解析气缸压缩比：压力、温度与燃烧速度的关系

解析气缸压缩比：压力、温度与燃烧速度的关系

概念

我们假设某缸缸径为84mm，行程为90mm，活塞面积约为55.5cm2（考虑到间隙，实际值应该更小），排量为499.5ml。如果已知顶部燃烧室容积约为55.5ml，那么可以得出压缩比为10:1。同理，如果压缩比为12，则顶部燃烧室容积为45.4ml。

原因

这是因为：压力的升高可以增加气体的密度，分子之间的距离变小，因此燃料分子与氧气分子之间的距离更近，燃烧速度更快；温度的升高可以加快气体分子的运动，燃料分子与氧气分子之间更容易发生相互作用，使混合气体更容易点燃。另外，更小的燃烧空间可以更快地完成燃烧，更快的燃烧过程也提高了性能。

改进的原因

我们同样取缸径为84mm、行程为90mm、活塞面积约55.5cm2、排量为499.5ml的汽油机气缸，建立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大气压即0.1Mpa，经过90mm进气行程后，有499.5ml混合气进入气缸，经过压缩行程后压力为0.2Mpa。当气缸内燃料完全燃烧后，在绝热条件下，温压升高比例设定为初始值的5倍即1Mpa，减去相反大气压0.9Mpa，换算后的压力为90N/cm2。乘以55.5cm2，活塞向下的压力为4995N，除以9.8，就是510Kg当量重量。（这个数值虽然看起来很大，但却是瞬时最大值，与整个循环中的持续扭矩相差甚远。而且经过曲轴换算后，换算出来的扭矩要小得多。）

我们来看压缩比10:1的情况：进气压力0.1Mpa，压缩后气缸内压力变成1Mpa，如果继续绝热燃烧，压力增加5倍，也就是5Mpa。减去1个相反的大气压，就是4.9Mpa，换算成490N/cm2。乘以55.5cm2后，大约就是，就是！按照数值来看，光是扭矩就比以前增加了5倍以上，动力也会有大幅提升。

上述实验足以说明压缩比的提高对应着发动机性能和效率的提高。

注：以上算法并不完全准确，没有考虑节气门造成的进气压力泵送损失、燃烧室内的扫气条件、非绝热压力换算、混合气的初始开尔文温度以及空气、燃料蒸汽和燃烧废气的比热容。另外，不同工况下燃料燃烧程度不同，因此不能完全按照比例增长来分析缸内压力。但这种趋势是存在的，可以用来证明压缩比带来的功率增加。

发生爆炸

根据上一段的分析，我们知道更高的压缩比可以带来巨大的功率效益，那么，我们不妨将压缩比提高到20、30，甚至更高呢？

当然不是。我们之前的文章专门讲过爆震，而高压缩比正是造成爆震的因素之一。虽然现代汽油机的压缩比越来越高，但这是在科技不断发展、汽油标号越来越高的前提下，毕竟这是一个过程，不是一朝一夕就能实现的。早期的发动机技术并不先进，气缸承受不了太大的压力，就算发动机允许，市面上也没有高标号的汽油或者不普及。比如八九十年代的212、2020，压缩比只有七八成左右，可以烧75号油甚至更低，而引进的切诺基，如果低于85号汽油就不能正常工作。而且对于柴油机来说，压缩比越大必然会产生更高的压力，这对于发动机零部件的坚固程度也是一个考验。

所以一般情况下，同排量的发动机，压缩比越高，动力性和经济性越好。但是任何事物都有其限度，单纯为了追求高性能而提高压缩比，同时还要保证其正常工作，难度会成倍增加。另外，目前国内的油品质量确实不太好，也限制了一些优秀发动机在国内的推广。

它是发动机混合气被压缩的程度，以压缩前气缸总容积与压缩后气缸容积（即燃烧室容积）之比来表示。压缩比与发动机性能有很大关系，通常低压压缩比指压缩比在10以下，高压缩比指10以上。相对而言，压缩比越高，发动机功率越大。

如何选择

发动机混合气体的压缩程度，是用压缩前气缸总容积与压缩后气缸容积（即燃烧室容积）的比值来表示的。目前绝大多数汽车都采用所谓“往复式发动机”，简单来说就是发动机气缸内有一个活塞，做着一圈又一圈的直线往复运动，循环往复，所以在这个反复连续的工作行程中，有一定的运动范围。

就发动机的某一气缸而言，当活塞运动到最低点时，此时的位置称为下止点，包括燃烧室在内的整个气缸所形成的容积为最大行程容积。当活塞反方向运动到最高点时，此时的位置称为上止点，所形成的容积为整个活塞行程的最小容积。要计算的压缩比就是最大行程容积与最小容积之比。

如何选择：应根据发动机的不同压缩比选择不同牌号的汽油。压缩比在8.5~9.5之间的中档车一般应使用93号汽油；压缩比大于9.5的车应使用97号汽油。目前国产轿车的压缩比一般都在9以上，所以最好使用93号或97号汽油。

高压缩比的发动机如果使用低标号汽油，会造成气缸温度急剧升高，汽油燃烧不完全，机械剧烈震动，使输出功率降低，损坏机件。低压缩比的发动机如果坚持使用高标号油，会出现“延迟燃烧”，即压缩过高但还未达到自燃点，燃烧不完全，对发动机不利。

车辆档次越高，对燃油品质的要求就越高，比如30多万元的中档或高档车就只能使用95号或97号汽油。这里的95号、97号只是代表汽油中的辛烷值，并不代表97号汽油比93号汽油更清洁。但高档车对汽油的清洁度要求极高，如果汽油档次不够高，对车辆的影响就会很快体现出来，比如加油后立刻出现加速不良的现象；如果汽油中杂质过多，对汽车的影响需要一定的时间才能反应出来，因为积碳或者胶质只有增加到一定程度才会对汽车的行驶产生影响。

国家对于车用汽油有着严格的标准，不仅要求汽油具有一定的辛烷值（俗称汽油标号），而且对汽油中各种化学成分的含量也有严格的规定。如果烯烃含量过高，汽车就不能完全燃烧，会产生一种胶质物质，堆积在进气歧管和气门导管中。发动机在正常工作温度下，并无异常；但当发动机熄火冷却一段时间后，这些胶质就会把气门黏在气门导管上，此时发动机启动时，就会出现气门推顶现象。

汽油牌号越高越好，应根据发动机的压缩比合理选择汽油牌号。

在汽车发动机的参数中，大多数看重动力的车迷只关注功率和扭矩两个指标，但往往忽略了另一个重要指标，那就是压缩比。压缩比是活塞在气缸内最大行程容积与最小行程容积之比，也等于活塞在整个运动行程不同行程位置时上止点与下止点的容积比。

目前，大多数汽车都采用所谓“往复式发动机”。简单地说，发动机气缸内有一个活塞，反复做直线往复运动，循环往复。因此，在这个反复连续的工作行程中，有一定的运动范围。对于发动机的一个气缸，当活塞运动到最低点时，此时的位置称为下止点，整个气缸包括燃烧室所形成的容积为最大行程容积；当活塞反方向运动到最高点时，此时的位置称为上止点，所形成的容积为整个活塞运动行程中最小的容积。要计算的压缩比就是最大行程容积与最小容积的比值。例如，压缩比为10的发动机，将可燃混合气压缩到原体积的1/10。

一般来说，在发动机其他设计不变的情况下，压缩比越高，功率越大，效率越高，燃油经济性也越好。但过高的压缩比会导致稳定性下降，缩短发动机的寿命。而且压缩比也不能无限增加，因为可燃混合气在压缩过程中温度会急剧上升，如果在到达活塞上止点之前温度就超过了可燃混合气的燃点，可燃混合气就会发生爆炸，也就是俗称的敲击声。可以听到清晰的金属碰撞声。严重的爆炸甚至会导致发动机倒转，对发动机造成致命的伤害。

汽油发动机在运转时，吸入的是汽油和空气的混合气，在压缩过程中，活塞向上运动，除了挤压混合气使其体积缩小外，还会产生涡流和湍流两种现象。密闭容器内的气体在压缩时，压力会随着温度的升高而升高，如果发动机的压缩比比较高，压缩时产生的气缸压力和温度也会随之升高，混合气中的汽油气化得比较完全。另外，在高压缩比的作用下，当火花塞跳出一个火花时，混合气可以在瞬间燃烧，释放出能量，成为发动机的动力输出。相反，如果燃烧时间延长，则会消耗能量，发动机的温度也会升高，而不是参与发动机动力的输出。因此，压缩比高的发动机意味着更大的动力输出。

目前，我市机动车加油站供应90号、93号、97号三个牌号的无铅汽油。您在给机动车加油时，用哪种牌号的汽油最合适呢？为了弄清这个问题，首先要了解汽油牌号的含义：汽油牌号是指该牌号汽油辛烷值的大小，如：93号汽油，它的辛烷值也是93，辛烷值的大小表示了该牌号汽油的抗爆性能。汽油牌号越高，发动机在燃烧过程中的抗爆性能越好。

为什么机动车使用的汽油要具有抗爆性呢？因为发动机要产生动力，进入发动机的空气必须经过压缩。压缩空气喷入燃料并点燃后，空气才能膨胀，推动活塞做功。显然，气体压缩的程度越大，它的压缩比（压缩气体的压力与大气压的比值）就越大，气体膨胀后推动活塞做功的能力就越强，发动机产生的动力就越强。由于提高发动机的压缩比可以提高发动机的功率，所以从发动机设计的角度来说，设计人员会采用各种技术手段来提高发动机的压缩比。例如，将航空喷气发动机上采用的涡轮增压技术应用到汽车发动机上，就是提高发动机压缩比、提高发动机功率的最有效的技术措施之一。由于不同型号的汽车发动机的压缩比不同，所以所用汽油的牌号也必须不同，如果选择不正确，就会影响汽车的正常使用。

我单位一辆夏利轿车在外地加注了70号汽油，驾驶员反映发动机功率下降，本来能在四档维持的转速，现在只能维持在三档，而且在行驶过程中，发动机温度高，水箱开锅。回来换油后，故障立刻消失。驾驶员把这种现象称为“打棒”。原因是加注了低辛烷值的汽油，使发动机产生了轻微的敲击。如果加注了低辛烷值的汽油，使发动机产生了剧烈的敲击，在高温高压气体的作用下，发动机会受到严重的损坏。因此，为保证车辆正常安全使用，必须选用适当牌号的汽油。具体方法是：根据原厂说明书提供的发动机压缩比，选用相应牌号的汽油。

例如捷达车的发动机压缩比是9.0，那么汽油标号不低于90是比较合适的（可以高出1-2个标号）。有的朋友会问捷达车用97号汽油可以吗？还有的朋友认为，选择标号高的汽油发动机功率会更大。这两种说法都是不科学的。

选择合适汽油的标准是汽油标号要与发动机的压缩比相匹配。盲目选择高标号汽油可以避免发动机爆震，但高标号汽油配低压缩比的发动机，会改变点火时间，造成气缸内积碳增多，长期使用会降低发动机的使用寿命。文章中也提到，发动机功率的大小，并不是单凭使用高标号汽油来决定的。不能以为谁穿的鞋大，谁就跑得快。

用研究法（一种特殊方法的名称）用专用仪器测定得到的汽油抗爆指数称为汽油的辛烷值。工业上用辛烷值作为汽油等级划分的依据。例如90#汽油的辛烷值必须大于90。97#汽油的辛烷值必须大于97。

辛烷值是汽油中相当于辛烷的组分的百分比，纯辛烷的辛烷值规定为100。

等级越高，辛烷值越高，抗爆性能越好，汽车发动机所需的压缩比也越高。

因此，豪华车由于压缩比高，需要更高等级的汽油。

一般轿车的压缩比不高，所以可以使用低标号汽油；使用高标号汽油对发动机不利。