Степень сжатия двигателя

Степень сжатия двигателя

24 февраля 2020 Категория: Полезная информация.

Степенью сжатия называется одна из основных характеристик двигателя внутреннего сгорания (ДВС). От нее напрямую зависит мощность мотора, топливная экономичность, а также динамика автомобиля.

Воздушно-топливная смесь поступает в цилиндр, когда соответствующий поршень находится в самом нижнем положении (нижняя мертвая точка). В это время она занимает максимально возможный объем, который уменьшается по мере движения поршня в верхнем направлении, и становится минимальным после достижения им крайней верхней позиции. В этот момент объем цилиндра ограничен камерой сгорания, и находящаяся в ней смесь воспламеняется. Создавшееся мощное давление оказывает воздействие на поршень, отталкивая его в нижнем направлении и, тем самым, заставляя вращаться коленвал, на котором он установлен.

Степенью сжатия называется показатель, который характеризует, во сколько раз уменьшается объем воздушно-топливной смеси при движении поршня от крайнего нижнего к крайнему верхнему положению. Говоря более простым языком, это отношение максимального объема цилиндра к объему камеры сгорания.

Влияние на мощность

Чем сильнее сжимается рабочая смесь, тем более высокое давление образуется в камере сгорания. Следовательно, поршень получает значительно больше энергии, которая естественным образом переходит на коленвал.

Вывод очевиден: чем выше степень сжатия — тем мощнее мотор. Но данный показатель не может увеличиваться бесконечно: при создании чрезмерно высокого давления может происходить крайне нежелательное явление — преждевременное воспламенение, называемое детонацией. Из-за него давление на поршень начинает создаваться еще до того, как он достигнет верхней позиции. Это становится причиной:

  • мощных и резких ударных нагрузок;
  • постоянного перегрева даже после непродолжительной работы;
  • разрушения поршневых пальцев и колец;
  • ощутимой потери динамики и мощности.

Поэтому степень сжатия должна определяться с учетом других рабочих характеристик и конструктивных особенностей конкретного двигателя.

Увеличение степени сжатия

Возможность увеличения степени сжатия без риска преждевременной детонации предусмотрена во многих двигателях. Это делается через уменьшение объема камеры сгорания (чем он меньше, тем сильнее будет сжиматься находящаяся в ней рабочая смесь). Существует три способа:

  • Расточка цилиндров. При этом увеличивается объем двигателя. Поскольку объем камеры сгорания не меняется, это повышает степень сжатия. Однако расточка цилиндров подразумевает обязательную замену поршней, что обусловлено увеличением диаметра.
  • Фрезерная обработка нижней части ГБЦ, в результате чего она укорачивается. Объем двигателя остается прежним, а у камеры сгорания — уменьшается, соответственно — повышается степень сжатия.
  • Установка более тонкой прокладки ГБЦ по сравнению с имеющейся. Это также приведет к уменьшению объема камеры сгорания при неизменном объеме двигателя.

Подробнее о том, как увеличить мощность дизельного двигателя читайте в нашем материале.

В двух последних случаях следует учитывать вероятность столкновения поршней с клапанами. Поэтому перед модернизацией двигателя следует провести точные расчеты. Одним из вариантов решения проблемы является установка поршней, имеющих увеличенные выемки под клапана (они предназначены, в том числе, для подобных операций).

Уменьшение степени сжатия

Процедура приводит к снижению мощности двигателя, но позволяет перевести двигатель на более дешевый низкооктановый бензин. Чтобы уменьшить степень сжатия, следует увеличить объем камеры сгорания. Это делается через повышение высоты прокладки под головкой блока цилиндров. Алгоритм прост: между двумя стандартными прокладками подкладывается третья, сделанная из алюминия.

Технология была широко распространена в советские времена, когда владельцы карбюраторных «Жигулей» и «Москвичей» массово переводили свои машины с 92-го на более дешевый 76-й бензин. На современных автомобилях, оснащенных электронными системами управления двигателем, проводить данную процедуру крайне не рекомендуется: с экономической точки зрения это бессмысленно, а с технической — может привести к серьезным неполадкам.

Иногда проще купить новый элемент двигателя, чем производить ремонт. Найти нужные запчасти вы можете у нас!

Источник:
http://www.dieselkraft.by/poleznaya-informatsiya/stepen-szhatiya-dvigatelya.html

Что такое такое степень сжатия двигателя и на что она влияет

От величины сжатия зависит термический КПД двигателя. Но с ростом степени повышается и риск детонации, поэтому при форсировке и капитальном ремонте следует уделить время расчетам. Давайте рассмотрим, как увеличить степень сжатия двигателя, взаимосвязь компрессии и степени, и чем примечателен двигатель цикла Миллера-Аткинсона.

Как связаны степень сжатия и компрессия двигателя?

Степень сжатия в цилиндрах мотора – величина абсолютная и рассчитывается математически. На практике это соотношение отображает коэффициент сжатия поступившей в цилиндр топливной смеси на такте впуска. Понятие компрессии означает пиковое давление в камере сгорания в конце такта сжатия и может быть измерено практически. Компрессия хоть и является производной от степени сжатия, но зависит от многих факторов:

  • герметичность цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) и клапанного механизма;
  • мощность стартера, состояние АКБ и качество контактов, влияющее на количество оборотов стартера.

Форсирование двигателя путем увеличения степени сжатия

Чем выше степень, тем горячее воздух в конце такта сжатия и тем выше КПД двигателя. Но повышение одного параметра не гарантирует линейное возрастание второго. Наибольший прирост мощности ощущается при повышении степени до 10-11 единиц.

К примеру, увеличив степень сжатия стандартного ВАЗовского мотора с 9.8 до 11, мы в теории получаем прирост термического КПД на 4%. Тест на стенде при этом покажет куда более скромное значение – 2,5%. Повысив степень сжатия того же мотора еще на единицу, мы получим фактическую прибавку в 4.5%. Моментная характеристика возрастет главным образом на низких и средних оборотах. Дальнейшее увеличение степени сжатия без перехода на высокооктановое спортивное топливо и вовсе не даст результат.

Причина такого явления — в детонации, которая возникает в случае слишком высокого пикового давления в камере сгорания. При контакте с разогретым воздухом в таком случае смесь самовоспламеняется еще до момента подачи искры. При этом фронт пламени распространяется со скоростью более 2000 м/с, тогда как значение при нормальном сгорании не превышает 250-300 м/с.

Ударная волна такой силы оказывает разрушительное давление на цилиндры, стенки камеры сгорания, поршни. Также значительно повышается температура выхлопных газов, что приводит к прогоранию днища поршня, клапанов.

Поэтому тюнинг со сжатием следует проводить после точного математического расчета и с прицелом на октановое число бензина.

Основные методы увеличения

  1. Уменьшение толщины ГБЦ, БЦ. С привалочной плоскости головки и блока методом фрезеровки либо шлифовки снимается слой металла и уменьшается объем камеры сгорания.
  2. Установка поршней с выпуклостями. Цель, как и в предыдущем методе – уменьшение объема камеры сгорания.
  3. Увеличение хода поршня за счет установки другого коленчатого вала, шатунов.

Как работает двигатель с изменяемой степенью сжатия?

До недавнего времени показатель степени закладывался инженерами на этапе разработки и был фиксированным вне зависимости от режима работы двигателя. Нормальное значение для современных бензиновых моторов варьируется от 8 до 14 единиц, традиционно высокая степень сжатия у дизельных моторов – 18-23.

Ужесточение экологических норм заставляет гениев инженерной мысли искать новые пути увеличения термического КПД. Одно из таких решений – двигатель с изменяемой степенью сжатия. Было разработано несколько вариантов динамического изменения степени:

  • дополнительная секция в полости ГБЦ. Открытие секции позволяет увеличить объем камеры сгорания, уменьшая тем самым степень. Система не получила распространения из-за избыточного усложнения конструкции ГБЦ;
  • поршни с изменяемой высотой. Конструкция получилась слишком громоздкой, появились проблемы с перекосом поршней и уплотнением ЦПГ;
  • регулировка высоты подъема коленчатого вала. Изменение степени сжатия осуществляется за счет специальных эксцентриковых муфт, которые регулируют высоту опорных подшипников коленвала. Технология долгое время тестировалась концерном VAG, но так и не вошла в серию;
  • регулировка высоты поднятия ГБЦ. Специальный механизм с электроприводом и шарнирное соединение частей блока двигателя позволяли регулировать степень от 8 до 14 единиц. Разрабатывалась технология инженерами SAAB, но из-за ненадежности резинового кожуха, герметизирующего подвижные части блока, и излишней сложности конструкции также не пошла в серию;

  • шатун с изменяемой длиной. Высота шатуна регулировалась специальным реечным механизмом с помощью давления масла. Как и в предыдущих случаях, разработка французских инженерах не была внедрена в массовое производство;

  • траверсный механизм сочленения шатуна с коленчатым валом. За счет изменения угла поворота траверсы уменьшается либо увеличивается ход поршня. Разработка инженеров Infiniti используется на двухлитровом моторе VC-T, который сейчас устанавливается на кроссовер QX50. Двигатель развивает максимальную мощность в 268 л.с. и пиковый крутящий момент 380 Нм.

Цикл Миллера-Аткинсона

Большую известность цикл Миллера-Аткинсона получил благодаря рекламным брошюрам компании Mazda. Маркетологи гордо заявляют, что инженерам удалось поднять степень сжатия двигателей модели Skyactive до 14 единиц. На самом деле речь идет о геометрической степени сжатия, а не о фактической.

Трюк заключается в том, что во время поднятия поршня на такте сжатия выпускные клапаны еще долгое время открытые, из-за чего часть свежего воздушного заряда выталкивается в выхлопной тракт. Поэтому фактическая степень близка к стандартным для бензиновых моторов 12 единицам. Увеличение термического КПД при этом достигается за счет более эффективного использования энергии расширяющихся газов на такте рабочего хода. За счет большего хода (увеличен диаметр кривошипа) газы дольше давят на поршень. Поэтому при сгорании одной и той же доли топлива, в сравнении с обычным циклом Отто, на коленчатый вал передается больший крутящий момент. Технология позволяет в режимах малых и средних нагрузок значительно уменьшить расход топлива и количество вредных выбросов.

Математический расчет

Степень сжатия двигателя внутреннего сгорания равняется объему камеры сгорания к рабочему объему цилиндра и рассчитывается по формуле (V + C)/C = CR, где

  • V — объем цилиндра, когда поршень находится в нижней мертвой точке (НМТ). Для расчета необходимо сумму объемов всех цилиндров (указывается в технической характеристике ДВС) разделить на количество котлов;
  • С — объем камеры сгорания, когда поршень в верхней мертвой точке (ВМТ). Включает в себя объем полости ГБЦ, прокладки ГБЦ и выемок в цилиндре. Если поршень имеет выпуклость, ее объем отнимается от общего объема камеры сгорания.

Вычислить степень сжатия математически довольно непросто из-за сложной геометрической формы камеры сгорания. Поэтому на практике применяются 2 основные методы вычисления.

Видео:Как измерить степень сжатия правильно.

Практический расчет методом проливки

Суть измерения заключается в поочередном заполнении жидкостью площади над поршнем, когда тот находится в верхней мертвой точке, и стенок камеры сгорания ГБЦ. Для измерения нам необходим кусок оргстекла, в котором будут пропилены отверстия для вкручивания болтов ГБЦ и отверстие для заливки жидкости. Между оргстеклом и блоком необходимо установить уже использованную (обжатую) прокладку. Стенки цилиндров для увеличения гидроплотности необходимо смазать густой консистентной смазкой (литиевой либо обычным солидолом).

Притянув оргстекло болтами, заполните образовавшейся объем жидкостью. Объем поместившейся воды будет соответствовать объему надпоршневого пространства. Аналогичный тест проводится и с головкой блока. При этом клапана должны быть притерты, между седлами и тарелками нанесена консистентная смазка. Сумма объема залитых жидкостей и будет объемом камеры сгорания.

Чтобы рассчитать степень сжатия на онлайн-калькуляторе , также будет необходимо измерить величину хода поршня и диаметр цилиндра. Все эти значения помогут вычислить объем двигателя, который изменяется при каждой фрезеровке плоскостей БЦ, ГБЦ, установке поршней иной геометрической формы, расточки цилиндров либо установке других шатунов, коленчатого вала.

Читайте также  Неисправности форсунок двигателя, диагностика и чистка в домашних условиях

Можно ли рассчитать степень, измерив компрессию?


Компрессия напрямую зависит не только от понятия степени сжатия двигателя, но и от природы сжимаемого газа и условий в камере сгорания. На практике зависимость этих параметров выливается в формулу Р = Ро*Ɛƴ, где

  • Ро – начальное давление в цилиндре, принимаемое за 1;
  • Ƴ – адиабатический показатель для воздуха. В двигателе внутреннего сгорания при сжатии часть тепла отдается стенкам цилиндра, камеры сгорания; происходит утечка части газа через неплотности, а воздух перемешан с частичками топлива, поэтому процесс считается недиабетическим. Показатель политропы при этом равняется не эталонным 1.4, а приближенным к фактическим 1.2.

Все это значит, что, измерив компрессию, мы можем вычислить показатель степени сжатия двигателя. К примеру, при компрессии 15,8 степень сжатия будет близка к 10 единицам. Чтобы уменьшить погрешность, нужно соблюсти все правила измерения компрессии:

  1. Свечи должны быть выкручены.
  2. Дроссель открыт на 100%.
  3. Отключена подача топлива.
  4. АКБ должна быть полностью заряжена. При этом емкости должно хватать на измерения компрессии во всех котлах.
  5. Стартер должен быть исправен, а на проводах его питания отсутствует значительное падение напряжение из-за окислов.

Источник:
http://topmekhanik.ru/stepen-szhatiya-dvigatelya/

Что такое степень сжатия двигателя

Силовые агрегаты современных легковых автомобилей представляют собой сложные технические конструкции, и их работа определяется множеством различных параметров. Начинающим автолюбителям бывает очень непросто разобраться с тем, что же именно под каждым из них подразумевается. К примеру, о том, что такое степень сжатия двигателя в действительности не знают даже опытные автолюбители. Вернее, они считают, что им эти известно, но на самом деле очень часто путают этот параметр с компрессией.

Что такое степень сжатия и чем она отличается от компрессии

Иллюстрация степени сжатия 10:1

Каждый двигатель внутреннего сгорания функционирует за счет того, что в его цилиндрах при сжигании топливной смеси образуются газы, которые приводят в движение поршни, а они, в свою очередь — коленчатый вал. Таким образом, происходит преобразование энергии горения в энергию механическую, возникает крутящий момент, благодаря чему автомобиль движется.

Сгорание топливной смеси происходит в цилиндрах, причем перед воспламенением поршни сжимают ее до определенного объема. Именно отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания и называется степенью сжатия ДВС. Эта величина не имеет размерности и выражается простым соотношением. Для большинства современных бензиновых двигателей внутреннего сгорания она составляет от 8:1 до 12:1, а для дизельных моторов — от 11:1 до 14:1.

Под компрессией понимается максимальное значение давления, которое возникает в камере сгорания в самом конце такта сжатия топливной смеси. Таким образом, эта величина является не относительной, а абсолютной величиной. Для ее измерения используются такие единицы, как атмосферы, кг/см 2 , а также килопаскали или бары. Компрессия тесно связана со степенью сжатия, однако совсем не идентична ей. На ее значение оказывает влияние не только объем, до которого сжимается топливная смесь перед воспламенением, но и такие факторы, как ее состав, текущая температура двигателя, наличие зазоров в приводах клапанов и некоторые другие.

На что влияет степень сжатия двигателя

Нормальное сгорание смеси (вверху) и детонация (внизу)

Степень сжатия двигателя напрямую влияет на то количество работы, которое производит силовой агрегат. Чем она выше, тем больше энергии выделяется при сжигании топливной смеси, и, соответственно, тем большую мощность демонстрирует силовой агрегат. Именно по этой причине в конце прошлого века производители двигателей внутреннего сгорания старались делать свою продукцию мощнее именно за счет увеличения степени сжатия, а не за счет увеличения объемов цилиндров и камер сгорания. Следует заметить, что при форсировании моторов таким способом достигается существенный прирост мощности без дополнительного потребления топлива. Таким образом, моторы в итоге получаются не только мощными, но еще и экономичными.

У такого метода есть, однако, и свои ограничения, причем довольно существенные. Дело в том, что при сжатии до определенной величины топливная смесь детонирует, то есть происходит ее самопроизвольный взрыв. Это, правда, касается только бензиновых двигателей: в дизельных моторах детонации не происходит, и во многом именно поэтому они в среднем имеют более высокую степень сжатия.

Для того чтобы серьезно увеличить значение давления детонации, повышают октановое число бензина, что существенно удорожает топливо. Кроме того, многие химические добавки, которые для этой цели используются, ухудшают экологические параметры двигателей внутреннего сгорания. Некоторые не очень опытные автомобилисты считают, что чем выше октановое число бензина, тем больше энергии он выделяет при сгорании, однако на самом деле это совсем не так: эта характеристика не оказывает никакого влияния на теплотворную способность топлива.

Читайте также: Какая компрессия должна быть в двигателе.

Как рассчитывают степень сжатия двигателя

Поскольку очень желательно, чтобы двигатель внутреннего сгорания, установленный на автомобиле, имел максимально возможную степень сжатия, то необходимо уметь ее определять. Важно это еще и для того, чтобы при регулировке силового агрегата, направленной на его форсирование, избежать опасности детонации, которая может просто разрушить мотор.

Стандартная формула, по которой рассчитывается степень сжатия двигателя внутреннего сгорания, имеет следующий вид:

  • CR=(V+C)/C,
  • где CR — степень сжатия двигателя, V — рабочий объем цилиндра, C — объем камеры сгорания.

Для того чтобы определить значение этой величины для одного цилиндра, нужно сначала разделить общий рабочий объем силового агрегата на их количество. Таким образом определяется значение параметра V из приведенной выше формулы. Определить объем камеры сгорания (то есть значение величины С) несколько сложнее, но вполне возможно. Для этого опытные автомобилисты и механики, специализирующиеся на ремонте и наладке двигателей внутреннего сгорания, используют бюретку, которая проградуирована в кубических сантиметрах. Наиболее простой способ заключается в том, чтобы залить в камеру сгорания жидкость (например, бензин), а после этого измерить с помощью бюретки ее объем. Полученные данные нужно подставить в формулу расчета.

На практике значение степени сжатия двигателя обычно определяется в следующих случаях:

  • При форсировании силового агрегата;
  • При его приспособлении для функционирования с топливом другого октанового числа;
  • После проведения такого ремонта ДВС, когда требуется корректировка степени сжатия.

Как изменить степень сжатия двигателя

У современных двигателей внутреннего сгорания меняют степень сжатия как в сторону увеличения, так и в строну уменьшения. Если ее необходимо увеличить, то растачивают цилиндры и устанавливают поршни большего диаметра. Еще один достаточно распространенный способ — это уменьшение объема камер сгорания. Для этого там, где головка цилиндров сопрягается с блоком, удаляется слой металла. Эту операцию производят на строгальном или фрезерном станке.

Если по тем или иным причинам нужно снизить степень сжатия двигателя внутреннего сгорания, то проще всего для этого между блоком цилиндров и головкой установить дополнительную прокладку из дюралюминия. Еще один, более сложный способ состоит в том, что на токарном станке с днища поршня удаляется слой металла.

Источник:
http://avtonov.com/%D1%87%D1%82%D0%BE-%D1%82%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%B5-%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BF%D0%B5%D0%BD%D1%8C-%D1%81%D0%B6%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%8F-%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8F/

Что такое геометрические параметры двигателя: объем и степень сжатия

Многим водителям известны такие понятия, как степень сжатия двигателя, компрессия и объем, но даже опытные автовладельцы порой смутно понимают значение геометрических показателей мотора и на что они влияют. Зачастую их просто путают между собой. В статье рассмотрим каждый показатель в отдельности и попробуем внести ясность.

Объем двигателя

Прежде чем говорить о компрессии и степени сжатия, разберемся с понятием объема. У цилиндра существует 3 вида объемов:

В полный объем входит рабочий объем и объем камеры сгорания. Каждый мотор имеет определенное количество цилиндров. Чтобы узнать общий объем двигателя, нужно сложить параметры каждого цилиндра.

Объемы цилиндра двигателя

Для расчета рабочего объема одного цилиндра, нужно умножить площадь сечения цилиндра на длину рабочего хода поршня. Длина хода поршня определятся расстоянием от нижней мертвой точки (НМТ) до верхней мертвой точки (ВМТ), т.е. от максимально нижнего до максимально верхнего положения поршня.

По формуле это выглядит так: Vраб. = πr 2 h, где π = 3,14, r – радиус, h – длина рабочего хода поршня.

Например, если объем одного цилиндра составил 499 кубических сантиметров, а цилиндров четыре, то нужно умножить 499 на 4 и получим 1996 кубических сантиметров. Далее, округляем до 2000 и делим на 1000, чтобы получить значение в литрах. Таким образом, рабочий объем двигателя составит 2 литра.

Объем двигателя – это параметр ДВС, который определяет его мощность.

В большинстве стран стоимость автомобильного налога зависит от рабочего объема двигателя. Чем он больше, тем дороже обходится налог. Например, объем мотора японского автомобиля “Kei Car” всего 0,66 кубических сантиметров. Владельцы этих машин вообще не платят дорожный налог.

Рабочий объем любого двигателя измеряется в кубических сантиметрах или литрах. Исходя из объема, автомобили делятся на категории:

  • микролитражные (не больше 1,1 литра);
  • малолитражные (от 1,2 до 1,7 литра);
  • среднелитражные (от 1,8 до 3,5 литра);
  • крупнолитражные (от 3,6 и больше).

Чем больше объем, тем больше топливно-воздушной смеси помещается в каждой камере сгорания. Этот показатель напрямую влияет на расход топлива, но вместе с тем увеличивается мощность автомобиля.

Что такое степень сжатия

Движение поршня происходит в результате давления газов, которые образуются при сгорании топливно-воздушной смеси. Перед воспламенением смесь сжимается поршнем в цилиндре. Оставшийся объем в цилиндре после полного сжатия топлива (объем над поршнем в ВМТ) называется камерой сгорания.

Степень сжатия – это отношение объема камеры сгорания к полному объему цилиндра. Она рассчитывается по формуле: ξ = (Vр + Vс) : Vс, где Vр – это рабочий объем, Vс – объем камеры сгорания.

Степень сжатия

Например, полный объем цилиндра равен 500 кубических сантиметров, а объем камеры сгорания 50 кубических сантиметров. Сжатие в 10 раз. Значит, степень сжатия будет равна 10:1.

Степень сжатия является соотношением и относительной величиной.

Процесс сжатия в дизельных двигателях

Как правило, в дизельных двигателях степень сжатия значительно выше. Если в бензиновых двигателях она в среднем составляет 10:1 – 12:1, то у дизелей значение может достигать от 15:1 до 22:1. Рабочий процесс в дизельном моторе происходит следующим образом: вначале в цилиндр попадает чистый воздух, который за счет большой степени сжатия разогревается до 700-900°С. Дизтопливо впрыскивается под высоким давлением в камеру сгорания при подходе поршня к ВМТ. А так как воздух уже сильно разогрет, после смешивания с ним происходит воспламенение топлива. Возгорание под давлением (без необходимости применения сложной системы зажигания) является главным преимуществом дизельного двигателя. Но, с другой стороны, повышаются требования к герметичности. Также необходим насос высокого давления, который является одним из слабых мест такого типа силовых агрегатов.

Кратко о компрессии

Если со степенью сжатия все понятно, то перейдем к термину компрессия. Под этим понятием понимается максимальный уровень давления, который возникает в камере сгорания в момент перед сгоранием топлива. Если степень сжатия это условная величина, то компрессия является абсолютной величиной и измеряется в атмосферах, килограммах на кубический сантиметр (кг/см 2 ).

Компрессия — это давление в цилиндре, степень сжатия — безразмерный параметр, описывающий геометрические характеристики цилиндра.

Читайте также  Немец или японец

Между этими двумя понятиями есть тесная связь, но на компрессию влияет не только уровень сжатия, но также герметичность компрессионных колец и клапанов, температура двигателя, температура горения топлива и многое другое. Более подробно о компрессии можно почитать в отдельной статье на нашем сайте.

На что влияет степень сжатия двигателя

Она оказывает влияние на количество работы, производимой двигателем. Чем выше степень сжатия, тем больше энергии выделяется при сжигании топливно-воздушной смеси. Соответственно, это отражается на мощности силового агрегата. В конце прошлого века автопроизводители добивались увеличения мощности именно путем повышения степени сжатия.

Производительность двигателя и степень сжатия

Этот метод имеет определенные ограничения. Дело в том, что нельзя сжимать смесь до бесконечности. Есть определенный предел и если этот предел превысить, то происходит самопроизвольное воспламенение смеси (детонация). Но это правило относится только к бензиновым двигателям.

Степень сжатия и октановое число бензина

Известно, что каждому бензиновому двигателю соответствует определенное октановое число топлива.

Октановое число бензина определяет его детонационную стойкость.

Чем выше степень сжатия и компрессия, тем большим октановым числом должно обладать топливо. Например, низкооктановое топливо вызовет детонацию в двигателе с высоким уровнем сжатия, т.к. воспламенится раньше времени. Если же компрессия и сжатие невысокое, а используется высокооктановое топливо, то двигатель не сможет достичь полной мощности, т.к. топливо с большим октановым числом обычно горит с меньшей температурой и медленнее. Из-за скорости горения ниже расчетной может получиться так, что на фазе выпуска через клапан вместо отработанных газов будет выпущена еще горящая смесь. Следовательно, детали двигателя будут перегреваться, особенно клапаны и возможен их прогар.

Рассмотрим двигатели с разной степенью сжатия и рекомендуемым октановым числом топлива:

Источник:
http://techautoport.ru/dvigatel/teoriya/geometricheskie-parametry-dvigatelya.html

Степень сжатия двигателя — что это такое

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется
степенью сжатия — Е.

(Степень сжатия двигателя Lada Niva 4×4 — 9.3. (см. здесь) )

Всё коротко и ясно. Но вот достаточно ли? Конструкция силовой установки — это только способ или система, которая тепловую энергию сгоревшего топлива превращает в механическую энергию вращающихся частей двигателя. Понятия «сжатие”, «расширение», «рабочее тело» обязывают ещё рассматривать физико-химические процессы, происходящие в цилиндрах двигателя. А эти процессы невозможны без температуры, которая, в свою очередь, задаётся степенью сжатия. Эффективность использования расширяющихся газов зависит от степени расширения. И вот, при рассмотрении этих процессов в самом общем виде можно и нужно кое-что уяснить. Всё по порядку.

Степень сжатия является одной из характеристик двигателя. Она показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси или воздуха при перемещении поршня из НМТ в ВМТ. По этой характеристике можно определить вид топлива, применяемый в двигателе; устаревшая модель двигателя или совершенная; это дизельный двигатель с раздельными камерами сгорания или дизельный двигатель с непосредственным впрыском.

Повышение степени сжатия позволяет увеличить мощность двигателя и улучшить его экономичность. Возможность увеличения степени сжатия определяется главным образом свойствами топлив, токсичностью отработанных газов и нагрузкой на детали двигателя; для бензиновых автомобильных двигателей Е= 6,5 -14, а для дизеля Е = 15-24.

В дизельных двигателях с увеличением степени сжатия Е повышаются температура и давление воздуха в момент начала впрыска. В результате этого задержки воспламенения уменьшаются, снижается скорость нарастания давления, и работа двигателя становится более мягкой. Однако при больших Е (вследствие более высоких давлений в цилиндре) необходимо увеличивать массу деталей кривошипно-шатунного механизма для повышения прочности. Это приводит к возрастанию механических потерь. Нужно помнить о том, что в результате сгорания топливовоздушной смеси объём цилиндра заполняется смесью азота, углекислого газа и водяных паров, и что при высокой температуре (свыше 2000°С) в камере сгорания происходит диссоциация воды на водород и кислород, а углекислого газа — на окись углерода и кислород. На это затрачивается значительное количество теплоты — рост температуры рабочего тела тормозится.

Увеличение степени сжатия в бензиновых двигателях ограничено в связи с возможностью возникновения детонации. Детонационное сгорание, продолжающееся некоторое время, может привести к повреждению двигателя.

Степень сжатия — характеристика двигателя, заданная конструктором. Проверять её нет необходимости, и только при ремонте двигателя нужно строго выполнять технические условия сборки конкретного двигателя.

Является ли степень сжатия величиной постоянной? Или степень сжатия — величина переменная?

Если допустить, что степень сжатия — величина постоянная, то мы получим две другие постоянные величины — температуру и давление. Но такого произойти не может. Нельзя рассматривать работу двигателя, принимая во внимание только его конструкцию.

Для того чтобы появились температура и давление, нужно что-то сжимать (степень сжатия). Это что-то -воздух или топливовоздушная смесь (рабочее тело).

Нагрузка двигателя регулируется путём дросселирования воздуха, что является непременным условием сохранения примерно постоянного состава топливовоздушной смеси в бензиновом двигателе. В дизельном двигателе нагрузка регулируется изменением количества топлива, подаваемого в камеру сгорания.

Другими словами, мы управляем мощностью двигателя путём изменения количества рабочего тела в его цилиндрах.

На современных автомобилях применяются электронные системы управления, способные быстро и точно рассчитать состав и количество рабочего тела, своевременно и в нужном количестве подать его в цилиндры двигателя с учётом многих факторов, влияющих на работу силовой установки в целом.

Вспомним некоторые режимы работы двигателя — холостой ход, частичная нагрузка и максимальная нагрузка. Для каждого из этих режимов работы двигателя необходимо определённое количество рабочего тела в соответствии с положением педали подачи топлива.

Для режима холостого хода необходимо минимальное количество рабочего тела, для режима максимальной нагрузки — максимальное.

Если заполнить максимальным количеством рабочего тела объём между поршнем, находящимся в НМТ, и головкой блока (максимальная нагрузка), а затем переместить поршень в ВМТ, то рабочее тело сожмётся до какой-то плотности. После проведённых расчётов мы получим реальную степень сжатия рабочего тела. Эта реальная степень сжатия не может быть выше (для атмосферных двигателей) степени сжатия, предусмотренной при конструировании конкретного двигателя.

Это обусловлено рядом факторов, влияющих на количество свежего заряда, поступившего в цилиндр двигателя, — гидравлического сопротивления впускной системы, наличие в цилиндре остаточных газов, подогревом заряда от стенок впускной системы и пр.

Если частично заполнить рабочим телом тот же объём между поршнем, находящимся в НМТ, и головкой блока (холостой ход), а затем переместить поршень в ВМТ, то рабочее тело сожмётся до меньшей плотности. После проведённых расчётов мы получим реальную степень сжатия рабочего тела для режима холостого хода. Проводя подобные расчёты для каждого положения педали подачи топлива, мы можем рассчитать реальную степень сжатия в цилиндрах в каждый из моментов работы двигателя.

Верхний предел степени сжатия ограничен конструктивными особенностями двигателя (прочностью), свойствами топлива и т.д.

Нижний предел степени сжатия ограничен способностью топлива к воспламенению. На изменение реальной степени сжатия, в основном, влияет «насосная» характеристика цилиндров (исправная цилиндропоршневая группа -больше рабочего тела, неисправная — меньше).

Реальную степень сжатия рассчитывать не надо. Достаточно иметь возможность проверить компрессию в цилиндрах двигателя, сравнить результаты измерения с техническими данными производителя конкретного двигателя. Также необходимо проверить герметичность (производитель указывает допустимые нормы потерь — некоторые называют это проверкой на «утечки») камеры сгорания цилиндра. Если полученные данные соответствуют характеристикам, указанным производителем этого двигателя, то с реальной степенью сжатия все в порядке.

Чем выше давление (компрессия) в цилиндрах двигателя и лучше герметичность камеры сгорания -тем выше реальная степень сжатия, температура рабочего тела, и тем лучше условия для воспламенения топлива.

Любая электронная система управления двигателем учитывает изменение реальной степени сжатия и реагирует на её изменение путём своевременной коррекции состава топливовоздушной смеси и изменением времени подвода тепла.

Для двигателей с различными системами наддува количество рабочего тела в его цилиндрах будет большим, и реальная степень сжатия, соответственно, выше. Большими являются при этом температурные и механические нагрузки. Двигатели с системами наддува отличаются от атмосферных двигателей большей мощностью и конструктивно.

На рисунке 1 (а) показано поле реальных степеней сжатия, полученное путём измерения давлений конца сжатия в бензиновом двигателе с геометрической степенью сжатия Е = 8,5. Верхняя граничная кривая показывает реальную степень сжатия при полностью открытой дроссельной заслонке в зависимости от частоты вращения двигателя п. Ниже этой кривой показано всё поле реальных степеней сжатия при различных открытиях дроссельной заслонки.

На рисунке 1(6) показано поле реальных степеней сжатия двигателя с геометрической степенью сжатия Е = 12,5

Реальная степень сжатия зависит от технического состояния цилиндров двигателя, а также устройств, призванных изменять в этих цилиндрах количество рабочего тела (различные системы наддува).

С геометрической степенью сжатия всё понятно. С реальной степенью сжатия, я надеюсь, тоже всё будет в порядке. Во всяком случае, я старался.

На этом можно было бы и заканчивать, но есть ещё кое-что. На это «кое-что» мы иногда не обращаем внимание. Точнее, мы знаем об особенностях газообмена, но забываем о них, когда речь идёт об определении «степень сжатия».

Рис. 2. Индикаторная диаграмма четырёхтактного дизельного двигателя без наддува в координатах Р — V: а) — цикл; б) — процесс газообмена

Если внимательно посмотреть на индикаторную диаграмму (рис. 2) четырёхтактного дизельного двигателя без наддува (да и бензинового тоже), то мы увидим, что при впуске впускной клапан закрывается после того, как поршень уже начал движение от НМТ к ВМТ и даже прошёл какое-то расстояние (точка 2). То есть процесс сжатия начался несколько позже. Нечто подобное происходит и в такте расширения — выпускной клапан открывается раньше, чем поршень дошел до НМТ (точка 4).

То есть фактически степени сжатия и расширения отличаются от заданных по характеристике параметров (отношение объёмов двух геометрических фигур). И у нас есть основание назвать такие степени сжатия и расширения фактическими. А степени сжатия и расширения, соответствующие характеристике рассматриваемого двигателя — геометрическими.

Поршневой двигатель с простым кривошипношатунным механизмом имеет равные между собой геометрические степень сжатия и степень расширения.

На протяжении длительного времени (практически с момента появления двигателя внутреннего сгорания) создатели двигателей стремились максимально использовать давление расширяющихся газов. С этой целью создавались сложные системы кривошипов, способные повысить степень расширения. Но такие двигатели имели низкий механический КПД и были неработоспособны при высоких частотах вращения.

Различных степеней сжатия и расширения можно частично добиться регулированием моментов открытия и закрытия клапанов.

Для диагностов очень важно, на мой взгляд, понимание того, что сказано выше. Проблема диагностирования и ремонта двигателей с изменяемыми фазами газораспределения не рассматривалась нами на Слётах диагностов. Это говорит о том, что существующую проблему пока ещё не решали. А может быть это только моя проблема?

Мне кажется, в самый раз сейчас вспомнить пятитактный цикл Аткинсона/Мил-лера. Представьте себе двигатель, у которого геометрическая степень сжатия — 13 (для двигателя ОТТО это достаточно высокая степень сжатия), объём — 1.51, впускной клапан которого закрывается не 36 градусов после НМТ по углу поворота коленчатого вала, а 81 градус. Естественно, часть рабочего тела будет вытеснена во впускной коллектор. Вот вам и пятый цикл — вытеснение. Если допустить, что вытеснено 20% рабочего тела, то фактическая степень сжатия этого двигателя будет 10,6. Рабочий объём такого двигателя, если брать во внимание только фактическую степень сжатия, будет близок к двигателю объёмом 1.21. А фактическая степень расширения будет соответствовать нашему двигателю объёмом 1.51. Расход топлива, экологические показатели, мощность, крутящий момент. Интересно? Мне тоже интересно. Но это не тема сегодняшнего разговора.

Читайте также  Как проверить втягивающее реле стартера на исправность

Я взял этот пример из Интернета и не ручаюсь за точность всех данных, но он наглядно показывает суть цикла.

По циклу Аткинсона/Миллера на сегодняшний день работают двигатели TOYOTA Prius, 1,51 1NZ-FXE, 2,26l FORD Escap Hibrid.

Таким образом, необходимо различать:

А. Степень сжатия как одна из технических характеристик двигателя (геометрическая), она неизменна.

B. Степень сжатия фактическая — также является технической характеристикой двигателя, характеризуется фазами газораспределения, она неизменна.

В двигателях с регулируемыми фазами газораспределения степени сжатия и расширения также являются характеристикой двигателя, и их следует считать фактическими.

C. Степень сжатия реальная, меняющаяся в зависимости от:

— количества поступившего в цилиндры двигателя рабочего тела;

— частоты вращения коленчатого вала;

— технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя и т.д.

Источник:
http://lada-niva.ru/niva/stepen-szhatiya.html

Как рассчитать и изменить степень сжатия двигателя

Одним из главнейших технических показателей автомобильного мотора является коэффициент сжатия. Он показывает соотношение разницы между объёмом свободного участка над цилиндровым поршнем и под ним в крайних его положениях.

Что такое степень сжатия двигателя

Условно величину сжатия представляют и как соотношение давлений в устройстве при подаче горючего и взрыве смеси. Конкретно эта степень обусловлена конструкцией автомобильного двигателя, и может быть высокой или низкой.

Перед непосредственным процессом воспламенения горючей смеси, поршни сжимают топливо до определённого объёма. Инженеры способны варьировать этот показатель, рассчитывая его ещё на стадии проектирования. Узнав количественное соотношение данной величины к объёму камеры сгорания, можно делать различные выводы.

На бензиновых силовых установках показатель сжатия достигает максимум 12 единиц. Чем выше здесь степень сжатия двигателя или ССД, тем больше удельная мощность мотора. Однако при сильном увеличении данного показателя снижается ресурс агрегата, особенно при заправке низкосортным бензином. На дизельных моторах, ввиду их технических отличий, она может варьироваться от 14 до 18 единиц.

В бензиновые двигатели с увеличенной до 12 единиц степенью сжатия нельзя лить ничего, кроме АИ-98 Премиум. Очевидно, что это существенно удорожает расходы на топливо.

На что она влияет

ССД непосредственно определяет объём работы, произведённой ДВС. Чем изначально выше рассчитана степень сжатия, тем продуктивнее будет воспламенение. Пропорционально увеличится и отдача мотора. Вспомним, как разработчики в 90-е годы старались повышать этот показатель, полностью не модернизируя двигатель. Таким способом они конкурировали между собой, делая агрегаты мощнее, и не затрачивая при этом много средств. Но что самое интересное — моторы в этом случае не потребляли больше горючего, а даже становились экономнее.

Однако всему есть предел, и как было сказано выше, чересчур высокий коэффициент приводит к снижению ресурса ДВС. Почему это происходит? Дело в том, что при значительном сжатии топливная смесь начинает самопроизвольно детонировать, взрываться. Особенно это затрагивает агрегаты на бензине, поэтому здесь данный коэффициент имеет строгое ограничение.

Помните, что применение низкооктанового топлива становится причиной детонации на агрегатах с повышенной ССД. И наоборот, высокооктановое горючее может не позволять двигателю полностью раскрываться, если будет использовано в агрегатах с низким коэффициентом сжатия. По этой причине оба параметра должны соответствовать. Подробнее в таблице ниже.

Отличие степени сжатия от компрессии

Степень сжатия двигателя не является компрессией. Они полностью различаются, хотя многие их путают. Коэффициент, о котором идёт речь в статье, не раскрывает значение оптимального давления ТВС перед возгоранием. Измеряется ССД лишь относительно, в соотношении к единице объёма камеры.

Под компрессией принято понимать предельное значение сжатия, образуемого в камере сгорания, на конечном этапе давления горючей смеси. Данная величина априори не может быть относительной, поэтому её измеряют в абсолютных значениях — атм, кг/см2, бар.

Степень сжатия и компрессия неразрывно связаны, но не идентичны. Показатель компрессии зависит не только от сжатия. На него оказывает влияние температура ДВС, наличие зазоров в приводных клапанах, состав топлива и многое другое.

Расчет коэффициента сжатия

Ввиду того, что желательно увеличивать степень сжатия до определённого значения, необходимо уметь рассчитывать этот показатель. К тому же это даст возможность избежать детонационных моментов, разрушающих силовой агрегат изнутри в процессе форсирования.

Таким образом, необходимость в измерении этого показателя требуется в таких случаях, как:

  • форсировка мотора;
  • подгонка под топливо с другим АИ или для метанового топлива с октановым числом 120;
  • послеремонтная корректировка.

Турбированные моторы

На турбомоторах расчёт коэффициента сжатия отличается. Это объясняется наличием наддува воздуха. Поэтому в этом случае величину, полученную в ходе вычислений, умножают на показатель турбокомпрессора.

Кроме того, при вычислении степени сжатия турбированных моторов учитывается не только давление наддува, но и показатель эффективного сжатия, климатические изменения и многое другое. В данном случае процесс значительно усложняется по сравнению с измерениями на атмосферном двигателе.

Пример подсчета

Вот как выглядит общепринятая расчётная формула для автомобильного ДВС: «ССД = (РО+ОКС)/ОКС». Степень сжатия здесь отмечена как «ССД», рабочий объём цилиндра — «РО», а объём камеры сгорания — «ОКС».

Для расчёта «РО» нужно в первую очередь разложить единый объём двигателя или литраж на количество используемых цилиндров. К примеру, литраж мотора «четвёрки» — 1997 см3. Для определения ёмкости одного цилиндра, надо 1997 разделить на 4. Получится около 499 см3.

Для вычисления параметра «ОКС» специалисты пользуются проградуированной в см3 трубкой или пипеткой. Под камерой подразумевается место, где непосредственно происходит возгорание горючего. Камеру заправляют, а затем измеряют объём с помощью жидкостной бюретки. Если нет градуированной трубочки, можно жидкость выкачать с помощью шприца, а затем измерить в мерной посуде или на весах. В этом случае желательно для расчёта использовать не бензин или солярку, а чистую воду, так как её удельный вес более соотносим к объёму в см3.

Внимание! Для точного измерения «ОКС» дополнительно приплюсовывается объём толщины прокладки ГБЦ, учитывается форма днища поршней и другие особенности. Поэтому расчёт этой величины рекомендуется доверить специалистам.

Как увеличить степень сжатия двигателя

Если необходимо увеличить данный показатель, используют несколько способов:

  • расточка блока и установка поршней с большим диаметром;
  • уменьшение объёма камеры сгорания путём удаления слоя металла в месте соединения ГБЦ.

Нельзя забывать, что в некоторых случаях потребуется инсталляция модернизированных поршней. Это делается, чтобы исключить такое нежелательное последствие, как встреча поршней с клапанами. В частности, на элементах увеличивают выемки клапанов. Также в обязательном порядке корректируются заново фазы газораспределения.

Интересно, что лучше всех раскрыли потенциал степени сжатия ДВС японские производители. В то время как европейские автокомпании пошли путём усовершенствования гибридных моторов, японцам удалось увеличить ССД до 14 единиц и на бензиновых силовых агрегатах, применив изменяемую величину. Но как это возможно без детонационных моментов? Всё оказалось просто. Оказывается, нужно охладить камеру, где происходит возгорание. Тогда можно будет без опасения сжимать смесь. И вовсе не обязательно для этого использовать прохладный воздух: достаточно модернизировать систему выпуска.

Приём, давно известный ещё по гоночным движкам. Выпускные каналы меняются согласно схеме 4-2-1. Порции выхлопных газов здесь не мешаются, поочерёдно вылетают в трубу. Благодаря такой чёткой системе выхлопа, улучшается продувка цилиндров, где остаётся меньше горячих газов.

Секрет японской формулы, согласно которой можно без опаски сжимать горючую смесь, имеет строго математическое соотношение. Так, если процент выхлопа снизить в 2 раза, ССД можно поднимать на 3 единицы, но не больше. Если же при этом ещё и охлаждать воздух, поступающий в цилиндры, можно приплюсовать ещё одну единицу.

Однако для реализации данного метода нужно будет еще модернизировать газообмен, раскошелившись на фазовращатели обоих распредвалов. Вдобавок потребуется доработать некоторые моменты. К примеру, изменить длину поршневого хода посредством компьютерного вмешательства.

Применяется система изменяемого коэффициента на многих японских движках, например, для Inflniti. Способность автоматически менять этот показатель сжатия в зависимости от нагрузки позволяет значительно повышать КПД мотора, особенно турбированного. Каждая порция смеси сгорает при оптимальном на данный момент работы сжатии. Так, если нагрузки на мотор незначительные и смесь обеднённая, включается максимальное сжатие. И наоборот, в нагруженном режиме задействуется минимальная степень, так как бензина впрыскивается много и возможна детонация.

Таким образом, передовая система изменения ССД позволяет вдвое уменьшать литраж мотора, сохраняя при этом мощность и динамические характеристики.

Курс на увеличение степени сжатия двигателя наблюдался и в середине 20 века в США. Основная масса американских двигателей, выпущенных в 70-е годы, находилась в пределах 11-13 единиц. Но работали они только на очень качественном, высокооктановом топливе, получаемом путём этилирования. После того как этилирование запретили, в серийных образцах ДВС наблюдалось снижение показателя сжатия.

Важно знать, что прирост мощности будет наиболее заметен на двигателях, штатно работающих на низкой степени сжатия. Например, моторы с показателем 8 единиц, доведённые до 10, выдадут больше мощности, чем агрегаты со стоковым параметром 11 единиц, форсированные до 12.

Дефорсирование ДВС: для чего нужно и как осуществить

Иногда бывает необходимо уменьшить показатель сжатия. В этом случае устанавливается дополнительная металлическая прокладка ГБЦ. Можно использовать две прокладки вместо одной, тем самым утолщая промежуток — объём камеры растёт за счёт высоты головки блока. Более сложный способ подразумевает укорочение поршня — удаление верхнего слоя на токарном станке.

Дефорсирование двигателя, как правило, процедура вынужденная. В том числе это делается для снижения налоговых выплат или в целях увеличения ресурса агрегата. Как известно, моторы с низкой степенью сжатия дольше работают, меньше подвержены износу. Однако любой такой процесс усложняется законом, чтобы недобросовестные владельцы искусственно не занижали технические данные.

Что касается снижения показателя сжатия на турбированных моторах, то здесь потребуется модернизация системы электрики с датчиками, всей поршневой группы и форсунок, если это дизельный агрегат.

В отдельных случаях дефорсированию предпочитают свап, когда менее мощный контрактный мотор устанавливают вместо штатного.

Источник:
http://swapmotor.ru/ustrojstvo-dvigatelya/stepen-szhatiya.html