Что называют степенью сжатия рабочим объемом цилиндра рабочим объемом двигателя
Конструктивные параметры двигателей
Любой двигатель характеризуется следующими конструктивно заданными параметрами, практически неизменными в процессе эксплуатации автомобиля.
Объем камеры сгорания — объем полости цилиндра и углубления в головке над поршнем, находящимся в верхней мертвой точке — крайнем положении на наибольшем удалении от коленвала.
Рабочий объем цилиндра — пространство, которое освобождает поршень при движении от верхней до нижней мертвой точки.
Последняя является крайним положением поршня на наименьшем удалении от коленвала.
Полный объем цилиндра — равен сумме рабочего объема и объема камеры сгорания.
Рабочий объем двигателя (литраж) складывается из рабочих объемов всех цилиндров.
Степень сжатия — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Этот параметр показывает, во сколько раз уменьшается полный объем при перемещении поршня из нижней мертвой точки в верхнюю. Для бензиновых двигателей определяет октановое число применяемого топлива.
Показателями двигателя называют величины, характеризующие его работу. Помимо конструктивных параметров, они зависят от особенностей и настроек систем питания и зажигания, степени износа деталей и пр.
Давление в конце такта сжатия (компрессия) является показателем технического состояния (изношенности) цилиндро-поршневой группы и клапанов.
Крутящий момент на коленчатом валу двигателя определяет силу тяги на колесах: чем он больше, тем лучше динамика разгона автомобиля. Равен произведению силы на плечо (рис. 3) и измеряется в Н·м (Ньютон на метр), ранее в кгс.м (килограмм-сила на метр).
Мощность двигателя — величина, показывающая, какую работу он совершает в единицу времени, измеряется в кВт (ранее в лошадиных силах). Одна лошадиная сила (л.с.) приблизительно равняется 0,74 кВт. Мощность равна произведению крутящего момента на угловую скорость коленвала (число оборотов в минуту, умноженное на определенный коэффициент).
Двигатели большей мощности производители получают увеличением:
* рабочего объема, что, в свою очередь, приводит к росту габаритов двигателя и ограничению допустимых максимальных оборотов из-за значительных сил инерции увеличившихся деталей;
* оборотов коленчатого вала, число которых ограничено инерционными силами и увеличением износа деталей. Высокооборотный двигатель одинаковой мощности (при прочих равных условиях — конструкции двигателя, технологии изготовления, применяемых материалах и т.д.) с низкооборотным обладает меньшим сроком службы, так как в среднем для одного и того же пробега его коленчатый вал будет совершать больше оборотов;
* давления в цилиндре путем повышения степени сжатия либо наддувом воздуха посредством турбо- или механических нагнетателей. Для применения наддува степень сжатия вынужденно уменьшают для предотвращения детонации (у бензиновых двигателей) и снижения жесткости работы (повышенные нагрузки в цилиндро-поршневой группе дизеля, сопровождаемые чрезмерным шумом) (у дизелей). Наддув позволяет, например, сохранить мощность при меньшем рабочем объеме.
Номинальная мощность — гарантируемая производителем мощность при полной подаче топлива на определенных оборотах. Именно она, а не максимальная мощность, указывается в технической документации на двигатель.
Удельный расход топлива — это количество топлива, расходуемого двигателем на 1 кВт развиваемой мощности за один час. Является показателем совершенства конструкции двигателя: чем расход ниже, тем более эффективно используется энергия сгорающего в цилиндрах топлива.
При одних и тех же конструктивных параметрах у разных двигателей такие показатели, как мощность, крутящий момент и удельный расход топлива, могут отличаться. Это связано с такими особенностями, как количество клапанов на цилиндр, фазы газораспределения и т. п. Поэтому для оценки работы двигателя на разных оборотах используют характеристики — зависимость его показателей от режимов работы. Характеристики определяются опытным путем на специальных стендах, так как теоретически они рассчитываются лишь приблизительно.
Как правило, в технической документации к автомобилю приводятся внешние скоростные характеристики двигателя (рис. 4), определяющие зависимость мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива от числа оборотов коленвала при полной подаче топлива. Они дают представление о максимальных показателях двигателя.
Показатели двигателя (упрощенно) изменяются по следующим причинам. С увеличением числа оборотов коленвала растет крутящий момент благодаря тому, что в цилиндры поступает больше топлива. Примерно на средних оборотах он достигает своего максимума, а затем начинает снижаться. Это происходит из-за того, что с увеличением скорости вращения коленвала начинают играть существенную роль инерционные силы, силы трения, аэродинамическое сопротивление впускных трубопроводов, ухудшающее наполнение цилиндров свежим зарядом топливо-воздушной смеси, и т. п.
Быстрый рост крутящего момента двигателя указывает на хорошую динамику разгона автомобиля благодаря интенсивному увеличению силы тяги на колесах. Чем дольше величина момента находится в районе своего максимума и не снижается, тем лучше. Такой двигатель более приспособлен к изменению дорожных условий и реже придется переключать передачи.
Мощность растет вместе с крутящим моментом и даже, когда он начинает снижаться, продолжает увеличиваться благодаря повышению оборотов. После достижения максимума мощность начинает снижаться по той же причине, по которой уменьшается крутящий момент. Обороты несколько выше максимальной мощности ограничивают регулирующими устройствами, так как в этом режиме значительная часть топлива расходуется не на совершение полезной работы, а на преодоление сил инерции и трения в двигателе. Максимальная мощность определяет максимальную скорость автомобиля. В этом режиме автомобиль не разгоняется и двигатель работает только на преодоление сил сопротивления движению — сопротивления воздуха, сопротивления качению и т. п.
Величина удельного расхода топлива также меняется в зависимости от оборотов коленвала, что видно на характеристике (см. рис. 4). Удельный расход топлива должен находиться как можно дольше вблизи минимума; это указывает на хорошую экономичность двигателя. Минимальный удельный расход, как правило, достигается чуть ниже средних оборотов, на которых в основном и эксплуатируется автомобиль при движении в городе.
Пунктирной линией на графике показаны более оптимальные характеристики двигателя.
Понятия и определения принятые для поршневых двигателей
Основные определения, принятые для поршневых двигателей, указаны далее с использованием схемы одноцилиндрового двигателя.
Верхняя мертвая точка (в.м.т.) — положение поршня в цилиндре, при котором расстояние от него до оси коленчатого вала двигателя наибольшее.
Нижняя мертвая точка (н.м.т.) — положение поршня в цилиндре, при котором расстояние от него до оси коленчатого вала двигателя наименьшее.
Ход поршня S (м) — расстояние по оси цилиндра между мертвыми точками. При каждом ходе поршня коленчатый вал поворачивается на полоборота, т. е. на 180°. Ход поршня равен двум радиусам кривошипа коленчатого вала, т. е. S= 2r.
Рисунок. Схема одноцилиндрового четырёхтактного двигателя
Рабочий объем цилиндра Кл (м³) — объем цилиндра, освобождаемый поршнем при перемещении от в.м.т. до н.м.т.: 
где d — диаметр цилиндра, м; S — ход поршня, м.
Объем камеры сжатия Vс, (м³) — объем пространства над поршнем, находящимся в в. м. т.
Полный объем цилиндра Vо (м ) — сумма объема камеры сжатия и рабочего объема цилиндра, т. е. пространство над поршнем, когда он находится в н. м. т.
Литраж двигателя Vд, — это сумма рабочих объемов всех его цилиндров, выраженная в литрах.
Степень сжатия — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия. Степень сжатия — это отвлеченное число, показывающее, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сжатия.
Рабочий цикл двигателя — комплекс последовательных периодически повторяющихся процессов (впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск), в результате которых энергия топлива преобразуется в механическую работу.
Такт — часть рабочего цикла, происходящая за время движения поршня от одной мертвой точки до другой, т. е. условно принимаем, что такт происходит за один ход поршня.
Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за четыре хода (такта) поршня или за два оборота коленчатого вала, называют четырехтактными. Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала, считают двухтактными.
Степень сжатия и компрессия в ДВС.
Не стану рассуждать о разницы степени сжатия и компрессии. Об этом и так уже много написано.
Просто расскажу об этих 2ух определениях.
Для начала рассмотрим Степень Сжатия, и о том как и почему изменение толищны прокладки на пол миллиметра, может влиять на Степень Сжатия.
Многие вообще не понимают, что такое степень сжатия, и как ее рассчитать.
Степень сжатия — это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.
Полный объем цилиндра — это сумма рабочего объема и объема камеры сгорания
Объем камеры сгорания — надпоршневое пространство при нахождении поршня в ВМТ. Объем ограниченный поршнем и головкой блока.
Объем камеры сгорания трудно вычислить, обычно ее измеряют.
Тогда Степень сжатия можно записать следующим образом
По выше приведенным формулам может записать следующие равенства:
Таким образом, мы вычислили заводской объем камеры сгорания нашего мотора.
при увеличении толщины прокладки на 0.5 мм, мы просто добавляем к объему камеры сгорания, объем цилиндра с высотой 0.5, ну или математическим языком?
Таким образом «плюс полмиллиметра» уменьшили степень сжатия на 0.6 единиц.
Компрессия. В заводском исполнение вышеописанный двигатель обладает достаточно высокой степенью сжатия CR = 11.5
Очень часто встречаюсь с напуганными людьми, выходящими из сервиса с шарообразными глазами… С диагнозом механика
«Ваш 2ZZ скорее мертв, чем жив»
«Компрессия у него 17 атмосфер… Нормальная должна быть 12…»
И выглядишь ты перед этим механиком с 20 летним стажем, как неуч… И никакие потрясания мануалом с записью
«Давление конца такта сжатия НЕ НИЖЕ 14» вам не помогут. Так как гуру здесь только один… у него за плечами опыт.
Компрессия в двигателе — это процесс сжатия газа, поршнем при его движении из НМТ в ВМТ (такт сжатия), сопровождающийся при этом движении повышением давления и температуры газа.
С давлением все понятно — это как раз и будет искомая нами величина компрессии или давление конца такта сжатия
Но если компрессия измеряется на заглушенном двигателе, причем здесь изменение температуры?
Все дело в том, что при измерении компрессии, происходит сжатие не топливной смеси, а обычного воздуха… И двигатель, вращаемый стартером, превращается в простой поршневой насос, в котором протекает процесс с газом неизменной массы… Сжатие в таком процессе, называется адиабатическим и описывается уравнением Пуассона.
Конечно это уравнение термодинамического процесса для идеального газа, в изолированной системе, с множеством упрощений, но для показательного описания, я могу спокойно допустить эти упрощения.
И так… В конце такта сжатия, процесс можно описать, следующим уравнением
P — давление
V — объем сжатого газа, то есть над поршневое пространство, при занятии поршнем Верхней Мертвой Точки
y — показатель адиабаты
Так же рассмотрим начало такта сжатия
Чтобы делать формулы а затем из них картинки, занимает время, поэтому я опустил несколько шагов, в частности
V = Vр + Vc = Это объем занимаемый газом в начале такта сжатия, логично предположить, что это надпоршневое пространство, при занятии поршнем НМТ. И состоит, оно из рабочего объема цилиндра, и объема камеры сгорания.
Предположив, что адиабатический процесс происходит в изолированной системе, следующее равенство, должно быть справедливым
Выполнив простые математические действия, приведем равенство к такому виду
Пытливый ум должен был уже увидеть знакомую формулу из рассмотрения Степени Сжатия
Дальнейшие преобразования уже не нужны
P0 — давление воздуха в начале такта сжатия, равно атмосферному
показатель адиабаты, для двухатомного газа, а воздух, которым дышим мы и мотор — является смесью 2ухатомных газов, равен
Но система ДВС не является полностью изолированной, в процессе сжатия происходит теплообмен со стенками цилиндров, утечки и т.д.
показатель адиабаты принято считать 1.2
Применив современный калькулятор
Нетрудно вычислить, что для мотора 2ZZ-GE, со степенью сжатия 11.5, НОРМАЛЬНАЯ компрессия в лучшем случае, может быть 18.7 атмосфер.
Но моторы у нас не новые… соответственно и потери больше.
Степень сжатия и компрессия.
У кого то нашёл. Очень интересно и познавательно.
Степень сжатия и компрессия.
Степень сжатия — расчетная величина, показывает соотношение объемов до сжатия и после.
Компрессия — реально измеряемая величина, в процессе сжатия меняется не только объем и давление, но и температура, поэтому компрессия (в исправном двигателе) обычно на несколько единиц больше степени сжатия. Hа компрессию влияют также негерметичность клапанов, колец, прокладки и т.п. В руководстве по ремонту обычно указано минимальное значение компрессии, при котором еще можно ездить.
Что такое степень сжатия?
Какая степень сжатия лучше всего для вашего двигателя? Вопрос на засыпку, ведь конструкторы моторов с искровым зажиганием1 всячески стремятся повысить степень сжатия. А создатели двигателей с воспламенением от сжатия, наоборот, стараются ее понизить… По поводу этой загадочной характеристики двигателя внутреннего сгорания бытует немало ошибочных мнений.
Одно из наиболее распространенных заблуждений — от степени сжатия зависит многое. На самом деле все очень просто: этот показатель отражает отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания, или, другими словами, равен частному от деления объема надпоршневого пространства в нижней мертвой точке (н. м. т) на его объем в верхней мертвой точке (в. м. т). То есть геометрическая степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается топливовоздушная смесь в цилиндрах двигателя при движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. Но в жизни, естественно, получается не всегда так, как в теории…
На заре автомобилизма степень сжатия двигателей Отто (а других 100 лет назад и не существовало) делали невысокой — 4 5, чтобы при работе на низкооктановом бензине (гнали, как умели) не возникала детонация2.
Допустим, при рабочем объеме цилиндра 400 «кубиков» объем камеры сгорания равен 100 мл. То есть геометрическая степень сжатия у такого двигателя составляет:
е = (400 + 100) : 100 = 5.
Если же объем камеры сгорания уменьшить до 40 см3 (технически несложно), то степень сжатия повысится:
е = (400 + 40) : 40 = 11.
И что же это дает? А то, что термический КПД двигателя увеличится почти в 1,3 раза. И если 6 цилиндровый 2,4 литровый мотор со степенью сжатия 5 развивает мощность в 100 л.с., то при степени сжатия 11 она повысится почти до 130. Причем при неизменном расходе горючего! Иными словами, расход топлива в расчете на 1 л.с. в час сократится на 22,7 %.
Поразительный результат, достигнутый самыми простыми средствами. Не слишком ли хорошо, чтобы быть правдой? Никакой мистики: чем выше степень сжатия, тем ниже температура отработанных газов, идущих на выхлоп. При е = 11 мы попросту заметно меньше обогреваем атмосферу, чем при е = 5, вот и все.
Автомобильные двигатели — разновидность тепловых машин, которые подчиняются законам термодинамики. Еще в первой половине XIX века замечательный французский физик Сади Карно заложил основы теории тепловых машин, в том числе и двигателей внутреннего сгорания.
По Карно, КПД двигателя внутреннего сгорания тем выше, чем больше разница между температурой газов (рабочего тела) к концу горения топливовоздушной смеси и их температурой на выпуске. Эта разница зависит от е, а вернее, от степени расширения рабочих газов в цилиндрах. Да, тут есть нюанс: по Карно, для термического КПД важна не степень сжатия, а именно степень расширения. Чем сильнее расширяются горячие газы на рабочем ходу, тем ниже падает их температура, что естественно. Просто в двигателях обычных конструкций степень расширения геометрически совпадает со степенью сжатия. Вот мы и привыкли не разделять эти понятия. К тому же детонация зависит как раз от е, то есть от компрессии. Чем сильнее сжимается топливовоздушная смесь в цилиндрах двигателя Отто3, чем выше давление и температура к моменту искрообразования, тем вероятнее возникновение ударных волн в камере сгорания и детонации. Она-то и ограничивает степень сжатия, но степень расширения рабочих газов здесь ни при чем. Вот если бы каким-то образом отделить одну степень от другой — чтобы при умеренной компрессии добиться сильного расширения рабочих газов…
Уже полвека с лишним известен так называемый 5 тактный цикл Atkinson’а/Miller’а. Он как раз и разводит степень сжатия и степень расширения по разные стороны.
Представьте, что у вашего 1,5 литрового 16 клапанника ВАЗ-2112 впуск заканчивается не на 36 градусах после нижней мертвой точки (по углу поворота коленчатого вала), а очень поздно — на 81 градусе. То есть при 3 тыс. оборотов поршень на своем ходу к верхней мертвой точке вытесняет часть топливовоздушной смеси через открытые клапаны обратно во впускной коллектор (не беспокойтесь, она там не пропадет). Иными словами, такт сжатия начинается только где-то на 75 градусах после нижней мертвой точки, а до того имеет место своеобразный такт вытеснения смеси. Тактов теперь не 4, а 5: впуск, обратное вытеснение, сжатие, рабочий ход, выпуск. На первый взгляд, идиотская схема: зачем гонять смесь туда-сюда? Допустим, обратно вытесняется 20 % топливовоздушной смеси, уже попавшей в цилиндр, и сжимается только 80 %. И пусть геометрическая е равна 13 — исключительно высокая для Отто. Однако реальная степень сжатия гораздо ниже — всего 10,6. Что и требовалось доказать.
У конструкции с реальной степенью сжатия 10,6 (вполне допустимо для товарного бензина) степень расширения рабочих газов — 13. Термический КПД двигателя по факту в 1,0518 раза выше, чем по его степени сжатия. Не так много, но моторостроители годами бьются ради 5 процентной экономии горючего. Двигатели пассажирских автомобилей уже вовсю работают по 5 тактному циклу. В качестве примера можно привести 1,5 литровую тойотовскую «четверку» 1NZ-FXE (для Prius) или фордовскую 2,26 литровую (для Escape Hybrid).
Вроде бы блестящее решение, однако у медали есть и обратная сторона. Геометрическая е (степень расширения рабочих газов) у 1NZ-FXE — 13, реальная степень сжатия — около 10,5. В результате из-за обратного вытеснения смеси 1,5 литровый мотор по крутящему моменту и мощности, к сожалению, опускается примерно до 1,2 литрового. Итог — выигрываем в термическом КПД ценой потери реального литража. Мало того, двигатель с поздним закрытием впускных клапанов совсем не тянет «на низах». Поэтому 5 тактный цикл годится в «гибридных» силовых агрегатах, где тяговый электромотор принимает на себя нагрузку при самых низких оборотах. Потом в работу вступает двигатель внутреннего сгорания. Так или иначе 5 тактный цикл позволяет повысить степень расширения рабочих газов и термический КПД двигателя.
А вот наддув, наоборот, вынуждает понижать степень сжатия. При подаче топливовоздушной смеси под избыточным давлением реальная компрессия в цилиндрах оказывается слишком высокой — даже при умеренной геометрической е. Приходится отступать. Отсюда снижение термического КПД и повышенный расход бензина у двигателей с наддувом, если не применять спецгорючее.
Чем больше октановое число бензина, тем выше возможная (по условиям детонации) степень сжатия, тем эффективнее работает мотор. Исключительно высокую е допускает используемый в качестве горючего газ (нефтяной или природный): без наддува — 13 14, с компрессором — 10 11. Водород тоже отличается стойкостью против детонации. Потрясающие антидетонационные качества у спирта — метилового или этилового. Вдобавок у него высокая теплота испарения. Испаряясь, он сильно охлаждает топливовоздушную смесь (а заодно и поверхность камеры сгорания). Холодная смесь плотнее и в цилиндр ее по весу входит существенно больше — реальный коэффициент наполнения оказывается выше и, как следствие, возрастают крутящий момент и мощность. Кроме того, этиловый (питьевой!) спирт экологичен. Правда, расход спиртового топлива в литрах гораздо больше, чем бензина, поскольку теплотворная способность метанола и этанола незначительная. А вот в энергетическом эквиваленте спирт заметно эффективнее бензина — благодаря высокой степени сжатия (расширения). У такого топлива есть перспектива. На сегодняшний день в некоторых странах широкое распространение получила смесь E85: 85 % этанола и 15 % бензина.
Пока что повысить степень сжатия вазовского 16 клапанника с 10,5 до 11,5 на 92 м бензине от местной АЗС — ой как непросто. Можно применить впрыск бензина непосредственно в камеры сгорания — вместо впускных каналов. Испарение бензина не на впуске, а в цилиндрах — тот же самый «компрессорный» эффект. Или организовать двухискровое зажигание — с двумя свечами на цилиндр. А также поставить выпускные клапаны с внутренним (натриевым) охлаждением — раскаленные тарелки провоцируют детонацию. И еще — очистить поверхность камеры сгорания от нагара и отполировать ее.
Влияют на степень сжатия и конфигурация камеры сгорания и скорость вихревого движения топливовоздушной смеси. Есть много способов борьбы с детонацией, хороших и разных. Так до какого уровня есть смысл поднимать е двигателя Отто? Здесь вот что важно учитывать: термический КПД нарастает с повышением степени сжатия (расширения), но не линейно, а с постепенным замедлением. Если при увеличении степени сжатия от 5 до 10 он повышается в 1,265 раза, то от 10 до 20 — только в 1,157 раза. Зато быстро накапливаются побочные «заморочки», которых лучше избегать. Поэтому степень сжатия 13 14 — разумный компромисс, к которому и следует стремиться. Вперед и с песней!
1 Мы обычно говорим «бензиновый», хотя знаем, что автомобильные двигатели прекрасно работают и на газе. А также на спирте — метиловом или этиловом… Так что лучше называть их двигателями с искровым зажиганием или двигателями Отто (по имени создателя такой конструкции Николауса Отто) — по аналогии с дизелями.
2 Кто не слышал детонационные звуки в цилиндрах? Это когда говорят: «пальцы стучат». При слишком высокой (по качеству горючего) степени сжатия горение топливовоздушной смеси после ее воспламенения от искры нарушается. Оно приобретает взрывной характер, в камере сгорания возникают ударные волны, способные вызвать поломку мотора.
3 Именно двигатели Отто; дизели детонации не знают. Почему — отдельный разговор.