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四冲程发动机工作原理

      汽油发动机是依靠汽油在气缸中爆燃，气体膨胀推动活塞，活塞再通过连杆推动曲轴旋转输出动力。活塞行程最上面的位置叫做上止点，最下面的位置叫做下止点。

      四冲程发动机，就是气缸活塞在气缸里上下走两个来回，即四个行程，完成一个做功循环。这四个行程分别是：

进气行程：曲轴带动连杆，拉着活塞从上止点走到下止点，吸进一缸新鲜空气。如果是歧管喷射的发动机，这个时候还会按照一定的油气混合比吸进来一些雾化的汽油。

压缩行程：曲轴带动连杆，推着活塞从下止点走到上止点，把空气压缩。如果是缸内直喷的发动机，这个时候还会按照一定的油气混合比喷进来一些雾化的汽油。

做功行程：被压缩的油气混合气由火花塞点火爆燃和膨胀，推动活塞从上止点走到下止点，活塞推动连杆，连杆推动曲轴旋转。

排气行程：曲轴带动连杆，推着活塞从下止点走到上止点，把燃烧后的废弃排出气缸。

       每个行程曲轴转半圈180度，四个行程曲轴一共转两圈720度。因此发动机工况又经常用工作角来描述。

      在这四个行程中，只有做功行程是活塞推着曲轴动，其它三个行程都是曲轴带着活塞动。曲轴为什么带着活塞动呢？

       以常见的四缸发动机为例，每个气缸工作角相差180度。就是说任意时刻，这四个缸刚好分别处于进气、压缩、做功、排气行程。此时做功气缸的活塞推动曲轴旋转输出的动力，要分出一部分用于推动其它三个气缸活塞进行吸气、压缩、排气。

爆震

      如果正在压缩行程的气缸，活塞还没有到达上止点，行程还没有完成的时候，正在被压缩的油气混合气提前发生爆燃，这就是爆震。

     爆震发生时，膨胀的气体会阻止活塞继续向上止点移动。可是这时另外一个正在做功行程的气缸，汽油爆燃和膨胀还没完成，活塞还在膨胀力的作用下向下止点移动，推动曲轴转动。而曲轴又要推着压缩行程气缸中的活塞，继续向上止点移动。两边就较上劲了。

     这就是为什么爆震有的时候也叫较杆。

     此时连杆、曲轴都承受比较大的作用力，会发出金属敲击的声音，也就是我们常说的敲缸。同时两个缸的油气的膨胀力被相互抵消一部分，感受到的现象就是动力下降。

     爆震的恶果除了浪费动力和动力下降之外，直接的机械性的损坏就是活塞、连杆、曲轴长期受力发生变形或磨损，轻则发动机噪音增加，重则损坏。

      而从前面的气缸结构图中可以看到，连杆推动活塞的力的矢量方向其实是变化的，并非一直与其气缸和活塞的轴线重合。那么较劲的结果就是推动活塞与气缸本该重合的轴线发生偏转，加剧与气缸壁的摩擦和磨损，发动机很早就开始烧机油。但通常来说，爆震的危害往往是几万公里以后才显现出来。

      爆震的原因有两个。一个是火花塞点火提前角过大，这属于故障范畴，而且以当前汽车发动机ECU的能力，基本不会发生。另一个就是接下来要讨论的，油气混合气自燃。

发动机压缩比 

      为什么油气混合气会自燃呢？答案是：热！油气混合气由于温度过高导致自发爆燃。

      这个热一部分是来自于自然环境的空气温度，这也是为什么夏天比冬天更容易爆震的原因，夏天发动机吸进去的空气温度比冬天高的多。

      但显然仅仅凭自然环境的空气温度是不可能引发爆震的。更主要造成温度升高的热，来自于油气混合气被压缩时释放的热。压缩的程度越大，放热越多，温度越高。

油气混合气被压缩的程度用发动机压缩比来描述。压缩比就是活塞在下止点位置时的气缸容积与活塞在上止点位置时的气缸容积之比。通俗点说就是气缸在进气行程吸进去的空气在压缩行程被压缩了多少倍。

压缩比越高，油气混合气被压缩发热越多，温度越高，越容易发生爆震。

避免爆震的根本的方法就是在确定的发动机温度工况下选择不发生爆震的汽油。

汽油标号

      汽油因成分的差异，发生爆震的温度也不同，因此需要对不同爆震温度的汽油进行标定。但是用温度直接标定太不具备参考性和操作性了，所以人们引入了一个参照系来标定汽油标号。用一种由异辛烷和正庚烷混合而成的标准燃料作为标定基准。

      要标定一款汽油，首先制造一个让这款汽油刚好发生爆震的温度工况，然后用不同比例的异辛烷和正庚烷混合燃料在这个温度工况下尝试，直到也发生爆震。此时基准燃料中异辛烷的百分比，就是被标定汽油的标号。比如95号汽油，就是与含95%异辛烷的基准燃料具有相同的爆震温度。

汽油标号越高，发生爆震温度越高，也就是抗爆性越好。

这里顺便明确两个概念：

第一，不同标号的汽油只是抗爆性不同，与品质无关，尽管炼制更高标号汽油的成本确实比低标号高。

第二，汽油标号并不等于汽油中含有对应比例的异辛烷，而只是表明与含有该比例异辛烷的基准燃料具有相同抗爆性能。很多时候炼油厂炼制高标号汽油是通过添加抗爆剂而不是真的提高异辛烷的比例。

汽油标号与压缩比

      我们终于可以把汽油标号跟压缩比联系起来了。那就是：越高压缩比就要用越高标号的汽油。

      通常来说，压缩比在8.0-8.5之间应选用90-93号汽油；压缩比在8.5-9.0之间应选93-95号汽油；压缩比在9.5-10.0之间应选用95-97号汽油。

      由于爆震的发生跟空燃比和火花塞点火角等因素有关，所以通过稍微向后调整火花塞的点火提前角，增大（汽油降温）或减小（稀薄燃烧）喷油量改变空燃比等方式可以一定程度上降低爆震的发生，降低燃油标号。因此现在的汽车，基本上10以下的压缩比的常见自然吸气发动机都可以用93/92号汽油。

      前面提到汽油标定时候所说的发生爆震的温度工况，其实就是靠调整标定用的发动机压缩比来实现的。以下内容抄自网上：

马达法规定试验工况为：进气温度149℃，冷却水温度100℃，发动机转速900 r/min,点火提前角为上止点前14°~26°。

试验时，先用被测定燃油工作，逐渐改变压缩比，直到爆震仪上指出标准爆震强度为止。

然后，保持压缩比等条件不变，换用标准燃油工作。标准燃油是由抗爆性很高的异辛烷C8H18(定其辛烷值为100)和易爆燃的正庚烷(定其辛烷值为0)的混合液。逐渐改变异辛烷和正庚烷的比例，直到标准燃油所产生的爆燃强度与上述被测燃油相同时为止。这时标准燃油中所含异辛烷的体积百分数就是被测燃油的辛烷值。

研究法与马达法的试验方法相同，只是规定的试验条件不同而已。研究法规定的工况为：进气温度为51.7℃，冷却水温度为100℃，发动机转速600 r/min，点火提前角为13°。”

阿特金森循环发动机的压缩比

      一般燃油车的发动机都是前面我们讲的这种叫做奥托循环的发动机。进气、压缩、做功、排气行程的距离完全相同，压缩比=膨胀比。

       但随着新能源汽车的出现，在一些高效的混动汽车和增程式电动车上，开始装备一种叫做阿特金森循环的发动机。

       这种发动机有一套复杂的曲轴连杆机构。在进气行程，活塞从上止点走到上止点和下止点之间的某个位置，然后转入压缩行程到达上止点，之后做功行程则从上止点走到下止点处，最后排气行程再走回上止点。

       进气和压缩行程短于做功和排气行程，压缩比小于膨胀比。

       厂商对阿特金森循环发动机给出的压缩比数据其实并不是真实的压缩比，而是膨胀比。压缩比则远小于膨胀比。因此很多混动车型发动机压缩比标定13却依然可以使用92/93的汽油，就是因为它实际的压缩比根本不到10。

       这里需要补充一下的是，现在几乎所有名称为阿特金森循环的发动机并不是真正的阿特金森循环技术，而是叫做米勒循环的技术。其原理就是延迟进气门关闭时间，从而在压缩行程前段通过进气门反向漏气，达到实际缩短吸气和压缩行程的效果。

      阿特金森循环发动机的好处是燃油效率高，缺点是扭矩小，因此只适合维持匀速行驶。起步、加速则依靠电动机补充动力。

涡轮增压发动机的压缩比

       涡轮增压发动机简单说就是自然吸气发动机的进气系统增加个涡轮，利用处于排气行程的气缸排出的废气推动涡轮给进气道加压，向处于进气行程的气缸内注入更多的空气。

      相比自然吸气发动机在进气行程吸入标准（其实略微低于）大气压的空气，涡轮增压发动机的进气行程在涡轮的作用下实际注入了1.5倍（甚至更高）大气压的空气。也就是说在进气行程，气缸内的气体已经实现了1.5:1的压缩比，自然缸内气体因为压缩发热温度就会相应上升。

       之后再经过压缩行程进一步压缩，实际等于实现了自然吸气发动机压缩比的1.5倍。一台标定压缩比10:1的涡轮增压发动机，其油气真实的压缩比就是15:1，那还不得100号汽油才行？

       这里需要再次明确一个上面说过的概念，那就是，导致爆震的是温度！

       为了降低温度，在涡轮与发动机进气歧管之间，有一个专门的装置叫做中冷器。其功能就是将涡轮在进气行程这1.5倍压缩导致的发热冷却掉。理论上中冷器如果能够将这些气体冷却到等于自然吸气发动机吸入空气的温度，那么涡轮增压导致的压缩比上升可以全部抵消。但事实上完全消除是不可能的。

      涡轮增压在温度层面的等效压缩比是多少，跟中冷器的效率有很大关系，无法象自然吸气发动机那样相对准确的推算和选用汽油标号，以厂商给出的标号为准。但通常建议涡轮增压发动机在夏天加95/97号汽油。

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