解读汽车发动机（四） 压缩比的意义

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上一篇文章提到，气缸在点火前要压缩空气体或空气燃料混合物，柴油机的压缩比较大。在前一篇文章中，还简要介绍了发动机压缩比的定义和作用。压缩比对发动机的影响有多大？今天，边肖分析了它的深度。

我们再来回顾一下压缩比的概念:气缸在下止点时的最大容积与气缸在上止点时的最小容积之比就是压缩比。

我们假设一个缸径为84毫米，行程为90毫米，活塞面积约为55.5平方厘米，排量为499.5毫升，如果已知顶部燃烧室的容积约为55.5毫升，压缩比为10: 1。同理，压缩比为12，顶燃室容积为45.4ml，中学数学题，无需解释。接下来，我们通过几个问题来分析压缩比的意义。

为什么要压缩气体？

我们在《解读汽车发动机的诞生内燃机》一章中提到，1858年，勒诺发明了二冲程燃气发动机，混合气在没有压缩的情况下被点燃，导致效率低下。为什么没有压缩效率不高？

这是因为:随着压力的增加，气体的密度变大，分子间的距离变小，使得燃料分子与氧气分子的距离更近，燃烧速度更快；温度可以使气体分子运动更快，燃料分子和氧气分子更容易相互作用，使混合气体更容易点燃。而且较小的燃烧室空可以更快地完成燃烧，更快的燃烧过程也提高了性能。

为什么要提高压缩比？

我们还对缸径84毫米、行程90毫米、活塞面积约55.5平方厘米、排量499.5毫升的汽油机气缸建立了一个非常简单的数学模型:当压缩比为2:1时，假设进气压力为正常的1个大气压，即0.1兆帕，在90毫米吸气冲程后，499.5毫升混合气体进入气缸，压缩冲程后，压力为0.2兆帕，缸内燃料完全燃烧后， 在绝热条件下，温压增加比设定为初始值的5倍，即1Mpa，减去对抗的一个大气压，为0.9Mpa，换算压力为90N/cm2。 乘以55.5cm2，此时活塞承受的向下压力为4995N，除以9.8，即为510Kg的当量。

我们来看看压缩比如何10:1:进气压力为0.1Mpa，压缩后气缸压力变为1Mpa，继续绝热燃烧，压力增加5倍，即5Mpa，减去对抗的一个大气压，为4.9Mpa，换算后为490N/cm2。乘以55.5cm2，大约是27200N，也就是2775Kg！根据粗略的数值推断，如果扭矩增加5倍以上，功率也会大大提高。

上述实验表明，压缩比的提高对应于发动机性能和效率的提高。

注:以上算法不完全准确，其中未考虑节流阀、燃烧室扫气、非绝热压力转换、混合气体初始开尔文温度、空气体、燃油蒸气、燃烧尾气比热容等因素造成的泵损。而且在不同工况下，燃料燃烧的程度不同，不能完全按照比例增加来分析缸内压力，但这种趋势是存在的，可以用来证明。

压缩比为什么不能提得太高？

根据上一段的分析，我们知道既然更高的压缩比可以带来巨大的功率增益，那我们把压缩比提高到20、30甚至更高怎么样？

当然不是。我们之前的文章重点讲了爆震，高压缩比是导致爆震的因素之一。现代汽油机的压缩比虽然越来越高，但都是在科学技术不断发展、汽油标号越来越高的前提下得到提升的。毕竟这是一个过程，不是一蹴而就的。早期的发动机技术不先进，气缸承受不了太大的压力，即使发动机允许，市场上也没有高档的汽油机油或者不普及。比如上世纪（查成交价|参配|优惠政策）八九十年代，212和2021年，压缩比只有7: 00，能烧75号油甚至更低，进口切诺基比85号汽油低，不会正常工作。而且，对于柴油机来说，更高的压缩比必然会产生更高的压力，这也是对零件坚固性的考验。

因此，在正常情况下，相同排量的发动机压缩比越高，其动力性和经济性就越好。但是凡事都有个度，单纯为了追求高性能而提高压缩比，让其正常工作的难度是几何级数的翻倍。而且目前国内的油品确实不好，这也限制了一些优秀发动机在国内的推广。

这个时候就会有人问为什么涡轮增压发动机的压缩比不是特别高。说到增压，有很多话要说。我们将把这个问题留在下一章。我们将解释增压的类型和效果以及常见问题。请注意！