為什么汽油機(jī)不斷追求更高的壓縮比 柴油機(jī)不斷降低壓縮比？未來會接近一致的壓縮比嗎？

為什么汽油機(jī)不斷追求更高的壓縮比，柴油機(jī)不斷降低壓縮比？簡單來說，汽油機(jī)壓縮比越高，發(fā)動機(jī)熱效率越高，而降低柴油機(jī)壓縮比的目的是降低尾氣中氮氧化物的含量。但是，這是一個很高級的話題。今天我們就簡單說一下發(fā)動機(jī)壓縮比的知識。首先，發(fā)動機(jī)的壓縮比是多少？所謂壓縮比，是指發(fā)動機(jī)氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積的比值，用x: 1表示。例如，當(dāng)發(fā)動機(jī)活塞處于下止點(diǎn)時(shí)，氣缸總?cè)莘e為550毫升。當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)180，活塞在上止點(diǎn)時(shí)，活塞上方的燃燒室容積為50ml，所以這臺發(fā)動機(jī)的壓縮比為550/50=11:1。需要注意的是，壓縮比的書寫形式為X: 1，如9.3:1、10.5:1、14:1等。而不是9.3，10.5，14。我們?nèi)粘Ｉ钪刑岬降陌l(fā)動機(jī)壓縮比，其實(shí)是一個不規(guī)則術(shù)語。壓縮比是一個重要的發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)，其物理意義是氣缸內(nèi)氣體被壓縮的程度。比如上面的例子，發(fā)動機(jī)的壓縮比是11:1，也就是說進(jìn)入氣缸的氣體被壓縮了11倍。一般來說，發(fā)動機(jī)的壓縮比越高，進(jìn)入氣缸的氣體被壓縮得越多，氣體的溫度和壓力越高，氣體流速越快，可燃混合氣中的燃料與空氣混合得越均勻，可燃混合氣燃燒得越快、越完全，釋放的熱量越多，轉(zhuǎn)化的機(jī)械能就越高。簡單來說，發(fā)動機(jī)的壓縮比越高，發(fā)動機(jī)的熱效率越高，經(jīng)濟(jì)性越好。正因?yàn)槿绱耍岣甙l(fā)動機(jī)的壓縮比成為提高發(fā)動機(jī)熱效率的重要手段。所以汽車發(fā)動機(jī)的壓縮比有了很大的提高。比如很久以前，老汽油機(jī)的壓縮比只有6.5~7:1，老普桑的1.8自然吸氣汽油機(jī)的壓縮比也只有8.5:1。它們的最高熱效率很難超過35%，一般在30%左右徘徊。目前汽油機(jī)的壓縮比一般在11:1以上。豐田最高熱效率為12:1，而馬自達(dá)創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動機(jī)壓縮比高達(dá)14:1。最新的壓燃式汽油機(jī)可以達(dá)到18:1，大大提高了發(fā)動機(jī)的熱效率，一般在38%以上，豐田的混動發(fā)動機(jī)熱效率最高可以達(dá)到41%。柴油發(fā)動機(jī)的壓縮比一般在16到24: 1之間。后面我們會單獨(dú)討論柴油機(jī)的壓縮比。有人說，既然提高壓縮比可以提高發(fā)動機(jī)的熱效率，為什么以前不做呢？這主要是因?yàn)榘l(fā)動機(jī)壓縮比的提高受到很多條件的限制。以前的發(fā)動機(jī)，由于技術(shù)水平和汽油質(zhì)量的限制，壓縮比過高會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)爆燃。所謂爆燃，是汽油機(jī)的一種異常燃燒方式。指汽油機(jī)燃燒過程中，由于可燃混合氣被過度壓縮，溫度和壓力過高，在火花塞點(diǎn)火前燃燒室中形成許多火焰中心，導(dǎo)致局部壓力和溫度急劇上升，缸內(nèi)壓力波高頻振蕩，發(fā)動機(jī)爆震和抖動嚴(yán)重，甚至嚴(yán)重?fù)p壞發(fā)動機(jī)。如果想避免發(fā)動機(jī)爆燃，一個辦法是提高汽油的抗爆性能，另一個辦法是控制可燃混合氣在發(fā)動機(jī)內(nèi)的燃燒方式和速度。一些老司機(jī)應(yīng)該還記得，上世紀(jì)七八十年代，汽油的標(biāo)號只有70號和80號，90號汽油出現(xiàn)在90年代。這種汽油的抗爆性能很差。如果發(fā)動機(jī)的壓縮比過高，汽油會在燃燒室中被過度壓縮，從而導(dǎo)致爆燃。所以發(fā)動機(jī)的壓縮比不能太高，一般在6-8:1之間。后來隨著汽油煉制技術(shù)的進(jìn)步，汽油的等級逐漸提高，出現(xiàn)了90 #、93 #和97 #汽油。汽油的抗爆性能大大提高，發(fā)動機(jī)的壓縮比也提高了。老司機(jī)過去常常談?wù)撏ㄐ?p>早期的發(fā)動機(jī)由化油器提供燃料，并機(jī)械點(diǎn)火。可燃混合物的濃度和點(diǎn)火時(shí)間控制不準(zhǔn)確，不能自動延遲點(diǎn)火時(shí)間。目前發(fā)動機(jī)都是電控燃油噴射點(diǎn)火，可燃混合氣的濃度控制和點(diǎn)火正時(shí)控制更精確，爆燃時(shí)會自動延遲點(diǎn)火時(shí)間；一般采用半球形燃燒室，表面積比更大，活塞頭的形狀也不再是簡單的平頂，使可燃混合氣在缸內(nèi)的流動軌跡和速度得到更好的控制，會進(jìn)一步降低發(fā)動機(jī)爆燃的概率。此外還有越來越多的缸內(nèi)直噴技術(shù)、稀薄燃燒技術(shù)、可變氣門正時(shí)技術(shù)。也會降低發(fā)動機(jī)爆燃的可能性。因此，今天的發(fā)動機(jī)允許使用更高的壓縮比，而不會爆震。比如大部分自然吸氣汽油機(jī)的壓縮比都在10.5:1以上，可以使用92 #汽油。只有少數(shù)汽油發(fā)動機(jī)需要使用更高等級的95號汽油。現(xiàn)在的發(fā)動機(jī)不需要根據(jù)壓縮比來選擇汽油的等級，按照車企規(guī)定的等級加滿即可。因?yàn)椴煌陌l(fā)動機(jī)調(diào)整不一樣，發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火正時(shí)和氣門正時(shí)控制不一樣，對爆燃的抑制程度也不一樣。即使是壓縮比相同的發(fā)動機(jī)，對汽油的要求也可能不同。當(dāng)然，發(fā)動機(jī)的壓縮比越高越好。隨著壓縮比的增加，啟動時(shí)活塞上方的壓力會增加，活塞、連桿和曲軸上的壓力也會增加。因此，需要相應(yīng)增加各部件的強(qiáng)度，發(fā)動機(jī)的體積、重量和成本也會增加。另外，發(fā)動機(jī)的壓縮比越高，越難調(diào)節(jié)。很多情況下，發(fā)動機(jī)工作在臨界狀態(tài)。如果技術(shù)狀況稍有變化，就可能發(fā)生爆燃、表面點(diǎn)火等異常燃燒，發(fā)動機(jī)的容錯率就會下降。還有就是發(fā)動機(jī)壓縮比高，會降低發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，縮短使用壽命。所以發(fā)動機(jī)的壓縮比并不是越大越好，而是要合適。智能汽車工程師會根據(jù)各種要求設(shè)計(jì)一個最佳壓縮比，使發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性達(dá)到一個完美的平衡。為了使發(fā)動機(jī)的壓縮比更好地滿足發(fā)動機(jī)在各種工況下的要求，工程師們開發(fā)了可變壓縮比發(fā)動機(jī)，它能自動適應(yīng)發(fā)動機(jī)的工況，隨時(shí)改變發(fā)動機(jī)的壓縮比，使發(fā)動機(jī)既能發(fā)揮最大的功率和經(jīng)濟(jì)性，又能有效避免爆燃。目前日產(chǎn)的2.0L VC-Turbo可變壓縮比發(fā)動機(jī)已經(jīng)量產(chǎn)。它的壓縮比可以在8:1和14:1之間切換，搭載在英國菲尼迪的Q50上。但個人認(rèn)為這款發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，可靠性有待觀察，目前不適合廣泛應(yīng)用。另外，發(fā)動機(jī)上的可變氣門正時(shí)系統(tǒng)可以在一定程度上改變發(fā)動機(jī)壓縮比，這種可變壓縮比發(fā)動機(jī)的實(shí)用性值得商榷。你可能還會發(fā)現(xiàn)一個有趣的事情，那就是馬自達(dá)創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動機(jī)可以使用壓縮比高達(dá)14:1的92號汽油。這是怎么做到的？原來這款發(fā)動機(jī)所謂的14:1壓縮比，其實(shí)是一個“假壓縮比”。它使用可變氣門正時(shí)技術(shù)在奧托循環(huán)和米勒循環(huán)之間切換發(fā)動機(jī)。大多數(shù)情況下，發(fā)動機(jī)的壓縮比在11:1左右，而不是14:1。比如創(chuàng)馳藍(lán)天2.0發(fā)動機(jī)，氣缸容積500ml，燃燒室容積37.1ml，標(biāo)注壓縮比13: 1。但在發(fā)動機(jī)實(shí)際工作中，進(jìn)氣沖程吸入的空氣會有一部分被吐出來，比如進(jìn)氣是500ml，在壓縮沖程因?yàn)檫M(jìn)氣門關(guān)閉較晚會擠出100ml，所以實(shí)際進(jìn)入氣缸燃燒的空氣應(yīng)該是400ml，所以發(fā)動機(jī)的實(shí)際壓縮比是400/37.1=10.8。也就是發(fā)動機(jī)的實(shí)際壓縮比是10.8:1，所以用92號汽油fo是沒有問題的

發(fā)生了什么事？其實(shí)對于增壓發(fā)動機(jī)來說，標(biāo)注的壓縮比并不是實(shí)際的壓縮比。因?yàn)檫M(jìn)入氣缸的空氣是提前壓縮的，所以實(shí)際進(jìn)入氣缸的空氣比理論進(jìn)入氣缸的空氣大，實(shí)際壓縮比也比標(biāo)注的壓縮比大。比如某發(fā)動機(jī)的氣缸容積為500ml，燃燒室容積為55ml，標(biāo)注的壓縮比為9: 1。發(fā)動機(jī)工作時(shí)，600ml空氣被增壓器壓縮成500ml進(jìn)入氣缸，所以此時(shí)發(fā)動機(jī)的壓縮比應(yīng)為600/55=11，即發(fā)動機(jī)的實(shí)際壓縮比為11:1。所以這樣的發(fā)動機(jī)需要95號汽油是可以理解的。事實(shí)上，大多數(shù)增壓發(fā)動機(jī)在運(yùn)行過程中的壓縮比都會大于11:1。所以我個人建議，為了避免極端情況下的發(fā)動機(jī)爆燃，延長發(fā)動機(jī)的使用壽命，充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)的性能，所有小排量渦輪增壓車都應(yīng)該使用95以上的汽油，最后說說柴油發(fā)動機(jī)的壓縮比。眾所周知，柴油機(jī)的工作模式與汽油機(jī)不同。柴油在發(fā)動機(jī)中被壓縮。所以在某種程度上，柴油機(jī)的壓縮比應(yīng)該盡可能的高。但實(shí)際上柴油機(jī)的壓縮比一般在16-24:1之間，而且隨著時(shí)間的推移，柴油機(jī)的壓縮比有降低的趨勢，大多在17-18:1之間。比如錫柴CA6DM柴油機(jī)和玉柴6112柴油機(jī)的壓縮比都是17.5:1，江鈴JX493柴油機(jī)和長城綠網(wǎng)柴油機(jī)的壓縮比都是17.2: 1，康明斯KTA11。其實(shí)大家都忽略了一個問題，就是幾乎所有的柴油發(fā)動機(jī)都采用了渦輪增壓技術(shù)，發(fā)動機(jī)的實(shí)際壓縮比是高于標(biāo)注壓縮比的。大部分壓縮比在17~18:1的柴油機(jī)，實(shí)際壓縮比在20~22:1，并不低。大家可以看到，現(xiàn)在的柴油發(fā)動機(jī)排量沒有以前大了，但是發(fā)動機(jī)的功率卻比以前的自然吸氣柴油發(fā)動機(jī)高了很多，這都是因?yàn)闇u輪增壓技術(shù)的加持。不采用較高壓縮比的原因：一是壓縮比過高，需要加強(qiáng)柴油機(jī)機(jī)體，這樣會增加柴油機(jī)的體積和質(zhì)量；二是柴油機(jī)的高壓縮比會增加尾氣中氮氧化物的含量，造成尾氣排放超標(biāo)；第三，如果壓縮比過高，會造成柴油機(jī)工作粗暴，汽車的NVH難以控制。因此，適當(dāng)降低壓縮比可以降低廢氣中氮氧化物的含量，降低柴油機(jī)的噪音，由此帶來的發(fā)動機(jī)性能下降可以通過渦輪增壓技術(shù)和高壓共軌燃油噴射技術(shù)來彌補(bǔ)。那么未來汽油機(jī)和柴油機(jī)的壓縮比會越來越接近，直到達(dá)到同一水平嗎？個人認(rèn)為可能性不大。目前汽油機(jī)的趨勢是小排量渦輪增壓，發(fā)動機(jī)的壓縮比一般在10:1以下。但是，無論柴油機(jī)的壓縮比有多低，都無法突破壓縮比下限，否則無法使柴油壓縮燃燒。所以他們之間的壓縮比差距可能會縮小，但絕對不會一樣。