對(duì)汽車稍有了解的小伙伴，都會(huì)聽說一個(gè)壓縮比的概念，它是一個(gè)重要的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)，對(duì)汽車的燃油適應(yīng)性、發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等都有很大的影響。今天我們就來簡(jiǎn)單的說一說發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的相關(guān)知識(shí)。
首先來說說什么是發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比。所謂壓縮比是指發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積的比值，用X：1來表示。比如某發(fā)動(dòng)機(jī)活塞處于下止點(diǎn)時(shí)，氣缸的總?cè)莘e是550ml，當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)180°，活塞處于上止點(diǎn)時(shí)，活塞上方的燃燒室容積是50ml，那么這款發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比就是550/50=11:1。需要注意的是：壓縮比的寫作形式是X：1，比如9.3:1、10.5:1、14:1等，而不是9.3、10.5、14，我們?nèi)粘Ｋf的發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比是多少多少，其實(shí)是一種不規(guī)范的叫法。
壓縮比是一個(gè)重要的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)，它的物理意義是氣缸中的氣體被壓縮的程度。比如上述的例子，發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比是11:1，就表示進(jìn)入氣缸中的氣體被壓縮了11倍。一般發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比越高，表示進(jìn)入氣缸中的氣體被壓縮的越厲害，氣體的溫度、壓力就越高，氣體流動(dòng)速度越快，可燃混合氣中的燃油與空氣混合得越均勻，可燃混合氣燃燒速度越快、越完全，釋放的熱量也越多，轉(zhuǎn)化的機(jī)械能越高。簡(jiǎn)單的說就是，發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比越高，發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的壓縮比，就成了提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的一個(gè)重要手段。所以現(xiàn)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比較以前有了很大的提高，比如很早以前的老式汽油機(jī)壓縮比只有6.5~7:1，老普桑的1.8自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比也只有8.5:1，它們的最高熱效率很難超過35%，一般都在30%左右徘徊；而現(xiàn)在的汽油機(jī)壓縮比一般都在11:1以上，豐田公司熱效率最高的發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比是12:1，而馬自達(dá)創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比高達(dá)14:1，最新的壓燃式汽油機(jī)壓縮比可以達(dá)到18:1，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率就有了很大的提升，一般都在38%以上，豐田的混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率最高可達(dá)41%。而柴油機(jī)的壓縮比一般在16~24:1之間，關(guān)于柴油機(jī)壓縮比的問題我們?cè)诤竺鎲为?dú)討論。
有人說既然提高壓縮比就可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，那以前為什么不這樣做呢？這主要是因?yàn)椋岣甙l(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比是受很多條件限制的，以前的發(fā)動(dòng)機(jī)由于技術(shù)水平和汽油品質(zhì)的限制，壓縮比過高會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃。所謂爆燃是汽油機(jī)的一種非正常燃燒方式，它是指汽油機(jī)在燃燒過程中，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)火之前就在燃燒室中形成了多個(gè)火焰中心點(diǎn)燃可燃混合氣，導(dǎo)致局部壓力和溫度猛增，壓力波在氣缸內(nèi)高頻振蕩，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重的敲缸和抖動(dòng)的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞發(fā)動(dòng)機(jī)。如果想避免發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃，一個(gè)方法是提高汽油的抗爆性，一個(gè)方法是控制可燃混合氣在發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒方式和速度。
一些老司機(jī)應(yīng)該記得，上世紀(jì)七八十年代，汽油的標(biāo)號(hào)只有70號(hào)、80號(hào)，在九十年代才出現(xiàn)了90號(hào)汽油，這樣的汽油抗爆性是非常差的，如果發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比過高的話，汽油在燃燒室中被過度壓縮，就會(huì)導(dǎo)致爆燃，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比不宜過高，一般都是在6~8:1之間。后來隨著汽油煉制技術(shù)的進(jìn)步，汽油標(biāo)號(hào)逐步提高，出現(xiàn)了90、93、97號(hào)汽油，汽油的抗爆性大幅度提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比也隨之提高了。之前老司機(jī)經(jīng)常說的發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比與汽油標(biāo)號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，比如壓縮比在7:1以下用85號(hào)汽油，7~8:1之間用90號(hào)汽油，8~9：1之間用93號(hào)汽油，9:1以上用97號(hào)汽油等，就是這么來的。而現(xiàn)在的汽油標(biāo)號(hào)是92、95、98，汽油的抗爆性進(jìn)一步提升，適應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比也大幅提高了。
還有一個(gè)非常重要的因素是，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。早期的發(fā)動(dòng)機(jī)都是化油器供油、機(jī)械式點(diǎn)火，可燃混合氣的濃度和點(diǎn)燃時(shí)間控制不是很精準(zhǔn)，不能自動(dòng)的推遲點(diǎn)火時(shí)間。而現(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)都是電控燃油噴射、電控點(diǎn)火，對(duì)可燃混合氣的濃度控制以及點(diǎn)火的時(shí)機(jī)控制更加精準(zhǔn)，在發(fā)生爆燃時(shí)會(huì)自動(dòng)的推遲點(diǎn)火時(shí)間；普遍采用半球形燃燒室，燃燒室的面容比更大，活塞頭部形狀不再是簡(jiǎn)單的平頂，對(duì)可燃混合氣在氣缸中的流動(dòng)軌跡以及速度控制的也更好，這樣會(huì)進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃的幾率。此外，現(xiàn)在越來越多采用的缸內(nèi)直噴技術(shù)、稀薄燃燒技術(shù)、可變氣門正時(shí)技術(shù)等，也會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃的可能性。
所以，現(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)允許使用更高壓縮比而不會(huì)發(fā)生爆燃。比如現(xiàn)在大多數(shù)自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比都在10.5:1以上，并且可以使用92號(hào)汽油，只有很少一部分汽油機(jī)需要使用更高標(biāo)號(hào)的95號(hào)汽油?，F(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)也不必根據(jù)壓縮比選擇汽油標(biāo)號(hào)了，只要按照車企規(guī)定的標(biāo)號(hào)加注即可，因?yàn)椴煌陌l(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)校是不同的，發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)間、氣門正時(shí)控制等有所不同，對(duì)爆燃的抑制程度也不同，即使是同樣壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)汽油的要求也可能不同。
當(dāng)然，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比也不是越高越好。隨著壓縮比的提高，發(fā)動(dòng)工作時(shí)活塞上方的壓力也會(huì)增加，活塞、連桿及曲軸受到的壓力都會(huì)增大，因此就要相應(yīng)的增大各零部件的強(qiáng)度，發(fā)動(dòng)機(jī)的體積、重量以及成本也會(huì)因此而增大。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比越高，調(diào)校越困難，發(fā)動(dòng)機(jī)在很多時(shí)候是在臨界狀態(tài)下工作，技術(shù)狀況稍有改變，就有可能發(fā)生爆燃、表面點(diǎn)火等非正常燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)的容錯(cuò)率會(huì)下降。還有就是發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比過高，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性、可靠性下降，使用壽命縮短。所以，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比并不是越大越好，而是要適當(dāng)，聰明的汽車工程師會(huì)綜合各方面的需求，設(shè)計(jì)出一個(gè)最適合的壓縮比，使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性達(dá)到一個(gè)完美的平衡。
為了使發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比更好的適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下的使用需求，工程師又開發(fā)出來可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)，它能夠自動(dòng)適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況，隨時(shí)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，使發(fā)動(dòng)機(jī)既能發(fā)揮最大的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，又能夠有效的避免爆燃。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的是日產(chǎn)公司的 2.0L VC-Turbo 可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)，它的壓縮比可以在8:1 和 14:1 之間切換，搭載在英菲尼迪Q50上。不過個(gè)人看來，這款發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，可靠性有待觀察，目前還不宜廣泛推行。此外，現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的可變氣門正時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)可以在一定程度上改變發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比，這種可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)用性值得商榷。
大家可能還會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的事，就是馬自達(dá)的創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動(dòng)機(jī)，壓縮比高達(dá)14:1，但是卻可以使用92號(hào)汽油，這是怎么做到的呢？原來，這款發(fā)動(dòng)機(jī)所謂的14:1壓縮比，其實(shí)是一種“假壓縮比”。它利用可變氣門正時(shí)技術(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在奧托循環(huán)與米勒循環(huán)之間互相切換，在絕大多數(shù)情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比并不是14:1，而是在11:1左右。
比如創(chuàng)馳藍(lán)天2.0發(fā)動(dòng)機(jī)，它的氣缸容積為500ml，燃燒室容積為37.1ml，標(biāo)注壓縮比是13：1。但是在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作中，在進(jìn)氣行程中吸入的空氣會(huì)被吐出一部分，比如吸入500ml的空氣，在壓縮行程中由于進(jìn)氣門晚關(guān)將進(jìn)氣又?jǐn)D出去了100ml，那么實(shí)際進(jìn)入氣缸中參與燃燒的空氣應(yīng)該是400ml，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際壓縮比就是400/37.1=10.8。即該發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際壓縮比為10.8:1，這樣的壓縮比使用92號(hào)汽油當(dāng)然是沒有問題的。
前面說高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)可以使用低標(biāo)號(hào)的汽油，但是有很多增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，它們的壓縮比并不高，卻要求使用高標(biāo)號(hào)的汽油，比如大眾的1.4TSI發(fā)動(dòng)機(jī)，壓縮比只有9.3:1，卻要求使用95號(hào)汽油，還有大眾的 EA888發(fā)動(dòng)機(jī)，壓縮比是9.6:1，也要求使用95號(hào)汽油，這又是怎么回事呢？
其實(shí)對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)來說，它標(biāo)注的壓縮比也不是實(shí)際的壓縮比。由于進(jìn)入氣缸中的空氣事先被壓縮了，所以實(shí)際進(jìn)入氣缸中的空氣量要大于理論上進(jìn)入氣缸中的空氣量，實(shí)際壓縮比也要比標(biāo)注的壓縮比大。比如某發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸容積為500ml，燃燒室容積為55ml，標(biāo)注壓縮比為9：1。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，600ml的空氣被增壓器壓縮為500ml進(jìn)入氣缸，所以此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比應(yīng)該是600/55=11，即該發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際壓縮比為11:1，因此這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)要求使用95號(hào)汽油就有情可原了。實(shí)際上，絕大多數(shù)的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中的壓縮比都會(huì)大于11:1，因此個(gè)人建議，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)在極限工況下發(fā)生爆燃，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命，更好的發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，所有的小排量渦輪增壓車型，都應(yīng)該使用95號(hào)以上的汽油。
最后我們?cè)賮碚f說柴油機(jī)的壓縮比。大家知道，柴油機(jī)的工作方式與汽油機(jī)不同，柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)中是被壓燃的，因此，在某種程度上來說，柴油機(jī)的壓縮比應(yīng)該是越高越好。但實(shí)際上，柴油機(jī)的壓縮比一般在16~24:1之間，并且這些年來，柴油機(jī)的壓縮比有降低的趨勢(shì)，大多在17~18:1之間，比如錫柴CA6DM 柴油機(jī)、玉柴6112 柴油機(jī)壓縮比都是17.5:1， 江鈴JX493柴油機(jī)、長(zhǎng)城綠凈柴油機(jī)壓縮比都是17.2：1，而康明斯KTA19G2柴油機(jī)的壓縮比竟然是14.5:1，都快比創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動(dòng)機(jī)低了，這究竟是為什么呢？
其實(shí)大家都忽略了一個(gè)問題，那就是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎都采用了渦輪增壓技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際壓縮比要高于標(biāo)注的壓縮比，絕大多數(shù)標(biāo)注17~18:1壓縮比的柴油機(jī)，實(shí)際壓縮比都在20~22:1之間，這個(gè)壓縮比并不低。大家也可以看到，現(xiàn)在的柴油機(jī)排量不如以前大，但是發(fā)動(dòng)機(jī)的功率卻遠(yuǎn)高于以前的自然吸氣柴油機(jī)，就是由于渦輪增壓技術(shù)的加持。之所以不采用更高壓縮比的原因，一是壓縮比過高，需要對(duì)柴油機(jī)機(jī)體做加強(qiáng)，會(huì)增高柴油機(jī)的體積和質(zhì)量；二是柴油機(jī)的壓縮比過高，會(huì)增加尾氣中氮氧化物的含量，導(dǎo)致尾氣排放超標(biāo)；三是壓縮比過高，會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)工作粗暴，汽車的NVH不好控制。因此，適當(dāng)?shù)慕档蛪嚎s比，可以減少尾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(dòng)機(jī)性能下降，可以通過渦輪增壓技術(shù)、高壓共軌燃油噴射技術(shù)等來彌補(bǔ)。
那么在未來，汽油機(jī)和柴油機(jī)壓縮比是否會(huì)越來越接近，直至趨近于一致呢？個(gè)人認(rèn)為不太可能?，F(xiàn)在汽油機(jī)的趨勢(shì)是小排量渦輪增壓，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比一般都在10:1以下，而柴油機(jī)不論怎么降低壓縮比，也不能突破壓縮比的下限，否則就無法使柴油壓燃。所以，二者的壓縮比差距也許會(huì)縮小，但是永遠(yuǎn)也不可能一致。
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