汽機車四行程引擎介紹3：壓縮與燃燒
壓縮比會左右你加油時要選哪種辛烷值的汽油，壓縮比越高引擎的效率越好，柴油引擎的壓縮比高造就大扭力，壓縮比就是左右引擎性能的關鍵之一。
一、什麼是壓縮比
壓縮比就是活塞在最下端時的容積，除以活塞在最上端時的容積（註），由於是在壓縮行程時產生的容積變化，因此叫做「壓縮比」。
註：活塞上下運動的地方叫做「汽缸」，汽缸上方的空間叫做「燃燒室」，壓縮比就是汽缸+燃燒室/燃燒室，所得到值。
相對的，有壓縮就有膨脹，因此在燃燒行程時的容積變化，就叫做「膨脹比」
一般引擎的「壓縮比」與「膨脹比」相等，畢竟活塞能走跳的位置都一樣，所以大家都習慣只用「壓縮比」這個詞來代表引擎容積的變化。這種引擎我們會另外稱為「奧圖循環引擎Otto Cycle」。以往市面上的四行程引擎，大概九成九都是奧圖循環引擎。
也有「壓縮比」與「膨脹比」不一樣的引擎，這種引擎的熱效率比較高，在著重省油的現在，這種引擎越來越多。這種引擎有兩種：「米勒循環引擎Miller Cycle」與「阿特金森循環引擎Atkinson Cycle」，油電車能有超過30%的熱效率，多是使用米勒循環引擎。
一般壓縮比的引擎，在冷車的狀況下，燃燒室內壓縮的壓力大約在200psi上下，你可以用汽缸壓力錶來測試汽缸，確認汽缸有沒有「漏氣」。
二、為什麼壓縮比越高，效率越好
之前我們提過，一個行程所能使用的時間，最長也只有0.0375秒，在這麼短的時間裡面把燃料完全燒完，把熱量全部散發出來，產生最大的壓力來推動活塞。
要加快燃燒的速度，除了讓油氣快速進到汽缸就位外（註），要嘛提高溫度，要嘛增加密度：
1.提高溫度：溫度越高，分子的運動速度越快，當然就能提升燃燒速度。
2.增加密度：空氣的密度很低，各個分子之間的距離比較遠，如果能增加密度，拉近分子的距離，交流的速度當然就更快嚕。
要提高溫度又增加密度，最快的方法是壓縮這陀油氣，壓縮比越高，油氣的溫度越高，密度越大，就能大大增加燃燒速度，把燃料的熱量全部發揮出來。
無論是地上跑得二行程或四行程引擎，還是空中飛的噴射發動機，都有「壓縮」這個動作，各家廠商的功力，其中一個指標就是對於壓縮的處理。
註：請參考本網誌文章「汽機車四行程引擎介紹2：進氣系統」
TOYOTA Dynamic Force 引擎，壓縮比最高拉到13：1，加上各種機構改良來加快燃燒速度，達到40％的熱效率。（HYBRID版本壓縮比14：1，熱效率41％）
三、取決引擎扭力的是膨脹比，而不是壓縮比
燃燒行程是引擎輸出動力的階段，這時是由膨脹比來左右。膨脹比越大，越能利用燃燒的熱能，創造比較高的扭力。（註1）
我們一般的車用的奧圖循環引擎，它的壓縮比與膨脹比一樣，一般只用壓縮比來代表，多半不會提到膨脹比，因而給人壓縮比高會有更好的引擎出力。事實上，壓縮比關係到燃燒效率，膨脹比關係到出力，燃燒效率高代表比較省油、排氣比較乾淨一點，但不等於有高出力。（註2）
（註1）有時高膨脹比是用比較長的曲軸柄半徑來達成，曲軸柄半徑長也可以增加扭力（槓桿原理）。
有一個謬誤是指稱高壓縮比（膨脹比）是因為活塞衝程較長，所以出力比較好。但衝程跟壓縮比（膨脹比）沒有絕對關係，而是用引擎的「缸徑衝程比」來表示，指的是汽缸直徑與活塞衝程的比值，缸徑與衝程相等時這個值就是1，強調高轉速馬力的跑車，通常會用短衝程，缸徑衝程比會小與1，反之重視低轉速扭力的車輛，缸徑衝程比就會大於1。
長衝程會有比較大的膨脹比與曲軸柄半徑來強調扭力，但大膨脹比不代表一定有長衝程。
（註2）現在引擎壓縮比越來越高，主要是在追求燃燒效率與排廢標準，是被環保法規追著打的結果。理論空氣與燃料的比例（空燃比）是14.7：1，在這個比例下燃料可以完全燃燒，如果要追求更乾淨的廢氣與更佳的油耗表現，空氣量要給多一點，燃料少一點，空燃比可能會達到15.0：1以上；如果要強調出力，燃料要給多一點，空燃比一般都會設在12.6：1左右，這時候燃料往往燃燒不完全，廢氣污染會比較大。
四、汽油引擎壓縮比越高越好，但壓縮比高會有很多麻煩要克服。
高壓縮比會帶來以下的考驗：
高溫對機件的折磨：
壓縮比越高，燃燒溫度越高，對於引擎的材質與冷卻系統有很高的要求。一般引擎的燃燒溫度大約都控制在700度左右（註），在提升燃燒效率的設定中，會將燃燒溫度提高到800度以上，雖然好像只高了100度，但汽缸壁的溫度一樣得要控制在200多度，於是冷卻系統就得更努力工作，對於活塞、氣門要使出更好的冷卻手段。
註：這是火焰波前的溫度，火焰中心溫度會達到2000多度。
不可控制的燃燒：爆震與LSPI
爆震大家常聽到，簡單來說就是引擎高負荷時，火星塞點火之後，尚未被引燃的油氣發生自燃，火星塞點火的火焰與自燃的火焰相撞產生震波，繼而傷害引擎。現代引擎控制系統都會監控爆震的發生，並加以抑制。（註）
註：參考本網誌文章：「引擎的燃燒與爆震」，有更詳細的介紹。
至於LSPI低速早燃，就麻煩的多。LSPI發生在缸內直噴引擎，同樣也是引擎高負荷的狀態下，但發生在火星塞點火之前，也就是活塞還在壓縮階段，油氣就先自燃了。因為還在壓縮階段就燃燒，對活塞與連桿會產生很大的壓力，往往導致活塞與連桿的變形與斷裂，產生比爆震還大的多的傷害。
最麻煩的是，LSPI還找不到防治方法！
五、壓縮比與膨脹比不同的引擎：米勒循環引擎，追求高熱效率。
想要有更高的膨脹比來提升出力效率，但不要有高壓縮比帶來的麻煩，就要設計有較低壓縮比與較高膨脹比的引擎，有兩種引擎做到這點：阿特金森循環引擎與米勒循環引擎。
阿特金森循環引擎構造複雜，現在沒有商業化的引擎，這邊只介紹目前市面上常見的米勒循環引擎。
米勒循環引擎降低壓縮比的原理很簡單：進氣門晚點關，活塞已經往上移動進行一般引擎的壓縮行程時，進氣門還是開著，於是油氣就被推回進氣管，沒有進行壓縮。等到活塞跑了一段距離之後，進氣門才關閉，這時才真正開始壓縮油氣。
原理很簡單，但做起來不簡單！
有看前一篇「進氣系統」介紹的話就會知道，這樣搞會搞亂進氣壓力，讓進氣效率變差，再者，活塞跑了一段距離之後才關進氣門，因此真正的進氣量，比起一般規格表上，用「燃燒室加汽缸容積」計算出的引擎排氣量要小。
所以用同排氣量的米勒循環與奧圖循環引擎，米勒循環的出力是從低轉速開始一路被奧圖循環壓著打，直到高轉速的部分才比較接近。
米勒引擎的強項是效率！
奧圖循環引擎的熱效率很難達到30%，但在許多車廠的研發之下，米勒循環引擎用上機械增壓，或者配上油電系統，不僅發揮米勒循環引擎的優勢，將熱效率提高到40％左右，也有比擬奧圖循環的引擎性能！
六、柴油引擎的壓縮比更高，所以柴油引擎的效率更好！
雖然前面說到壓縮比越高，燃燒效率越好，但柴油引擎的大出力與經濟性，主要取決於「燃料特性」，高壓縮比是對應柴油的特性所需的手段！
柴油引擎沒有火星塞，而是藉由壓縮行程時產生的高溫，來點燃油氣，這種方式稱為「壓燃」。柴油的揮發速度慢，噴到汽缸裡的時候，多以「油滴」的狀態存在，如果用火星塞點火，火焰大概就跟傳奧運聖火一樣，慢慢往外燃燒出去，根本來不及完成燃燒行程。還好柴油的自燃溫度低，在壓縮行程的最後噴入柴油，可藉由高壓縮時的高溫，來讓所有的油滴一起著火燃燒，這樣燃燒速度就會快上不少。
此外柴油燒的慢，所以要縮短燃燒時間來提高引擎轉速，變成一件很困難的任務，因此柴油引擎多設計在中低轉速發會最大的扭力。
柴油的熱值比汽油高（註），因應低揮發性而用上高壓縮比的設計，使得柴油引擎的能耗表現比汽油引擎優秀許多！是卡車、重型機械、甚至是輪船動力的最佳動力選擇。
註
| 汽油 | 柴油 | |
| 沸點/沸點範圍（攝氏） | 163～357; | 30～210 |
| 閃火點（攝氏） | -43～-38 | >65 |
| 自燃溫度（攝氏） | 280～456 | 177 |
| 蒸氣壓 | 5~15 psi | 0.039 psi |
| 熱值 | 7800 kcal/l | 8400 kcal/l |
資料來源：中油、經濟部能源局
七、汽油引擎為何不使用壓燃
這也是與汽油的特性有關。汽油的揮發性高，燃燒速度較快，因此點燃前需要與空氣充分混合，才有最好的燃燒效果，沒有充分混合的話，往往會燃燒不完全。於是得在進氣行程時就噴油，藉由進氣行程與壓縮行程時的時間，配合進氣道與活塞頂的設計產生渦流，促使油氣混合均勻。
柴油燒的慢，可以一邊燃燒一邊混合，讓柴油引擎可以在壓縮行程尾聲時才噴油，這時燃燒室溫度已經達到柴油的自燃溫度，因此噴油進去時就直接著火，藉由噴油時機來決定燃燒時機。
如果汽油一樣在進氣行程時噴油，藉由壓縮行程增加的溫度來點燃，這樣很難控制真正的著火時間點；如果學柴油在壓縮行程尾聲時才噴油，又因油氣混合不均勻會燃燒不完全。這難題讓很多車廠一直闖關但都失敗，直到2019年Mazda推出Skyactiv-X引擎，才將汽油壓燃技術商業化。
Skyactiv-X引擎的壓燃方式跟柴油引擎不同，是有用到火星塞的。Skyactiv-X先將壓縮比提高到16：1，在燃燒行程時先用火星塞點火，著火初期的小火花繼續對油氣施壓，直接壓燃剩下的油氣。
Skyactiv-X的介紹影片，可以看到汽油與柴油引擎不同的點火方式，與Skyactiv-X獨特的火星塞壓燃方式。
八、可變壓縮比引擎 Nissan (Infiniti) VC-Turbo
增壓進氣引擎，空氣已經被增壓過，其壓縮比會較自然進氣引擎小，低增壓引擎多設定在10左右，如果是高增壓引擎甚至只有8～9。
前一篇文章有提到渦輪增壓引擎在低轉速時，廢氣比較少導致渦輪增壓效果較差，這叫做渦輪遲滯。渦輪遲至在低增壓引擎上比較不明顯，高增壓引擎影響就很大，一般多用雙渦輪（一小一大）、可變幾何渦輪等手段來減低渦輪遲滯，而Nissan則用上了可變壓縮比這個大絕招。
從上圖可以瞭解，這顆VC-Turbo引擎，透過控制連桿改變曲軸的位置，進而改變壓縮比，也改變了汽缸的容積。
可變壓縮比引擎是SAAB第一個搞出來的，但真正量產出來的就是Nissan，其在2016年推出的VC-Turbo引擎，用在Nissan與Infiniti的車款上。
VC-Turbo引擎在低轉速低負荷時，主要設定要提升效率，加上此時渦輪增壓效果低，所以用上14：1的高壓縮比，配合減少的排氣量，拉高油耗表現。
反之要拉高轉搾取大出力的時候，就會降低壓縮比（最低可以降到8.0：1），拉低壓縮比的同時也增加了汽缸的容積（排氣量變大了），配合增壓值變大的渦輪，可以獲取更大的動力。
九、海神 Marserati 的預燃室（Pre-Camber 副燃燒室）
Marserati出資與Ferrari開發的最新V6雙渦輪增壓引擎，有一個預燃室的設計（參考上圖）。這個預燃室位於一般燃燒室的上方，容積只有約1.5 c.c.，呈現細長形的構造，上方還有一個主火星塞。
好幾年前「技術的本田」就有開發這種預燃室構造，有的F1引擎也有使用，與現在海神的預燃室不同的地方在於：之前的預燃室設有噴油嘴與火星塞，而海神的預燃室只有火星塞。
設有噴油嘴與火星塞的預燃室，主要用在「稀薄燃燒」的設定，因為油氣稀少，不容易點燃，因此會在預燃室裡再噴一點油，提高預燃室裡的油氣濃度，利於點燃油氣，之後火焰再擴散至油氣比較稀薄的主燃燒室裡。
海神的預燃室是要「加快燃燒速度」，利用活塞壓縮時將油氣擠入預燃室，再由主火星塞點燃，利用預燃室較小的空間，來提高燃燒的溫度與壓力，增加燃燒速度。
一般火星塞點火的火焰速度大約是30～100公尺/秒，而壓縮燃燒的火焰速度大約是350公尺/秒，具海神原廠的說法，預燃室噴出的火焰速度已經接近於壓縮燃燒。
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