Степень сжатия: определение, на что влияет степень сжатия и можно ли ее изменить самостоятельно?

Существуют ли моторы с изменяемой степенью сжатия

Раньше инженеры автокомпаний при разработке силового агрегата изначально закладывали показатель степени сжатия, и он не менялся вне зависимости от режима работы двигателя. Однако в современных реалиях, когда многие страны ужесточили экотребования, конструкторам приходится искать новые пути увеличения термического КПД. Одно из таких решений – создание мотора с изменяемой степенью сжатия. Было разработано несколько вариантов:

  • использование поршней, высоту которых можно регулировать. Однако итоговая конструкция получилась чересчур громоздкой и стала перекашиваться;
  • установка дополнительной секции в полости ГБЦ. Это позволяет сделать объём камеры больше, однако такая конструкция сложна в производстве;
  • регулировка высоты подъема коленчатого вала. Для регуляции высоты опорных подшипников коленвала используются специальные муфты. Такая технология тестировалась автоконцерном VAG, но в серийное производство так и не пошла;
  • регулировка высоты поднятия ГБЦ. Для этого используется спецмеханизм с электроприводом. Технология была признана ненадежной и конструктивно сложной, что помешало ей выйти в серию;
  • использование траверсного механизма сочленения шатуна с коленчатым валом. Такая разработка успешно используется компанией Инфинити на паркетнике QX50, оснащенном 268-сильным агрегатом;
  • установка шатуна с изменяемой высотой. Регуляция производилась с помощью давления масла. Технология разрабатывалась специалистами из Франции и в серию не вышла.

Стоит отметить, что степень сжатия – это один из самых важных показателей в автомобилестроении. Все современные компании обращают на него особое внимание. Прогресс не стоит на месте, и некоторые авторазработчики уже вывели на рынок машины, оснащенные моторами с изменяемой степенью сжатия. Все это позволяет создавать более мощные силовые агрегаты, которые при этом не страдают «прожорливостью».

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.

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.

Определение компрессии

Для полного понимания значения этого термина отбросьте в сторону автомобильные справочники. Запомните одно: компрессия – наибольшее давление внутри цилиндра, которое возникает лишь под конец сжатия. Её измеряют в различных мерах измерения, но чаще всего она определяется именно в атмосферах. Отметим, что такой процесс постоянно изменяется из-за степени износа двигателя.

Необходимое давление в цилиндре индивидуально для каждой ёмкости и зависит от её объема. Для полного понимания разницы двух указанных выше понятий, вам стоит всего лишь посмотреть на следующую таблицу:

Модель мотора Объем (литры) Давление (атмосферы)
ЯМЗ 236 11,15 24 – 37
ЕВРО-4 11,76 33 – 39
Lexus ES 300 (б/у) 3 15 – 16
ВАЗ 2101 1,6 10 – 13
Д240 4, 75 25 – 29

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.

Возможные причины невысокого давления

Мы уже говорили, что любая величина компрессии напрямую зависит от состояния мотора. Поэтому можно выделить основные поводы для сокращения давления в цилиндре:

  • Механический выход из строя поршневой системы. Это выглядит следующим образом: на всех контактирующих друг с другом частях появляются маленькие царапины и выбоины. Все это появляется из-за использования некачественного и дешевого топлива: в процессе сгорания образуется осадок, который плохо влияет на стенки цилиндра и всего поршня в целом.
  • Заклинивание и заедание колец с уплотнением. Тут также за всем стоит плохой бензин. Когда остатки гари постоянно скапливаются, то кольца оказываются практически приклеенными к пазам на стержне, а после из-за этого не могут разжаться при нагреве. И результатом является то, что давление начинает непременно падать.
  • Сколы. Так как любая часть поршневой системы имеет свой срок работы, то так или иначе начинаются проявляться признаки износа. Из-за этого от металла медленно отпадают мелкие детали, а этот процесс может привести как к снижению давления в цилиндрах, так и к существенным повреждениям всего мотора.

Конструкция компрессометра

Это устройство имеет довольно простую конструкцию — это манометр, наконечник которого вставляется вместо свечи зажигания, для дизельных двигателей наконечник обязательно резьбовой, т.к. величина давления в цилиндрах дизеля в десятки раз больше чем бензиновых.

Проверка компрессии ДВС:
Перед замером компрессии необходимо зарядить аккумулятор, проверить исправность стартера и его электрических цепей.

  1. Завести двигатель и дать ему поработать до прогрева (не ниже 70 градусов Цельсия).
  2. Вывернуть свечи зажигания.
  3. Вставить наконечник компрессометра на место свечи проверяемого цилиндра.
  4. Полностью открыть дроссельную заслонку, для этого необходимо нажать до упора на педаль газа.
  5. Проворачивать стартером двигатель до тех пор, пока показания компрессометра не установятся на определенной величине.
  6. Зафиксировать показания стрелки, затем сбросить ее на 0.
  7. Повторить вышеперечисленные операции для оставшихся цилиндров.

Определяем степень сжатия

Что же обозначает эта степень? На самом деле так называется соотношение работающего объема цилиндра к величине камеры сгорания. Отметим, что подобная мера всегда остается неизменной и ни в чем не измеряется, поэтому будет необоснованно сравнивать её с компрессией.

Эта величина прямым образом воздействует на производительность движка: чем выше степень параметра, тем больше будет являться как давление над поршнем, так и величину вращения.

Кстати, если вы знаете степень сжатия, то сможете без труда установить размер компрессии для вашего мотора. Чтобы это сделать, умножьте известную цифру на 1,4 атмосферы.

В итоге, можно спокойной иметь ввиду полученный результат как наиболее приемлемую меру давления.

Для расчета нужной нам степени сжатия:

  1. Измерьте рабочую величину цилиндра. Чтобы это сделать, поделите общий литраж на число цилиндров. (Если их 4, а всего 1100 литров, то объем будет равняться 275).
  2. Замерьте параметры камеры сгорания. Это следует сделать во время нахождения поршня в самой высокой точке. Для облегчения задачи воспользуйтесь шприцем с моторным маслом, фиксация которого поможет вам определить верную цифру.
  3. Разделите число, полученное от первого вычисления на второе. Итоговое результат и отразит степень сжатия вашего движка.

Итак, мы может сделать следующий вывод: два рассматриваемых понятия в этой статье – два абсолютно разные процесса, проходящий в автомобиле. Если вы знаете эти основные определения, то для вас не составит никакого труда определить причину поломки вашего двигателя.

Анализ данных замера

Замер разницы компрессии по цилиндрам не должен превышать 12%. Если в каком-то цилиндре давление ниже, это явно указывает на неисправность.

Для предварительного определения неисправности необходимо в этот цилиндр добавить 5 -10 грамм моторного масла и вновь повторить замер.

Если компрессия поднялась, возможна закоксовка компрессионных колец, в этом случае может помочь процедура промывки ДВС. Если же это не помогло, необходимо обратиться к специалистам по ремонту ДВС.

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.

Характер теплообмена при сжатии

Сжатие свежего заряда в цилиндре дизеля — сложный политропный процесс, зависящий от многих факторов: параметров начального состояния заряда, температурного уровня цилиндра, конструкции двигателя, плотности поршневых колец и т. д. В начальный период сжатия, как правило, температура заряда более низкая, чем температура стенок рабочего цилиндра. Поэтому сжатие протекает с подводом тепла от стенок цилиндра к заряду. Этот участок линии сжатия на диаграмме P-V (см. рис. ниже) идет круче адиабаты, показатель политропы сжатия n больше показателя адиабаты: n1 > k.

  • Факторы, влияющие на показатель политропы сжатия
  • Степень сжатия и ее влияние на параметры конца сжатия
Рис. 1 Схема процесса сжатия на диаграммах: a) P-V и б) T-S

По мере сжатия заряда его температура повышается, передача тепла от стенок уменьшается. Когда температура заряда станет равной температуре стенок (точка m на рис.), то теплообмен прекращается; в этот момент показатель политропы сжатия становится мгновенно равным показателю адиабаты: n1 = k.

При дальнейшем сжатии температура заряда будет больше температуры стенок цилиндра, вследствие чего наблюдается отвод тепла от заряда к стенкам. На этом участке линия сжатия идет положе адиабаты, а показатель политропы сжатия меньше показателя адиабаты: n1 < k.

По экспериментальным данным, у судовых дизелей показатель n1 меняется от 1,5 — у нижней мертвой точки до 1,1 — у верхней мертвой точки. Однако при расчетах рабочих процессов по методу Гриневецкого-Мазинга полагают, что процесс сжатия осуществляется на всем ходе поршня при постоянном показателе политропы сжатия: n1 = const. При этом обеспечивается та же работа на сжатие, что и при переменном значении показателя n1 в реальном цикле.

Переменная степень сжатия двигателя: как это работает

Прежде всего, доступная возможность изменять степень сжатия позволяет в значительной мере увеличить производительность турбомоторов с одновременным уменьшением расхода топлива. В двух словах, в зависимости от режима работы и нагрузок на ДВС топливный заряд сжимается и сгорает в самых оптимальных условиях.

Когда нагрузки на силовой агрегат минимальны, в цилиндры подается экономичная «бедная» смесь (много воздуха и мало топлива). Для такой смеси хорошо подходит высокая степень сжатия. Если же нагрузки на мотор растут (подается «богатая» смесь, в которой больше бензина), тогда закономерно возрастает риск возникновения детонации. Соответственно, чтобы этого не произошло, степень сжатия динамично уменьшается.

В двигателях, где степень сжатия постоянна, своеобразной защитой от детонации является изменение УОЗ (угол опережения зажигания). Данный угол сдвигается «назад». Естественно, такой сдвиг угла приводит к тому, что хотя детонации нет, но при этом теряется и мощность. Что касается мотора с изменяемой степенью сжатия, сдвигать УОЗ нет необходимости, то есть не происходит мощностных потерь.

Что касается самой реализации схемы, фактически задача сводится к тому, что происходит физическое уменьшение рабочего объема двигателя, однако сохраняются все характеристики (мощность, момент и т.д.)

Сразу отметим, над таким решением трудились разные компании. В результате появились разные способы управления степенью сжатия, например, изменяемый объем камеры сгорания, шатуны с возможностью подъема поршней и т.д.

  • Одной из самых ранних разработок стало внедрение дополнительного поршня в камеру сгорания. Указанный поршень имел возможность перемещаться, одновременно изменяя объем. Минусом всей конструкции стала необходимость устанавливать дополнительные детали в БЦ. Также сразу проявились изменения формы камеры сгорания, горючее сгорало неравномерно и неполноценно.

По указанным причинам данный проект так и не был завершен. Такая же участь постигла и разработку, которая имела поршни с возможностью изменения их высоты. Указанные поршни разрезного типа оказались тяжелыми, еще добавились трудности касательно реализации управления высотой подъема крышки поршня и т.д.

  • Дальнейшие разработки уже не затрагивали поршни и камеру сгорания, максимум внимания был уделен вопросу подъема коленчатого вала. Другими словами, стояла задача реализовать управление высотой подъема коленвала.

Схема устройства такова, что опорные шейки вала расположены в специальных муфтах эксцентрикового типа. Указанные муфты приводятся в движение посредством шестерен, которые связаны с электрическим двигателем.

Проворот эксцентриков позволяет поднять или опустить коленчатый вал, что и приводит к изменению высоты подъема поршней по отношению к ГБЦ. В результате объем камеры сгорания увеличивается или уменьшается, одновременно меняется и степень сжатия.

Отметим, что было построено несколько прототипов на базе 1.8-литрового турбированного агрегата от Volkswagen, степень сжатия менялась от 8 до 16. Двигатель долго испытывали, но серийным агрегат так и не стал.

  • Еще одной попыткой найти решение стал двигатель, в котором степень сжатия менялась посредством подъема всего блока цилиндров. Разработка принадлежит бренду Saab, а сам агрегат чуть даже не попал в серию. Двигатель известен как SVC, объем 1.6 литра, агрегат с 5 цилиндрами, оснащен турбонаддувом.

Мощность составила около 220 л. с., крутящий момент чуть более 300 Нм. Примечательно то, что расход горючего в режиме средних нагрузок снизился почти на треть. Что касается самого топлива, появилась возможность заливать как АИ-76, так и 98-й.

Инженеры Saab разделили блок цилиндров, выделив две условные части. В верхней находились головки и гильзы цилиндров, тогда как в нижней части коленчатый вал. Своеобразным соединением этих частей блока с одной стороны был подвижный шарнир, а с другой особый механизм, оснащенный электроприводом.

Так была реализована возможность немного поднять верхнюю часть под определенным углом. Такой угол подъема составил всего несколько градусов, при этом степень сжатия менялась от 8 до 14. При этом герметизировать «стык» должен был кожух из резины.

На практике сами детали для подъема верхней части блока, а также и сам защитный кожух оказались весьма слабыми элементами. Возможно, именно это помешало мотору попасть в серию и проект дальше закрыли.

  • Очередную разработку далее предложили инженеры из Франции. Турбомотор с рабочим объемом 1.5 литра получил возможность менять степень сжатия от 7 до 18 и выдавал мощность около 225 л.с. Моментная характеристика зафиксирована на отметке 420 Нм.

Конструктивно агрегат сложный, с разделенным шатуном. В той области, где шатун крепится к коленвалу, деталь оснастили особым зубчатым коромыслом. В месте соединения шатуна с поршнем также была внедрена планка-рейка зубчатого типа.

С другой стороной к коромыслу была прикреплена рейка поршня, который реализовывал управление. Система приводилась от системы смазки, рабочая жидкость проходила через сложную систему каналов, клапанов, а также имелся дополнительный электропривод.

В двух словах, перемещение управляющего поршня оказывало воздействие на коромысло. В результате менялась и высота подъема основного поршня в цилиндре. Отметим, что двигатель также не стал серийным, а проект был заморожен.
  • Следующей попыткой создать двигатель с изменяемой степенью сжатия стало решение инженеров Infiniti, а именно двигатель VCT (от англ. Variable Compression Turbocharged). В этом моторе стало возможным менять степень сжатия от 8 до 14. Особенностью конструкции является уникальный траверсный механизм.
В основе лежит соединение шатуна с нижней шейкой, которое является подвижным. Также использована система рычагов, которые приводятся в действие от электродвигателя.

Управляет процессом контроллер, посылая сигналы на электродвигатель. Электромотор после получения команды от блока управления смещает тягу, а система рычагов реализует смену положения, что и позволяет менять высоту подъема поршня.

В результате агрегат Infiniti VCT с рабочим объемом 2.0 литра с мощностью около 265 л.с. позволил экономить почти 30% горючего сравнительно с аналогичными ДВС, которые при этом имеют постоянную степень сжатия.

Если производителю удастся эффективно решить имеющиеся на данный момент проблемы (сложность конструкции, повышенные вибрации, надежность, высокая конечная стоимость производства агрегата и т.д.), тогда оптимистичные заявления представителей компании вполне могут воплотиться в реальность, а сам двигатель имеет все шансы стать серийным уже в 2018-2019 году.

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.

Степень сжатия в турбо двигателе

Одной из самых важных и пожалуй самой сложной задачей при проектировании турбодвигателя является принятие решения о степени сжатия. Этот параметр влияет на большое количество факторов в общей характеристике автомобиля. Мощность, экономичность, приёмистость, детонационная стойкость (параметр от которого сильно зависит эксплуатационная надёжность двигателя в целом), все эти факторы в значительной степени определяются степенью сжатия. Также это влияет на расход топлива и состав отработавших газов. В теории, степень сжатия для турбо-мотора рассчитать не составляет большого труда.

Сначала разберём понятие «Сжатие» или «Геометрическая степень сжатия». Оно представляет собой отношение полного объёма цилиндра (рабочий объём плюс пространство сжатия, остающееся над поршнем при положении в верхней мёртвой точки (ВМТ)), к чистому пространству сжатия. Формула имеет следующий вид: Ɛ=(VP+VB)/VB

Где Ɛ— степень сжатия
VP – рабочий объём
VB – объём камеры сгорания

Не нужно забывать о существенных расхождениях между геометрической и фактической степенью сжатия даже на атмосферных моторах. В турбодвигателях к этим же процессам добавляется и предварительно сжатая компрессором смесь. На сколько фактически от этого увеличиться степень сжатия, видно из следующей формулы:
Ɛeff=Egeom*k√(PL/PO)
Где Ɛeff – эффективное сжатие
Ɛgeom – геометрическая степень сжатия
Ɛ=(VP+VB)/VB, PL – Давление наддува (абсолютное значение),
PO – давление окружающей среды,
k – адиабатическая экспонента (числовое значение 1,4)

Эта упрощённая формула будет справедлива при условии, что температура в конце процесса сжатия для двигателей с наддувом и без наддува достигает одинакового значения. Иными словами, чем выше давление наддува, тем меньше возможное геометрическое сжатие. Итак, согласно нашей формуле для атмосферного двигателя со степенью сжатия 10:1 при давлении наддува 0.3 бара степень сжатия следует уменьшить до 8.3:1, при давлении 0.8 бара до 6.6:1. Но, слава богу, это теория. Все современные двигатели с турбонаддувом работают не с такими через мерно низкими значениями. Правильная степень сжатия для работы определяется сложными термодинамическими вычислениями и всесторонними испытаниями. Всё это из области высоких технологий и сложных расчётов, но много тюнинговых моторов собрано на основе некоторого опыта, как собственного, так и взятого за пример, от известных автомобильных производителей. Эти правила будут справедливы в большинстве случаев.

Есть несколько важных факторов влияющих на расчёт степени сжатия и их нужно принимать во внимание при проектировании. Я перечислю наиболее важные. Конечно, это желаемый наддув, октановое число топлива, форма камеры сгорания, эффективность промежуточного охладителя, и, безусловно те мероприятия которые вы в состоянии провести по снижению температурной напряжённости в камере сгорания.

Факторы, влияющие на показатель политропы сжатия

Среднее значение показателя политропы сжатия n1 зависит от конструкции двигателя и режима его работы.
При одинаковой средней скорости движения поршня в двигателях с большими линейными размерами показатель n1 будет больше, так как у этих двигателей меньше относительная площадь соприкосновения единицы объема заряда со стенками цилиндра. Поэтому относительный отвод тепла в больших двигателях — меньше, что выражается в более высоком показателе n1.

У двигателей с разделенными камерами сгорания относительная площадь поверхности теплообмена больше, чем у двигателей с камерами неразделенными. Интенсивный теплообмен между зарядом и стенками цилиндра в период пуска приводит к снижению n1 и ухудшению пусковых качеств. При снижении n1 уменьшаются параметры конца сжатия Pс, Tс температура в цилиндре может не достичь уровня, требуемого для самовоспламенения топлива.

Поэтому в предкамерных и вихрекамерных двигателях обычно предусматриваются специальные устройства для пуска. В дальнейшем, после пуска двигателя, эти устройства отключаются, так как показатель n1 повышается за счет подвода тепла к заряду от раскаленной вставки внутри цилиндра.

Конструктивные мероприятия, направленные на снижение температуры цилиндро-поршневой группы — охлаждение поршней водой или маслом, уменьшение толщины стенок поршня, втулки, крышки, любые другие меры по интенсификации охлаждения — снижают величину среднего значения показателя n1, уменьшают параметры конца сжатия Pс и Tс. При этом снижается и термический КПД цикла. Однако основная цель упомянутых мероприятий — повышение надежности работы цилиндропоршневой группы.

С увеличением частоты вращения двигателя показатель n1 возрастает, так как уменьшается продолжительность теплообмена между зарядом и стенками цилиндра, процесс сжатия приближается к адиабатному. При снижении частоты вращения происходит обратное явление — показатель n1 уменьшается, снижаются давление Pс и температура Tс, что может привести к нарушению самовоспламенения топлива.

При снижении нагрузки двигателя (уменьшении среднего индикаторного давленияОпределение среднего индикаторного давления Pi) снижается температурный уровень стенок цилиндра, что приводит к увеличению теплоотвода от заряда к стенкам и к снижению показателя n1.

В условиях эксплуатации с понижением частоты вращения главного двигателя, работающего на винт, уменьшается и нагрузка. Оба фактора одновременно воздействуют в сторону интенсификации теплообмена при сжатии, что уменьшает показатель n1 и снижает параметры конца сжатия Pс и Tс. Особенно неблагоприятны последствия этого явления при не прогретом двигателе, когда возможна работа лишь на повышенных минимальных оборотах коленчатого вала. При снижении частоты вращения двигатель “глохнет”.

При нормальных эксплуатационных условиях протечки свежего заряда через неплотности цилиндропоршневой группы при сжатии незначительны. Их влиянием на показатель n1 и параметры Pс, Tс можно пренебречь. Изменение степени сжатия также незначительно влияет на среднее значение политропы сжатия.

Экспериментальные исследования показали, что средние значения показателя политропы сжатия у различных двигателей находятся в пределах:

  • n1 = 1,34 — 1,37 — у мапооборотных и среднеоборотных ДВС с охлаждаемыми поршнями;
  • n1 = 1,38 — 1,42 — у высокооборотных ДВС с неохлаждаемыми поршнями.

Наибольшие значения n1 имеют двигатели, в цилиндре которых размещены специалные аккумуляторы тепла (раскаленные вставки). В этих двигателях показатель n1 может доходить до 1,8.

Среднее значение показателя n1 может быть найдено по известным параметрам работающего дизеля, исходя из формулы политропного процесса:

Pa /Pc = (Vc /Va )n1

Откуда:

n1 = 1g (Pa /Pc )/1g (Vc /Va ) = 1g(Pc /Pa)/1g ε

Текущие значения n1 можно найти, имея индикаторную диаграмму, снятую с работающего цилиндра. Разбив диаграмму на отдельные участки и определив давления на их границах, для каждого участка находится n1i:

η 1 i = 1 g ( P i + 1 / P i ) 1 g ( V i + 1 / V i )

Степень сжатия и ее влияние на параметры конца сжатия

Процесс сжатия в цилиндре дизеля начинается лишь после закрытия газораспределительных органов. В 4-тактном двигателе — после закрытия впускного клапана, в 2-тактном — после закрытия всех продувочных и выпускных органов.

В 4-тактном двигателе впускной клапан закрывается после прохождения поршнем НМТ. Однако влияние этого запаздывания закрытия клапана на параметры процесса сжатия в большинстве двигателей незначительно. Поэтому в расчетах рабочего процесса 4-тактных дизелей обычно пользуются номинальным значением степени сжатия, равным:

ε = Va /Vc = (Vs +Vc )/Vc

  • Va — объем цилиндра в момент начала сжатия;
  • Vs — рабочий объем цилиндра;
  • Vc — объем камеры сжатия.

В 2-тактных двигателях пользуются двумя понятиями: действительной степенью сжатия и степенью сжатия, отнесенной к полному ходу поршня. Действительная степень сжатия равна:

ε = Va /Vc = (Vc +Vs(1-ψs))/Vc

где Ψs — доля потерянного хода поршня от НМТ до момента закрытия выпускного (продувочного) тракта.

Степень сжатия, отнесенная к полному ходу поршня (иногда ее называют “условная степень сжатия”), может быть выражена следующим образом:

εп = (Vc +Vs)/Vc = 1+[(Va -Vc)/(1-ψs)Vc]

Параметры конца сжатия определяются из выражений:

Pc = Pa εn1 = Pa ε (Tc /Ta)

Как видно, параметры Pс и Tс возрастают с повышением Pа, Та, и n1. Значения степени сжатия (для 2-тактных ДВС имеется в виду действительная величина) находятся в пределах:

  • ε = 10 — 13 — у малооборотных дизелей;
  • ε = 8,5 — 14,5 — у среднеоборотных дизелей;
  • ε = 15 — 19 — у высокооборотных дизелей.

Нижний предел степени сжатия выбирается из условия возможности запуска холодного двигателя. Как известно, средняя температура самовоспламенения топлива составляет примерно 280° С (553° К). Для номинального режима выбирается степень сжатия, обеспечивающая минимальную температуру конца сжатия Tс min = 700-800° К.
Дополнительный „запас“ температуры Tс в 150-250° К необходим с учетом того, что при пуске холодного двигателя температура стенок цилиндра низкая, показатель n1 уменьшается до 1,2 — 1,25, наблюдается повышенный пропуск заряда через поршневые кольца. В результате параметры Pс и Tс имеют более низкие значения по сравнению с номинальным режимом.

С понижением степени сжатия двигателя ухудшаются не только его пусковые качества, но и снижается термический КПД. Несмотря на это, при форсировании двигателей наддувом приходится снижать ε, чтобы обеспечить механическую прочность двигателя — снизить давление сжатия Pс и соответственно — максимальное давление в цилиндре Pz. Давление сжатия обычно находится в пределах:

  • = 3.0 — 5.0 мПа — у двигателей без наддува;
  • = 4.0 — 10.0 мПа — у двигателей с наддувом.

Более высокие значения ε у высокооборотных дизелей объясняется их меньшими линейными размерами и соответственно более интенсивным теплоотводом. Верхние значения ε относятся к двигателям с разделенными камерами сгорания, где относительная поверхность теплоотвода больше. Чрезмерное повышение ε, несмотря на некоторое повышение термического КПД, нецелесообразно, так как приводит к высоким Pz, увеличению потерь на трение в двигателе и к утяжелению конструкции для обеспечения механической прочности.

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.

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.

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.

Таблица: зависимость степени сжатия от октанового числа

Степень сжатия Октановое число
5,5-7 АИ 66-72
7-7,5 АИ 72-76
7,5-8,5 АИ 76-85
10 АИ 92
10,5-12,5 АИ 95
12-14,5 АИ 98

Таблица: популярные двигатели и показатель сжатия

Двигатели Степень сжатия
BMW M54B30 10,2
Mercedes-Benz M112 E32 3.2 л 10
Ford-Mazda 2,0 л Duratec HE/MZR LF 10,8
Infiniti VQ37VHR (Nissan) 3.7 л 11.0
Mitsubishi 4М41 17.0
Audi 3.6 FSI 12.0
ЗМЗ 406 2.3 л. 8-9,3

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.

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.

Источники

  • https://naavtotrasse.ru/encziklopediya/stepen-szhatiya-opredelenie.html
  • https://topmekhanik.ru/stepen-szhatiya-dvigatelya/
  • https://SwapMotor.ru/ustrojstvo-dvigatelya/stepen-szhatiya.html
  • https://news.myseldon.com/ru/news/index/218876977
  • https://sea-man.org/process-szhatiya-dvs.html
  • http://KrutiMotor.ru/dvigatel-s-peremennoj-stepenyu-szhatiya/
  • http://clubturbo.ru/inter/izmenenie_stepeni_szhatiya_i_stepen_szhatiya_turbo_dvigatelya/
  • https://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/

[свернуть]

Комментарии закрыты.