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.
Степень сжатия
Пожалуй, начнем с самого сложного. Как мы все с вами знаем внутри блока цилиндров, ходят поршни. У каждого поршня есть «мертвые точки», это верхняя – когда топливо сжато до предела и ждет воспламенения, и нижняя – когда поршень уходит вниз, а пространство либо заполняется новой топливной смесью, либо расширившимися (воспламененными) газами.
Верхняя мертвая точка. Когда поршень находится в «верхней точке», над поршнем остается определенный объем (или пространство) именно в нем находится сжатая воздушно-топливная смесь, это и есть «камера сгорания» — для условного обозначения этот объем мы назовем «V1»
Нижняя мертвая точка. Здесь поршень находится в «нижней мертвой точке», и к объему камеры сгорания, добавляется объем цилиндра, точнее, объем находящийся над поршнем. В итоге у нас получаются как бы два объема – Vц (цилиндра) и V2 (общий = цилиндра + камера сгорания).
Теперь все просто — важные для нас параметры, это V1 и V2 (стоит отметить, что измеряются они в литрах). Для того чтобы получить степень сжатия нужно:
Степень сжатия = V2 / V1
Таким простым методом мы рассчитываем, во сколько сжимается воздушно-топливная смесь, при движении из нижней мертвой точки в верхнюю.
Зачастую производитель уже указывает эти характеристики в описании или инструкции, и мы можем видеть степень сжатия 9,5 – 10 – 10,5 – 11 – 12 – 14 и т.д. Это нам говорит о том — что топливная смесь, которая «всосалась» при движении поршня из «верхней мертвой точки» в «нижнюю», на такте впуска, сожмется в 9,5 – 14 раз, от первоначального объема и после подожжется свечой зажигания.
Думаю, теперь путать не будете, разжевано все досконально, теперь переходим к компрессии двигателя.
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.
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.
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.
Способы изменения степени сжатия
У современных силовых агрегатов можно откорректировать эту характеристику как в большую, так и в меньшую сторону. Если нужно повысить параметр, то для этого растачиваются цилиндры и ставятся поршни с большим диаметром. Любому, кому интересно понимать разницу в компрессии и степени сжатия двигателя сгорания, будут полезны эти сведения. Ведь среди автолюбителей есть сторонники разного рода тюнинга.
Другой, не менее эффективный способ изменения степени сжатия, заключается в уменьшении камеры сгорания. В этом случае с места сопряжения ГБЦ с блоком двигателя удаляется слой металла. Такая операция проводится с использованием строгального или фрезерного станка.
Если же по каким-либо причинам возникает необходимость в понижении степени сжатия, то, наоборот, стоит поместить дюралевую прокладку между блоком цилиндров и ГБЦ. Другой способ – это удаление слоя металла с днища поршня. Однако он более сложен в реализации, поскольку это потребует определенных усилий, навыков и умений. К тому же для этой процедуры нужен токарный станок.
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 о, 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.
Формула степени сжатия (поршневой двигатель)
Вначале коротко о самой степени сжатия. Чтобы воздушно-топливная смесь не просто загорелась, а взорвалась, ее нужно сжать. Только в этому случае образуется толчок, который переместит поршень внутри цилиндра.
Поршневой двигатель — двигатель внутреннего сгорания, в основе которого процесс получения механического действия достигается за счет расширения рабочего объема топлива. При сжигании топлива высвободившийся объем газов толкают поршни и благодаря этому вращается коленчатый вал. Это самый распространенный вид двигателя внутреннего сгорания.
Степень сжатия высчитывается по такой формуле: CR = (V + C) / C
V — рабочий объем цилиндра
С — объем камеры сгорания.
Такие двигатели состоят из нескольких цилиндров, в которых поршни сжимают топливо в камере горения. Степень сжатия определяется изменением объема пространства внутри цилиндра в крайних положениях поршня. То есть соотношением объема пространства, когда впрыскивается топливо и объем, когда оно загорается в камере горения. Пространство между нижней и верхней мертвой точкой поршня называется рабочим объемом. Пространство в цилиндре при поршне в верхней мертвой точке, называется пространством сжатия.
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.
Почему производители стараются увеличить степень сжатия?
Но не все так просто со степенью сжатия. Одно дело – понимать, что такое степень сжатия. И это не менее важно по сравнению с пониманием, почему так важна высокая степень сжатия для современных двигателей. К сожалению, объяснить простыми словами, почему высокая степень сжатия в двигателях современных автомобилей – это отличное решение на ближайшие годы, не получится. Тем не менее мы попытаемся.
Вы знаете, что мощность двигателя появляется в тот момент, когда сгорание топливной смеси оказывает силу на поршень внутри цилиндра двигателя. Эта сила толкает поршень вниз по цилиндру. И чем выше поршень находится в цилиндре в момент сжигания топливно-воздушной смеси, тем больше сил будет приложено на поршень.
Как мы уже сказали, чем больше степень сжатия, тем выше находится поршень в верхней мертвой точке. В итоге это позволяет вырабатывать больше мощности в момент сгорания топлива. Также помимо увеличения мощности для вырабатывания силы, толкающей поршень вниз по цилиндру двигателя, необходимо меньше топлива, что в конечном итоге влияет на топливную эффективность мотора. Это простое объяснение. Но оно неполное, поскольку при увеличении степени сжатия двигателей возникает ряд проблем, для решения которых необходимо в идеале знать термодинамику.
Итак, мы знаем, что высокая степень сжатия означает, что двигатель получает больше силы и мощности из того же количества топлива по сравнению с мотором с меньшим коэффициентом сжатия. Как мы выяснили, это хорошо для динамики автомобиля, а также для достижения хороших показателей его экономичности.
Чтобы объяснить вам точнее, почему более высокая степень сжатия дает больше экономии топлива, мы не будем погружаться слишком глубоко в науку о термодинамике. Тем не менее без нее нам также не объяснить вам в деталях, почему моторы с большой степенью сжатия более экономичные. Да, это нелегко понять. Но все же этот раздел термодинамики очень и очень интересен.
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.
