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解读汽车发动机 压缩比的意义
编辑:齐健 来源:汽车点评网 浏览: 更新时间:2011-2-20

    
        气缸在点火前要将缸内空气或混合气压缩,提到过柴油机压缩比更大,并且在上一片文章里面也简单的讲述了发动机压缩比的定义和作用。而压缩比这个数值究竟对发动机的影响有多大?今天小编将其深度解析一下。

解读汽车发动机(四) 压缩比的意义

    我们再次回顾一下压缩比的概念:气缸在下止点时的最大体积与气缸在上止点时最小体积之比,即为压缩比。

    我们假设一个气缸,缸径84mm,行程90mm,活塞面积约为55.5cm2(考虑到缝隙,实际值应更小些),排量即为499.5ml,如果已知顶部燃烧室容积约为55.5ml,则可得出其压缩比为10:1,同理换算,如果压缩比值为12,则顶部燃烧室容积为45.4ml。中学的数学题,不用多解释了。

    接下来我们通过几个问题来分析压缩比的意义。

我们为什么要将气体压缩?

    我们在《解读汽车发动机(一) 内燃机的诞生》章中提到过,1858年勒努瓦发明了一款二冲程煤气发动机,混合气未被压缩即点燃,导致效率不高。为什么说不经过压缩,效率就不高呢?

    这是因为:压力升高可以让气体的密度变大,分子间的距离也就变小,这样燃油分子和氧分子距离也就更近,燃烧速度就更快;温度可以让让气体分子运动速度加快,燃油分子和氧气分子更容易互相作用,这就让混合气体更容易点燃。而且较小的燃烧空间可以较快的完成燃烧,燃烧过程加快也提高了性能。

为什么要提高压缩比?

    我们还拿那个缸径84mm,行程90mm,活塞面积约为55.5cm2,排量即为499.5ml的汽油机汽缸建立一个非常简单的数学模型:   

    当压缩比为2:1时,假设此时进气压力为正常的1个大气压,即0.1Mpa,经过90mm吸气行程,499.5ml混合气进入汽缸,经过压缩行程后,压力为0.2Mpa,缸内缸内燃油完全燃烧后,绝热状况下,温度和压力升高倍率设定为初始值5倍,即1Mpa,减去对抗的一个大气压为0.9Mpa,换算之后压强为90N/cm2。乘以55.5cm2,此时对活塞的向下压力为4995N,除以9.8即510Kg等效重量。(虽然这个数值看起来很大,但这是瞬间最大值,与整个循环中持续的扭矩相差甚远。而且经过曲轴转换之后,换算成扭矩要小很多。)   

    我们再看压缩比为10:1的情况如何:进气压力为0.1Mpa,压缩后缸内压力变成1Mpa,继续绝热燃烧,压力升高5倍,即5Mpa,减去对抗的1个大气压,为4.9Mpa,换算后为490N/cm2。乘以55.5cm2后,约为27200N,即2775Kg!按数值粗略推断,光是扭矩相比之前升高5倍多,功率也一样会有大幅提高。   

经过上述实验,足以说明压缩比的提高,对应着发动机的性能和效率高。   

注意:以上算法并不完全准确,其中未考虑进气压力由于节气门产生的泵气损失,燃烧室扫气情况,非绝热压力转换,混合气始开氏温度,以及空气、燃油蒸汽和燃烧尾气的比热容等因素,而且不同工况下,燃油燃烧程度也不同,所以缸内压力不能完全按照比例增长去分析,但这种趋势是存在的,因而可以用来证明压缩比给动力带来的增加。

为什么压缩比不能提的太高?   

    根据上段的分析,我们得知,既然较高的压缩比可以带来巨大的动力收益,那么我们把压缩比值提高到20、30,甚至更高,怎么样?   

    当然不可以。我们前一篇文章专门讲了爆震,而高压缩比正是导致爆震因素之一。虽然现代汽油发动机的压缩比越来越高,但这是在科技不断发展,且汽油标号也越来越高的前提下提升的。这毕竟是一个过程,不是一蹴而就的。早期发动机技术不先进,气缸不能承受太大压强,而且即便发动机允许,市面上也没有高标号的汽油油或者不普及,例如八九十年代的212和2020,压缩比只有七点几,可以烧75号油甚至更低,而引进的切诺基低于85号汽油就不正常工作。而且对于柴油机而言,更大的压缩比也必然产生更高的压强,对机件的坚固性也是一个考验。

解读汽车发动机(四) 压缩比的意义   

    所以在通常情况下,相同排量的发动机,压缩比越高,其动力性和经济性越好。但凡事有度,为追求高性能而单纯提高压缩比,又要其正常工作,其难度是呈几何倍增的。而且国内目前油品确实不怎么样,也限制了一些优秀发动机在国内的推广。



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