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为什么汽油发动机不断追求更高的压缩比,柴油发动机不断地降低压缩比?未来是否会接近一致的压缩比?

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为什么汽油发动机不断追求更高的压缩比,柴油发动机不断地降低压缩比?简单的说,就是汽油机的压缩比越高,发动机的热效率越高,而柴油机降低压缩比的目的是降低尾气中氮氧
为什么汽油发动机不断追求更高的压缩比,柴油发动机不断地降低压缩比?未来是否会接近一致的压缩比?

为什么汽油发动机不断追求更高的压缩比,柴油发动机不断地降低压缩比?简单的说,就是汽油机的压缩比越高,发动机的热效率越高,而柴油机降低压缩比的目的是降低尾气中氮氧化物的含量。不过这是一个非常高深的话题,我们今天就这个话题来简单说说发动机压缩比的相关知识。

首先来说说什么是发动机的压缩比。所谓压缩比是指发动机气缸总容积与燃烧室容积的比值,用X:1来表示。比如某发动机活塞处于下止点时,气缸的总容积是550ml,当曲轴旋转180°,活塞处于上止点时,活塞上方的燃烧室容积是50ml,那么这款发动机的压缩比就是550/50=11:1。需要注意的是:压缩比的写作形式是X:1,比如9.3:1、10.5:1、14:1等,而不是9.3、10.5、14,我们日常所说的发动机压缩比是多少多少,其实是一种不规范的叫法。

压缩比是一个重要的发动机技术参数,它的物理意义是气缸中的气体被压缩的程度。比如上述的例子,发动机压缩比是11:1,就表示进入气缸中的气体被压缩了11倍。一般发动机的压缩比越高,表示进入气缸中的气体被压缩的越厉害,气体的温度、压力就越高,气体流动速度越快,可燃混合气中的燃油与空气混合得越均匀,可燃混合气燃烧速度越快、越完全,释放的热量也越多,转化的机械能越高。简单的说就是,发动机压缩比越高,发动机的热效率越高,经济性越好。

正因为如此,提高发动机的压缩比,就成了提高发动机热效率的一个重要手段。所以现在汽车发动机的压缩比较以前有了很大的提高,比如很早以前的老式汽油机压缩比只有6.5~7:1,老普桑的1.8自然吸气汽油发动机压缩比也只有8.5:1,它们的最高热效率很难超过35%,一般都在30%左右徘徊;而现在的汽油机压缩比一般都在11:1以上,丰田公司热效率最高的发动机压缩比是12:1,而马自达创驰蓝天发动机压缩比高达14:1,最新的压燃式汽油机压缩比可以达到18:1,这样发动机的热效率就有了很大的提升,一般都在38%以上,丰田的混动发动机热效率最高可达41%。而柴油机的压缩比一般在16~24:1之间,关于柴油机压缩比的问题我们在后面单独讨论。

有人说既然提高压缩比就可以提高发动机热效率,那以前为什么不这样做呢?这主要是因为,提高发动机的压缩比是受很多条件限制的,以前的发动机由于技术水平和汽油品质的限制,压缩比过高会导致发动机爆燃。所谓爆燃是汽油机的一种非正常燃烧方式,它是指汽油机在燃烧过程中,由于可燃混合气被过度压缩,温度和压力过高,在火花塞点火之前就在燃烧室中形成了多个火焰中心点燃可燃混合气,导致局部压力和温度猛增,压力波在气缸内高频振荡,发动机出现严重的敲缸和抖动的现象,严重时甚至会损坏发动机。如果想避免发动机爆燃,一个方法是提高汽油的抗爆性,一个方法是控制可燃混合气在发动机中的燃烧方式和速度。

一些老司机应该记得,上世纪七八十年代,汽油的标号只有70号、80号,在九十年代才出现了90号汽油,这样的汽油抗爆性是非常差的,如果发动机的压缩比过高的话,汽油在燃烧室中被过度压缩,就会导致爆燃,因此发动机的压缩比不宜过高,一般都是在6~8:1之间。后来随着汽油炼制技术的进步,汽油标号逐步提高,出现了90、93、97号汽油,汽油的抗爆性大幅度提高,发动机的压缩比也随之提高了。之前老司机经常说的发动机压缩比与汽油标号的对应关系,比如压缩比在7:1以下用85号汽油,7~8:1之间用90号汽油,8~9:1之间用93号汽油,9:1以上用97号汽油等,就是这么来的。而现在的汽油标号是92、95、98,汽油的抗爆性进一步提升,适应的发动机压缩比也大幅提高了。

还有一个非常重要的因素是,发动机技术的进步。早期的发动机都是化油器供油、机械式点火,可燃混合气的浓度和点燃时间控制不是很精准,不能自动的推迟点火时间。而现在的发动机都是电控燃油喷射、电控点火,对可燃混合气的浓度控制以及点火的时机控制更加精准,在发生爆燃时会自动的推迟点火时间;普遍采用半球形燃烧室,燃烧室的面容比更大,活塞头部形状不再是简单的平顶,对可燃混合气在气缸中的流动轨迹以及速度控制的也更好,这样会进一步降低发动机爆燃的几率。此外,现在越来越多采用的缸内直喷技术、稀薄燃烧技术、可变气门正时技术等,也会降低发动机爆燃的可能性。

所以,现在的发动机允许使用更高压缩比而不会发生爆燃。比如现在大多数自然吸气汽油发动机的压缩比都在10.5:1以上,并且可以使用92号汽油,只有很少一部分汽油机需要使用更高标号的95号汽油。现在的发动机也不必根据压缩比选择汽油标号了,只要按照车企规定的标号加注即可,因为不同的发动机调校是不同的,发动机的点火时间、气门正时控制等有所不同,对爆燃的抑制程度也不同,即使是同样压缩比的发动机,对汽油的要求也可能不同。

当然,发动机的压缩比也不是越高越好。随着压缩比的提高,发动工作时活塞上方的压力也会增加,活塞、连杆及曲轴受到的压力都会增大,因此就要相应的增大各零部件的强度,发动机的体积、重量以及成本也会因此而增大。此外,发动机压缩比越高,调校越困难,发动机在很多时候是在临界状态下工作,技术状况稍有改变,就有可能发生爆燃、表面点火等非正常燃烧,发动机的容错率会下降。还有就是发动机压缩比过高,会导致发动机稳定性、可靠性下降,使用寿命缩短。所以,发动机的压缩比并不是越大越好,而是要适当,聪明的汽车工程师会综合各方面的需求,设计出一个最适合的压缩比,使发动机的动力性、经济性、可靠性达到一个完美的平衡。

为了使发动机压缩比更好的适应发动机在各种工况下的使用需求,工程师又开发出来可变压缩比发动机,它能够自动适应发动机的运转工况,随时改变发动机的压缩比,使发动机既能发挥最大的动力性和经济性,又能够有效的避免爆燃。目前已经实现量产的是日产公司的 2.0L VC-Turbo 可变压缩比发动机,它的压缩比可以在8:1 和 14:1 之间切换,搭载在英菲尼迪Q50上。不过个人看来,这款发动机结构过于复杂,可靠性有待观察,目前还不宜广泛推行。此外,现在发动机上的可变气门正时系统已经可以在一定程度上改变发动机压缩比,这种可变压缩比发动机实用性值得商榷。

大家可能还会发现一个有趣的事,就是马自达的创驰蓝天发动机,压缩比高达14:1,但是却可以使用92号汽油,这是怎么做到的呢?原来,这款发动机所谓的14:1压缩比,其实是一种“假压缩比”。它利用可变气门正时技术,使发动机在奥托循环与米勒循环之间互相切换,在绝大多数情况下,发动机的压缩比并不是14:1,而是在11:1左右。

比如创驰蓝天2.0发动机,它的气缸容积为500ml,燃烧室容积为37.1ml,标注压缩比是13:1。但是在发动机实际工作中,在进气行程中吸入的空气会被吐出一部分,比如吸入500ml的空气,在压缩行程中由于进气门晚关将进气又挤出去了100ml,那么实际进入气缸中参与燃烧的空气应该是400ml,这样发动机的实际压缩比就是400/37.1=10.8。即该发动机的实际压缩比为10.8:1,这样的压缩比使用92号汽油当然是没有问题的。

前面说高压缩比发动机可以使用低标号的汽油,但是有很多增压发动机,它们的压缩比并不高,却要求使用高标号的汽油,比如大众的1.4TSI发动机,压缩比只有9.3:1,却要求使用95号汽油,还有大众的 EA888发动机,压缩比是9.6:1,也要求使用95号汽油,这又是怎么回事呢?

其实对于增压发动机来说,它标注的压缩比也不是实际的压缩比。由于进入气缸中的空气事先被压缩了,所以实际进入气缸中的空气量要大于理论上进入气缸中的空气量,实际压缩比也要比标注的压缩比大。比如某发动机气缸容积为500ml,燃烧室容积为55ml,标注压缩比为9:1。在发动机工作过程中,600ml的空气被增压器压缩为500ml进入气缸,所以此时发动机的压缩比应该是600/55=11,即该发动机的实际压缩比为11:1,因此这样的发动机要求使用95号汽油就有情可原了。实际上,绝大多数的增压发动机在工作过程中的压缩比都会大于11:1,因此个人建议,为了避免发动机在极限工况下发生爆燃,延长发动机使用寿命,更好的发挥发动机的性能,所有的小排量涡轮增压车型,都应该使用95号以上的汽油。

最后我们再来说说柴油机的压缩比。大家知道,柴油机的工作方式与汽油机不同,柴油在发动机中是被压燃的,因此,在某种程度上来说,柴油机的压缩比应该是越高越好。但实际上,柴油机的压缩比一般在16~24:1之间,并且这些年来,柴油机的压缩比有降低的趋势,大多在17~18:1之间,比如锡柴CA6DM 柴油机、玉柴6112 柴油机压缩比都是17.5:1, 江铃JX493柴油机、长城绿净柴油机压缩比都是17.2:1,而康明斯KTA19G2柴油机的压缩比竟然是14.5:1,都快比创驰蓝天发动机低了,这究竟是为什么呢?

其实大家都忽略了一个问题,那就是柴油发动机几乎都采用了涡轮增压技术,发动机的实际压缩比要高于标注的压缩比,绝大多数标注17~18:1压缩比的柴油机,实际压缩比都在20~22:1之间,这个压缩比并不低。大家也可以看到,现在的柴油机排量不如以前大,但是发动机的功率却远高于以前的自然吸气柴油机,就是由于涡轮增压技术的加持。之所以不采用更高压缩比的原因,一是压缩比过高,需要对柴油机机体做加强,会增高柴油机的体积和质量;二是柴油机的压缩比过高,会增加尾气中氮氧化物的含量,导致尾气排放超标;三是压缩比过高,会导致柴油机工作粗暴,汽车的NVH不好控制。因此,适当的降低压缩比,可以减少尾气中氮氧化物的含量,降低柴油机的噪音,由此带来的发动机性能下降,可以通过涡轮增压技术、高压共轨燃油喷射技术等来弥补。

那么在未来,汽油机和柴油机压缩比是否会越来越接近,直至趋近于一致呢?个人认为不太可能。现在汽油机的趋势是小排量涡轮增压,发动机的压缩比一般都在10:1以下,而柴油机不论怎么降低压缩比,也不能突破压缩比的下限,否则就无法使柴油压燃。所以,二者的压缩比差距也许会缩小,但是永远也不可能一致。

压缩比对于发动机有着很重要的意义。汽油发动机压缩比越高,效率和功率越高。然而柴油压缩比越低,静音和排放效果越好。实际上柴油发动机的使用寿命远远高于汽油发动机,并且可以实现低速高扭矩的功能。但是柴油机在乘用车市场很难普及,基本上都安装在高档越野车上。

对于未来是否会接近一致的压缩比这个问题,我想很多人都处于期待之中。如果柴油机压缩比可以达到汽油机的程度,买车时肯定会首选柴油机。柴油机耐用和省油是最基础的优点,在低速时产生高扭矩对于汽车也有着很好的操控性。

目前在低速时可以产生高扭矩汽油机车辆,除非马力足够大,变速箱扭矩高,而且一般控制在7速变速箱的范围,才真正的具备一辆操控性出色的汽车。柴油机压缩比如果可以达到14,即使没有涡轮增压器,也可以达到同样的效果。

目前具备同样压缩比的发动机制造商,只有日本的马自达。马自达的Sky Active发动机对汽油和柴油的压缩比均为14。汽油发动机的正常压缩比是11到12,柴油发动机的正常压缩比是18。正如题主所问,“汽油发动机试图提高压缩比,而柴油发动机试图降低压缩比”。压缩比一致已经成为事实,但是还无法做到普及。

传统上,柴油发动机一直擅长于低速扭矩和低速行驶。“ SKYACTIV-D”还具有2,200cc的排量,并且汽油动力车辆在低速范围(2,000rpm)中产生的扭矩(420Nm)与4,000cc级相当。

然后,如果按原样踩加速器并增加转数,将展示出传统柴油发动机汽车无法想象的平稳加速性能。在传统柴油发动机不增加输出功率的高速范围(5,000 rpm)下,该发动机以与汽油发动机相同的平滑度旋转,并且输出不会下降。

城市驾驶需要低速扭矩,因为它会反复启动和停止。另一方面,在高输出加速性能的高速公路。“ SKYACTIV-D”在所有条件下均具有足够的性能,并且用户可以体验到传统柴油发动机车辆所没有的驾驶感觉。

(左图)常规活塞(左)和SKYACTIV-D活塞(右)的高度要小得多,重量减轻了100克。(右图)SKYACTIV-D的曲轴(右)也比传统类型(左)轻3kg。机械阻力降低了该数量,从而降低了噪音并提高了燃油效率。

这种柴油发动机安装在日本所销售的 CX-5、 Atenza这两款车型上。 2012年2月发布的“ CX-5”的累计销量到2012年12月达到35,438辆。在SUV国内销售中获得第一名。其中,有26,835台装有“ SKYACTIV-D”,约占80%。此外,2012年11月发布的“ Atenza”订单中,超过70%都配备了“ SKYACTIV-D”,日本许多人正在寻找低油耗和高性能柴油车。

下一代清洁柴油汽车的销售目标设定为2020年为5%,2030年为5-10%。2011年,这一比例仅为0.4%,但到了2012年,这一比例大幅上升至1.4%。其中1.0%配备了“ SKYACTIV-D”。如果能进入国内,马自达依然是汽车界的一匹黑马!

汽车发动机追求更高的压缩比是为了加剧汽油的燃烧速度,在短时间内释放更多的能量,达到低油耗,高功率,但也面临着爆震问题,由于汽油机点火方式为火花塞点燃空气燃油混合气,由于压缩比提高,会使气缸内混合气体受高温高压影响提前发生自燃,火花塞后点燃,形成几股相互冲击火焰推力,造成爆震,轻微的爆震对气缸及活塞相关组件影响较小,严重的爆震造成积碳、冲击缸内组件;柴油机不断降低压缩比是为了降低氮氧化物的排放,氮氧化物是在高温下完全燃烧的产物,柴油机点火方式是压缩空气,使之成为高温高压气体,喷油嘴喷油,由于高温高压,柴油发生自燃。柴油机的压缩比要比汽油机高,随着技术的不断革新,相信未来会有一致的压缩比。

提升汽油机效率的终极就是提升压缩比,但它受爆振的影响,不能无限提升,最近解决爆振的手段,缸内直喷,浠燃,缸内喷水,双温发动机,缸头低温,缸套高温,科技改变生产力,国人需努为。

标签:汽车评测,压缩,发动机

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