發動機原理

四衝程發動機工作原理

汽油發動機是依靠汽油在氣缸中爆燃，氣體膨脹推動活塞，活塞再通過連桿推動曲軸旋轉輸出動力。活塞行程最上面的位置叫做上止點，最下面的位置叫做下止點。

四衝程發動機，就是氣缸活塞在氣缸裡上下走兩個來回，即四個行程，完成一個做功循環。這四個行程分別是：

進氣行程：曲軸帶動連桿，拉著活塞從上止點走到下止點，吸進一缸新鮮空氣。如果是歧管噴射的發動機，這個時候還會按照一定的油氣混合比吸進來一些霧化的汽油。

壓縮行程：曲軸帶動連桿，推著活塞從下止點走到上止點，把空氣壓縮。如果是缸內直噴的發動機，這個時候還會按照一定的油氣混合比噴進來一些霧化的汽油。

做功行程：被壓縮的油氣混合氣由火花塞點火爆燃和膨脹，推動活塞從上止點走到下止點，活塞推動連桿，連桿推動曲軸旋轉。

排氣行程：曲軸帶動連桿，推著活塞從下止點走到上止點，把燃燒後的廢棄排出氣缸。

每個行程曲軸轉半圈180度，四個行程曲軸一共轉兩圈720度。因此發動機工況又經常用工作角來描述。

在這四個行程中，只有做功行程是活塞推著曲軸動，其它三個行程都是曲軸帶著活塞動。曲軸為什麼帶著活塞動呢?

以常見的四缸發動機為例，每個氣缸工作角相差180度。就是說任意時刻，這四個缸剛好分別處於進氣、壓縮、做功、排氣行程。此時做功氣缸的活塞推動曲軸旋轉輸出的動力，要分出一部分用於推動其它三個氣缸活塞進行吸氣、壓縮、排氣。

爆震

如果正在壓縮行程的氣缸，活塞還沒有到達上止點，行程還沒有完成的時候，正在被壓縮的油氣混合氣提前發生爆燃，這就是爆震。

爆震發生時，膨脹的氣體會阻止活塞繼續向上止點移動。可是這時另外一個正在做功行程的氣缸，汽油爆燃和膨脹還沒完成，活塞還在膨脹力的作用下向下止點移動，推動曲軸轉動。而曲軸又要推著壓縮行程氣缸中的活塞，繼續向上止點移動。兩邊就較上勁了。

這就是為什麼爆震有的時候也叫較杆。

此時連桿、曲軸都承受比較大的作用力，會發出金屬敲擊的聲音，也就是我們常說的敲缸。同時兩個缸的油氣的膨脹力被相互抵消一部分，感受到的現象就是動力下降。

爆震的惡果除了浪費動力和動力下降之外，直接的機械性的損壞就是活塞、連桿、曲軸長期受力發生變形或磨損，輕則發動機噪音增加，重則損壞。

而從前面的氣缸結構圖中可以看到，連桿推動活塞的力的矢量方向其實是變化的，並非一直與其氣缸和活塞的軸線重合。那麼較勁的結果就是推動活塞與氣缸本該重合的軸線發生偏轉，加劇與氣缸壁的摩擦和磨損，發動機很早就開始燒機油。但通常來說，爆震的危害往往是幾萬公里以後才顯現出來。

爆震的原因有兩個。一個是火花塞點火提前角過大，這屬於故障範疇，而且以當前汽車發動機ECU的能力，基本不會發生。另一個就是接下來要討論的，油氣混合氣自燃。

發動機壓縮比

為什麼油氣混合氣會自燃呢?答案是：熱!油氣混合氣由於溫度過高導致自發爆燃。

這個熱一部分是來自於自然環境的空氣溫度，這也是為什麼夏天比冬天更容易爆震的原因，夏天發動機吸進去的空氣溫度比冬天高的多。

但顯然僅僅憑自然環境的空氣溫度是不可能引發爆震的。更主要造成溫度升高的熱，來自於油氣混合氣被壓縮時釋放的熱。壓縮的程度越大，放熱越多，溫度越高。

油氣混合氣被壓縮的程度用發動機壓縮比來描述。壓縮比就是活塞在下止點位置時的氣缸容積與活塞在上止點位置時的氣缸容積之比。通俗點說就是氣缸在進氣行程吸進去的空氣在壓縮行程被壓縮了多少倍。

壓縮比越高，油氣混合氣被壓縮發熱越多，溫度越高，越容易發生爆震。

避免爆震的根本的方法就是在確定的發動機溫度工況下選擇不發生爆震的汽油。

汽油標號

汽油因成分的差異，發生爆震的溫度也不同，因此需要對不同爆震溫度的汽油進行標定。但是用溫度直接標定太不具備參考性和操作性了，所以人們引入了一個參照系來標定汽油標號。用一種由異辛烷和正庚烷混合而成的標準燃料作為標定基準。

要標定一款汽油，首先製造一個讓這款汽油剛好發生爆震的溫度工況，然後用不同比例的異辛烷和正庚烷混合燃料在這個溫度工況下嘗試，直到也發生爆震。此時基準燃料中異辛烷的百分比，就是被標定汽油的標號。比如95號汽油，就是與含95%異辛烷的基準燃料具有相同的爆震溫度。

汽油標號越高，發生爆震溫度越高，也就是抗爆性越好。

這裡順便明確兩個概念：

第一，不同標號的汽油只是抗爆性不同，與品質無關，儘管煉製更高標號汽油的成本確實比低標號高。

第二，汽油標號並不等於汽油中含有對應比例的異辛烷，而只是表明與含有該比例異辛烷的基準燃料具有相同抗爆性能。很多時候煉油廠煉製高標號汽油是通過添加抗爆劑而不是真的提高異辛烷的比例。

汽油標號與壓縮比

我們終於可以把汽油標號跟壓縮比聯繫起來了。那就是：越高壓縮比就要用越高標號的汽油。

通常來說，壓縮比在8.0-8.5之間應選用90-93號汽油;壓縮比在8.5-9.0之間應選93-95號汽油;壓縮比在9.5-10.0之間應選用95-97號汽油。

由於爆震的發生跟空燃比和火花塞點火角等因素有關，所以通過稍微向後調整火花塞的點火提前角，增大(汽油降溫)或減小(稀薄燃燒)噴油量改變空燃比等方式可以一定程度上降低爆震的發生，降低燃油標號。因此現在的汽車，基本上10以下的壓縮比的常見自然吸氣發動機都可以用93/92號汽油。

前面提到汽油標定時候所說的發生爆震的溫度工況，其實就是靠調整標定用的發動機壓縮比來實現的。以下內容抄自網上：

馬達法規定試驗工況為：進氣溫度149℃，冷卻水溫度100℃，發動機轉速900 r/min,點火提前角為上止點前14°~26°。試驗時，先用被測定燃油工作，逐漸改變壓縮比，直到爆震儀上指出標準爆震強度為止。然後，保持壓縮比等條件不變，換用標準燃油工作。標準燃油是由抗爆性很高的異辛烷C8H18(定其辛烷值為100)和易爆燃的正庚烷(定其辛烷值為0)的混合液。逐漸改變異辛烷和正庚烷的比例，直到標準燃油所產生的爆燃強度與上述被測燃油相同時為止。這時標準燃油中所含異辛烷的體積百分數就是被測燃油的辛烷值。研究法與馬達法的試驗方法相同，只是規定的試驗條件不同而已。研究法規定的工況為：進氣溫度為51.7℃，冷卻水溫度為100℃，發動機轉速600 r/min，點火提前角為13°。”

阿特金森循環發動機的壓縮比

一般燃油車的發動機都是前面我們講的這種叫做奧托循環的發動機。進氣、壓縮、做功、排氣行程的距離完全相同，壓縮比=膨脹比。

但隨著新能源汽車的出現，在一些高效的混動汽車和增程式電動車上，開始裝備一種叫做阿特金森循環的發動機。

這種發動機有一套複雜的曲軸連桿機構。在進氣行程，活塞從上止點走到上止點和下止點之間的某個位置，然後轉入壓縮行程到達上止點，之後做功行程則從上止點走到下止點處，最後排氣行程再走回上止點。

進氣和壓縮行程短於做功和排氣行程，壓縮比小於膨脹比。

廠商對阿特金森循環發動機給出的壓縮比數據其實並不是真實的壓縮比，而是膨脹比。壓縮比則遠小於膨脹比。因此很多混動車型發動機壓縮比標定13卻依然可以使用92/93的汽油，就是因為它實際的壓縮比根本不到10。

這裡需要補充一下的是，現在幾乎所有名稱為阿特金森循環的發動機並不是真正的阿特金森循環技術，而是叫做米勒循環的技術。其原理就是延遲進氣門關閉時間，從而在壓縮行程前段通過進氣門反向漏氣，達到實際縮短吸氣和壓縮行程的效果。

阿特金森循環發動機的好處是燃油效率高，缺點是扭矩小，因此只適合維持勻速行駛。起步、加速則依靠電動機補充動力。

渦輪增壓發動機的壓縮比

渦輪增壓發動機簡單說就是自然吸氣發動機的進氣系統增加個渦輪，利用處於排氣行程的氣缸排出的廢氣推動渦輪給進氣道加壓，向處於進氣行程的氣缸內注入更多的空氣。

相比自然吸氣發動機在進氣行程吸入標準(其實略微低於)大氣壓的空氣，渦輪增壓發動機的進氣行程在渦輪的作用下實際注入了1.5倍(甚至更高)大氣壓的空氣。也就是說在進氣行程，氣缸內的氣體已經實現了1.5:1的壓縮比，自然缸內氣體因為壓縮發熱溫度就會相應上升。

之後再經過壓縮行程進一步壓縮，實際等於實現了自然吸氣發動機壓縮比的1.5倍。一臺標定壓縮比10:1的渦輪增壓發動機，其油氣真實的壓縮比就是15:1，那還不得100號汽油才行?

這裡需要再次明確一個上面說過的概念，那就是，導致爆震的是溫度!

為了降低溫度，在渦輪與發動機進氣歧管之間，有一個專門的裝置叫做中冷器。其功能就是將渦輪在進氣行程這1.5倍壓縮導致的發熱冷卻掉。理論上中冷器如果能夠將這些氣體冷卻到等於自然吸氣發動機吸入空氣的溫度，那麼渦輪增壓導致的壓縮比上升可以全部抵消。但事實上完全消除是不可能的。

渦輪增壓在溫度層面的等效壓縮比是多少，跟中冷器的效率有很大關係，無法象自然吸氣發動機那樣相對準確的推算和選用汽油標號，以廠商給出的標號為準。但通常建議渦輪增壓發動機在夏天加95/97號汽油。