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日系就爱拿压缩比说事儿 为啥德系/美系却闭口不谈

2017年12月28日 11:20:02
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要知道为什么日系车的压缩比比德系/美系高,我们先要搞清楚什么是压缩比。

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现在的乘用车都用的往复式活塞内燃机,它的工作过程简单说就是,进气(活塞下行,把空气吸到气缸里)、压缩(活塞上行,压缩空气和汽油的混合体)、做功(点燃混合体,气流推动活塞下行产生动力)、排气(活塞上行,把废气排出),多个气缸高速循环这个过程。压缩比的意思就是气缸内燃烧室容积最大和最小时的比例,用来描述一台发动机能将气/油混合体压缩的有多狠。很显然,压缩得越狠,把活塞往下推的力气越大,燃烧热能的利用率越高,达到同等性能所需的油耗越少。

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马自达阿特兹、丰田凯美瑞搭载的就是典型的高压缩比自吸发动机,燃油版压缩比已经是13:1,凯美瑞混动版搭载的2.5L发动机,其压缩比更达到14:1,都远高于平均水平,而美系和德系的涡轮增压发动机,其压缩比大多不超过10:1。说到这里我们就能发现,这个问题的本质其实是,自吸与涡轮增压发动机压缩比的差异。

首先,我们看看为什么日系的自吸发动机能做到高压缩比。

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自吸发动机只通过活塞运动在气缸内产生负压,从而吸入空气,在进气冲程结束时燃烧室内的气压略小于标准大气压(0.1Mpa),用一个简化的模型解释一下:假如压缩比是13:1,压缩冲程结束时,燃烧室内气压可以提高到1.3Mpa,火花塞点燃混合气体后,假如气压可以提升5倍,那么做工冲程开始时气压能达到6.5Mpa,因为环境不是真空,所以要减去对抗的一个标准气压,即6.4Mpa。

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至于涡轮增压发动机,它是用废气涡轮将进气“压”入燃烧室,进气冲程结束时,燃烧室内的气压已经远不止标准大气压(0.1Mpa),具体多少要看发动机的运行工况,也就是增压器的增压力度。同样举个例子,假如一台涡轮增压发动机压缩比为10:1,在转速3000转/分钟时增压器可以将进气压缩至1.5个标准气压(0.15Mpa),压缩冲程结束时,燃烧室内气压达到1.5Mpa,火花塞点燃混合气体后,气压提升5倍,那么做工冲程开始时,气压能达到7.5Mpa,再减去对抗标准大气压,即7.4Mpa。

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我们对比就能发现,即使是压缩比较低的涡轮增压发动机,其在压缩和做功冲程时,燃烧室内的瞬时气压都比压缩比更高的自吸发动机更大。这就是为什么涡轮增压发动机闭口不谈压缩比的最核心原因,进气本身就带有一定的压力,压缩空气后的压力自然更高,同时难度也更大,但比值并不高。

除此之外,涡轮增压发动机实现高气压进气/压缩还有一个先天难题,那就是爆震。

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自吸发动机直接吸入的是环境温度的空气,20°左右,而涡轮增压发动机即使配着中冷器,空气经过加压后温度达到50度左右,涡轮增压发动机本体的工作温度要高于自吸发动机,高温就意味着在压缩冲程结束时更容易导致油/气混合体提前自燃,从而导致发动机爆震,轻则影响发动机线性输出,提高油耗,重则直接拉缸。因为涡轮增压发动机会将油/气混合体压缩的更狠,所以就更容易发生爆震现象。

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要解决涡轮增压发动机爆震,最直接有效的方式就是降低压缩比,让压缩冲程结束时的气压稍微低一点,油/气混合体就不容易自燃。除此之外,也可以配备冷却效果更高的中冷器,降低进气温度,或者优化进排气设计以及冷却系统,降低发动机工作时的环境温度,也可以有效抑制爆震,再有就是采用抗爆性能更好的汽油。

 ●总结:

压缩比无疑是衡量一台发动机燃效的重要参数,但是拿进气是负压的自吸发动机,与进气是1.5倍标准气压甚至更高的涡轮增压发动机进行比较显然有点耍流氓,即使是压缩比低一点的涡轮增压发动机,其在火花塞点火前后燃烧室内的气压、温度、以及油/气混合体的密度都丝毫不比高压缩比的自吸发动机低,这也是涡轮增压发动机能够以更少的油耗实现更高性能的核心原因。当然了,相同类型的发动机之间比较压缩比还是很能说明问题的。

多嘴再说说日系的高压缩比自吸发动机,不管是马自达还是丰田,都有一个可变压缩比的概念,其本质是发动机可以通过高度可控的气门正时系统来提前或延后气门开关的时间,模拟阿特金森循环,即使活塞行程没变,也能使进气/压缩冲程略小于做功/排气冲程。换句话说,在高压缩比工况时,2.5L的自吸发动机,其吸气的排量只有2.4L或者2.3L,而做功时却是按照2.5L、2.6L的排量进行的。这一套路就是丰田/马自达的高压缩比发动机燃效高的重要因素。

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