Что характеризует степень сжатия в двигателе

Степень сжатия, бензин и избыточное давление

В этой записи речь пойдёт о связи между избыточном давлением, производимом турбиной или механическим компрессором, и степенью сжатия двигателя.

1. Степень сжатия двигателя и октановое число бензина
Степень сжатия (СЖ) — это чисто геометрическая характеристика двигателя, которая вычисляется как отношение полного объёма цилиндра (объём надпоршневого пространства при положении поршня в НМТ) к объёму камеры сгорания (объём надпоршневого пространства при положении поршня в ВМТ):

ε = (Vc + Vh)/Vc = 1 + Vh/Vc, (1)
где
Vc — объём камеры сгорания, см³;
Vh = S∙A — объём хода поршня, см³,
S — ход поршня, см,
A = πD²/4 — площадь поршня, см².

На что влияет СЖ?
В общем случае чем выше СЖ, тем выше мощность двигателя и его КПД (т.е. меньше расход топлива).

Почему нельзя увеличивать СЖ до бесконечности?
Дело в том, что при сжатии газа его температура увеличивается. Увеличение температуры топливно-воздушной смеси (ТВС) за счёт её сжатия может привести к её самовоспламенению — детонации. При детонации скорость горения ТВС превышает скорость звука в газе — по сути это взрыв. Поэтому существует предельное значение СЖ, выше которого ТВС в цилиндрах будет детонировать.

Как определить предельное значение СЖ?
Детонационная стойкость топлива характеризуется его октановым числом. Чем выше октановое число бензина, тем выше его детонационная стойкость. Поэтому для двигателей с высокой СЖ требуется бензин с высоким октановым числом. Вот приблизительные рекомендации:
92 бензин при СЖ ≤ 10.5,
95 бензин при СЖ ≤ 11.0,
98 бензин при СЖ ≤ 11.5,
100 бензин при СЖ ≤ 12.0.

Можно ли использовать высооктановое топливо в двигателях с низкой СЖ?
Нет, нельзя:
«Многочисленные исследования в разных странах мира подтверждают, что переход на бензин с более высоким октановым числом при постоянной степени сжатия не даёт никаких преимуществ, а только повышает расходы на топливо. Теплотворная способность, а значит, и запасённая энергия у разных сортов топлива примерно одинакова. Высокооктановый бензин выделяет столько же энергии, как и стандартный, но горит медленнее. В результате не успевшее сгореть топливо может быть выброшено в глушитель (смерть катализатору) и далее в атмосферу (смерть живому).«

Здесь уместно упомянуть, что у пропана октановое число 105, а у метана — 110. На штатных СЖ и пропан, и метан будут гореть медленно. Поэтому если не менять СЖ двигателя, то потребуется установка вариатора угла опережения зажигания. Вариатор увеличивает УОЗ, дабы газ успевал догорать к моменту такта выпуска (а не продолжал горение на выпускных клапанах или в катализаторе).

2. Термодинамика рабочего цикла
С точки зрения термодинамики процесс расширения газа на рабочем цикле является политропным. Его уравнение имеет вид:

pVⁿ = const, (2)
где
p — текущее давление в цилиндре,
V — текущий объём цилиндра.

Например, для изотермического процесса (температура газа не меняется) n = 1, а для адиабатного процесса (нет теплообмена с окружающей средой) n = γ = Cp/Cv = 1 + R/Cv (Cp — молярная теплоёмкость газа в изобарном процессе, Cv — молярная теплоёмкость газа в изохорном процессе, R — универсальная газовая постоянная). Для воздуха γ = 1.4.

Как определить показатель политропы реального двигателя?
У реального двигателя показатель политропы лежит между единицей и показателем адиабаты:

Степень сжатия двигателя

Работа двигателей внутреннего сгорания характеризуется рядом величин. Одна из них – степень сжатия двигателя. Важно не путать ее с компрессией – значением максимального давления в цилиндре мотора.

Что такое степень сжатия

Данная степень – это соотношение объема цилиндра двигателя к объему камеры сгорания. Иначе можно сказать, что значение компрессии – отношение объема свободного места над поршнем, когда тот находится в нижней мертвой точке, к аналогичному объему при нахождении поршня в верхней точке.

Выше упоминалось, что компрессия и степень сжатия – не синонимы. Различие касается и обозначений, если компрессию измеряют в атмосферах, степень сжатия записывается как некоторое отношение, например, 11:1, 10:1, и так далее. Поэтому нельзя точно сказать, в чем измеряют степень сжатия в двигателе – это «безразмерный» параметр, зависящий от других характеристик ДВС.

Условно степень сжатия можно описать также как разницу между давлением в камере при подаче смеси (или дизтоплива в случае с дизельными двигателями) и при воспламенении порции горючего. Данный показатель зависит от модели и типа двигателя и обусловлен его конструкцией. Степень сжатия может быть:

• высокой;
• низкой.

Расчет сжатия

Рассмотрим, как узнать степень сжатия двигателя.

Она вычисляется по формуле:

Здесь Vр означает рабочий объем отдельного цилиндра, а Vс – значение объема камеры сгорания. Формула показывает важность значения объема камеры: если его, например, снизить, то параметр сжатия станет больше. То же произойдет и в случае увеличения объема цилиндра.

Чтобы узнать рабочий объем, нужно знать диаметр цилиндра и ход поршня. Вычисляется показатель по формуле:

Здесь D – диаметр, а S – ход поршня.

Поскольку камера сгорания имеет сложную форму, ее объем обычно измеряется методом заливания в нее жидкости. Узнав, сколько воды поместилось в камеру, можно определить и ее объем. Для определения удобно использовать именно воду из-за удельного веса в 1 грамм на куб. см – сколько залилось грамм, столько и «кубиков» в цилиндре.

Альтернативный способ, как определить степень сжатия двигателя – обратиться к документации на него.

На что влияет степень сжатия

Важно понимать, на что влияет степень сжатия двигателя: от нее прямо зависит компрессия и мощность. Если сделать сжатие больше, силовой агрегат получит больший КПД, поскольку уменьшится удельный расход горючего.

Степень сжатия бензинового двигателя определяет, горючее с каким октановым числом он будет потреблять. Если топливо низкооктановое, это приведет к неприятному явлению детонации, а слишком высокое октановое число вызовет нехватку мощности – двигатель с малой компрессией просто не сможет обеспечивать нужное сжатие.

Таблица основных соотношений степеней сжатия и рекомендуемых топлив для бензиновых ДВС:

Интересно: бензиновые турбированные двигатели функционируют на горючем с большим октановым числом, чем аналогичные ДВС без наддува, поэтому их степень сжатия выше.

Еще больше она у дизелей. Поскольку в дизельных ДВС развиваются высокие давления, данный параметр у них также будет выше. Оптимальная степень сжатия дизельного двигателя находится в пределах от 18:1 до 22:1, в зависимости от агрегата.

Изменение коэффициента сжатия

Зачем менять степень?

На практике такая необходимость возникает нечасто. Менять сжатие может понадобиться:

• при желании форсировать двигатель;
• если нужно приспособить силовой агрегат под работу на нестандартном для него бензине, с отличающимся от рекомендованного октановым числом. Так поступали, например, советские автовладельцы, поскольку комплектов для переоборудования машины на газ в продаже не встречалось, но желание сэкономить на бензине имелось;
• после неудачного ремонта, чтобы устранить последствия некорректного вмешательства. Это может быть тепловая деформация ГБЦ, после которой нужна фрезеровка. После того, как повысили степень сжатия двигателя снятием слоя металла, работа на изначально предназначенном для него бензине становится невозможной.

Иногда меняют степень сжатия при конвертации автомобилей для езды на метановом топливе. У метана октановое число – 120, что требует повышать сжатие для ряда бензиновых автомобилей, и понижать – для дизелей (СЖ находится в пределах 12-14).

Перевод дизеля на метан влияет на мощность и ведет к некоторой потере таковой, что можно компенсировать турбонаддувом. Турбированный двигатель требует дополнительного снижения степени сжатия. Может потребоваться доработка электрики и датчиков, замена форсунок дизельного мотора на свечи зажигания, новый комплект цилиндро-поршневой группы.

Форсирование двигателя

Чтобы снимать больше мощности или получить возможность ездить на более дешевых сортах топлива, ДВС можно форсировать путем изменения объема камеры сгорания.

Для получения дополнительной мощности двигатель следует форсировать, увеличивая степень сжатия.

Важно: заметный прирост по мощности будет лишь на том двигателе, который штатно работает с более низкой степенью сжатия. Так, например, если ДВС с показателем 9:1 тюнингован до 10:1, он выдаст больше дополнительных «лошадей», чем двигатель со стоковым параметром 12:1, форсированный до 13:1.

Возможные следующие методы, как увеличить степень сжатия двигателя:

• установка тонкой прокладки ГБЦ и доработка головки блока;
• расточка цилиндров.

Под доработкой ГБЦ подразумевают фрезеровку ее нижней части, соприкасающейся с самим блоком. ГБЦ становится короче, благодаря чему уменьшается объем камеры сгорания и растет степень сжатия. То же происходит и при монтаже более тонкой прокладки.

Важно: эти манипуляции могут также потребовать установки новых поршней с увеличенными клапанными выемками, поскольку в ряде случаев возникает риск встречи поршня и клапанов. В обязательном порядке настраиваются заново фазы газораспределения.

Расточка БЦ также ведет к установке новых поршней под соответствующий диаметр. В результате растет рабочий объем и становится больше степень сжатия.

Дефорсирование под низкооктановое топливо

Такая операция проводится, когда вопрос мощности вторичен, а основная задача – приспособить двигатель под другое горючее. Это делается путем снижения степени сжимания, что позволяет двигателю работать на малооктановом бензине без детонации. Кроме того, налицо и определенная финансовая экономия на стоимости горючего.

Интересно: подобное решение нередко используется для карбюраторных двигателей старых машин. Для современных инжекторных ДВС с электронным управлением дефорсирование крайне не рекомендуется.

Основной способ, как уменьшить степень сжатия двигателя — сделать прокладку ГБЦ более толстой. Для этого берут две стандартные прокладки, между которыми делают алюминиевую прокладку-вставку. В результате растет объем камеры сгорания и высота ГБЦ.

Некоторые интересные факты

Метанольные двигатели гоночных машин имеют сжатие более 15:1. Для сравнения, стандартных карбюраторный двигатель, потребляющий неэтилированный бензин, имеет сжатие максимум 1.1:1.

Из серийных образцов моторов на бензине со сжатием 14:1 на рынке присутствуют образцы от Mazda (серия Skyactiv-G), ставящиеся, например, на CX-5. Но их фактическая СЖ находится в пределах 12, поскольку в данных моторах задействован так называемый «цикл Аткинсона», когда смесь сжимается в 12 раз после позднего закрытия клапанов. Эффективность таких двигателей измеряется не по сжатию, а по степени расширения.

В середине XX века в мировом двигателестроении, особенно в США, наблюдалась тенденция к увеличению степени сжатия. Так, к 70-м основная масса образцов американского автопрома имела СЖ от 11 до 13:1. Но штатная работа таких ДВС требовала использования высокооктанового бензина, который в то время умели получать только процессом этилирования – добавлением тетраэтилсвинца, высокотоксичного компонента. Когда в 1970-х годах появились новые экологические стандарты, этилирование стали запрещать, и это привело к обратной тенденции – снижению СЖ в серийных образцах двигателей.

Современные двигатели имеют систему автоматической регуляции угла зажигания, которая позволяет ДВС работать на «неродном» топливе – например, 92 вместо 95, и наоборот. Система управления УОЗ помогает избежать детонации и других неприятных явлений. Если же ее нет, то, например, залив высокооктановый бензин двигатель, не рассчитанный на такое горючее, можно потерять в мощности и даже залить свечи, поскольку зажигание будет поздним. Ситуацию можно поправить ручным выставлением УОЗ по инструкции к конкретной модели автомобиля.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Действительная степень — сжатие

Действительная степень сжатия в двухтактном двигателе относится к полезному ходу поршня и определяется как отношение объема цилиндра до выхлопных окон к объему камеры сгорания. Состояние газов после хода сжатия в двухтактном двигателе характеризует действительная степень сжатия, поэтому в табличных и справочных материалах приводится только эта величина. [1]

Под действительной степенью сжатия е подразумевают отношение объема полости цилиндра в момент закрытия органов газораспределения Va ( которые закрываются последними) к объему Fc ( см. фиг. [2]

Соотношение между действительной степенью сжатия , степенью предварительного расширения Q и степенью последующего расширения 6 для цилиндров ДРП имеет вид [ 4, стр. [3]

Здесь е представляет собой действительную степень сжатия или, что то же, значение еж в начале фактического сжатия. [4]

Отношение полезного объема цилиндра к объему камеры сжатия называют действительной степенью сжатия . [5]

Величину степени сжатия, подсчитанную по приведенному выражению, называют действительной степенью сжатия в отличие от кажущейся подсчитанной, исходя из полного хода поршня. [7]

Физическая сущность этого явления заключается в том, что при изменении фс и неизменном фвид одновременно и в противоположных направлениях меняются действительные степени сжатия и расширения. До некоторого значения фс превалирует влияние увеличения степени расширения, затем степени сжатия. Как будет показано влияние фазы сгорания в значительной мере отражает роль опережения зажигания. [8]

В четырехтактных двигателях различие между действительной и геометрической стеренями сжатия обычно незначительное, поэтому для них в расчетах, не требующих большой точности, пользуются только геометрической степенью сжатия, считая, что действительная степень сжатия равна геометрической. [9]

Интересным выходом из этой ситуации является реализация в газовом двигателе с наддувом цикла Миллера, в котором за счет раннего закрытия впускного клапана достигаются условия, при которых действительная степень расширения рабочего тела становится больше действительной степени сжатия . В этом случае степень сжатия можно выбирать из условия бездетонационной работы, а степень расширения — максимально приблизить до значений в дизельном процессе. Кроме того, за счет расширения свежего заряда от момента закрытия впускного клапана до нижней мертвой точки и увеличенной продолжительности теплового контакта охлажденного заряда и теплообменных поверхностей удается существенно снизить теплонапряженность деталей цилиндропоршневой группы, что является одной из главных проблем форсированных газовых двигателей. [10]

Действительная степень сжатия в двухтактном двигателе относится к полезному ходу поршня и определяется как отношение объема цилиндра до выхлопных окон к объему камеры сгорания. Состояние газов после хода сжатия в двухтактном двигателе характеризует действительная степень сжатия , поэтому в табличных и справочных материалах приводится только эта величина. [11]

Образующиеся при работе двигателя отложения могут оказывать влияние на возникновение стука вследствие: 1) увеличения действительной степени сжатия ; 2) увеличения температуры горючей смеси из-за ухудшения теплопередачи; 3) преждевременного воспламенения раскаленными углеродистыми частицами ( поверхностное воспламенение); 4) прямого каталитического влияния отложений на предпламенные реакции, приводящие к детонации. Последняя возможность экспериментально не была установлена на двигателях. [12]

Приведенные на рис. 6, 7 и 8 результаты расчета идеализированной схемы цикла позволяют оценить влияние сгорания на основные показатели рабочего процесса двигателя. Очевидно, величина этого влияния определяется не только потерянной работой на участке сгорания, но главным образом изменением действительных степеней сжатия и расширения, обусловленных протеканием сгорания. [14]

Степень сжатия дизельного двигателя — что это такое?

• Степень сжатия дизельного двигателя — что это такое?
• Изучаем теорию – что происходит внутри камеры сгорания
• Степень сжатия на практике – как это происходит
• Изменение степени сжатия – как улучшить показатели

В этой статье речь пойдет об процессах, происходящих внутри камер сгорания мотора. Наверное, большинство из Вас имеет хотя бы общее приставление о принципе работы двигателя, но дело в том, что данный элемент не является универсальным устройством и на сегодняшний день выделяют несколько его видов: бензиновый, дизельный, газовый, газодизельный, роторно-поршневый.

Еще до недавнего времени, наиболее распространенными были первых два варианта, но с ростом цен на соответствующие топливо, довольно большое количество автолюбителей, перевели свои автомобили на газовое потребление.

Однако, говорить о том, что газ полностью вытеснил бензин и дизельное топливо, конечно же не приходится, а значит информация касающееся работы таких моторов не будет лишней. Говоря конкретнее, речь пойдет о процессе сжатия, которое происходит внутри камеры сгорания конкретно дизельного двигателя. Начнем с теоретической стороны этого вопроса.

• Изучаем теорию – что происходит внутри камеры сгорания
• Степень сжатия на практике – как это происходит
• Изменение степени сжатия – как улучшить показатели

Изучаем теорию – что происходит внутри камеры сгорания

Давайте же посмотрим каким образом дизтопливо заставляет мотор работать. Весь процесс деятельности дизельного двигателя можно разделить на четыре взаимосвязанных этапа (четырехтактная система): этап впрыска (впуска), этап сжатия, этап расширения (его еще называют «рабочий ход»), этап выпуска отработанного газа. Повторение, раз за разом, такого цикла обеспечивает движение автомобиля. Но сегодня мы не будем детально разбирать каждый этап и сосредоточим свое внимание в основном лишь на процессе сжатия.

В теории, степень сжатия характеризуется соотношением объемов пространства над рабочим поршнем, в процессе прохождения им нижней и верхней мертвой точки. Иными словами, данное понятие выражает разницу давления в камеры сгорания, когда топливо впрыскивается в цилиндр, соответственно относится исключительно к поршневым двигателям, обладающими такой камерой. Степень сжатия чем то схоже с понятием «компрессии», некоторые их даже путают, хотя на деле они совершенно разные.

Компрессия характеризуется размеренностью давления и ее можно измерить в Атмосферах, Барах или Паскалях, чего нельзя сказать про степень сжатия, так как это величина относительная, представляющая собой соотношение объема полного цилиндра и объема камеры сгорания. Данный параметр не меняется на протяжении всего строка службы двигателя и чаще всего его указывают в технических характеристиках.

Практически измерить степень сжатия невозможно, но многие автолюбители прибегают для этого к математическим расчетам (например 10:1). Оптимальным соотношением для дизельных двигателей считается 18-22:1, при котором мотор способен работать наиболее эффективно. Со степенью сжатия напрямую связано качественное использование дизельного топлива, ведь чем выше поднимается давление в камере (повышается сжатие), тем меньше расходуется топливо, что совсем не означает снижение мощности, даже наоборот — она может увеличиваться.

Степень сжатия на практике – как это происходит

Как мы уже знаем, работа двигателя стает возможной благодаря воспламенению образующейся смеси паров топлива и воздуха. Такая горючая смесь расширяется, толкая поршень, который, в свою очередь, вращает каленной вал. Давление в камере при этом значительно возрастает и двигатель совершает один такт работы.

Если степень сжатия возрастает — увеличивается и сила давления на поршень, заставляя мотор совершать больше полезной работы. На дизельных двигателях, для большей эффективности использования высокой степени сжатия, не используют дроссельную заслонку.

Вместо этого, мощность мотора регулируется количеством топлива, которое впрыскивается в цилиндр. Это способствует сильному сжатию воздуха в цилиндре, даже при низкой мощности (например когда в камеру сгорания впрыскивается незначительное количество топлива), при чем выделяется достаточное количество тепла для воспламенения и очень обедненной смеси.

Однако, увеличив степень сжатия Вы не всегда сможете добиться увеличения мощности. В случае, когда статистическая степень сжатия находится близко к пределу детонации для конкретно используемого топлива, то продолжение возрастания сжатия способно ухудшить надежность и мощность двигателя.

Казалось бы, что происходящие процессы должны влиять на безопасность окружающих, так как получающаяся смесь обладает повышенной взрывоопасностью, но на практике практически ничто и никогда не взрывается, как же так? Все дело в том, что в камеру сгорания топливо впрыскивается после того как в ней сжимается чистый воздух, при чем общее количество топлива в топливно-воздушной смеси не меняется, а за счет большого количества воздуха оно сгорает со значительно высоким уровнем коэффициента полезного действия.

Сегодня производители практически сняли с производства дизельные двигатели, имеющие низкую степень сжатия, так как в условиях нынешней рыночной экономики все большее количество людей стремятся к накоплению денежных средств, а расход большего количества топлива никак этому не способствует. Их место заняли высокооборотные дизельные двигатели с возможностью большей степени сжатия. Также практически исчезло из рынка низкооктановое топливо, так как потребность в нем отпала вместе с ограничением выпуска моторов для которых оно было предназначено.

Изменение степени сжатия – как улучшить показатели

Понятно, что смесь, попадающая в камеру сгорания должна равномерно гореть сопровождая процесс движения поршня вниз и ни в коем случае не взрываться, ведь только при соблюдении подобного условия, можно говорить про максимально эффективный расход топлива и равномерное изнашивание деталей поршневой системы. Проблема состоит в скорости, с которой такая смесь сгорает, так как это происходит быстрее, чем поршень успевает пройти свой путь.

В этом кроется главная сложность увеличения степени сжатия, встающая на пути водителей, задавшихся этой целью. В такой ситуации, увеличение давления повлияет на самопроизвольное возгорание смеси (преждевременное воспламенение), когда поршень еще не успел полностью завершить начатую фазу сжатия. Энергия, при этом, образует ненужное сопротивление и попусту растрачивается.

Еще одной проблемой можно назвать выделение слишком большого количества энергии, что приводит к взрыву (детонации). О том, какие последствия может иметь это явление говорить, лишний раз, не приходится.

Как видите, увеличение степени сжатия не только сложный, но и опасный процесс, тем не менее находятся смельчаки, которые все же решаются на это. Делается это двумя основными способами:

Устанавливается более тонкая прокладка двигателя, но так как при этом клапана и поршни могут столкнуться, необходимо все тщательно рассчитать. Возможен, также, вариант установки новых поршней с большими углублениями для клапанов. Нужно учитывать и тот факт, что при применении данного способа, нужно будет заново настраивать фазы газораспределения, которые непременно изменятся.

Растачиваются цилиндры двигателя, при чем поршни нужно будет заменить. Такой метод не только повышает степень сжатия, но и увеличивает рабочий объем двигателя. Благодаря соотношению прежнего объема камеры (он не меняется) и увеличеного объема цилиндра в большую сторону меняется степень сжатия.

Повысив степень сжатия, Вы не всегда можете получить желаемую прибавку в мощности. Чем под большую степень сжатия двигатель настроен изначально, тем меньшей будет прибавка. Другими словами, повышение мощности Вашего автомобиля, с изначальным показателем сжатия 8 будет более эффективным, чем у Вашего соседа, обладающим двигателем с аналогичным показателем в 13.

Если самостоятельно страшно вносить какие либо изменения в работу двигателя, а увеличить общую мощность автомобиля все-таки хочется, на помощь Вам придет альтернативный вариант повышения давления в камере сгорания и называется он «турбо-нагнетатель». Установив на транспортное средство такое устройство, объем камеры сгорания не изменится, но мощность существенно увеличится (иногда на 50% от изначальных показателей).

Еще одним преимуществом данного изобретения является относительная легкость монтажа, не требующее вмешательства специалистов, а значит не придется совершать лишние растраты. Правда, многие автолюбители все же предпочитают обращаться в сервисные центры, что может самое верное решение.

Принцип работы всех нагнетателей базируется на подачи большего количества воздуха и горючего на впуске, при чем объем камеры сгорания не меняется. Благодаря этому, при сгорании увеличивается количество энергии и возрастает мощность двигателя.

Как бы не хотелось увеличить степень сжатия дизельного двигателя своего автомобиля, всем автолюбителям стоит учитывать и дополнительную нагрузку на детали, которая возрастает вместе с увеличением количества энергии тепла. В следствии этого быстрее изнашиваются клапаны, прогорают поршни и выходит из строя система охлаждения. Также, несмотря на то, что турбонадув можно установить самостоятельно, демонтировать его, даже профессионалы не всегда смогут Вам помочь, а в особо тяжелых случаях двигатель может просто взорваться, причем страховка тут уже не поможет.

Так что, стоит или не стоит вмешиваться в предусмотренную производителем конструкцию мотора — решать Вам, но всегда помните о возможных последствиях. Тем более, на многих, выпускаемых сегодня, автомобилях устанавливают интеркулеры, позволяющие увеличивать наполнение цилиндров до 20%, что также значительно повышает мощность.

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.