Что называется степенью сжатия двигателя внутреннего сгорания

Что такое компрессия и степень сжатия и чем они отличаются

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

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

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

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

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

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

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

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

Источник

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.

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.

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:

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:

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

Познавательно — Степень сжатия и компрессия

Многие путают или сравнивают «степень сжатия» и «компрессию» – это совсем разные понятия!

1. Степень сжатия двигателя – это соотношение общего объема одного цилиндра двигателя к объему камеры сгорания этого же цилиндра. Измеряется в килограммах на квадратный сантиметр.
2.Компрессия — это максимальное давление воздуха в камере сгорания в конце такта сжатия.

Начнем со степени сжатия — что же это такое?

Итак, соотношение общего объема цилиндра – означает общая вместимость цилиндра в нижней мертвой точке поршня (НМТ) (когда поршень находится внизу). В поршень подается воздушно-топливная смесь (когда поршень внизу) и полностью заполняет цилиндр. Для примера, двигатель N объемом 1500 куб.см, если разделить на 4 поршня получается – 1500/4=375 куб.см. Так вот это объем одного цилиндра.
Получаем НМТ = 375

Объем камеры сгорания – это уже не общий объем, а объем камеры сгорания, когда поршень в цилиндре находится в верхней точке (ВМТ), в этом положении он максимально сжимает топливо (простыми словами поршень находится вверху). А этот объем уже намного меньше общего объема цилиндра, например у того же двигателя N объем камеры сгорания равен всего 37 куб.см
Получаем ВМТ = 37

И для того, чтобы вычислить степень сжатия двигателя – делим общий объем поршня НМТ (для двигателя N – 375 куб.см), на объем камеры сгорания ВМТ (для двигателя N – 37 куб.см), выходит ( по формуле ε = v1/v2, где ε степень сжатия, а v1 и v2 соответственно НМТ и ВМТ ) 375/37 = 10,13 кг/см2, ε = 10 ( рис. 12.2. )

При этом у дизельных двигателей степень сжатия больше, оно колеблется от 18 до 22 кг/см2. Причем у дизельных двигателей нет свечей зажигания, там воспламенение происходит благодаря давлению – то есть при таком давлении, топливо само по себе воспламеняется.

Стоит также отметить, что степень сжатия двигателя является постоянной величиной, в отличии от компрессии.

Со степенью сжатия разобрались, но тогда что такое компрессия?

Компрессия – это максимальное давление в цилиндре, возникающее в самом конце такта сжатия. Величина этого давления может измеряться в различных единицах, но наибольшее распространение получило измерение в атмосферах.Напоминаю, что компрессия не является постоянной величиной и изменяется в меньшую сторону по мере его износа.
Величина этого давления, в конце такта, для каждой модели двигателя индивидуальна и зависит от его объема

Рассчитываем компрессию
компрессия — зависит от степени сжатия
рассчитываем компрессию
компрессия = ε*n
где n = 1,2-1,3 ( для четырехтактных двигателей, бензин )

Теперь рассчитываем компрессию для нашего двигателя N

компрессия = ε*n
10 * 1.2 = 12 при n равной 1.2, 10 * 1.3 = 13 при n равной 1.3

И так мы получаем что для нашего двигателя N, компрессия должна быть

В итоге мы получаем двигатель N со степенью сжатия равной 10 кг/см2 и компрессией от 12 до 13 кг/см2.

Как мы выяснили, степень сжатия и компрессия — это совсем два разных понятия и их не стоит путать.
И если у вашего двигателя компрессия ниже от тех значений которые должны быть, стоит задуматься о его ремонте.

Источник

Разрушители легенд. Двигатель внутреннего сгорания. Часть №3. Степень сжатия.

На самом деле совершенно не степень сжатия является темой данной статьи. Я несколько раз менял название в ходе написания текста и в конце концов вернулся к первоначальному названию, хотя к тому времени сам почти перестал понимать — что это такое и зачем…

Итак.
Официальная трактовка:
Степень сжатия — отношение полного объёма цилиндра двигателя внутреннего сгорания(надпоршневого пространства цилиндра при положении поршня в нижней мёртвой точке) к объёму «камеры сгорания» (надпоршневого пространства цилиндра при положении поршня в верхней мёртвой точке):

Степень сжатия — чисто геометрическая безразмерная характеристика двигателя.

Поскольку воздух при быстром(адиабатическом) сжатии нагревается — то у двигателя со степенью сжатия 10 давление конца сжатия будет не 10 атмосфер, а около 16. Эта характеристика того же самого двигателя называется компрессия ДАВЛЕНИЕ КОНЦА ТАКТА СЖАТИЯ:

На самом деле давление в ВМТ может быть и больше(если двигатель горячий), а может быть и меньше(если двигатель холодный и сильно изношен или если используются нестандартные фазы ГРМ)…

Как я уже писал в своих предыдущих опусах — сгорание в двигателе происходит на протяжении 50-70 градусов по коленвалу в определённых «климатических» условиях. Поскольку ни СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ, ни КОМПРЕССИЯ нам об этих самых «климатических» условиях ничего толком сообщить не могут(хотя бы по той самой элементарной причине, что замеряются они в одной единственной точке на абсолютно неработающем двигателе) — то и оперировать в дальнейшем я буду ДАВЛЕНИЕМ и ТЕМПЕРАТУРОЙ.
Ибо только они показывают что происходит в цилиндре двигателя НА САМОМ ДЕЛЕ.

А НА САМОМ ДЕЛЕ там творится нечто подобное:

Синяя кривая — это давление в цилиндре НЕРАБОТАЮЩЕГО двигателя.
Ромбик в ВМТ — это «компрессия».

Вопрос залу — а что такое эдакое означают ромбики на кривых давления РАБОТАЮЩЕГО двигателя?!

А это есть СУММАРНАЯ «компрессия», которая обеспечивается не только поршневой группой двигателя — но и давлением, создаваемым сгорающим топливом, если это топливо запалить ДО верхней мёртвой точки.
Давление это до ВМТ будет толкать и поршень и коленвал в обратную сторону, ухудшая и без того низкий КПД двигателя — но именно это давление обеспечит топливу те самые ОПТИМАЛЬНЫЕ «климатические» условия, необходимые для его полного и качественного сгорания.

В том или ином виде суммарную «компрессию» повышают и турбокомпрессор, и ЕГР, и оптимальные фазы ГРМ, и всякого рода резонансные впускные коллектора… Не суть.

Давайте повнимательнее рассмотрим все кривые на рисунке.
Чем раньше(в разумных пределах) мы запалим топливо — тем выше будет давление в ВМТ, тем лучше и полнее сгорит топливо и тем больше давления мы получим — и по максимальному значению и по площади.
Не забываем — именно давление выполняет полезную работу!

Проблема заключается только в том, что КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ это ДАВЛЕНИЕ в РАБОТУ в зоне ВМТ преобразовать ЭФФЕКТИВНО не может.

Если обеспечить момент зажигания в той точке, которая обеспечит наилучшее СГОРАНИЕ топлива, то проблем получается аж три.

1). Воспламенение топлива до ВМТ значительно снижает КПД двигателя за счёт того, что выделяемая энергия ТОРМОЗИТ коленвал, пока он не перевалит через ВМТ. Для того чтобы скомпенсировать это торможение и просто выйти по нулям — нужно аннигилировать аналогичную площадь давления газов уже сразу после ВМТ.
Синий график давления самый эффективный по площади, но про жёлтый треугольник давления можно забыть — полезной работы он не создаст:

Забавная ситуация. Самый пик давления и температуры — а вся выделяемая энергия тупо идёт в нагрев двигателя — ибо именно в этот момент осуществляется максимальная теплопередача в стенки «камеры сгорания», а полезного с коленвала снять не получается вообще НИЧЕГО.
ВСЯ выделяющаяся энергия затрачивается из полезного — ТОЛЬКО на обеспечение тех самых, наилучших для сгорания топлива, «климатических условий».
Чтобы избавиться от этого безобразия нужно воспламенять топливо исключительно после ВМТ, но тогда топливо в наших двигателях не успевает сгореть…

2). Воспламенение топлива до ВМТ значительно снижает КПД двигателя и за счёт того, что выделяемая энергия не может эффективно трансформироваться коленвалом до тех пор, пока поршень находится в зоне ВМТ:

Сиреневая кривая — это усилие на коленвалу. То, что остаётся ПОЛЕЗНОГО от давления газов — от синей кривой.

Чтобы избавиться от этого безобразия нужно обеспечить пик сгорания где-то в районе 50-70 градусов после ВМТ — вот тогда толку от давления сгорающих газов будет в разы больше. Но в существующих ДВС нормальное сгорание на этом отрезке организовать вообще не возможно — так как объём «камеры сгорания» на этом участке уже раза в три-четыре больше, чем в ВМТ, и стремительно увеличивается.

Рисунок рисовали балбесы. Но этот рисунок самый лучший из десятков просмотренных в инэте(мне лень их рисовать самому, сорри) — он хотя бы правильно показывает ГДЕ на кривой расположена детонация в «бензиновом» двигателе.
Чем сильнее детонация — тем быстрее сгорает топливо — тем выше пик общего давления и тем быстрее он спадает.

Детонация плоха двумя вещами:
Первая — это чрезмерные ударные нагрузки, разрушающие двигатель.
Вторая — резкое укорачивание сгорания опять удерживает пик давления в области ВМТ, где эффективное преобразование давления в работу невозможно.

Дросселирование в «бензиновом» двигателе значительно уменьшает суммарную степень сжатия.
«Климатические» условия в камере сгорания рушатся — температура и давление конца такта сжатия значительно снижаются — ВОСПЛАМЕНЕНИЕ значительно ухудшается. Для исправления ситуации приходится делать зажигание всё раньше и раньше — со всеми положительными и отрицательными моментами.
КПД двигателя по мере прикрытия дроссельной заслонки стремительно падает…

В «дизельном» двигателе ситуация отличается не сильно, но в лучшую сторону:

1). Топливо в «камеру сгорания» поступает дозировано — соответственно нарастанием давления можно худо-бедно управлять. Предвпрыск до ВМТ обеспечивает необходимые «климатические условия» в зоне ВМТ и, самое главное, — пламя. ПЛАМЯ во «всём» объёме «камеры сгорания»!
Потому основной впрыск топлива можно осуществлять после ВМТ — уже в пламя. ВОСПЛАМЕНЕНИЕ свежих порций топлива происходит практически мгновенно.

2). Поскольку смесееобразование осуществляется параллельно со сгоранием — типичная для «бензинового» двигателя детонация не возможна в принципе.
Но попытка впрыскивать топливо слишком интенсивно приводит к тому, что образуются локальные зоны с большим содержанием топлива и зоны, вообще не содержащие топлива — это нарушает смесеобразование.
Ничего хорошего не выходит и при модном нынче у производителей затянутом впрыске — воздушный вихрь делает оборот в камере сгорания и впрыск опять осуществляется в воздушную область, где кислород уже выгорел, потому как туда топливо уже впрыскивалось на предыдущем обороте воздушного вихря.

Интенсивность впрыска топлива в «дизельном» двигателе должна чётко синхронизироваться со складывающейся турбулизацией в камере сгорания. В идеальном случае впрыскивание топлива в камеру сгорания дизеля должно продолжаться ровно столько по времени, за сколько воздушный вихрь совершает один полный оборот.
Это должно неплохо получаться у систем на базе CommonReil — где можно и давлением в рейке манипулировать как угодно и открытием форсунок управлять очень точно…

3). Более высокая по сравнению с «бензиновым» двигателем степень сжатия обуславливает и более высокий КПД «дизельного» двигателя на режиме максимальной мощности, и намного более высокий КПД на режиме холостого хода — ведь дросселирования на «дизельном» двигателе нет.

К сожалению быстрое и эффективное сгорание топлива в ДВС приводит к образованию окислов азота. Законодательство большинства стран прямо предписывает уменьшение азотистых выбросов из года в год. Но ДЕШЁВОГО и эффективного средства ОЧИСТКИ выхлопных газов от азотистых соединений не придумали до сих пор — потому развитие двигателестроения идёт по пути уменьшения ОБРАЗОВАНИЯ окислов азота.
Основной способ — ЗАМЕДЛЕНИЕ сгорания топлива за счёт снижения предельных температур и давления в камере сгорания. Соответственно современный трэнд развития двигателестроения — снижение степени сжатия.
Тьфу ты… зарёкся же… Снижение того, что принято обзывать степенью сжатия.
А добиться этого можно, как вы уже поняли, многими способами.

Источник

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

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

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

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

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

Двигатель Toyota «Dynamic Force»

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

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

Как определяется степень сжатия, и что это такое?

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

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

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

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

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

А теперь математический пример соотношения степени сжатия в ДВС.

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

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

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

Почему производители стараются увеличить степень сжатия?

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

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

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

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

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

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

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

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

Линия 2-3 показывает сгорание топлива.

Верхняя кривая 3-4 показывает ход расширения.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Более высокое сжатие в двигателе также означает более высокую тепловую эффективность

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Существуют ли ограничения по увеличению степени сжатия в двигателях

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

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

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

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

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

Источник