要知道為什麼日系車的壓縮比比德系/美系高,
我們先要搞清楚什麼是壓縮比。
現在的乘用車都用的 往復式活塞內燃機 ,它的工作過程簡單說就是,進氣(活塞下行,把空氣吸到氣缸裡)、壓縮(活塞上行,壓縮空氣和汽油的混合體)、做功(點燃混合體,氣流推動活塞下行產生動力)、排氣(活塞上行,把廢氣排出),多個氣缸高速循環這個過程。
壓縮比的意思就是氣缸內燃燒室容積最大和最小時的比例,用來描述一臺發動機能將氣/油混合體壓縮的有多狠。 很顯然,壓縮得越狠,把活塞往下推的力氣越大,燃燒熱能的利用率越高,達到同等性能所需的油耗越少。
馬自達阿特茲、豐田凱美瑞搭載的就是典型的高壓縮比自吸發動機,燃油版壓縮比已經是13:1,凱美瑞混動版搭載的2.5L發動機,其壓縮比更達到14:1,都遠高於平均水平,而美系和德系的渦輪增壓發動機,其壓縮比大多不超過10:1。
說到這裡我們就能發現,
這個問題的本質其實是,
自吸與渦輪增壓發動機壓縮比的差異。
首先,我們看看為什麼日系的自吸發動機能做到高壓縮比。
自吸發動機只通過活塞運動在氣缸內產生負壓,從而吸入空氣,在進氣衝程結束時燃燒室內的氣壓略小於標準大氣壓(0.1Mpa),用一個簡化的模型解釋一下:假如壓縮比是13:1,壓縮衝程結束時,燃燒室內氣壓可以提高到1.3Mpa,火花塞點燃混合氣體後,假如氣壓可以提升5倍,那麼做工衝程開始時氣壓能達到6.5Mpa,因為環境不是真空,所以要減去對抗的一個標準氣壓,即6.4Mpa。
至於渦輪增壓發動機,它是用廢氣渦輪將進氣「壓」入燃燒室,進氣衝程結束時,燃燒室內的氣壓已經遠不止標準大氣壓(0.1Mpa),具體多少要看發動機的運行工況,也就是增壓器的增壓力度。
同樣舉個例子,假如一臺渦輪增壓發動機壓縮比為10:1,在轉速3000轉/分鐘時增壓器可以將進氣壓縮至1.5個標準氣壓(0.15Mpa),壓縮衝程結束時,燃燒室內氣壓達到1.5Mpa,火花塞點燃混合氣體後,氣壓提升5倍,那麼做工衝程開始時,氣壓能達到7.5Mpa,再減去對抗標準大氣壓,即7.4Mpa。
我們對比就能發現,即使是壓縮比較低的渦輪增壓發動機,其在壓縮和做功衝程時,燃燒室內的瞬時氣壓都比壓縮比更高的自吸發動機更大。
這就是為什麼渦輪增壓發動機閉口不談壓縮比的最核心原因,進氣本身就帶有一定的壓力,壓縮空氣後的壓力自然更高,同時難度也更大,但比值並不高。
除此之外,
渦輪增壓發動機實現高氣壓進氣/壓縮
還有一個先天難題,
那就是 爆震 。
自吸發動機直接吸入的是環境溫度的空氣,20°左右,而渦輪增壓發動機即使配著中冷器,空氣經過加壓後溫度達到50度左右,渦輪增壓發動機本體的工作溫度要高於自吸發動機,高溫就意味著在壓縮衝程結束時更容易導致油/氣混合體提前自燃,從而導致發動機爆震,輕則影響發動機線性輸出,提高油耗,重則直接拉缸。
因為渦輪增壓發動機會將油/氣混合體壓縮的更狠,所以就更容易發生爆震現象。
要解決渦輪增壓發動機爆震,最直接有效的方式就是降低壓縮比,讓壓縮衝程結束時的氣壓稍微低一點,油/氣混合體就不容易自燃。除此之外,也可以配備冷卻效果更高的中冷器,降低進氣溫度,或者優化進排氣設計以及冷卻系統,降低發動機工作時的環境溫度,也可以有效抑制爆震,再有就是採用抗爆性能更好的汽油。
總結
壓縮比無疑是衡量一臺發動機燃效的重要參數,但是拿進氣是負壓的自吸發動機,與進氣是1.5倍標準氣壓甚至更高的渦輪增壓發動機進行比較顯然有點耍流氓,即使是壓縮比低一點的渦輪增壓發動機,其在火花塞點火前後燃燒室內的氣壓、溫度、以及油/氣混合體的密度都絲毫不比高壓縮比的自吸發動機低,這也是渦輪增壓發動機能夠以更少的油耗實現更高性能的核心原因。
當然了,相同類型的發動機之間比較壓縮比還是很能說明問題的。
多嘴再說說日系的高壓縮比自吸發動機,不管是馬自達還是豐田,都有一個可變壓縮比的概念,其本質是發動機可以通過高度可控的氣門正時系統來提前或延後氣門開關的時間,模擬阿特金森循環,即使活塞行程沒變,也能使進氣/壓縮衝程略小於做功/排氣衝程。
換句話說,在高壓縮比工況時,2.5L的自吸發動機,其吸氣的排量只有2.4L或者2.3L,而做功時卻是按照2.5L、2.6L的排量進行的。這一套路就是豐田/馬自達的高壓縮比發動機燃效高的重要因素。