什么是压缩比,超高压缩比发动机

什么是压缩比,超高压缩比发动机 序:在解析问题之前首先要了解什么是「压缩比」燃油汽车装备的是活塞往复循环式·内燃式热机,这种机器做功的基础是燃烧产生的热能,推动活塞在气缸内上下或左右的往复运转;与活塞连接的是发动机的

序:

  • 在解析问题之前首先要了解什么是「压缩比」

燃油汽车装备的是活塞往复循环式·内燃式热机,这种机器做功的基础是燃烧产生的热能,推动活塞在气缸内上下或左右的往复运转;与活塞连接的是发动机的曲轴,活塞的运转等于推动曲轴输出动力。

  1. 活塞扫过的空间(行程)小于气缸总空间(容积)
  2. 总容积-活塞行程=燃烧室容积
  3. 总容积÷燃烧室容积=压缩比

这就是压缩比的概念,但为什么要压缩呢?内燃机压缩的实际为进入气缸内部的空气,空气在压缩的过程中会出现分子的不规则碰撞摩擦;摩擦生热是最常见的物理现象,压缩的初衷就是为产生热能。

趣味现象:汽油机不断提升压缩比,柴油机为何不断下调呢?


汽油机压缩比

≤15:1几乎是汽油内燃机的极限标准,大部分多点电喷机会在10:1左右,缸内直喷发动机的压缩比普遍为13:1左右。压缩比前面的数字越大则空气被压缩的程度也就越大,说白了就是空气被“压得更狠一些”;那么在压缩过程中就会产生更强烈的碰撞,产生的热能当然会更多。

简而言之,压缩比越高的发动机缸内温度与压力都会越高;高温是提高燃烧效率(扭矩)的基础,为什么这么说呢?

趣味现象:汽油机不断提升压缩比,柴油机为何不断下调呢?

汽车与摩托装备的发动机均为四冲程机,运行步骤为以下四个步骤。

  • 进气喷油
  • 压缩蒸发
  • 燃烧做功
  • 排气吸气

最核心的步骤往往被认定为做功冲程,其实更重要的是压缩过程;因为液态燃油的燃烧速度很慢,只有蒸发为气态后才能在几十毫秒的刹那间,让燃油尽量的接近充分燃烧。

趣味现象:汽油机不断提升压缩比,柴油机为何不断下调呢?

固定量的燃油燃烧程度越充分,转化出的热能当然也就越多,这些热能推动活塞曲轴运转最终“创造”的就是「扭矩」了。

也就是说热能越高扭矩越大,压缩蒸发的程度越理想则热能越高;那么在点火强度与燃烧效率相当的前提下,参与燃烧燃油多为气态当然会产生更大的扭矩了——这就是汽油机要提高压缩比以升级蒸发效率的原因,但为何柴油机要下调呢?

趣味现象:汽油机不断提升压缩比,柴油机为何不断下调呢?


柴油机压缩比

柴油内燃机的压缩比总是很高的,最高可以达到22:1,由此可见这种发动机的蒸发与燃烧效率都会非常高。但是最低的标准也可以低至8:1,不过平均还在15-20:1的范围内,相比曾经普遍超20的标准可以说是越来越低了。

然而柴油机的压缩比降低不是机器本身的原因,而是客观因素导致的结果;因为压缩比过高温度就会越高,在标注你过高的温度中会产生一种比较麻烦的物质。

这种物质叫做「NOx·氮氧化物」,它的危害在于会加速形成偏酸性的雨水;而酸性水对于土壤和农作物都会产生相当的影响,所以柴油汽车的主要尾气检测物就是NOx,但是为什么汽油机敢于升高呢?

趣味现象:汽油机不断提升压缩比,柴油机为何不断下调呢?

原因有两点,首先是很容易理解的“阈值”;不超过某个标准则产生氮气在允许范围内,而超过某个标准就会超标了。

其次则是汽油机采用的是「点燃式·做功」,燃油与空气会在压缩冲程中进行充分的混合,第三冲程才会开始做功——压缩过程则为【预混合】。理想混合后的油气为扩散式燃烧,状态仅为与空气混合的区域进行氧化反应。

但是柴油发动机是压燃点火做功,依靠的是超高压缩比产生的高温,以超过柴油燃点的标准直接引燃(无需火花塞电出电弧引燃);这种燃烧的方式类似于“喷射式”燃烧,产生的火焰温度是要高于汽油机的,标准可以超过600摄氏度。

趣味现象:汽油机不断提升压缩比,柴油机为何不断下调呢?

空气中78%的成分是氮气,氮气在高温环境中会与氧气(O2)产生化学反应;所以柴油机就会因燃烧温度过高而产生更多的NOx,而且过高的温度还会产生碳烟,其中的碳颗粒与胶质等物质混合后会成为积碳,排放出的部分就是PM2.5(颗粒物)。

趣味现象:汽油机不断提升压缩比,柴油机为何不断下调呢?


综上所述,柴油发动机在不考虑排放物影响的前提下,以超高压缩比可以实现更大的扭矩,大扭矩提升的是低转速的马力;反之在必须考虑该问题的前提下,“权衡”的就是燃油经济性了,凡事总不能两全其美,基于呼吸的健康更重要,所以柴油机只能做出让步。

至于汽油机即使提升也很难达到柴油机的标准,因为过高的压缩比需要的是高密度的高标号汽油;标号越高的汽油燃烧的抗爆震能力就会越强,反之过低的标准就会越差。

趣味现象:汽油机不断提升压缩比,柴油机为何不断下调呢?

如果压缩比与压缩温度过高的话,在压缩冲程中就会出现部分混合油气像柴油一样被压燃。

结果会是异常的磨损和噪音,发动机的使用寿命会大幅缩短;而即使能通过技术缓冲掉振动,并且能做到保证磨损可控,但能够接受使用高价格95/98#汽油的车主还是很少,所以汽油机的压缩比虽然在提升可不会更夸张了。

趣味现象:汽油机不断提升压缩比,柴油机为何不断下调呢?


编辑:天和Auto-汽车科学岛

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