Степень сжатия двигателя бензинового: Что такое компрессия и степень сжатия

Что такое компрессия и степень сжатия

При диагностике автомобиля перед покупкой опытные автовладельцы практически всегда советуют новичкам проверить компрессию. А еще существует степень сжатия – казалось бы, схожий термин, ведь компрессия – это и есть сжатие. На самом деле это совершенно разные вещи. Давайте разберемся, что есть что, а заодно поймем, что и как нужно проверять при покупке машины.

Что такое степень сжатия?

Начнем со степени сжатия. Как мы помним, поршень в цилиндре при работе двигателя движется вверх-вниз, имея две так называемых мертвых точки, верхнюю и нижнюю. Так вот, степень сжатия – это отношение между двумя объемами: полным объемом цилиндра, когда поршень находится в нижней мертвой точке, и объемом камеры сжатия, когда поршень находится в верхней мертвой точке. То есть степень сжатия – это математическое отношение, которое показывает, во сколько раз топливовоздушная смесь (или воздух, если речь о дизеле) сжимается в цилиндре при работе мотора.

Степень сжатия – одна из базовых характеристик любого двигателя, и закладывается она на стадии проектирования. У бензиновых моторов она ниже, чем у дизельных: в среднем от 8:1 до 12:1 у первых и от 14:1 до 23:1 у вторых. Дело в том, что работа дизельного мотора предполагает самостоятельное воспламенение топливовоздушной смеси от сжатия, а в бензиновом моторе смесь в каждом такте поджигается свечой зажигания. Однако в целом по мере развития технологий двигателестроения степень сжатия в моторах росла. Причина проста: повышение степени сжатия позволяет увеличить КПД мотора, получая больше мощности при том же рабочем объеме и расходе топлива. Собственно, с ростом степени сжатия связано и применение более высокооктановых бензинов.

Таким образом, степень сжатия – это конструктивная характеристика двигателя, и она не меняется по мере его износа и старения. Степень сжатия не нужно «проверять» при покупке, а знать ее нужно в основном для того, чтобы знать, какой бензин лучше заливать в бак купленной машины.

Что такое компрессия?

Если степень сжатия – параметр математический и неизменный, то компрессия – характеристика изменяемая. Компрессия – это давление, создаваемое в цилиндре в конце такта сжатия, когда поршень идет от нижней мертвой точки к верхней, сжимая воздух или топливовоздушную смесь. Давление в цилиндре в момент, когда поршень достиг верхней мертвой точки – это и есть компрессия. Можно подумать, что компрессия фактически должна быть равна степени сжатия – ведь она тоже показывает разницу давления в цилиндре при двух положениях поршня – верхнем и нижнем. Однако на самом деле компрессия оказывается значительно выше. Ведь воздух при резком сжатии нагревается, что означает увеличение давления. А еще он нагревается от горячих стенок цилиндра, ведь рабочая температура двигателя гораздо выше температуры окружающей среды. Таким образом, компрессия, конечно, зависит от степени сжатия, но не равна ей. И именно компрессию замеряют при диагностике двигателя, чтобы оценить его техническое состояние.

Как замеряют компрессию?

Замер компрессии проводится с учетом перечисленных выше условий: на полностью прогретом двигателе и при полностью открытой дроссельной заслонке, отвечающей за подачу воздуха в цилиндр. Разумеется, горение топлива для замера компрессии не нужно, в цилиндре сжимается только воздух. Так что подачу топлива отключают, а свечу зажигания (или накаливания, если речь идет о дизеле) выкручивают, а на ее место вкручивают шлаг компрессометра. Компрессометр – это прибор для измерения компрессии. Он фактически представляет собой манометр, подключаемый трубкой к цилиндру и оснащенный обратным клапаном, чтобы не сбрасывать измеренное давление.

Зачем измерять компрессию?

Замер компрессии позволяет оценить исправность и техническое состояние двигателя. Во-первых, после замера можно сравнить соответствие полученного результата заводским параметрам – то есть оценить компрессию в имеющемся двигателе по сравнению с новым. Во-вторых, низкий показатель компрессии означает наличие проблем с мотором, ведь он сигнализирует о том, что воздух «утекает» из камеры сгорания, а при работе мотора из нее будут прорываться раскаленные газы. Причин может быть довольно много: поршневые кольца, повреждения седел клапанов и самих клапанов, негерметичность прокладки ГБЦ и даже трещина в самом поршне. Ну а в-третьих, важна не только сама величина компрессии, но и ее равномерность во всех цилиндрах двигателя. Если компрессия в одном или нескольких цилиндрах ниже, чем в других, это говорит о неравномерном износе и наличии проблем.

Таким образом, замер компрессии – одна из простых, но эффективных методик оценки исправности и общего технического состояния двигателя. Он позволяет быстро отсеять заведомо «мертвые» моторы, имеющие проблемы с цилиндропоршевой группой, клапанами и так далее. Поэтому замер компрессии можно и нужно проводить при диагностике практически любого автомобиля перед покупкой.

Голая правда о технологии Mazda SkyActive :: Autonews

Компания Мазда не так давно действительно сделала бензиновый атмосферный двигатель с рекордной степенью сжатия — 14:1, достигнутой в том числе и за счет «улучшения вентиляции цилиндров» — оригинальной доработки системы выпуска. Снижение «средней температуры цикла» позволило вроде бы бороться и даже победить «неизбежную детонацию».

Степени сжатия практически всех современных атмосферных моторов (которых уже скоро и вовсе не останется) достигли критических величин в 10,5-11* единиц еще лет 20 назад и остаются практически неизменны с того момента (хороший пример —  моторы BMW M50 и BMW S50). Рекордные же показатели, находящиеся в общем-то на грани теоретической детонации, чаще всего демонстрируют немногочисленные «докрученные» моторы спортивных автомобилей. Так или иначе, в мировом двигателестроении до недавнего времени существовали единицы моторов с СЖ около 12.

Зачем же, почему и чем именно важен этот показатель? Зачем стране такие рекорды?

*Здесь и далее говорим только про атмосферные моторы.

Важность степени сжатия можно оценить рассмотрев прямой показатель эффективности двигателя — крутящий момент приведенный к объему. Понятно, что на деле это может быть лишь точка, или же довольно узкий участок на моментной характеристике — нам важна лишь максимально достигнутая цифра. Около 20 лет назад, BMW одной из первых добилась соотношения 1 Нм на 10 кубиков рабочего объема. И прогресс в эффективности на этом фактически остановился. Компании начали больше заниматься экологией и интегральной характеристикой момента — работать с фазами газораспределения и их эффективностью. Фазовращателями  просто «раскатали» моментную характеристику влево и вправо. Про все это я уже говорил.

На момент 2012 года, не существует атмосферного гражданского мотора с характеристиками существенно превышающими «золотое» соотношение эффективности — 1 Нм на 10 куб.см. рабочего объема. Моторы получающие хотя бы на 7-10% больше — дожаты до предела — это привелегия спортивных двигателей Ferrari, Porsche, BMW Motorsport. Тут чаще всего или помудрили с фазами, или выставили критические углы зажигания ну и степень сжатия, разумеется, по верхней возможной границе сделали.

Массовый же потребитель в основном ориентируется на гонку лошадиных сил и фактически не замечает, что продают-то ему почти тот же самый мотор, если не хуже. Разумеется, он стал ЕВРО4, старт-стоп и чего-то там еще, но эффективность осталась такая же, если не ниже…

Лишние 10-20 лошадиных сил, по сравнению с предыдущей моделью, подняты заменой прошивки с сопутствующим добавлением оборотов. Также, возможно, конструкторы чуть поиграли с фазами — приподняли холостые — сдвинули всю характеристику вправо. По такому пути идут все производители: так или иначе, именно такова главная тенденция в ретроспективе развития мирового моторостроения за последние 20-30 лет.

Вернемся к понятию «степень сжатия» и вспомним волговский «ЗМЗ-21», мотор американской технологии 50-х годов: СЖ 6,7:1, фактически — обычный распространенный в то время «американец» советского изготовления. Переваривал бензины от А-66 до А76 (современный — АИ-80). На нем был достигнут момент около 167 Нм при рабочем объеме около 2,44 л. BMW в 1991 году примерно с такого же объема двигателя M50B25 снимали привычные сейчас 250 Нм. Прогресс по степени сжатия — примерно полуторакратный. Прогресс по моменту… практически те же 1,5 раза! Линейная зависимость. Ну так давайте увеличим СЖ еще в 1,5 раза, примерно до 15 единиц и мы получим что-нибудь около 375 Нм?!

Ничего подобного: на самом деле, эффективность двигателя зависит от степени сжатия нелинейно. К 10-11 единицам теоретическая кривая эффективности входит в зону насыщения и к условным 12,5 единицам на графике наступает перегиб — дальнейший рост происходит крайне неохотно. Об этом же говорит и сама Мазда:

К чему я все это? Мазда обещает СЖ 14:1? Рекорд? Разберемся, по сравнению с чем?

Практически все современные моторы оснащены непосредственным вспрыском. Послойное смесеобразование, использование дополнительной «обычной» форсунки, оптимизация камеры сгорания — все это пути для понижения температуры смеси — снижения склонности к детонации. Один и тот же двигатель с СЖ 11-12 может быть более, или напротив — менее склонен к детонации, в зависимости от режима его питания.

Так что берем обычный современный двигатель, редактируем его в сторону снижения детонации и получаем 12:1 с допустимой эксплуатацией на АИ-95… И не детонирует. Думаю, с обязательным ограничением на 98-й, получим и беспроблемные 12,5:1 при использовании, повторюсь, совершенно доступных технологий. То есть, если и сравниваем, при прочих равных, то сравниваем не с мотором 80-х, а с мотором 2012 года — со всеми возможными современными ухищрениями. Если сравниваем «маздовские» 14:1, то примерно с 12:1, что сегодня вполне себе норма, как видите.

Одна из ключевых технологий при этом — непосредственный впрыск и оптимизация формы камеры сгорания.

Кроме того, стоит рассматривать каждый случай в отдельности — декларируемая цифра может несколько отличаться от реалий — идеально точно геометрию камеры сгорания редко кто высчитывает. Чаще всего, указанные производителем данные о степени сжатия довольно условны, отображают, так сказать, общую тенденцию, или «среднетехнологическое» значение. Компрессия двигателей M54B22 и M54B30, или же M50B20 и M50B25, например, отличается заметно больше, чем того стоит ожидать зная указанные степени сжатия этих моторов. В Сети хватает и практических расчетов для конкретного мотора… Реальные цифры могут варьироваться в довольно широком диапазоне. Разумеется, всему есть предел и двигатель с заявленной степенью сжатия 10:1 на деле вряд ли окажется дожатым до 12:1. Учитывая естественный технологический разброс и, например, возможный нагар в камере сгорания, вы никогда не сможете точно предсказать фактическую склонность двигателя к детонации на основе одной только паспортной степени сжатия.

К чему я все это пишу: даже указанная производителем степень сжатия требует фактической проверки. Самая простая из которых — точное измерение компрессии. И вот тут, при прочих равных, можно пытаться строить теорию склонности этого ДВС к детонации. Одна-две «лишних» атмосферы и стоит выбирать следующий сорт бензина…

Хорошо, представим, что «честные» 12:1 сопоставляются с технологическим совершенством — честными и рекордными 14:1. Сравнение, допустим, полностью корректное. Что нам дадут «рекордные» дополнительные 2 единицы? Хотя бы +10% к эффективности? Ничуть не бывало: перед нами, как видно, все те же 200-205 Нм которые показывают в паспортных данных на Skyactive-G. Кстати, почему, интересно, для канадского рынка указана степень сжатия 13:1? Дефорсировали мотор? Отнюдь: показатели момента и мощности те же самые. А теперь сюрприз. Что случилось с Mazda3 с таким же мотором? Нам говорят, что «охладительный» волшебный коллектор не поместился, там стоит обычный и заявленная степень сжатия уже не 14 и даже не 13…  12:1! Все характеристики прежние, заявленная разница в моменте — 3 Нм. Полагаю, даже одинаковые двигатели могут давать такой разброс на практике. Оставили бы все как есть — чем было бы оправдать отсутствие оригинального коллектора? Если эти 3 Нм действительно соответствуют разнице «технического» прорыва по сравнению с обычным двигателем с СЖ 12:1, то оно того стоит вообще? Ради чего городили весь этот огород? 3 Нм? Что-то около 1% на моментной характеристике?

Суровая действительно такова: двигатели MAZDA SKYACTIV-G в вариантах степеней сжатия 14:1, 13:1 и 12:1 фактически ничем друг от друга не отличаются. Да, это один и тот же мотор. Вот такой вот извращенный изощренный маркетинг. Mazda сделала совершенно обычный современный двигатель (ничем не лучше и не хуже аналогов) и завернула его в блестящую маркетинговую шелуху. Продавать же как-то надо…

P.S.Распространенный двигатель BMW N46B20 (в общем-то, аналогичный более раннему N42B20 аж 2001 года выпуска) при равном рабочем объеме, имеет примерно аналогичные характеристики эффективности, но при действительной степени сжатия… всего 10,5:1. Вот только рабочий момент у него доступен уже с 1200 оборотов! Двигатель Мазды «оживает» едва после 2000 об/мин… Почти 1000 оборотов — это пропасть. Делать надо было «момент», а не степень сжатия. Но момент сложнее «продать».

Подготовлено в сотрудничестве с bmwservice.livejournal.com

Вот что на самом деле означает ‘степень сжатия’, и почему это имеет значение

Почему для двигателей так важна степень сжатия, и на что она влияет.

 

Вы наверняка слышали термин «степень сжатия» в двигателях внутреннего сгорания. Но вы когда-нибудь задумывались, что он означает? Итак, пришло время точно объяснить, что же такое коэффициент сжатия (степень) в двигателях автомобиля и почему сегодня все автопроизводители одержимы этим показателем, как будто этот параметр представляет собой Святой Грааль для будущих продаж автоновинок. 

 

Сразу хотим отметить, что разобраться в том, что такое степень сжатия двигателя, не так просто, как кажется на первый взгляд. Вы наверняка заметили в различных рекламных проспектах и каталогах, а также в описании на сайтах автопроизводителей, что автобренды пытаются привлечь наше внимание такой характеристикой, как степень сжатия двигателей. Особенно стараются нам рассказать о степени сжатия менеджеры автосалонов. Мы обычно делаем вид, что понимаем, о чем идет речь, пропуская мимо ушей эту информацию. И причина такого поведения в том, что многие автолюбители просто не представляют, что такое степень сжатия двигателей, равно как и на что она влияет. Но тем не менее мы считаем, что все автолюбители должны знать, что же это за показатель двигателей внутреннего сгорания, о котором недавно вспомнили многие автопроизводители. 

 

Мы знаем, что высокое сжатие двигателя – это хорошо, а низкое – плохо. Мы также знаем, что новый мотор Mazda Skyactiv-X имеет высокую степень сжатия. Не отстает от Mazda и Toyota со своими моторами «Dynamic Force», которые имеют высокую степень сжатия. Эти компании рекламируют новые двигатели с большим коэффициентом сжатия, заявляя, что они не только стали мощнее, но и получили большую экономичность. Но при чем здесь высокая степень сжатия и увеличение мощности с уменьшением расхода топлива? Сейчас объясним.

 

Двигатель Toyota «Dynamic Force»

 

Мы живем в эпоху, когда инженеры не могут просто дать двигателю больше энергии за счет укрупнения, как, например, это было раньше, когда автопроизводители на многие свои автоновинки устанавливали моторы с увеличенным объемом. К тому же это приводило к неминуемому увеличению расхода топлива и росту уровня вредных выбросов в выхлопе автомобиля. Сегодня в связи с дороговизной топлива по всему миру и сложной экологической обстановкой подобный способ увеличения мощности мотора не подходит. Особенно если учитывать жесткие экологические нормы, предъявляемые автопроизводителям рядом развитых западных стран. 

В итоге автопроизводители стали улучшать эффективность нынешних моторов за счет применения турбин и увеличения степени сжатия современных двигателей. 

 

Как определяется степень сжатия, и что это такое?

Степень сжатия – это показатель, при котором устанавливается, какой максимальный объем цилиндра двигателя может быть сжат в минимальный объем цилиндра. Этот показатель степени сжатия определяется как соотношение. 

Например, обычно степень сжатия записывают вот таким образом: 9:1 (коэффициент сжатия двигателя «девять к одному»).  

 

Теперь представьте цилиндр двигателя. Внутри цилиндра двигателя, как вы знаете, перемещается поршень: вверх и вниз. Когда поршень находится в самой нижней точке цилиндра двигателя, это называется «нижней мертвой точкой». Именно в этом положении поршня сверху него находится наибольший объем цилиндра. Когда поршень находится в самой высокой точке внутри цилиндра двигателя, это положение поршня называется «верхней мертвой точкой». В этом положении объем цилиндра находится в наименьшем значении. Вот сравнение этих двух объемов цилиндров над поршнями двигателя и образует соотношение степени сжатия. Обратите внимание, что когда поршень находится в верхней мертвой точке, все-таки над ним есть объемное пространство, где и происходит сжатие топливно-воздушной смеси.

 

Для тех, кто любит больше смотреть, чем читать, внизу мы публикуем GIF-картинку, на которой демонстрируется, как работает четырехтактный двигатель. Обратите внимание, как поршень движется вверх во время такта сжатия топливной смести (топливо + кислород), которая подается клапанами головки блока двигателя. Напомним, что воздух и топливо, поступаемые в цилиндр двигателя, сжимаются поршнем, чтобы затем воспламенить эту смесь с помощью свечи зажигания (в бензиновых моторах) или за счет сильного сжатия (в дизельных моторах). 

Если двигатель имеет высокую степень сжатия, это означает, что заданный объем воздуха и топлива в цилиндре сжимается в гораздо меньшем пространстве, чем в двигателях с небольшой степенью сжатия. 

 

 

А теперь математический пример соотношения степени сжатия в ДВС. 

Предположим, что у нас есть двигатель, объем цилиндра и камер сгорания которого в момент нахождения поршня в нижней мертвой точке составляет 10 куб. см. После того как впускной клапан головки блока двигателя закрывается и поршень поднимается вверх, начав такт сжатия, он сжимает воздух и топливную смесь в пространство 1 куб. см. Этот двигатель имеет коэффициент сжатия (степень) 10:1. 

 

Также часто производители любят вычислять итоговую степень сжатия, деля большее значение объема цилиндра над поршнем на меньший объем цилиндра. В итоге во многих технических характеристиках автомобилей вместо соотношения производители указывают результат деления этих значений. 

Таким образом вычисляется, во сколько раз сжимается топливно-воздушная смесь при движении из нижней мертвой точки поршня в верхнюю мертвую точку. Разделив большее значение на меньшее, мы и получим итоговое значение степени сжатия без соотношения большего объема к меньшему.

 

Почему производители стараются увеличить степень сжатия?

Но не все так просто со степенью сжатия. Одно дело – понимать, что такое степень сжатия. И это не менее важно по сравнению с пониманием, почему так важна высокая степень сжатия для современных двигателей. К сожалению, объяснить простыми словами, почему высокая степень сжатия в двигателях современных автомобилей – это отличное решение на ближайшие годы, не получится. Тем не менее мы попытаемся.

 

Вы знаете, что мощность двигателя появляется в тот момент, когда сгорание топливной смеси оказывает силу на поршень внутри цилиндра двигателя. Эта сила толкает поршень вниз по цилиндру. И чем выше поршень находится в цилиндре в момент сжигания топливно-воздушной смеси, тем больше сил будет приложено на поршень. 

Как мы уже сказали, чем больше степень сжатия, тем выше находится поршень в верхней мертвой точке. В итоге это позволяет вырабатывать больше мощности в момент сгорания топлива. Также помимо увеличения мощности для вырабатывания силы, толкающей поршень вниз по цилиндру двигателя, необходимо меньше топлива, что в конечном итоге влияет на топливную эффективность мотора. Это простое объяснение. Но оно неполное, поскольку при увеличении степени сжатия двигателей возникает ряд проблем, для решения которых необходимо в идеале знать термодинамику.

 

Итак, мы знаем, что высокая степень сжатия означает, что двигатель получает больше силы и мощности из того же количества топлива по сравнению с мотором с меньшим коэффициентом сжатия. Как мы выяснили, это хорошо для динамики автомобиля, а также для достижения хороших показателей его экономичности.

 

 

Чтобы объяснить вам точнее, почему более высокая степень сжатия дает больше экономии топлива, мы не будем погружаться слишком глубоко в науку о термодинамике. Тем не менее без нее нам также не объяснить вам в деталях, почему моторы с большой степенью сжатия более экономичные. Да, это нелегко понять. Но все же этот раздел термодинамики очень и очень интересен.

 

Более высокое сжатие в двигателе означает больше мощности, но больше давления

 

На приведенном выше рисунке показана диаграмма PV давления – объема для идеального типичного бензинового двигателя. Этот график наглядно демонстрирует, что происходит в двигателе, когда он сжигает воздушно-топливную смесь (в нашем примере бензин + кислород). 

На приведенном выше графике кривая 1-2 показывает ход сжатия. 

Линия 2-3 показывает сгорание топлива. 

Верхняя кривая 3-4 показывает ход расширения.

И линия 4-1 показывает отвод тепла, когда открывается выпускной клапан в головке блока цилиндров двигателя. 

 

Если описать все более техническим языком, то эту диаграмму следует понимать так:

 

На диаграмме кривая 1-2 показывает ход сжатия, при котором давление (ось Y) возрастает, а объем (ось Х) падает, когда поршень сжимает воздушно-топливную смесь внутри цилиндра, приближаясь к верхней мертвой точке. 

Линия 2-3 показывает тепло, выделяемое во время горения топливной смеси. Эта линия показывает, как быстро увеличивается давление и температура сгораемого топлива. 

Кривая 3-4 показывает увеличение объема цилиндра двигателя и падение давления, когда газ, полученный в процессе сгорания топливной смеси, оказывает силу на поршень, который начинает свое движение вниз по цилиндру двигателя (такт расширения). 

 

Линия 4-1 показывает отвод тепла от газов, образованных в процессе сгорания топлива. Когда давление внутри цилиндра возвращается к давлению окружающей среды, открывается выпускной клапан. 

Наконец, линия 1-5 демонстрирует нам ход выхлопа (выхлопной цикл мотора), в процессе которого поршень снова движется внутри цилиндра вверх (к верхней мертвой точке), чтобы снова сжать топливно-воздушную смесь для повторения цикла. 

 

Область в пределах линий 1-2-3-4 показывает нам, сколько работы было проделано двигателем в рамках одного лишь только цикла. Более высокая степень сжатия двигателя означает, что две вертикальные линии на графике выше будут двигаться влево и вверх, оставляя больший диапазон хода поршня, что влияет на получение большей мощности по сравнению с двигателем, имеющим низкий коэффициент сжатия. То есть двигатель с высокой степенью сжатия сделает больше работы за один цикл, чем мотор с небольшой степенью сжатия. 

И все дело в том, что в двигателях с высокой степенью сжатия в процессе сгорания топлива образуется больше давления, которое с большей силой двигает поршень вниз по цилиндру. Правда, в этом случае внутри двигателя выделяется больше тепла. 

 

Более высокое сжатие в двигателе также означает более высокую тепловую эффективность

 

Важно отметить, что образование тепла и потеря тепла в течение цикла работы двигателя напрямую связаны с его эффективностью (речь идет о коэффициенте полезного действия – КПД). Причем на КПД главное влияние оказывает степень сжатия двигателя. Все дело в двух идеях. Во-первых, любая тепловая энергия, поступающая в систему, должна быть преобразована в механическую или отработанную. Во-вторых, тепловая эффективность – это просто результат работы двигателя (мощность и сила), разделенный на теплопередачу.

Таким образом, с помощью уравнения можно вычислять взаимосвязь между тепловым КПД и степенью сжатия. 

Вот как выглядит уравнение этой взаимосвязи (n – тепловой КПД, r – степень сжатия, а γ (гамма) – свойство жидкости):

 

 

Теперь вернемся к нашей диаграмме выше. Когда вы обеспечиваете больший ход поршня между верхней и нижней мертвой точкой, вы увеличиваете степень сжатия. За счет этого вы смещаете на диаграмме PV вверх и влево и увеличиваете температуру (Qh на графике выше). Причем увеличение температуры будет больше, чем потери тепла (Ql). 

Иными словами, вы добываете в процессе сгорания топливной смеси больше энергии за один цикл работы двигателя. Кстати, вот один интересный ролик видеоблогера Джейсона Фенске, который рассказывает более простыми словами о взаимосвязи между степенью сжатия, теплопередачей и эффективностью (экономичностью двигателя):

 

 Для тех, кто не знает английский, включите субтитры и их машинный перевод на русский язык.

 

Так что, как вы, наверное, уже поняли, тепловая эффективность двигателя возрастает по мере увеличения степени сжатия двигателя. Таковы законы физики, а именно законы термодинамики. Особенно это становится ясно из уравнения, приведенного выше. 

Соответственно, чем выше степень сжатия мотора, тем больше он выдает лошадиных сил и меньше потребляет топлива. Для нас это означает более тяжелый кошелек за счет сэкономленных денег на заправке и больше адреналина при разгоне.

 

Чтобы это понять, вам нужно взять на прокат какой-нибудь старый американский неэффективный автомобиль с бензиновым V8 атмосферным двигателем, который имеет низкую степень сжатия. Поездив на таком автомобиле несколько дней, вы поймете, что автомобиль «жрет», как слон, но взамен не выдает хорошую мощность, которую сегодня показывают современные четырехцилиндровые и даже трехцилиндровые моторы. 

 

Например, знаменитый двигатель Skyactiv-G от Mazda является очень эффективным в плане не только мощности, но и хорошей экономичности. Во многом это благодаря большой степени сжатия. Также ряд и других производителей стали выпускать современные моторы с высоким коэффициентом сжатия. Так, сегодня компании Mazda, Nissan / Infiniti и Toyota и другие начали выпускать двигатели с очень высокой степенью сжатия – 14:1. 

Вы не поверите, но двигатели с такой степенью сжатия еще недавно казались фантастикой. Кстати, благодаря такой степени сжатия автопроизводителям нет необходимости оснащать двигатели турбинами, для того чтобы добиться соответствия современным стандартам экономичности, экологическим нормам, а также требованиям к мощности. 

 

Почему более высокая степень сжатия означает, что автомобиль должен заправляться топливом с высоким октановым числом

 

Но почему большинство автопроизводителей сегодня не перешли на выпуск двигателей с высокой степенью сжатия, если такие силовые агрегаты позволяют без турбокомпрессоров добиваться таких выдающихся результатов эффективности силовых агрегатов? Все дело в законах физики.

Многие двигатели с высоким коэффициентом сжатия нуждаются в премиальном топливе или в высокооктановом бензине. 

Тем, кто не знает или не помнит, что такое октан бензина и как он помогает избежать детонации в двигателе, советуем почитать наши следующие материалы:

 

Какой бензин лучше?

 

Почему премиум бензин является пустой тратой денег для большинства автомобилей

 

Сколько энергии в различных видах топлива

 

Топливо с низким октановым числом по сравнению с топливом с высоким октаном, скорее всего, будет самопроизвольно воспламеняться из-за более высоких температур и давления воздуха в двигателях с высокой степенью сжатия. Мы знаем, что воспламенение топливно-воздушной смеси должно происходить, когда это действительно нужно, а не наоборот. Такое неконтролируемое воспламенение топлива называется детонацией. Это очень вредно для любых двигателей внутреннего сгорания. Дело в том, что излишняя детонация уменьшает крутящий момент и может нанести непоправимый урон двигателю автомобиля. 

 

Высокая степень сжатия увеличивает риск сильной детонации двигателя. Вот почему моторы с большим коэффициентом сжатия, как правило, работают на высококачественном или высокооктановом бензине. 

Главная причина риска самовоспламенения топливно-воздушной смеси в двигателях с высокой степенью сжатия – это превышение допустимого давления, которое приводит к резкому нагреву топливной смеси. В итоге это вызывает преждевременное сжигание топлива еще до того, как свеча зажигания с помощью искры зажжет его. Повторяем, преждевременное воспламенение топлива – это очень плохо для любого двигателя. 

 

Для того чтобы снизить риск преждевременного воспламенения топлива, компания Mazda много работала над поршневыми и выпускными конструкциями бензиновых двигателей с высокой степенью сжатия (соотношение степени сжатия в цилиндрах двигателя 14:1). Например, мотор Skyactiv-X оснастили специальными поршнями, имеющими полость посередине, которая позволила предотвращать всплеск богатого кислородом топлива вокруг области воспламенения топливной смеси от свечи зажигания.

 

 

Именно проблема самовоспламенения топлива в двигателях с высокой степенью сжатия и препятствует сегодня массовому распространению данного типа моторов во всей автопромышленности. Подробнее об двигателе Mazda можно почитать здесь

 

Существуют ли ограничения по увеличению степени сжатия в двигателях

 

Интересно, почему автопроизводители не стараются сделать степень сжатия своих двигателей еще больше? Почему сегодня коэффициент сжатия 14:1 уже считается много? Неужели нельзя сделать двигатель с еще большим коэффициентом сжатия? Ведь в таком случае автомобили получили бы еще больше мощности и одновременно стали бы еще экономичней.

 

Например, почему бы не сделать двигатель со степенью сжатия 60:1? Но на самом деле это невозможно в сегодняшнем мире. 

Такую степень сжатия не выдержит ни один металл внутри двигателя. Да дело даже не в металле. Даже если бы у нас был такой крепкий дешевый металл, способный выдержать степень сжатия 60:1, все равно бы мы не смогли построить подобный рабочий мотор. Просто такая степень сжатия привела бы к чрезмерно высокой температуре внутри двигателя. В итоге мотор стал бы настолько горячим, что это вызвало бы его самоуничтожение (двигатель взорвался бы от высоких температур). 

 

Также, в принципе, нас не должна так сильно заботить высокая степень сжатия в современных автомобилях, если речь идет, конечно, не о спортивных мощных автомобилях, где каждая лишняя лошадиная сила на вес золота. Сегодня в рамках массового рынка нас больше волнует не мощность, а экономичность обычных повседневных автомобилей. Особенно во времена немалой стоимости топлива, где вопрос экономии топлива напрямую влияет на наши кошельки. Также сегодня более остро стоит вопрос экологии. А мы знаем, что чем менее экономичен автомобиль, тем меньше он загрязняет окружающую среду выхлопными газами. Так что, в принципе, увеличение степени сжатия в современных двигателях необходимо в первую очередь для улучшения экологической обстановки на всей планете. Но для того чтобы этого добиться, нет смысла существенно увеличивать в современных моторах степень сжатия. 

 

Вот мы и подошли к концу темы о степени сжатия двигателей внутреннего сгорания. Надеемся, что теперь вы не просто знаете, что такое степень сжатия силовых агрегатов, но и понимаете, какую важную роль она играет в современных двигателях. 

Что такое степень сжатия

Степень сжатия является величиной, которая характерна для двигателей внутреннего сгорания. Степень сжатия двигателя является отношением полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Другими словами, это отношение объема пространства над поршнем во время его нахождения в НМТ (нижняя мертвая точка) к объему такого же пространства над поршнем при его нахождении в ВМТ (верхняя мертвая точка).

Стоит отметить, что понятие степени сжатия двигателя зачастую ошибочно принимается за показатель компрессии.  Компрессия представляет собой максимальный уровень давления в цилиндре, которое создается в результате движения поршня из НМТ в ВМТ. Показатель компрессии принято измерять в атмосферах, тогда как степень сжатия выражается математически в виде определенного отношения. В качестве примера можно указать степень сжатия 11:1.

На самом деле показатель степени сжатия условно является разницей давлений в камере сгорания между моментом подачи  топливно-воздушной смеси (или только дизтоплива для дизельных ДВС) в цилиндр и тем моментом, когда происходит воспламенение топливного заряда. Различные двигатели могут иметь разный параметр  степени сжатия, что зависит от типа мотора и его конструктивных особенностей.  Принято выделять низкую или высокую степень сжатия.

Содержание статьи

Увеличение степени сжатия: плюсы и минусы

Любой ДВС в основе имеет принцип воспламенения смеси воздуха и распыленного топлива в камере сгорания. Результатом сгорания смеси становится тепловое расширение газов, которые толкают поршень. Такая энергия толчка от поршня передается на коленчатый вал двигателя посредством работы КШМ, что означает преобразование сгорания топлива в полезную механическую работу.

Чем большим оказывается показатель степени сжатия двигателя, тем сильнее итоговое давление газов на поршень. Увеличение давления будет означать, что за один такт силовая установка способна выполнить больше механической работы. Если проще, то мощность и отдача от двигателей с большей степенью сжатия выше сравнительно с аналогами, которые имеют меньший показатель. Также необходимо добавить, что количество самого подаваемого топлива в моторах с большей степенью сжатия не увеличивается, при этом такой двигатель имеет больший КПД. Бензиновые двигатели могут демонстрировать показатель степени сжатия от 8 до 12. Что касается дизельных моторов и особенностей воспламенения смеси в таких агрегатах, степень сжатия дизеля выше и находится в рамках от 14 до 18 единиц.

При всех положительных аспектах сильно увеличить степень сжатия не представляется возможным, так как значительное уменьшение объема камеры сгорания приводит к детонации топлива. Детонация в результате увеличения степени сжатия свойственна бензиновым ДВС. Дизельный двигатель, в котором воздух подается и сжимается отдельно, также может детонировать после впрыска дизтоплива. Детонация в дизеле связана с неисправностями топливной аппаратуры, неправильно установленным моментом впрыска, закоксовкой и сильным нагаром в цилиндрах двигателя и т.п.

Большинство современных моторов легковых автомобилей имеют высокую степень сжатия, так как двигатель становится мощнее и экономичнее. Топливно-воздушная смесь в таких ДВС сгорает более полноценно и равномерно, позволяя улучшить ряд характеристик двигателя во всем диапазоне оборотов. Главной особенностью моторов с высокой степенью сжатия является повышенная требовательность к качеству топлива. Для таких силовых агрегатов обязательно использование дорогих марок бензина с высоким октановым числом и солярки с необходимым цетановым числом. Большинство современных бензиновых ДВС предполагают использование топлива с октановым числом не ниже АИ-95 или АИ-98.

Доработка двигателя: изменение степени сжатия

Среди распространенных решений для форсирования двигателя или езды на более дешевом бензине является самостоятельное изменение объема камеры сгорания. Далее мы рассмотрим, как увеличить или уменьшить степень сжатия своими руками.

Если вы планируете форсировать двигатель, тогда степень сжатия нужно увеличить. Следует помнить, что увеличение закономерно приводит к тому, что детонационный порог будет снижен. Слишком высокая степень сжатия для двигателя будет означать, что устранить детонацию при помощи высокооктанового бензина, настройки УОЗ и других манипуляций не получится.

Стоит добавить, что более ощутимый прирост мощности способен обеспечить такой двигатель, который изначально был рассчитан на меньшую степень сжатия. Другими словами, больше мощности после тюнинга выдаст агрегат, штатно имеющий показатель 9:1 и доработанный до 10:1 сравнительно с мотором, который в стоке имел 12:1 и был форсирован путем увеличения показателя степени сжатия до 13:1.

Для прибавки мощности существуют такие способы:

• доработка ГБЦ и/или установка тонкой прокладки ГБЦ;
• расточка цилиндров и общее увеличение объема ДВС;

Под тюнингом головки блока в этом случае стоит понимать фрезеровку нижней части, которая стыкуется с блоком цилиндров. ГБЦ таким образом укорачивается, что и приводит к уменьшению камеры сгорания двигателя, а также увеличению степени сжатия. Аналогичную задачу преследует и установка более тонкой прокладки ГБЦ.

Необходимо учитывать, что при таком тюнинге существует риск встречи клапанов с поршнем. Перед началом работ необходимы детальные расчеты. В ряде случаев требуется замена поршней на такие, которые имеют увеличенные выемки под клапан. Фазы газораспределения также сбиваются, что потребует их последующей настройки.

Что касается расточки блока цилиндров, данный способ также требует замены поршней. Результатом становится увеличение рабочего объема ДВС и более высокая степень сжатия, так как объем камеры сгорания по отношению к увеличенному объему цилиндра не меняется.

Дефорсирование ДВС

Вполне очевидно, что после понижения степени сжатия двигатель будет дефорсирован. Делается такая доработка в том случае, если мощность двигателя отодвигается на второй план. Уменьшение степени сжатия позволяет эксплуатировать мотор на низкооктановом бензине без риска появления детонации, что и обеспечивает определенную экономию на разнице стоимости горючего.

Необходимо добавить, что подобное решение зачастую применяется на старых карбюраторных автомобилях. Что касается инжекторных авто с электронным блоком управления, в этом случае данный способ доработки настоятельно не рекомендуется.

Для уменьшения степени сжатия двигателя нужно реализовать увеличение высоты прокладки под ГБЦ. Для этого используются две обычные прокладки, между которыми укладывается третья, изготовленная из алюминия. Результатом станет увеличение высоты ГБЦ и объема камеры сгорания, что позволит в итоге перейти на более дешевый бензин.

Читайте также

Двигатели: Факторы экономии

Топливная экономичность давно стала приоритетом при совершенствовании бензиновых моторов – рапорты об очередных процентах экономии звучат при появлении каждого нового двигателя. Но какие технические решения стоят за этими показателями?

От чего вообще зависит расход топлива? Ответ на этот вроде бы пространный вопрос оказывается довольно лаконичным. Существуют три фактора, определяющие эффективность двигателя: первый – полнота сгорания топлива, второй – степень преобразования выделившегося тепла в механическую энергию (то есть термодинамический КПД), третий – величина потерь, связанных с внутренним трением, газообменом и приводом вспомогательных агрегатов. Таким образом, любое техническое решение, направленное на улучшение экономичности мотора, затрагивает одну или несколько из этих трех областей.  Чего же удалось достичь за последние 20–25 лет?

Полнее некуда

В вопросе полноты сгорания к пределу подошли уже давно – в конце 80-х, в период массового появления систем впрыска топлива. Со сменой карбюратора на электронику, точно дозирующую бензин и оснащенную каналом обратной связи о продуктах сгорания, проблемы неоптимальной топливно-воздушной смеси, а соответственно, и неполного сгорания потеряли свою актуальность. Окончательную точку поставило создание более совершенных систем впрыска, способных отслеживать работу каждого цилиндра в отдельности и вносить индивидуальные поправки в подачу топлива.

Не сильно поменялся и термодинамический КПД. Главным образом он зависит от степени сжатия, определяющей, соответственно, и степень расширения отработавших газов. Чем она выше, тем полнее тепловая энергия преобразуется в механическую. Но, увы, «зажимать» двигатель можно лишь до определенного предела – в какой-то момент скорость воспламенения смеси резко возрастает и сгорание становится детонационным, то есть резким, неконтролируемым и опасным для мотора. Поэтому типичная степень сжатия (достигнутая еще в середине 90-х годов) – 10–10,5 единиц.

Поднять планку помог только непосредственный впрыск топлива в цилиндры – вероятность детонации снизилась благодаря эффекту охлаждения камеры сгорания испаряющимся бензином. Лучшим атмосферным двигателям это позволило добиться значений около 12, но с приходом эпохи турбонаддува степень сжатия пришлось вернуть к обычным значениям, в противном случае детонация провоцировалась слишком высоким давлением воздуха, сжатого еще на этапе впуска.

Стремясь хоть как-то улучшить КПД, инженеры стали поднимать рабочую температуру двигателя, уменьшая тем самым потери тепла отработавших газов через относительно холодные стенки цилиндров. Так появились электронные термостаты, перегревающие мотор до 110° в режиме малых нагрузок и понижающие его температуру до нормальных 95–100° при полной мощности – опять-таки во избежание детонации. Впрочем, широкого применения технология не получила, оставшись прерогативой дорогих высокотехнологичных агрегатов – за небольшой выигрыш в экономичности приходится платить быстро стареющим от перегрева маслом и нагрузками на систему охлаждения, где находящаяся на грани кипения жидкость циркулирует под очень большим давлением.

Итак, топливо в цилиндре сгорело, температура и давление подскочили – поршень сдвинулся. Теперь самое важное – не растерять эту механическую энергию, чтобы как можно большая ее часть пошла на движение автомобиля.

Часть потерь приходится на внутреннее трение. Впрочем, все заявления об уменьшенном трении, более качественной обработке поверхностей скорее маркетинговый ход, нежели реально ощутимое достижение. Ведь сухого, контактного трения в двигателе нет – поверхности всегда разделены слоем масла, и что-то принципиально улучшить невозможно. А вот в деле снижения затрат на привод вспомогательных агрегатов действительно есть удачные решения. Например, более эффективный электронасос вместо приводимой ремнем водяной помпы. Или масляный насос переменной производительности, который просто создает нужное давление, а не стравливает его излишки через перепускной клапан.

Дышите глубже!

Но главные достижения инженеров сосредоточены в области газодинамики двигателя, а точнее – потерь на всасывание воздуха. Эта принципиальная проблема бензинового двигателя связана с наличием дроссельной заслонки. Расположенная во впускном патрубке, она перекрывает путь потоку воздуха, регулируя наполнение цилиндров и, соответственно, развиваемый крутящий момент. Но это означает, что при малых нагрузках на двигатель, когда заслонка почти закрыта, сопротивление воздуху увеличивается и двигатель работает крайне неэффективно. Только представьте, сколько энергии тратит на холостом ходу какой-нибудь 5-литровый мотор, втягивая воздух сквозь узкую щель едва приоткрытого дросселя!

На выручку опять пришел непосредственный впрыск. С его помощью удается  распылить топливо не по всему объему камеры сгорания, а лишь вблизи электродов свечи, то есть обеспечить условия для воспламенения горючего при избытке воздуха. И теперь дроссельную заслонку можно открыть сильнее – двигатель будет работать на бедной смеси при меньших затратах на впуск воздуха.

Еще одним решением стали механизмы изменения высоты подъема клапанов. Сверхидея заманчива: регулировать подачу воздуха не дроссельной заслонкой, а продолжительностью открытия впускных клапанов. В таком случае на малых нагрузках вместо мучительного втягивания воздуха на протяжении всего хода поршня двигатель будет делать короткий, но свободный «вдох» и закрывать клапан!

К сожалению, в полной мере идею так никто и не осуществил – лучшей реализацией стал Valvetronic от BMW, где продолжительность открытия регулируется опосредованно, через бесступенчатое изменение высоты подъема клапанов. Но даже в таком виде Valvetronic позволил отказаться от дроссельной заслонки, чего, кстати, не удалось сделать остальным производителям с их более простым решением  – всего лишь двухступенчатой регулировкой высоты подъема за счет двойных кулачков распредвала. Возможно, они и не очень старались, ведь нашлось куда более эффективное решение. Раз уж так трудно снизить сопротивление впускной системы, то можно просто уменьшить потребность двигателя в воздухе, сократив его рабочий объем, а потерю мощности компенсировать большей степенью форсирования, например, подняв обороты или применив турбонаддув. Последний оказался проще в реализации и эффективнее за счет использования энергии выхлопных газов.

Что ж, инженеры действительно проделали большую работу по улучшению экономичности бензиновых моторов, вот только эта экономичность заметна лишь при малой нагрузке, когда имеют место значительные потери на всасывание. В таких режимах преимущество может доходить до 30-40%. А чем сильнее мы давим на «газ», тем больше открывается дроссельная заслонка – мотору становится легче «дышать», и большинство технических инноваций просто… выключается из работы, ведь они созданы для частичных нагрузок. Остаются лишь те, что влияют на термодинамический КПД, а их совсем мало.

Отсюда и удивление владельцев: стоит поехать динамичнее, и при взгляде на расход топлива начинает казаться, что под капотом не новая турбированная «четверка», а старый атмосферный V6. Что уж говорить про малообъемные турбомоторы, пришедшие на смену прежним 1,6–1,8-литровым «атмосферникам», – часто работая на пределе даже в городе, они демонстрируют экономичность лишь на бумаге, являясь при этом несравнимо более сложными и менее надежными агрегатами. Впрочем, это уже совсем другая история. 

Автор

Олег Карелов, эксперт по подбору автомобилей AutoTechnic.su

Издание

Автопанорама №2 2015

Что такое степень сжатия? — Автомобильный журнал «Турбо»

Скажете ли вы на память, какая степень сжатия у двигателя вашего авто? Допустим, 9,8; не слишком ли много? А может, наоборот, – мало?

Непростой вопрос, ведь конструкторы моторов с искровым зажиганием [Мы обычно говорим бензиновый, хотя знаем, что автомобильные двигатели прекрасно работают и на газе. А также на спирте – метиловом или этиловом… Так что лучше выражаться: с искровым зажиганием. Или Отто (по имени создателя такой конструкции Николауса Отто) – в отличие от Дизеля. Хоть и странновато звучит, но точнее.] всячески стремятся повысить степень сжатия. А создатели двигателей с воспламенением от сжатия наоборот – стараются ее понизить…

Своеобразная характеристика д.в.с., вокруг которой бытует немало недоразумений. Причем одна из ключевых – от степени сжатия зависит многое. Хотя, на первый взгляд, нет ничего проще: отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Или иначе: частное от деления объема надпоршневого пространства в н.м.т. на него же – в.м.т. То есть, геометрическая степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается топливовоздушная смесь (воздух в цилиндрах дизеля) при движении поршня от н.м.т. к в.м.т. Геометрическая; а в жизни, естественно, получается не всегда так, как в геометрии…

Объемы 4-тактного поршневого двигателя: Vk – объем камеры сгорания; Vp – рабочий объем цилиндра; Vo – полный объем цилиндра; ВМТ – верхняя мертвая точка; НМТ – нижняя мертвая точка.

Вперед и выше

На заре автомобилизма степень сжатия двигателей Отто (а собственно, других 100 лет назад и не знали) делали невысокой – 4-5. Чтобы при работе на низкооктановом бензине (гнали как умели) не возникала детонация [Кто не слышал детонационные звуки в цилиндрах? Как говорится, «пальцы стучат». При слишком высокой (по качеству горючего) степени сжатия, горение топливовоздушной смеси после ее воспламенения от искры нарушается. Оно приобретает взрывной характер, в камере сгорания возникают ударные волны, от которых мотору не поздоровится.]. Скажем, при рабочем объеме цилиндра в 400 «кубиков» объем камеры сгорания – 100 миллилитров. То есть, геометрическая степень сжатия у нашего двигателя

e = (400+100)/100 = 5.

Если же объем камеры сгорания уменьшить – при прочих равных – до 40 см³ (технически несложно), то степень сжатия повысится до

e = (400+40)/40 = 11.

Замечательно – и что? А то, что термический к.п.д. двигателя увеличится почти в 1,3 раза. И если 6-цилиндровый 2,4-литровый мотор развивает со степенью сжатия 5 мощность в 100 л.с., то со степенью сжатия 11 она повысится до без малого 130. Причем при неизменном расходе горючего! Иными словами, расход топлива в расчете на 1 л.с. в час сокращается на 22,7%.

Короткоходный 3,8-литровый двигатель Porsche 911 со степенью сжатия 11,8! Объем камеры сгорания настолько мал (59 см³), что трудно устроить углубления в днище поршня под головки клапанов

Поразительный результат – самыми простыми средствами. Не слишком ли хорошо, чтобы быть правдой? Никакой мистики: чем выше степень сжатия, тем ниже температура отработанных газов, идущих на выхлоп. При e = 11 мы попросту заметно меньше обогреваем атмосферу, чем при степени 5; вот и все.

Азы теплотехники

Автомобильные двигатели – разновидность тепловых машин, которые подчиняются законам термодинамики. Еще в 1-й половине XIX в. замечательный французский физик и инженер Сади Карно заложил основы теории тепловых машин – в том числе и д.в.с. Так вот, по Карно, к.п.д. двигателя внутреннего сгорания тем выше, чем больше разница между температурой газов (рабочего тела) к концу горения топливовоздушной смеси – и их температурой на выпуске. А разница температур зависит от e – вернее, от степени расширения рабочих газов в цилиндрах.

Sadi Carnot (1796-1832)

Да, тут есть нюанс: по Карно, для термического к.п.д. важна не степень сжатия, а именно степень расширения. Чем сильнее расширяются горячие газы на рабочем ходу, тем ниже падает их температура – естественно. Просто в обычных конструкциях д.в.с. степень расширения геометрически совпадает со степенью сжатия; вот мы и привыкли говорить. Тем более что детонация зависит как раз от e – то есть от компрессии. Чем сильнее сжимается топливовоздушная смесь в цилиндрах двигателя Отто [Именно Отто, дизели детонации не знают. Почему – отдельный разговор.], чем выше давление и температура к моменту искрообразования, тем вероятнее возникновение ударных волн в камере сгорания.

Взрывное горение, детонация. Она-то и ограничивает степень сжатия, но степень расширения рабочих газов здесь ни при чем. Вот если каким-то образом отделить одну степень от другой – чтобы при умеренной компрессии добиться сильного расширения рабочих газов…

Пятитактный цикл

Pourquoi бы и не pas; ведь уже полвека с лишним известен так называемый 5-тактный цикл Atkinson’а/Miller’а. Он как раз и разводит степень сжатия и степень расширения по разные стороны.

Представьте, что у вашего 1,5-литрового 16-клапанника ВАЗ-2112 впуск заканчивается не на 36° после н.м.т. (по углу поворота коленчатого вала), а очень поздно – на 81°. То есть, при 3 тыс. оборотов поршень на своем ходе к в.м.т. вытесняет часть топливовоздушной смеси через открытые клапаны обратно во впускной коллектор (не беспокойтесь, она там не пропадет). Иными словами, такт сжатия начинается только где-то на 75° после н.м.т., а до того имеет место своеобразный такт обратного вытеснения смеси.

Тактов теперь не 4, а 5: впуск, обратное вытеснение, сжатие, рабочий ход, выпуск. На первый взгляд, идиотская схема: зачем гонять смесь туда-обратно? На первый взгляд и Солнце обращается вокруг Земли… Следите за моими руками: допустим, обратно вытесняется 20% топливовоздушной смеси, уже попавшей в цилиндр, и сжимается только 80%. И пусть геометрическая e равна 13 – исключительно высокая для Отто. Однако реальная степень сжатия, компрессия гораздо ниже: при 20-процентном обратном вытеснении смеси она равна 10,6. Что и требовалось доказать.

У конструкции с реальной степенью сжатия 10,6 (вполне допустимо для товарного бензина) степень расширения рабочих газов – 13. Термический к.п.д. двигателя по факту в 1,0518 раза выше, чем по его реальной степени сжатия; не так много, но моторостроители годами бьются ради 5-процентной экономии горючего. Двигатели пассажирских автомобилей уже вовсю работают по 5-тактному циклу. Возьмите 1,5-литровую тойотовскую «четверку» 1NZ-FXE (для Prius) или фордовскую 2,26-литровую (для Escape hybrid). Вроде блестящее решение, однако у медали есть и оборотная сторона.

Тойотовская «четверка» 1NZ-FXE: тоже 5-тактный цикл. На глаз заметно, насколько профиль впускного кулачка шире выпускного: крайне позднее закрытие впускных клапанов

Геометрическая e (степень расширения рабочих газов) у 1NZ-FXE – 13, реальная степень сжатия – около 10,5. Печаль в том, что из-за обратного вытеснения смеси 1,5-литровый мотор по крутящему моменту и мощности опускается примерно до 1,2-литрового; выигрываем в термическом к.п.д. – ценой потери реального литража. Так что с одной стороны – с другой стороны.

Мало того, двигатель с поздним закрытием впускных клапанов совсем не тянет «на низах». Поэтому 5-тактный цикл годится в «гибридных» силовых агрегатах, где тяговый электромотор как раз и принимает на себя нагрузку при самых низких оборотах. А потом подхватывает д.в.с.; так или иначе, 5-тактный цикл позволяет повысить степень расширения рабочих газов и термический к.п.д. двигателя.

У двигателя Honda, работающего по 5-тактному циклу, часть топливовоздушной смеси вытесняется поршнем обратно во впускные каналы 1 – впуск; 2 – обратный выброс топливовоздушной смеси; 3 – пятый такт: сжатие.

А вот наддув – наоборот – вынуждает понижать степень сжатия. При подаче топливовоздушной смеси под избыточным давлением, реальная компрессия в цилиндрах оказывается слишком высокой – даже при умеренной геометрической e. Приходится отступать; отсюда снижение термического к.п.д. и повышенный расход бензина у двигателей с наддувом, если не применять спецгорючее.

На спирту

Чем больше октановое число бензина, тем выше допустимая (по условиям детонации) степень сжатия, тем эффективнее работает мотор. Так ведь не бензином единым… Исключительно высокую e допускает в роли горючего газ – нефтяной или природный. Без наддува 13-14 не вопрос, с компрессором – 10-11. Водород тоже отличается стойкостью против детонации. И еще спирт – метиловый или этиловый: потрясающие антидетонационные качества. Вдобавок у спирта высокая теплота испарения; испаряясь, он сильно охлаждает топливовоздушную смесь (а заодно и поверхность камеры сгорания). Холодная смесь плотнее, и в цилиндр ее – по весу – входит заметно больше; реальный коэффициент наполнения оказывается выше. Крутящий момент, мощность. Так и говорят: «компрессорный» эффект спиртового горючего.

Мощность, термический к.п.д. – все удовольствия сразу. Кроме того, этиловый (питьевой!) спирт еще и экологичен; что еще пожелать? Правда, расход спиртового топлива в литрах оказывается гораздо выше, чем бензина, поскольку теплотворная способность метанола и этанола невысока. Как водка и «сушняк»; равнять литр на литр тут бессмысленно. А вот в энергетическом эквиваленте спирт заметно эффективнее бензина – благодаря высокой степени сжатия (расширения). Так что в перспективе – спиртовое топливо, чистое или в смеси с бензином. Скажем, E85: на 85% этанол и на 15% бензин. И лет через 25 нефть потеряет свое значение в мире…

Истина в мере

В перспективе, а пока повысить степень сжатия ВАЗовского 16-клапанника с 10,5 до 11,5 – на 92-м бензине от местной АЗС – ой как непросто. Скажем, применить впрыск бензина непосредственно в камеры сгорания – вместо впускных каналов. Испарение бензина не на впуске, а в цилиндрах – тот же самый «компрессорный» эффект. Или организовать 2-искровое зажигание – с 2 свечами на цилиндр; кое-что дает. А также поставить выпускные клапаны с внутренним (натриевым) охлаждением; раскаленные тарелки провоцируют детонацию. Очистить поверхность камеры сгорания от нагара – и отполировать ее.

Влияет конфигурация камеры сгорания – и скорость вихревого движения топливовоздушной смеси. Есть много способов борьбы с детонацией – хороших и разных.

А до какого уровня есть смысл поднимать e двигателя Отто? Тут вот что: термический к.п.д. нарастает с повышением степени сжатия (расширения!), но не линейно. То есть, рост к.п.д. замедляется: если от 5 до 10 он повышается в 1,265 раза, то от 10 до 20 – только в 1,157 раза. Зато быстро накапливаются побочные заморочки, которых лучше избегать. Поэтому степень сжатия 13-14 – разумный компромисс, к которому и следует стремиться. Только оставьте окончательное решение за инженерами-конструкторами; они знают лучше.

Мощнее, экономичнее, безвреднее – Наука – Коммерсантъ

Последние 20 лет в автомобилестроении идет перманентная революция. Она распространяется на все детали — от колес до омывателя стекол. Но главное движение мысли инженеров направлено на двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

Речь пойдет о ДВС с переменной степенью сжатия. Сейчас существует один серийный автомобиль с подобной технологией — Infiniti QX50. Но и в России существует разработка, способная потягаться с японской. Российский ДВС с переменной степенью сжатия создали инженеры Научно-исследовательского автомобильного и автомоторного института, или, говоря бюрократическим языком, ГНЦ РФ ФГУП НАМИ. (Кстати, именно эта организация делает автомобили марки Aurus.) ДВС с переменной степенью сжатия НАМИ представил на конференции в Германии зимой 2019 года.

Степенью сжатия называется отношение поршня, находящегося в нижней точке, к поршню, находящемуся в верхней точке. Почти во всех автомобилях этот показатель — фиксированный и определяется таким образом, чтобы не допустить взрыва топливной смеси. Возможность динамически изменять степень сжатия позволяет значительно поднять КПД автомобиля. То есть при малых нагрузках степень сжатия может быть выше, а при больших, когда в камеру сгорания попадает много воздушно-бензиновой смеси и возможна опасная детонация, степень сжатия уменьшается. Вроде все просто.

Одними из первых, кто попытался воплотить технологию в жизнь, стали инженеры фирмы SAAB. В 2000 году на автосалоне в Женеве они представили инновационный двигатель с изменяемой степенью сжатия. Суть разработки заключалась в том, что цилиндры двигателя и головка блока выполнены как моноблок (у обычных двигателей они существуют раздельно). Таким же образом были объединены блок-картер и шатунно-поршневая группа. (Блок-картер — это не что иное, как корпус, который объединяет и скрепляет все детали двигателя.) Так вот, изменение степени сжатия происходило за счет наклона моноблока относительно блок-картера с помощью гидропривода при неизменном ходе поршня. За всеми этими сложными словами скрывается простая задумка: когда нужно уменьшить степень сжатия, моноблок отклоняется от вертикали, что приводит к увеличению объема камеры сгорания и, соответственно, к нужному результату. Для увеличения степени сжатия угол наклона моноблока нужно уменьшить, уменьшив тем самым объем камеры сгорания. Руководит процессом электронный блок управления, который рассчитывает оптимальный угол отклонения в зависимости от множества факторов, начиная от нагрузки и заканчивая типом топлива.

Шведский двигатель объемом 1,6 л выдавал мощность 225 л. с. Прекрасный результат! Но еще и расход топлива уменьшился на 30%. Более того, удалось добиться существенного снижения выброса вредных веществ, что крайне важно для Швеции, где к экологии относятся исключительно внимательно.

Примерно в то же время, когда на Женевском автосалоне был представлен инновационный двигатель, компания SAAB перешла в полную собственность General Motors. Постепенно проекты вроде этого стали сворачиваться, а в 2010 году GM избавилась от шведской марки. Теперь ее вовсе не существует — осталась втуне и перспективная разработка.

Похожую задумку пробовали воплотить и инженеры немецкой компании FEV Motorentechnik. Их двигатель с переменной степенью сжатия был представлен в том же 2000 году. Немцы тоже пытались добиться результата за счет изменения объема камеры сгорания, но только не за счет блока цилиндров, как сделала SAAB, а за счет управления высотой подъема коленвала. Опорные шейки коленвала размещались в эксцентричных муфтах (эксцентриком называется механизм, который преобразует вращательное движение в поступательное), а они приводились в действие электромотором через шестерни. Поворот эксцентриков заставлял подниматься или опускаться коленвал, что и меняло объем камеры сгорания. Разработка была использована в турбированном четырехцилиндровом двигателе Volkswagen объемом 1,8 л. Мотор развивал мощность до 218 л. с., но в серию не пошел (по неведомым причинам).

Возможно, идея ДВС с переменной степенью сжатия так и осталась бы идеей, если бы в 2017 году Infiniti не выпустила свой VC-Turbo.

Японцы пошли отличным от коллег путем и применили траверсный механизм: шатун соединен системой рычагов с приводом электромотора, который, в свою очередь, регулирует через систему рычагов свободу движения поршня, изменяя степень сжатия. Главный успех Infiniti — в том, что пока это единственный производитель, которому удалось довести разработку до серийного производства. VC-Turbo используется в автомобиле Infiniti QX50, японцам удалось вместить в двухлитровый турбированный агрегат 270 лошадиных сил, увеличив экономичность на 27% по сравнению с аналогичными двигателями.

Алексей Теренченко, кандидат технических наук, доцент, директор центра «Энергоустановки» НАМИ, объясняет, что основной целью российских конструкторов было добиться идеального сочетания механизмов для получения максимального диапазона степени сжатия при минимальных затратах энергии на управление. Руководствуясь этой целью, конструкторы пришли к выводу, что добиться такого сочетания проще всего благодаря траверсному механизму. В этом смысле решение схоже с Infiniti, но есть и различия.

«Рядные двигатели, как правило, изначально имеют непропорциональную форму – они высокие и узкие. А все конструкторы пытаются сделать так, чтобы двигатель в моторном отсеке занимал пропорциональные — в отношении высоты, ширины и длины — размеры. Для этого все вспомогательные агрегаты вешаются по бокам. В нашей конструкции траверс примыкает к цилиндрам и находится сбоку. Infiniti же поместила механизм снизу. С точки зрения габаритов решение не самое удачное,— рассказывает господин Теренченко.— Нашим конструкторам удалось добиться диапазона хода поршня от 7 до 14, это очень хороший результат».

Основная проблема, продолжает Алексей Теренченко,— в стоимости двигателя. ДВС с такой технологией под капотом машины неизбежно переводит ее в премиальный класс. Для Infiniti — премиальной марки — нормально. Российский же автопром к такому пока не готов. Условной Lada Vesta не нужен такой двигатель, да и покупатель не готов переплачивать за навороченную разработку. Так что технология лежит на полке и ждет своего часа из-за банальной неготовности рынка ее принять. То есть не технология не дотягивает до серийного производства, а наоборот.

Более того, как говорит господин Теренченко, проблема еще и в том, что у России нет таких жестких норм чистоты автомобильного выхлопа, как в Европе или в США, а такие нормы становятся дополнительным стимулом для внедрения технологии ДВС с переменной степенью сжатия. Патовая ситуация.

Кузьма Лебедев

Знаете ли вы ?: Степень сжатия | Автомобильные новости

Что такое степень сжатия?

Каждый двигатель имеет определенную степень сжатия. Топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндре для создания воспламенения, сила которого зависит от степени сжатия: объема цилиндра, когда поршень находится в нижней части своего хода, по сравнению с объемом цилиндра, когда поршень находится в нижнем положении. в верхней части его штриха. Кстати, вы должны знать, что под рабочим объемом двигателя понимается полная мощность всех поршней в течение полного цикла.

Воспламенение происходит, когда поршень находится в верхней части своего хода, то есть в верхней части цилиндра (также известной как головка цилиндра), который образует камеру сгорания. Оставшийся объем топливовоздушной смеси внутри камеры сгорания позволяет пропорционально определять степень сжатия.

Степень сжатия обычно составляет от 8: 1 до 10: 1. Более высокая степень сжатия — скажем, от 12: 1 до 14: 1 — означает более высокую эффективность сгорания.

Фото: Себастьян Д’Амур

Преимущества
Более высокие степени сжатия и полнота сгорания означают большую мощность при меньшем количестве топлива и меньшем количестве выхлопных газов.С другой стороны, более сильные воспламенения усиливают нагрев, трение и износ, что затрудняет работу внутренних компонентов двигателя. Автопроизводителям нужно найти правильный компромисс.

Возьмем, к примеру, технологию Mazda SKYACTIV. Инженеры переработали внутренние компоненты, чтобы увеличить ход поршня, чтобы обеспечить более высокую степень сжатия. При этом водителям, которые хотят воспользоваться этим, абсолютно необходимо использовать бензин премиум-класса (бензин с более высоким октановым числом).

Двигатели с наддувом и дизельные двигатели
Двигатели без наддува могут иметь более высокую степень сжатия, чем двигатели с наддувом (с наддувом или с турбонаддувом).Например, в двигателе с турбонаддувом воздух, поступающий в камеру сгорания, уже находится под давлением, поэтому степень сжатия должна быть немного ниже, чтобы избежать чрезмерной нагрузки на компоненты. Двигатели с наддувом обычно имеют степень сжатия от 8: 1 до 8,5: 1.

Однако, что касается дизельных двигателей, отсутствие свечей зажигания требует более высокой степени сжатия — примерно от 14: 1 до 22: 1. Они используют горячий воздух для испарения, а затем воспламенения топлива.

Сорта топлива
Чем больше сжатие и тепло может выдержать топливо перед воспламенением, тем выше октановое число (87, 91, 94 и т. Д.)) и более высокой марки топлива (обычное, премиум и т. д.).

Как я уже сказал; более высокая степень сжатия означает больше тепла внутри двигателя. Топливо с более высоким октановым числом может выдерживать большее повышение температуры и менее склонно к преждевременному воспламенению или преждевременному воспламенению, также известному как детонация двигателя. Это явление изменяет ход поршня и может привести к серьезному повреждению двигателя.

Вот что на самом деле означает «коэффициент сжатия» и почему он имеет значение

Новый двигатель Toyota с высокой степенью сжатия «Dynamic Force».Рисунок: Toyota / Raphael Orlove

Вы слышали термин «степень сжатия» раньше, но задумывались ли вы, что именно он означает? Что ж, пора объяснить, что такое степень сжатия, и почему каждый автопроизводитель теперь одержим ею, как Святым Граалем.

Степень сжатия, надо признать, сложнее, чем кажется на первый взгляд. Не помогает и то, что это один из тех терминов, которые вы слышите на автосалонах и в пресс-релизах без серьезных объяснений.Это одна из тех вещей, которую вы в большинстве своем пытаетесь понять, пытаясь произвести впечатление на артиста-трапеции, которого встретили в цирке на прошлых выходных.

Мы знаем, что высокая степень сжатия — это хорошо, а низкая — плохо. Мы знаем, что новый двигатель Mazda Skyactiv-X «Holy Grail» отличается высокой степенью сжатия, наряду с «дизельным убийцей» Infiniti и серией Toyota «Dynamic Force», которые рекламируют большую мощность при большей эффективности.

Мы живем в эпоху, когда инженеры не могут просто увеличить мощность двигателя, сделав его больше.Изменение степени сжатия двигателя становится обычным делом.

G / O Media может получить комиссию

(Кстати, если вы читаете это и фыркаете, потому что уже знаете, что такое степень сжатия, хорошо для вас! Не все остальные.)

What Defines Степень сжатия очень проста

Степень сжатия — это именно то, на что она похожа — степень, при которой вы сжимаете максимальный объем цилиндра до минимального объема цилиндра. Это объем цилиндра, когда поршень полностью опущен по сравнению с полностью вверху.Это написано и указано в виде отношения. Например, для двигателя со степенью сжатия 9: 1 вы бы сказали, что это «девять к одному».

Скриншот: ВСЕ О ДВИГАТЕЛЯХ (YouTube)

А теперь представьте себе цилиндр в своей голове. Поршень движется вверх и вниз внутри этого цилиндра. Когда поршень находится в самой нижней точке, это называется нижней мертвой точкой. Вот где объем цилиндра наибольший. Когда поршень находится в наивысшей точке цилиндра, это называется верхней мертвой точкой, и именно здесь объем цилиндра наименьший.Сравнение этих двух объемов — вот откуда взялось ваше соотношение.

Если вы такой же наглядный ученик, как я, вам понравится этот созданный мной GIF, показывающий, как работает четырехтактный двигатель. Видите, как поршень движется вверх во время такта сжатия? Это весь воздух и топливо сжимаются в цилиндре. Если двигатель имеет высокую степень сжатия, это означает, что данный объем воздуха и топлива в цилиндре сжимается в гораздо меньшее пространство, чем двигатель с более низкой степенью сжатия.

А теперь пример с простой математикой, мой любимый вид.

Представьте, что у вас есть двигатель, объем цилиндра и камеры сгорания которого составляет 10 куб. См, когда поршень находится в нижней мертвой точке. После того, как впускной клапан закрывается и поршень поднимается вверх во время такта сжатия, он сжимает топливно-воздушную смесь в объеме одного кубического сантиметра. Этот двигатель имеет степень сжатия 10: 1.

Вот и все! Это степень сжатия. Общий рабочий объем плюс сжатый объем (включая объем головки блока цилиндров и все, что выше, где поршень «движется») в один только сжатый объем .

Почему лучше усложняется

Но понимание , что такое степень сжатия , менее важно, чем понимание , почему нам это небезразлично, или почему высокая степень сжатия — это такое стремление.

Лучшее объяснение, которое я получил в этом, было от моего коллеги и инженера Дэвида Трейси, который затем обратился за помощью к другим инженерам и профессорам. Лучший ответ из них дал доктор Энди Рэндольф, технический директор ECR Engines. Он проводит исследования трансмиссии для NASCAR, и его объяснение предельно ясно:

С точки зрения непрофессионала, мощность двигателя генерируется, когда сгорание оказывает на поршень силу, которая толкает поршень вниз по цилиндру во время такта расширения.

Чем выше поршень находится в канале ствола в момент начала сгорания, тем большее усилие будет приложено.

По мере увеличения степени сжатия поршень перемещается выше в отверстии в верхней мертвой точке, следовательно, появляется дополнительная сила для хода расширения (дополнительная сила для того же количества топлива равняется более высокой эффективности).

Теперь мы на самом деле следует больше понимать о , почему в дополнение к , как , а это означает, что нам придется рискнуть в области термодинамики.

Суть всего этого в том, что более высокая степень сжатия означает, что двигатель получает больше работы при том же количестве топлива. Это хорошо для мощности, а также миль на галлон.

Чтобы объяснить, почему более высокая степень сжатия дает лучшую эффективность, мы не собираемся слишком углубляться в термодинамику, но, черт возьми, давайте просто окунем кончики пальцев ног. Это здорово и полезно для души.

Более высокое сжатие означает больше работы, но больше давления

На изображении выше показана диаграмма «давление-объем» для идеального и типичного бензинового двигателя.Он визуально показывает, что происходит в вашем двигателе, когда он сжигает бензин.

На диаграмме выше нижняя кривая 1-2 показывает ход сжатия.

Строка 2-3 показывает горение.

Верхняя кривая 3-4 показывает ход расширения.

А линия 4-1 показывает отвод тепла при открытии выпускного клапана.

Чтобы быть более техническим, на диаграмме кривая 1-2 показывает ход сжатия, в котором давление (ось y) возрастает, а объем (ось x) падает, когда поршень действительно воздействует на газ, сжимая его.Строка 2-3 показывает тепло, выделяющееся при сгорании, быстро увеличивая давление и температуру газа. Кривая 3-4 показывает увеличение объема и падение давления по мере того, как газ действует на поршень во время такта расширения. Линия 4-1 показывает отвод тепла от газа в окружающую среду по мере того, как давление возвращается к окружающему при открытии выпускного клапана. Наконец, плоская линия 1-5 внизу представляет ход выпуска и возврат поршня в верхнюю мертвую точку в конце.

Область внутри этих 1-2-3-4 строк показывает, сколько работы проделано двигателем.Более высокая степень сжатия означает, что две вертикальные линии на графике будут перемещаться влево и вверх, оставляя больше области в границах, чем при более низкой степени сжатия, и, таким образом, работа выполняется. Но, как вы можете видеть на этой диаграмме, вы столкнетесь с более высоким давлением. Другими словами, вы получите больше механической работы от двигателя с высокой степенью сжатия. Вы будете получать большее давление в цилиндре и на поршне из-за подводимого тепла от сгорания.

Более высокое сжатие также означает больший тепловой КПД.

Иллюстрация: MIT

Также важно отметить, что тепловложение и тепловые потери во время цикла вашего двигателя связаны с КПД как функцией степени сжатия.Все это работает по двум идеям. Во-первых, любая тепловая энергия, поступающая в систему, должна быть преобразована либо в механическую работу, либо в отходящее тепло. Во-вторых, тепловой КПД — это просто результат работы, деленный на подводимое тепло. Таким образом, вы можете вывести соотношение между термической эффективностью и степенью сжатия, как MIT, построенное на его веб-странице и показанное выше. Уравнение здесь (nu — термический КПД, r — степень сжатия, а гамма — свойство жидкости) :

Когда вы даете двигателю определенного рабочего объема более высокую степень сжатия, вы эффективно перемещаете фотоэлектрическую диаграмму вверх. и влево, и увеличивают тепловложение (Qh на диаграмме) в большей степени, чем тепловые потери (Ql).Другими словами, вы превращаете больше входящей энергии в работу. Вот Джейсон Фенске из Engineering Explained , разбирающий взаимосвязь между степенью сжатия, теплопередачей и эффективностью:

В любом случае, дело в том, что термодинамика диктует, что термический КПД возрастает с увеличением степени сжатия, как вы можете видеть из этого графика и уравнения над. А это означает больше лошадиных сил, лучшую экономию топлива, более тяжелые кошельки и более широкие улыбки. Управляйте любым вялым, хрипящим, всасывающим газ, старым американским V8 с низкой степенью сжатия, и вы поймете, о чем я.

Степень сжатия также делает такие двигатели, как двигатель Mazda Skyactiv-G, такими эффективными. Mazda, первая из серии новых двигателей с высоким и переменным сжатием от Mazda, Nissan / Infiniti и Toyota, на данный момент имеет самую высокую степень сжатия в отрасли — 14: 1, поэтому она может справляться с высоким расходом топлива. показатели экономичности и мощности даже без турбонагнетателя.

Почему более высокое сжатие означает более высокое октановое число

Почему не все просто используют высокие степени сжатия? Что ж, высокая степень сжатия — вот почему многим двигателям требуется топливо премиум-класса или высокооктановый бензин.Октановое число, как указывается в статье How Stuff Works , является мерой способности бензина сопротивляться детонации.

По сравнению с газом с высоким октановым числом бензин с низким октановым числом более склонен к самовоспламенению из-за высоких температур и давления наддува. По сути, вам нужен газ, который воспламеняется, когда вы этого хотите, а не тот, который воспламеняется, когда вы, , не хотите, чтобы зажигался. Такое неконтролируемое горение называется детонацией.Стук — это плохо; он снижает крутящий момент и может нанести непоправимый ущерб вашему двигателю.

Высокая степень сжатия увеличивает риск детонации, поэтому двигатели с очень высокой степенью сжатия работают на высокооктановом гоночном газе или (сейчас чаще) на E85. При сжатии газы склонны нагреваться, поэтому повышенная плотность тепла может привести к преждевременному возгоранию топлива до того, как свеча зажигания воспламенит его. Повторяю: это плохо.

Mazda пришлось проделать большую работу с поршнем и конструкцией выхлопной системы, чтобы уменьшить детонацию в двигателе 14: 1, работающем на газовом насосе.Поршни в двигателе Skyactiv-X, например, имеют полость посередине, чтобы позволить Mazda выстрелить потоком богатого топлива вокруг свечи зажигания в обедненной смеси, и, да, есть причина, по которой это было не так. Не простая технология в разработке.

Что еще интересно, так это то, что вы не можете просто сделать двигатель с такой высокой степенью сжатия, как вы хотите. Я обратился к Джону Хойенге, владельцу магазина производительности выхлопа и ралли Nameless Performance, чтобы поговорить о рисках и преимуществах высокой компрессии.

Джон строит раллийный автомобиль Nissan 240SX, на который он меняет четырехцилиндровый SR20VE, который в настоящее время развивает около 250 лошадиных сил на колесах всего из 2,0 литров. Удивительно, но без турбо. Все, что Джон должен поблагодарить, — это очень высокая степень сжатия 14,5: 1. «Сжатие выполняет больше работы, — пояснил он, — поэтому тем больше мощности [двигатель] будет производить без наддува».

При этом, поскольку это гоночный двигатель, он использует гоночный бензин или E85 с очень высоким октановым числом.Джон сказал, что при степени сжатия выше 14,5: 1 возникает риск самовоспламенения, а также может вылететь шток или вращаться подшипник. Это то, что небрежно называют «взрывом».

Есть предел тому, насколько высоко вы можете подняться

Я спросил, почему мы не видим, что люди не бегают с двигателями, которые имеют значительно более высокую степень сжатия, чем все, что мы видим сегодня. Неприлично завышенные соотношения, вроде 60: 1. Джон рассмеялся. Он объяснил, что металл просто не может выдерживать такие высокие уровни нагрузки, а такая степень сжатия может привести к такому нагреву, что может взорвать любой двигатель.

Конечно, не все из нас строят гоночные автомобили с гоночными двигателями, поэтому об изменении степени сжатия нам не о чем беспокоиться. Но мы случайные владельцы автомобилей и энтузиасты квазидвигателей, так что это было объяснением того, что означает степень сжатия и почему это важно. Вам больше не нужно притворяться, теперь вы знаете, что это такое.

А теперь иди, найди того художника по трапеции и расскажи ему, что ты чувствуешь!

Теория степени сжатия и ее расчет в Powersports

Покупаете ли вы поршни для мотоцикла, квадроцикла или UTV, вы, скорее всего, увидите варианты с различными степенями сжатия.При разработке поршней для различных степеней сжатия учитывается множество факторов. Здесь мы рассмотрим, как рассчитывается степень сжатия и как она может повлиять на ваш двигатель и требования к топливу для гонок.

Формула проста — сжатие дает мощность, и иногда теория «чем больше, тем лучше» имеет свои достоинства. Но прежде чем мы начнем слепо оценивать степени сжатия, лучше узнать больше о том, как этого добиться. Степень сжатия для любого двигателя или отдельного цилиндра определяется как соотношение между рабочим объемом цилиндра с поршнем в нижней мертвой точке (НМТ) и объемом с поршнем в верхней мертвой точке (ВМТ).Если, например, отношение объема НМТ в 13 раз больше, чем объем в ВМТ, то степень сжатия составляет 13: 1.

Степень сжатия — это отношение рабочего объема цилиндра с поршнем в нижней мертвой точке и рабочего объема цилиндра с поршнем в верхней мертвой точке.

Степень сжатия играет важную роль в создании мощности, поскольку именно сжатие топливовоздушной смеси улучшает процесс сгорания и создает мощность.Конечно, более высокая степень сжатия также предъявляет более высокие требования к октановому числу топлива, поэтому важно помнить об этом. В качестве примера мы возьмем одноцилиндровые двигатели для внедорожников. Степень сжатия серийных двигателей для внедорожников с годами увеличилась до нынешних диапазонов от 12,5: 1 до 13,5: 1, при этом они по-прежнему способны сжигать бензин премиум-класса с октановым числом 91/93. Это достигается за счет улучшенной конструкции камеры сгорания, а также превосходного управления соотношением воздух-топливо за счет электронного впрыска топлива (EFI).

Как рассчитывается степень сжатия?

Было бы неплохо проверить, как рассчитывается сжатие. Это вопрос разбивки на серии небольших участков, для которых необходимо рассчитать их индивидуальные объемы. Затем эти меньшие объемы можно сложить вместе, чтобы получить общий очищенный объем. Например, площадь верхней части поршня в ВМТ должна учитывать индивидуальные объемы камеры, верхнюю часть поршня (конструкцию головки), прокладку головки и высоту поршня над или под декой поршня. цилиндр.

Щелкните здесь, чтобы узнать, как рассчитать сжатие и смещение для автомобильных двигателей.

Объем цилиндра

Вычисление объема цилиндра с помощью Pi x в квадрате радиуса x хода дает вам только объем цилиндра. На фото — одноцилиндровый мотоцикл 250F.

Нашим первым шагом является определение объема цилиндра на основе диаметра и хода. Если вы помните из школьной геометрии, объем цилиндра = Pi x радиус в квадрате x высота (в данном случае, ход).Диаметр цилиндра 77 мм и ход поршня 53,6 мм создают цилиндр объемом 249 куб. См. Это просто цилиндр.

Далее нам нужно узнать объем камеры сгорания. Проще всего это измерить с помощью градуированного цилиндра или бюретки. Большинство бюреток имеют градуировку в миллилитрах, а один миллилитр равен одному кубическому сантиметру (куб.см), так что пусть вас это не сбивает. Объем камеры напрямую влияет на степень сжатия, поэтому его измерение важно для точности.Квадратная крышка из оргстекла, запечатанная консистентной смазкой, с просверленным в ней небольшим отверстием, позволяющим заполнить камеру медицинским спиртом, смешанным с небольшим количеством пищевого красителя, хорошо работает в качестве измерительной жидкости.

В приведенном ниже примере мы используем головку блока цилиндров автомобиля, но тот же процесс может быть проделан для одно- или многоцилиндровых двигателей мотоциклов.

Уплотнение крышки из оргстекла над камерой сгорания консистентной смазкой позволит вам заполнить камеру сгорания медицинским спиртом.Вы можете использовать электронный измерительный инструмент (показанный здесь), чтобы определить объем жидкости, или вы можете рассчитать вручную с помощью градуированного цилиндра (показанного ниже). Убедитесь, что камера сгорания заполнена полностью, без пузырьков воздуха, чтобы получить точное измерение.

Объем поршня

Также необходимо измерить объем поршня. Это важно, поскольку поршень редко бывает идеально плоским. Если бы это было так, номер объема поршня был бы по существу 0 или таким, который не прибавлял бы и не вычитал из степени сжатия.Однако большинство верхних частей поршней содержат комбинацию предохранительных клапанов, тарелку или куполообразную конфигурацию, которые составляют заданный объем. Допустим, этот поршень имеет небольшой купол, но также включает предохранительный клапан поршневого клапана. Для достижения точной степени сжатия необходимо рассчитать общий объем купола поршня. Этот объем должен быть у производителя поршня, когда он вам понадобится. JE Pistons сохраняет эту информацию в протоколе для каждой конструкции поршня.

Имейте в виду, что даже незначительные изменения могут иметь прямое влияние на сжатие.Например, увеличение диаметра отверстия всего на 2 мм — например, с 96 до 98 мм — без каких-либо других изменений в поршне, приведет к увеличению степени сжатия 13,58: 1 до 14,05: 1 просто потому, что площадь поршня теперь равна больше.

Объем купола также учитывает так называемый объем щели, или крошечный объем, находящийся между верхним краем поршня над контактной площадкой кольца и стенкой цилиндра. Это измерение наиболее важно выполнить, если поршень был модифицирован для добавления дополнительного зазора сброса клапана или если были выполнены другие модификации в верхней части поршня.

Этот объем очень мал, но это то, что JE принимает во внимание при вычислении сжатия, чтобы обеспечить высокую точность.

Объем щели — это небольшой промежуток между верхним, внешним краем поршня (над верхним кольцом) и цилиндром. Вы можете увидеть это небольшое пространство на картинке выше.

Прокладка головки

Толщина прокладки головки также влияет на сжатие, так как это также создает объем, который необходимо включить в расчет.Толстая прокладка головки существенно увеличивает объем камеры, а более тонкая — уменьшает его. Расчет объема такой же, как и для цилиндра, только очень короткий. Чаще всего внутренний диаметр прокладки круглый, поэтому вычислить объем довольно просто: объем = Pi x радиус в квадрате x высота.

Высота платформы

Также необходимо учитывать высоту платформы. Если поршень в ВМТ находится ниже уровня цилиндра, этот объем добавляется к объему камеры сгорания, уменьшая степень сжатия.Если верхняя часть поршня превышает верхнюю часть цилиндра на заданную величину, этот объем необходимо вычесть из объема камеры сгорания, что увеличит степень сжатия. Это положение поршня также напрямую влияет на зазор между поршнем и головкой, поэтому внимательно следите за ним, чтобы не выходить за пределы спецификации.

Под высотой деки понимается положение поршня относительно верхней части цилиндра (деки) в ВМТ. В изображенном здесь поршне / цилиндре купол поршня находится над декой, когда поршень находится в ВМТ, поэтому этот объем купола поршня необходимо вычесть из объема камеры сгорания.Так поршни с высокой степенью сжатия, такие как этот, достигают более высоких степеней сжатия.

После того, как все эти размеры определены, мы можем выполнить простую математику деления объема цилиндра с поршнем в нижней части его хода на объем цилиндра с поршнем в верхней части его хода. Мы включили всю математическую формулу здесь, внизу этой страницы, но она слишком длинная и сложная, и на самом деле нет причин проходить все это, если вам не нравятся длинные вычисления! Более простой вариант — использовать один из многих бесплатных онлайн-калькуляторов степени сжатия.

Использование программы расчета степени сжатия сэкономит много времени и избавит от ненужных хлопот при выполнении вычислений вручную. Эти цифры приведены только для примера.

Нам нравится версия, предлагаемая на сайте Performance Trends (Performancetrends.com), поскольку она проста в использовании и может быть загружена бесплатно. Вводимые данные в этой программе можно даже изменить с английского на метрические, если вы предпочитаете, а вводимые данные настолько просты, что вы можете попробовать десятки различных комбинаций, чтобы удовлетворить свое любопытство.

Важно отметить, что, хотя сжатие действительно играет важную роль в повышении мощности, добавление сжатия не является чисто линейным предложением. Общепринятая мера для добавления сжатия состоит в том, что одна полная точка сжатия может добавить от 3 до 4 процентов мощности. Итак, если двигатель развивает мощность 50 лошадиных сил, и мы добавляем полную точку сжатия (например, от 11 до 12: 1), это потенциально может увеличить мощность до 51,5 лошадиных сил. Однако с текущими коэффициентами сжатия гоночных двигателей уже на уровне 13: 1, добавление полной точки сжатия не обязательно может добавить полные три процента, поскольку закон убывающей отдачи играет роль с коэффициентами, близкими к 14: 1 или выше.Положительный прирост все равно будет, но он, скорее всего, не будет таким большим, как прирост, например, от 9: 1 до 10: 1.

На фото 3 поршня JE с разной степенью сжатия для одного и того же двигателя YXZ1000. CR включают 9,5: 1 (уменьшение сжатия для турбо-приложений), 11,5: 1 (стандартное сжатие) и 12,5: 1 (высокое сжатие). Обратите внимание, что максимальная компрессия имеет самые высокие характеристики купола, занимая больше объема камеры сгорания. Поршень 9,5: 1 — наоборот. Другой пример — поршни CRF450R JE 2017-18 годов выпуска.Стандартный поршень сжатия 13,5: 1 (справа) имеет очень плоский купол, не занимающий лишнего объема в камере сгорания. Поршень 14,5: 1 (слева) имеет более высокий купол для уменьшения объема камеры сгорания, когда поршень находится в ВМТ.

Щелкните здесь, чтобы узнать больше о наших поршнях серии Pro.

Должен ли я использовать гоночный газ?

Поскольку большинство новых двигателей мотоциклов теперь имеют статическую степень сжатия 13: 1, эти двигатели используют очень точно настроенные комбинации, позволяющие им работать на бензиновом насосе с октановым числом от 91 до 93.Часто задают вопрос: принесет ли гоночный бензин пользу? Есть несколько факторов, влияющих на гоночный бензин, которые выходят далеко за рамки простого увеличения октанового числа. Многие гонщики считают, что добавление октанового числа также добавит мощности. Хотя это может быть правдой, ответы бывает трудно расшифровать.

Октан сам по себе не является функцией топлива, которое увеличивает мощность. Октан добавляется в топливо для предотвращения детонации. Если двигатель страдает от детонации или детонации из-за использования бензина более низкого качества, добавление октанового числа восстановит эту мощность.И наоборот, добавление топлива с более высоким октановым числом в двигатель, не имеющий проблем с детонацией, не приведет к дополнительной мощности. Более распространенная ситуация заключается в том, что добавление октанового числа сверх требований двигателя обычно приводит к менее эффективному процессу сгорания, который не увеличивает мощность. В определенных ситуациях использование слишком большого октанового числа может привести к небольшой потере мощности! Вот где теория «больше — лучше» не проходит проверку.

Как и любая другая система в гоночном двигателе, правильная комбинация компонентов и топлива может привести к увеличению мощности.Например, гоночный бензин часто смешивают с оксигенатами, которые приводят к обеднению / изменению стехиометрического (или химически правильного) отношения воздух-топливо. Часто за увеличение мощности отвечают именно эти добавки, а не октановое число. Эксперименты с топливом с различным процентным содержанием оксигенатов могут сильно повлиять на фактическое соотношение воздух-топливо. Это входит в сложную историю о стехиометрическом соотношении воздух-топливо, которая выходит за рамки этой истории, но это важный вопрос, о котором нужно знать, прежде чем пытаться индивидуально смешивать гоночный бензин.

Сжатие может быть простым способом повысить мощность, но вам нужно быть в курсе, когда дело доходит до выбора правильных частей. Пропуск чисел через программу степени сжатия, вероятно, самый простой способ убедиться, что числа не выходят из-под контроля.

Пример расчета степени сжатия

Что такое степень сжатия в бензиновых и дизельных двигателях?

Что такое степень сжатия?

Коэффициент сжатия

— одна из основных характеристик двигателя внутреннего сгорания.Это отношение объема над поршнем, когда он находится в самом нижнем положении (НМТ), к объему над поршнем, когда он находится в самом верхнем положении (ВМТ). Он указывает на степень сжатия топливовоздушной смеси в двигателе.

Рисунок 1 — Простая диаграмма камеры сгорания и степени сжатия

Это отношение объема камеры сгорания от ее наибольшего к наименьшему объему. Это соотношение между общим объемом цилиндра и камеры сгорания, когда поршень находится в НМТ (нижней мертвой точке), к объему одной только камеры сгорания, когда поршень находится в ВМТ (верхней мертвой точке).Это соотношение является одним из основных требований для всех двигателей внутреннего сгорания.

Рабочие:

Поскольку бензин очень летуч, «степень сжатия» для бензиновых двигателей обычно ниже. Таким образом, он варьируется от 10: 1 до 14: 1. Бензиновый двигатель сжимает воздух и топливо в соотношении от 10: 1 до 14: 1. Бензиновый двигатель смешивает бензин с воздухом и сжимает эту смесь в камере сгорания. Лучшее смешивание воздуха и топлива друг с другом делает его однородным.Затем электрическая свеча зажигания воспламеняет топливно-сжатую смесь искрой. Таким образом, топливо полностью и мгновенно сгорает.

Степень сжатия

В дизельных двигателях «Степень сжатия» варьируется от 18: 1 до 23: 1, что зависит от конструкции и конструкции двигателя. В бензиновых двигателях используется метод искрового зажигания. Однако в технологиях дизельных двигателей, таких как «Прямой впрыск», «Непрямой впрыск» и «Прямой впрыск Common-Rail», используется метод компрессионного зажигания , , , .Однако степень сжатия остается почти одинаковой как для бензинового, так и для дизельного двигателя, соответственно, независимо от объема / рабочего объема двигателя.

Преимущества более высокой степени сжатия:

Чем выше степень сжатия, тем лучше тепловой КПД двигателя. Таким образом, двигатель может извлечь больше механической энергии из заданной массы топливовоздушной смеси. В этом контексте дизельные двигатели имеют более высокую топливную экономичность для данного количества топлива, чем бензиновые двигатели того же размера.

Это означает, что скажем; Вы сравниваете обычные бензиновые и дизельные двигатели с одинаковым объемом двигателя 1,0 л. Тогда в реальном мире дизельный двигатель объемом 1,0 л будет потреблять меньше топлива, чем бензиновый двигатель объемом 1,0 л. Другими словами, автомобиль с 1,0-литровым дизельным двигателем будет иметь больший пробег по сравнению с автомобилем с 1,0-литровым бензиновым двигателем при аналогичных условиях движения.

Стоит ли денег премиум-бензин? — Блог AMSOIL

Вы, наверное, видели отчет AAA, в котором сообщалось, что автомобилисты потратили 2 доллара впустую.1 миллиард в прошлом году из-за использования бензина премиум-класса в автомобилях, которым он не нужен. Возможно, несколько из этих миллиардов пришли из вашего кошелька.

Распространено заблуждение, что бензин премиум-класса имеет более высокое содержание энергии, чем обычный бензин, поскольку он имеет более высокое октановое число. В сознании многих людей «высокооктановое топливо» является синонимом большей мощности и эффективности.

Более высокое октановое число не означает лучшей экономии топлива

На самом деле октан не имеет ничего общего с содержанием энергии или качеством — это показатель способности бензина сопротивляться детонации двигателя.Более высокое октановое число означает больший контроль детонации.

Что это значит для вас?

Если вы не водите высокопроизводительный автомобиль, то немного. Чтобы понять, почему, нам нужно погрузиться в подробности и поговорить о степени сжатия вашего двигателя.

Степень сжатия — это отношение объема камеры сгорания от наибольшего к наименьшему. Например, скажем, камера сгорания и цилиндр могут удерживать 1000 куб. См воздуха, когда поршень находится в нижней мертвой точке.Во время такта сжатия двигателя поршень движется вверх по цилиндру, уменьшая объем, скажем, до 100 см3. Мы используем эти два значения для определения степени сжатия двигателя (1000: 100 уменьшается до 10: 1).

Детонация в двигателе может привести к повреждению поршней

Сжатие топлива / воздуха перед сгоранием увеличивает тепло и эффективность сгорания, улучшая работу двигателя. Однако то, какое давление бензин может выдержать до того, как он воспламенится, является прекрасным балансом.Слишком высокое давление, и топливно-воздушная смесь может взорваться в неподходящий момент (это называется детонацией двигателя), что может привести к повреждению поршней.

Большинство стандартных газовых двигателей имеют степень сжатия около 10: 1 и отлично работают на обычном бензине с октановым числом 87. Однако некоторые высокопроизводительные двигатели имеют более высокую степень сжатия. Кроме того, некоторые из современных двигателей с турбонаддувом могут похвастаться более высокой степенью сжатия, чем двигатели прошлых лет, что помогает им соответствовать строгим требованиям экономии топлива.

Повышенное давление в камере сгорания может вызвать спорадическое воспламенение обычного газа, что приведет к детонации в двигателе.Бензин премиум-класса с более высоким октановым числом лучше выдерживает повышенное давление и устойчив к детонации двигателя, обеспечивая максимальную производительность.

Премиум газ не может очистить лучше,

Другое распространенное заблуждение состоит в том, что газ премиум-класса содержит более высокую концентрацию чистящих средств и других присадок, улучшающих эксплуатационные характеристики.

Хотя многие разработчики рецептур продают высококачественный бензин премиум-класса, такой как Shell V-Power Nitro + или ExxonMobil Synergy, бензин премиум-класса на вашей местной заправочной станции не может быть разработан для улучшения характеристик по какому-либо аспекту, кроме октанового числа.Качество может варьироваться от бренда к бренду и от станции к станции.

Для поддержания чистоты камеры сгорания и топливной системы периодически рекомендуется использовать присадку к топливу, содержащую чистящие средства.

Не тратьте деньги на бензин премиум-класса

Если вы не управляете автомобилем, для которого требуется бензин премиум-класса, или если вы не модифицировали двигатель, сэкономьте деньги и купите дешевый бензин. Но обязательно ознакомьтесь с руководством по эксплуатации и используйте тот бензин, который рекомендует производитель двигателя.

Какая связь между степенью сжатия и экономией топлива?

Как мы узнали на предыдущей странице, статическая компрессия двигателя измеряется, когда впускной клапан двигателя полностью закрыт. Однако в реальной эксплуатации этого почти никогда не происходит. Двигатель работает настолько быстро, что впускной воздушный клапан может потребоваться снова открыть до того, как поршень завершит свой полный ход вверх и вниз. Когда это происходит, часть давления внутри цилиндра падает, что снижает эффективность.По сути, здесь больше места для воздуха, поэтому двигатель теряет часть мощности из-за сгорания топлива и воздуха.

Динамические степени сжатия учитывают движение впускного клапана. Инженеры могут настроить двигатель так, чтобы впускной клапан закрывался раньше, что помогает нарастить давление в цилиндре. Двигатель также можно настроить так, чтобы клапан закрывался позже, но это позволяет выпустить немного воздуха и снизить эффективность использования топлива двигателем.

Вычислить динамическую степень сжатия на самом деле довольно сложно.Для этого вы используете длину хода и длину шатуна, чтобы определить положение поршня, когда клапан полностью закрыт. Поскольку это соотношение обнаруживается, когда поршень находится в середине своего хода, оно всегда ниже, чем степень статического сжатия. Как и при статическом сжатии, более высокая степень сжатия означает более эффективное использование топлива и лучшую экономию топлива.

Сегодняшние высокоэффективные двигатели на многих современных автомобилях во многом обязаны своей экономией топлива своей высокой степени сжатия.Но у двигателя с высокой степенью сжатия есть и недостатки. Чтобы он работал безупречно, вам нужно использовать высокооктановый газ, который дороже, чем обычный неэтилированный газ. Если вы пропустите премиальный газ, со временем в двигателе может появиться детонация. Детонация двигателя — это когда сгорание топливовоздушной смеси не происходит в оптимальное время хода поршня. Использование низкооктанового топлива в двигателе с высокой степенью сжатия может повысить вероятность детонации, поэтому, если вы приобретете новый, экономичный автомобиль с высокой степенью сжатия, убедитесь, что вы используете тип газа, рекомендованный в руководстве пользователя, чтобы получить большинство из этого.

Ищете дополнительную информацию о степени сжатия двигателя и экономии топлива? Просто перейдите по ссылкам на следующей странице.

Степень сжатия | Автопедия | Fandom

Степень сжатия двигателя внутреннего сгорания или двигателя внешнего сгорания — это величина, которая представляет собой отношение объема его камеры сгорания; от самой большой емкости до самой маленькой емкости. Это фундаментальная спецификация для многих распространенных двигателей внутреннего сгорания.

В поршневом двигателе это соотношение между объемом цилиндра и камеры сгорания, когда поршень находится в нижней части своего хода, и объемом камеры сгорания, когда поршень находится в верхней части своего хода.

Представьте цилиндр с поршнем в нижней части его хода, содержащий 1000 см3 воздуха. Когда поршень переместился в верхнюю часть своего хода внутри цилиндра, а оставшийся объем внутри головки или камеры сгорания был уменьшен до 100 см3, тогда степень сжатия будет пропорционально описана как 1000: 100 или с частичным уменьшением. , степень сжатия 10: 1.

Желательна высокая степень сжатия, поскольку она позволяет двигателю извлекать больше механической энергии из заданной массы топливовоздушной смеси из-за его более высокого теплового КПД.Высокие соотношения помещают доступные молекулы кислорода и топлива в уменьшенное пространство вместе с адиабатической теплотой сжатия, вызывая лучшее смешивание и испарение капель топлива. Таким образом, они позволяют увеличивать мощность в момент воспламенения и извлекать больше полезной работы из этой мощности за счет расширения горячего газа в большей степени.

Однако более высокая степень сжатия делает бензиновые двигатели подверженными детонации двигателя, также известной как детонация, и это может снизить эффективность двигателя или даже физически повредить его.

Дизельные двигатели, с другой стороны, работают по принципу воспламенения от сжатия, поэтому топливо, которое сопротивляется самовоспламенению, вызовет позднее воспламенение, что также приведет к детонации в двигателе.

Коэффициент рассчитывается по следующей формуле:

, где

= отверстие цилиндра (диаметр)

= длина хода поршня

= объем камеры сгорания (включая прокладку головки). Это минимальный объем пространства, в котором топливо и воздух сжимаются до воспламенения.Из-за сложной формы этого пространства его обычно измеряют напрямую, а не рассчитывают.

Типичные степени сжатия [править | править источник]

Бензин / бензиновый двигатель [редактировать | править источник]

Из-за звона (детонации) CR в бензиновом / бензиновом двигателе обычно не будет намного выше 10: 1, хотя некоторые серийные автомобильные двигатели, построенные для высокопроизводительных двигателей с 1955 по 1972 год, имели степень сжатия до 12,5: 1, который мог безопасно работать на доступном в то время высокооктановом этилированном бензине.

Техника, используемая Audi для предотвращения возникновения детонации, — это двигатель с сильным «завихрением», который заставляет всасываемый заряд совершать очень быстрое круговое вращение в цилиндре во время сжатия, что обеспечивает более быстрое и полное сгорание. Недавно, с добавлением датчиков изменения фаз газораспределения и детонации для задержки момента зажигания, один мировой производитель строит бензиновые двигатели CR 10,8: 1, которые используют топливо 87 MON (с октановым числом).

В двигателях с датчиком «пинг» или «детонация» и электронным блоком управления CR может достигать 13: 1 (BMW K1200S 2005 года).В 1981 году Jaguar выпустил головку блока цилиндров, которая допускала сжатие до 14: 1; но довольствовался 12,5: 1 в серийных автомобилях. Конструкция головки блока цилиндров была известна как головка «огненного шара».

Бензиновый / бензиновый двигатель с наддувом [редактировать | править источник]

В бензиновых двигателях с турбонаддувом или наддувом CR обычно изготавливается с соотношением сторон 9: 1 или ниже.

Бензин / бензиновый двигатель для гонок [редактировать | править источник]

Двигатели для гонок на мотоциклах могут использовать степень сжатия до 14: 1, и нередко можно найти мотоциклы со степенью сжатия выше 12.0: 1 для топлива с октановым числом 86 или 87.

Гоночные двигатели, сжигающие метанол и этанол, часто превышают CR 15: 1. (Потребители могут заметить, что «бензин» или 90% бензина с 10% этанола дает более высокое октановое число — рейтинг подавления детонации.)

Газовый двигатель [редактировать | править источник]

В двигателях, работающих исключительно на СНГ или СПГ, CR может быть выше из-за более высокого октанового числа этих видов топлива.

Дизельный двигатель [редактировать | править источник]

В дизельном двигателе с самовоспламенением (без электрической свечи зажигания — горячий воздух сжатия зажигает впрыскиваемое топливо) CR обычно превышает 14: 1.Соотношение более 22: 1 является обычным явлением. Соответствующая степень сжатия зависит от конструкции головки блока цилиндров. Обычно это значение составляет от 14: 1 до 16: 1 для двигателей с непрямым впрыском и от 18: 1 до 20: 1 для двигателей с прямым впрыском.

Поиск неисправностей и диагностика [править | править источник]

Измерение давления сжатия двигателя с помощью манометра, подключенного к отверстию свечи зажигания, дает представление о состоянии и качестве двигателя.

Если дана номинальная степень сжатия двигателя, давление в цилиндре перед воспламенением можно оценить с помощью следующего соотношения:

где — давление в цилиндре в нижней мертвой точке (НМТ), которое обычно составляет 1 атм, — это степень сжатия и — отношение удельных теплоемкостей рабочего тела, которое составляет около 1.4 для воздуха и 1,3 для метановоздушной смеси.

Например, если двигатель, работающий на бензине, имеет степень сжатия 10: 1, давление в цилиндре в верхней мертвой точке (ВМТ) равно

Однако эта цифра также будет зависеть от фаз газораспределения (т. Е. Клапана). Как правило, давление в цилиндре для обычных автомобильных конструкций должно составлять не менее 10 бар, или, по приблизительной оценке в фунтах на квадратный дюйм (psi), в 15-20 раз больше степени сжатия, или в этом случае от 150 до 200 psi, в зависимости от кулачок синхронизации.Специально построенные гоночные двигатели, стационарные двигатели и т. Д. Будут давать цифры за пределами этого диапазона.

Факторы, включающие позднее закрытие впускного клапана (относительно профиля распределительного вала, выходящего за пределы типичного диапазона серийных автомобилей, но не обязательно в области двигателей соревнований), могут привести к обманчиво низкому значению в этом тесте. Чрезмерный зазор в шатуне в сочетании с чрезвычайно высокой производительностью масляного насоса (редко, но не невозможно) может привести к выбросу достаточного количества масла, чтобы покрыть стенки цилиндра достаточным количеством масла, чтобы облегчить разумное уплотнение поршневого кольца, искусственно давая обманчиво высокий показатель на двигателях с нарушенным кольцевым уплотнением.

Это действительно может быть использовано для некоторого небольшого преимущества. Если испытание на сжатие дает низкое значение и было установлено, что это не связано с закрытием впускного клапана / характеристиками распределительного вала, то можно различить причину, связанную с проблемами уплотнения клапана / седла и кольцевым уплотнением, путем впрыскивания моторного масла в искру. отверстие плунжера в количестве, достаточном для распределения по днищу поршня и окружности контакта верхнего кольца и, таким образом, к упомянутому уплотнению. Если вскоре после этого будет проведено второе испытание на сжатие и новое показание будет намного выше, проблематичным будет кольцевое уплотнение, тогда как если наблюдаемое испытательное давление на сжатие останется низким, это будет уплотнение клапана (или, реже, прокладка головки, или прорыв поршня, или более редкое повреждение стенки цилиндра).

Если имеется значительная (> 10%) разница между цилиндрами, это может указывать на то, что клапаны или прокладки головки блока цилиндров протекают, поршневые кольца изношены или что блок треснул.

Если есть подозрение на проблему, то более подробный тест с использованием тестера утечки может определить местонахождение утечки.

Saab Variable Compression Engine [править | править источник]

Поскольку диаметр отверстия цилиндра, длина хода поршня и объем камеры сгорания почти всегда постоянны, степень сжатия для данного двигателя почти всегда постоянна, пока износ двигателя не сказывается.

Единственным исключением является экспериментальный двигатель Saab Variable Compression Engine (SVC). В этом двигателе, разработанном Saab Automobile, используется технология, которая динамически изменяет объем камеры сгорания (V _c ), что с помощью приведенного выше уравнения изменяет степень сжатия (CR).

Чтобы изменить V _c , SVC «опускает» головку блока цилиндров ближе к коленчатому валу. Это достигается путем замены типичного цельного блока цилиндров двигателя на состоящий из двух частей, с коленчатым валом в нижнем блоке и цилиндрами в верхней части.Два блока шарнирно соединены с одной стороны (представьте себе книгу, лежащую на столе, с передней обложкой, расположенной на дюйм или около того над титульным листом). Поворачивая верхний блок вокруг точки петли, V _c (представьте себе воздух между передней обложкой книги и титульным листом) можно изменить. На практике SVC регулирует верхний блок в небольшом диапазоне движений с помощью гидравлического привода.

Двигатели с переменной степенью сжатия (VCR) [править | править источник]

SAAB SVC — это усовершенствованное и работоспособное дополнение к миру двигателей для видеомагнитофонов, первое из которых было построено и испытано Гарри Рикардо в 1920-х годах.Эта работа привела к тому, что он разработал систему оценки октанового числа, которая используется до сих пор. SAAB недавно участвовал в работе с «Офисом передовых автомобильных технологий» над созданием современного бензинового двигателя видеомагнитофона, который показал эффективность, сопоставимую с эффективностью дизельного двигателя. Многие компании проводят собственные исследования двигателей для видеомагнитофонов, включая Nissan, Volvo, PSA / Peugeot-Citroën и Renault, но до сих пор без публично продемонстрированных результатов.

Цикл двигателя Аткинсона был одной из первых попыток переменного сжатия.Поскольку степень сжатия — это соотношение между динамическим и статическим объемами камеры сгорания, метод цикла Аткинсона по увеличению длины рабочего хода по сравнению с тактом впуска в конечном итоге изменил степень сжатия на разных этапах цикла.

Расчетная степень сжатия, как указано выше, предполагает, что цилиндр герметизирован в нижней части хода (нижняя мертвая точка — НМТ), и что сжатый объем является фактическим объемом.

Однако: закрытие впускного клапана (уплотнение цилиндра) всегда происходит после НМТ, что приводит к тому, что часть всасываемого заряда сжимается назад из цилиндра поднимающимся поршнем на очень низких скоростях; сжимается только процент хода после закрытия впускного клапана.Эта «скорректированная» степень сжатия обычно называется «степенью динамического сжатия ».

Это соотношение выше при более консервативном (т.е. раньше, вскоре после НМТ) времени впускных кулачков и ниже при более радикальном (т.е. позже, намного позже НМТ) времени впускных кулачков, но всегда ниже, чем статическое или «номинальное» коэффициент сжатия.

Фактическое положение поршня можно определить тригонометрическим методом, используя длину хода и длину шатуна (измеренную между центрами).Абсолютное давление в цилиндре является результатом показателя степени динамического сжатия. Этот показатель степени представляет собой политропное значение для отношения переменной теплоты воздуха и подобных газов при существующих температурах. Это компенсирует повышение температуры, вызванное сжатием, а также потерю тепла в цилиндре. В идеальных (адиабатических) условиях показатель степени будет 1,4, но используется более низкое значение, обычно от 1,2 до 1,3, поскольку количество потерянного тепла будет варьироваться между двигателями в зависимости от конструкции, размера и используемых материалов, но дает полезные результаты для в целях сравнения.1,3 × атмосферное давление, или 13,7 бар. (× 14,7 фунтов на квадратный дюйм на уровне моря = 201,8 фунтов на квадратный дюйм. Давление, показанное на манометре, будет абсолютным давлением за вычетом атмосферного давления, или 187,1 фунтов на квадратный дюйм.)

Две поправки на динамическую степень сжатия влияют на давление в цилиндре в противоположных направлениях, но не в одинаковой степени. Двигатель с высокой статической степенью сжатия и поздним закрытием впускного клапана будет иметь DCR, аналогичный двигателю с более низким уровнем сжатия, но более ранним закрытием впускного клапана.

Степень сжатия в зависимости от общей степени давления [править | править источник]

Степень сжатия и общая степень сжатия взаимосвязаны следующим образом:

Степень сжатия	1: 1	3: 1	5: 1	10: 1	15: 1	20: 1	25: 1	35: 1
Степень сжатия	1: 1	2: 1	10: 1	22: 1	40: 1	56: 1	75: 1	110: 1

Причина этой разницы в том, что степень сжатия определяется через уменьшение объема,

,

Степень давления определяется как увеличение давления

.

Из закона комбинированного газа получаем:

Поскольку T ₂ намного выше, чем T ₁ (сжатие газов заставляет их работать, то есть нагревает их), CR намного ниже, чем PR .

.