問為什么渦輪增壓發動機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。請注意！