汽车的排气量究竟是什么？

本文转自汽车之家说客李霄伟

深入分析排气量、压缩比等常见参数对发动机输出扭矩和燃油消耗的代表性有助于我们在选车时对发动机技术进步的理解和指导我们判断目标车型真实的动力。

我们先通过这个图表看看从之家上找到的4款发动机各参数之间存在的“巧合”现象：

四款发动机的第一款（A）采用涡轮增压进气、其它三款是自然吸气。我们先简单分析它们之间的相同与不同之处：机型A的自然吸气能力只相当于1.5升自然吸气发动机（C）、燃烧室容积相当于1.6升自吸发动机（B）、燃烧室容积比2.5升自吸发动机（D）小89ml（50.1%）、最大输出扭矩又高了5Nm。

这个结果解释起来比较困难。如果想真正理解发动机还需要从燃烧层面来分析排气量、进气方式、压缩比和点火提前角等等设计源头。

汽油发动机是一个通过点燃汽油产生热量推动活塞运动的扭矩生产装置。先将汽油和空气按照约1/15的重量比混合形成混合气，再把混合气压缩到燃烧室内进行燃烧。这张燃烧示意图表示了混合气的燃烧过程：

我们从三个方面来分析这张图。一、燃烧时间：从开始燃烧放热到压力升到最高值仅有约20°曲轴转角、按800转/分的速度计算全过程约3.3毫秒，如果把一秒钟分成1000份，只占3份！如何使混合气在这3.3毫秒内尽量燃烧是问题的关键。二、气缸压力：从着火延迟期（1）开始到曲线顶点处（3）是燃烧产生的最高压力；燃烧产生的压力越大顶点就越高、输出的扭矩就越大。三、燃烧室容积：如果燃烧室越小、产生的压力越高，就表明燃烧室的利用率越高和越省油。

一、燃烧时间

燃烧是一件司空见惯的事，如此短的时间内完成燃烧相当于微型定时爆炸，必须条件是混合气内的燃油分子被挤压到足够的密度。

1、进气方式

无论使用自然吸气还是增压辅助吸气，当进气门关闭以后，整个过程就结束了。进气多少和燃烧时间没有必然关联，所以增压不一定是左右燃烧事件的关键因素。

2、压缩程度

当进气门关闭后，活塞开始上行压缩混合气（空气），升到上止点时混合气的体积最小，其中的油分子密度也最高。压缩程度也称为压缩比，每一款自吸发动机都在追求高压缩比；压缩比增高就容易发生“爆震（一种混合气提前燃烧现象）”，我们只能把压缩比设定在低于发生爆震的压缩程度。因为压缩后的混合气要满足点火要求，所以压缩程度和燃烧时间相关。但是我们仍然无法用压缩程度来解释机型A和其它机型的那些巧合，机型A的压缩比只有9.5，是最低的，其它三款都高于10.2。结合机型A涡轮增压增加了进气量、压缩后的混合气体积和机型B一样（燃烧室都容积一样），但是输出扭矩比机型B高了86Nm（56%），还是解释不了。我们只能推测机型A的混合气被压缩到燃烧室后其中的油分子数量比机型B高。

3、油分子密度

压缩比代表了混合气被压缩的程度，制约压缩比的主要因素是爆震，引起爆震的原因是混合气提前燃烧，引起混合气提前燃烧需要混合气内的油分子密度足够高和温度也高。这样的推论可以得出这样的结论：机型A的混合气被压缩过程中温度低于机型B。机型A在使用涡轮增压的同时还使用了缸内直喷技术，也就是等空气吸入气缸后再喷入汽油。发动机的正常工作温度是90°左右，汽油箱内的汽油和气温基本一致，当汽油喷到空气中由微粒转化成气体时，可以吸收热量降低环境温度。现在清楚了，机型A在增加气缸充气量的同时，还通过缸内直喷来降低了被压缩混合气的温度，结果是使油分子密度更高的混合气在压缩的过程中没有发生爆震。

高密度的混合气在单位时间内参加燃烧的油分子数量较多，有利于产生更多的热量来推动活塞做功。

二、气缸压力：

“燃烧产生热量越多、气缸内的压力就越高、输出的扭矩就越大”是每个研发工程师都清楚的小儿科知识，怎样用最少的燃油生产最大的输出扭矩又是世界最顶级专家冥思苦想的难题。

燃烧示意图中的压力曲线表明：从着火延迟期1开始到后燃期3开始的短暂时间内压力的升高程度决定了输出多大扭矩，如何在这段时间让混合气尽可能多地燃烧正是设计难点。我们看看研发人员做了那些努力：

1、提高压缩比

这里说的压缩比包括了自吸发动机气缸容积变化产生的“结构压缩比”，也包括增压发动机实际压缩气体产生的“实际压缩比”。机型D是自吸发动机，属于“结构压缩比”（10.4），尽管比机型A的“实际压缩比”（9.5）高0.9，最大输出扭矩却低了5Nm。为什么？最合理的解释应该是机型A的混合气被压缩到点火前时燃油分子密度比机型D高，导致混合气的燃烧速度加快，在火焰传播期燃烧的绝对油分子数量比机型D要多。

2、改善点火方法：

也有企业通过改善点火方法来提高气缸压力。设计原理是增加火花塞的点火电极（双电极、三电极）、增加火花塞电压和双火花塞等。

（1）增加电极数量：

这组火花塞从左到右分别为单电极、双电极和电三极。这样的设计可以保证每次产生有效电弧光的概率上升，双电极和三电极火花塞可以扩大电弧光的范围，通过一次点燃更大范围的混合气来加快燃烧速度，提高有效气缸压力。

（2）双火花塞

单火花塞点燃混合气后出现的是由点到面的扩散方式燃烧，从中心火花塞处到燃烧室周围需要一定时间。双火花塞可以由两个点向周围扩散，大大提高了单位时间内参与燃烧的混合气数量和气缸内压力，目前已有个别车型投入使用。

（3）提高火花塞电压

市场上有一种装在点烟器上的“节油器”，原理就是通过提高点火电压来增加电弧光强度，加快燃烧速度。

3、HCCI

HCCI是一种新的汽油发动机燃烧技术，通过压缩汽油产生自燃。HCCI有两个特点：一是需要高空燃比的稀薄混合气、二是分布在全燃烧室内的油分子几乎可以同时被压燃。由一到两个着火点开始燃烧到全燃烧室需要一定时间，而整个燃烧室内同时出现无数个着火点到整个燃烧室的混合气被烧完几乎瞬间就可完成，所以HCCI的最大特点就是使用最少的燃油生产出最大的扭矩。HCCI的热效率可以达到柴油发动机的水平。

HCCI需要非常精确的设计和控制系统，目前仅有极少数车型开始使用这种方式，普及到一般车型还需要时间。

三、燃烧室容积

什么是燃烧室？

广义来说，整个汽缸都可以称为燃烧室，因为燃烧的全过程是在整个汽缸内完成的；狭义地讲，燃烧室是活塞上升到上止点时和气缸顶部构成的空间；所以说，燃烧室是一个临时结构。我们结合开始的发动机参数继续分析。

1、燃烧室容积和燃油消耗的关系

发动机就是一个通过燃烧燃油来生产动力（扭矩）的机器，用最少的汽油生产出最大的扭矩是发动机研发的终极追求。一方面机型A的燃烧室容积=176ml、机型D的燃烧室容积=265ml，另一方面机型A生产了240Nm的最大扭矩、而机型D生产的扭矩还少了5Nm（235Nm），显然，机型D多使用了89ml压缩混合气还少生产了5Nm的扭矩。这是为什么？

2、扭矩贡献值

扭矩贡献值是一个与进气方式、输出扭矩和燃油消耗率三个参数密切相关的数值，表示每毫升燃烧室容积所能生产的扭矩。燃烧室容积限定了燃油（混合气）数量，输出的扭矩越多，代表燃烧室容积的利用率越高，燃油的转化效率越高。

扭矩贡献值=最大输出扭矩/燃烧室（总）容积

我在前面的说客中汇总过几类发动机的扭矩贡献值，基本情况是：自吸 进气管喷射发动机≈0.8-1.0、自吸 直喷发动机≈1.0-1.2、涡轮增压 进气管喷射≈1.0-1.3、涡轮增压 直喷≈1.2-1.74。由此可见，技术越先进的发动机扭矩贡献值越高。

我们再回到本文开始的图表中看一下四款发动机的扭矩贡献值、排气量、压缩比和燃烧室容积的区别：机型A=1.36、机型B、C、D≈0.9，机型A用了机型C的气缸容积（1.5L）、机型B的燃烧室容积（176ml）、获得了高于机型D的最大输出扭矩（240Nm）。扭矩贡献值是最本质的区别。

增压辅助进气系统正在改变人们对排气量和压缩比的认识，“扭矩生产器”的概念可以使研发人员把高深莫测的发动机技术变得简单易懂，不过，现阶段的增压辅助进气系统同样存在着各种问题，比如技术水平差异、转速依赖、非主观调节和全程介入等问题仍然需要研发人员去优化和解决。

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