что это, как увеличить и чем отличается от компрессии
Тепловой рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания подразумевает несколько тактов, одним из которых является уменьшение объёма принятой топливовоздушной смеси при неизменной её массе, то есть герметичном цилиндре.
Содержание статьи:
- 1 Что такое степень сжатия
- 1.1 Отличия от компрессии
- 2 На что влияет
- 3 Как рассчитать степень сжатия мотора
- 4 Как увеличить степень сжатия
- 4.1 Расточка цилиндров
- 4.2 Измерение объема камеры сгорания
- 4.3 Доработка ГБЦ
- 5 Минусы увеличения степени сжатия
По законам физики растут давление и температура, что в конечном счете влияет на коэффициент полезного действия двигателя.
Отсюда и важность одного из главных параметров мотора, показывающего, насколько сильно сжимается смесь перед началом основного полезного такта рабочего хода.
Что такое степень сжатия
У четырехтактного мотора четко разделены все процессы газообмена.
Затем идет такт сжатия, когда поршень поднимается в верхнюю мертвую точку. Над ним остается совсем мало места, данный объем называется камерой сгорания.
Степенью сжатия, а это чисто геометрический параметр, называется отношение надпоршневого объёма в первом случае (максимального) ко второму случаю, когда он минимален.
По теме: Сколько проработает двигатель без масла
Это обычное число, не имеющее размерности, может округленно выражаться целым числом или с десятичной дробью. Чем оно больше, тем сильнее давление перед рабочим ходом.
Отличия от компрессии
Компрессия имеет отношение к степени сжатия, но с научной точки зрения это совершенно разные величины, нечетко между собой связанные.
Компрессией принято считать максимальную величину давления в цилиндре во время прокрутки его на малых оборотах без зажигания в тестовом режиме от внешнего источника (обычно стартера).
Имеет размерность давления, то есть в кг/кв.см, барах, атмосферах, паскалях или фунтах на квадратный дюйм (PSI). Замер компрессии позволяет поверхностно судить о состоянии двигателя. С возможными ошибками, что требует уточнения иными способами.
На что влияет
Если рассмотреть тепловой цикл работы двигателя за все четыре такта, то можно сделать вывод об увеличении количества работы, производимой цилиндром, пропорционально степени сжатия, то есть с её ростом увеличивается КПД мотора, а с меньшего рабочего объёма можно снимать больше мощности.
Последнее очень привлекательно для автомобилистов, но инженеры прекрасно знают, чем данный рост ограничен.
Нельзя повышать температуру и давление над поршнем в ВМТ до бесконечности, это потребует идеального топлива. У реальных сортов горючего есть ограничения по детонационной стойкости, то есть горение станет аномальным, это можно сравнить с разницей в применении пороха и тринитротолуола в артиллерии.
Первый выталкивает снаряд, а второй просто раздробил бы ствол пушки из-за слишком большой скорости взрывной волны.
Тем не менее ученые и инженеры стараются выжать максимум из моторов, применяя высокооктановые, стойкие к детонации бензины, а также оптимизируя горение, не давая ему перейти в детонацию. Поднятие этой границы без разрушительных для деталей последствий требует больших знаний и опыта.
Как рассчитать степень сжатия мотора
Для расчета придется решить несложную геометрическую задачу. Потребуется лишь вспомнить формулы из курса средней школы, описывающие объём тел цилиндрической формы, а также провести замеры объёма камеры сгорания.
Зная диаметр цилиндра и ход поршня, легко вычислить описываемый поршнем объём.
Затем вычисляется надпоршневой объём в ВМТ, состоящий из камеры сгорания, недохода поршня и небольшого цилиндра с толщиной прокладки ГБЦ.
Остается сложить эти две величины и разделить результат на вторую из них. Или воспользоваться одним из имеющихся в сети калькуляторов.
Как увеличить степень сжатия
Любители тюнинга рассматривают рост степени сжатия и переход на более высокооктановый бензин как одну из составляющих увеличения мощности.
Способы тут чисто геометрические и практически реализуются механообработкой и заменой деталей на тюнинговые.
Расточка цилиндров
Из формулы расчета видно, что можно увеличить степень сжатия, если добавить описываемый поршнями объём. То есть ход поршня или диаметр цилиндра. В последнем случае блок растачивается под измененные поршни.
Их можно приобрести или изготовить. Но для уточнения результата надо знать, чему равен объём камеры сгорания и насколько он может измениться.
Измерение объема камеры сгорания
Камера современного мотора хорошо оптимизирована под эффективное смешивание и горение топлива с воздухом.
Поэтому форма её вряд ли может быть просчитана с использованием математических формул.
Приходится снимать головку блока, переворачивать её и заполнять водой, после чего точно измерять её количество.
Зная эту величину, можно примерно рассчитать способы доработки, а затем проверить и подогнать результат под эффективный, но безопасный.
Доработка ГБЦ
В зависимости от способа тюнинга мотора, может потребоваться для корректировки степени сжатия увеличивать или уменьшать объем камер сгорания в ГБЦ.
Возможно несколько вариантов:
- выборка металла фрезой из ГБЦ в зоне камер;
- подрезка (шлифовка) плоскости головки;
- применение увеличенных или уменьшенных по толщине прокладок между головкой и блоком;
- наплавление металла в камеры сгорания с последующей корректировкой формы механообработкой.
Подобные процессы требуют больших знаний и опыта, иначе результат скорее всего будет противоположным.
Минусы увеличения степени сжатия
Проблема здесь практически одна – детонация.
Рост температур, давлений и ударных нагрузок не добавит мощности, а разрушит детали двигателя.
Добиться улучшения процесса горения очень сложно, поскольку эта работа уже была проделана разработчиками на самом сложном научно-техническом уровне. Зато ухудшить получится практически любым изменением.
Выход из положения только один – повышение октанового числа бензина, что не получится делать до бесконечности, выбор ограничен.
Небольшое «поджатие» мотора вполне возможно, если он изначально не был рассчитан на самый продвинутый бензин, но одновременно придется изменять карты системы управления двигателем и решать массу других возникающих проблем.
Такая работа доступна очень ограниченному числу специалистов.
Система изменения степени сжатия
Степень сжатия – важная характеристика двигателя внутреннего сгорания, определяемая отношением объема цилиндра при нахождении поршня в нижней мертвой точке к объему в верхней мертвой точке (объему камеры сгорания). Повышение степени сжатия создает благоприятные условия для воспламенения и сгорания топливно-воздушной смеси и, соответственно, эффективного использования энергии. Вместе с тем, работа двигателя на разных режимах и разных топливах предполагает разную величину степени сжатия. Эти свойства в полной мере используются системой изменения степени сжатия.
Система обеспечивает повышение мощности и крутящего момента двигателя, снижение расхода топлива и вредных выбросов. Основная заслуга системы изменения степени сжатия в способности работы двигателя на разных марках бензина и даже разных топливах без ухудшения характеристик и детонации.
Создание двигателя с переменной степенью сжатия достаточно сложная техническая задача, в решении которой существует несколько подходов, заключающихся в изменении объема камеры сгорания.
В настоящее время имеются опытные образцы таких силовых установок.
Пионером в создании двигателя с переменной степенью сжатия является фирма SAAB, представившая в 2000 году пятицилиндровый двигатель внутреннего сгорания, оборудованный системой Variable Compression. В двигателе использована объединенная головка блока цилиндров с гильзами цилиндров. Объединенный блок с одной стороны закреплен на валу, с другой взаимодействует с кривошипно-шатунным механизмом. КШМ обеспечивает смещение объединенной головки от вертикальной оси на 4°, чем достигается изменение степени сжатия в пределе от 8:1 до 14:1.
Необходимое значение степени сжатия поддерживается системой управления двигателем в зависимости от нагрузки (при максимальной нагрузке – минимальная степень сжатия, при минимальной – максимальная степень сжатия). Несмотря на впечатляющие результаты двигателя по мощности и крутящему моменту, силовая установка не пошла в серию, а работы по ней в настоящее время свернуты.
Более современной разработкой (2010 год) является 4-х цилиндровый двигатель от MCE-5 Development объемом 1,5 л. Помимо системы изменения степени сжатия двигатель оснащен другими прогрессивными системами – непосредственного впрыска и изменения фаз газораспределения.
Схема двигателя с переменной степенью сжатия MCE-5
Конструкция двигателя предусматривает независимое изменение величины хода поршня в каждом цилиндре. Зубчатый сектор, выполняющий роль коромысла, с одной стороны взаимодействует с рабочим поршнем, с другой – с поршнем управления. Коромысло рычагом соединено с коленчатым валом двигателя.
Зубчатый сектор перемещается под действием поршня управления, выполняющего роль гидроцилиндра. Объем над поршнем заполнен маслом, объем которого регулируется клапаном. Перемещение сектора обеспечивает изменение положения верхней мертвой точки поршня, чем достигается изменение объема камеры сгорания. Соответственно изменяется степень сжатия в пределе от 7:1 до 20:1.
Двигатель MCE-5 имеет все шансы попасть в серию в ближайшей перспективе.
Еще дальше в своих исследованиях пошел Lotus Cars, представив двухтактный двигатель Omnivore (дословно – всеядное животное). Как заявлено, двигатель способен работать на любом виде жидкого топлива – бензин, дизельное топливо, этанол, спирт и др.
В верхней части камеры сгорания двигателя выполнена шайба, которая перемещается эксцентриковым механизмом и изменяет объем камеры сгорания. С такой конструкцией достигается рекордная степень сжатия 40:1. Тарельчатые клапаны в газораспределительном механизме двигателя Omnivore не используются.
Дальнейшее развитие системы сдерживает низкая топливная экономичность и экологичность двухтактных двигателей, а также их ограниченное применение на автомобилях.
Понимание коэффициентов сжатия | Visordown
Горючее устремляется внутрь, затем оно раздавливается в крошечном пространстве и воспламеняется.
Тайны степеней сжатия исследованы и разгаданы
Тим Диксон
Пт, 5 ноября 2010
Степень сжатия двигателя – это отношение объема газа в цилиндре, когда поршень находится в верхней мертвой точке , или ВМТ) к объему газа, когда поршень находится в нижней мертвой точке (нижняя мертвая точка или НМТ). Другими словами, это отношение сжатого газа к несжатому или насколько плотно поступающая топливно-воздушная смесь вдавливается в камеру сгорания перед ее воспламенением. Чем сильнее он сжат, тем эффективнее он горит и тем больше энергии вырабатывается.
Судя по всему, небольшие изменения в движке будут иметь большое значение. «Снятие» головки блока цилиндров путем механической обработки ее нижней поверхности в том месте, где она плотно прилегает к цилиндру (что эффективно уменьшает объем камеры сгорания) или установка более тонкой прокладки головки блока цилиндров увеличит степень сжатия, как и установка поршней с высокой степенью сжатия. поднятая корона. Любая модификация, уменьшающая объем камеры сгорания, повысит компрессию, но это также повлияет и на другие аспекты.
Растачивание двигателя или увеличение его хода дает больше мощности не только за счет увеличения мощности, но и за счет повышения степени сжатия. Скажем, у нас есть одноцилиндровый двигатель объемом 500 куб. см с диаметром цилиндра 100 мм и ходом поршня 63,66 мм. Допустим также, что его цилиндр имеет объем камеры сгорания, для простоты расчета, 50 куб.см. С поршнем в НМТ общий объем цилиндра составляет 550 см3. Когда поршень находится в ВМТ, объем уменьшается до 50 куб.см. Таким образом, его коэффициент сжатия составляет 550, деленное на 50, или 11:1. Но если мы увеличим диаметр двигателя на 2 мм и не будем делать никаких других модификаций, его объем теперь составит 520 куб.см. Общий объем цилиндров увеличен до 570 куб. см, снова уменьшен до 50 куб. см в ВМТ. Разделив 570 на 50, мы получим 11,4:1. Увеличив рабочий объем двигателя, мы изменили соотношение объемов сжатого и несжатого газа и увеличили степень сжатия.
Что бы мы ни делали, повышение степени сжатия — это простой путь к большей мощности.
По словам Яна Парка из FW Development, поршни с высокой степенью сжатия обладают «привинчиваемой мощностью». Современные велосипедные двигатели имеют степень сжатия от 10:1 до 12:1. Например, стандартный CBR600RR имеет степень сжатия 12:1, в то время как RR, настроенный FW Developments для суперспорта, будет работать со степенью сжатия около 15:1.
Но существуют пределы того, насколько высокой может быть степень сжатия. Проблема с бензином в том, что если его слишком сильно сжать, он начинает воспламеняться сам по себе, а не тогда, когда вы этого хотите. Это известно как детонация или «детонация», и именно это не позволяет двигателям работать с очень высокой степенью сжатия.
При сжатии газа повышается его температура, поэтому при подъеме поршня и сжатии топливно-воздушной смеси газ нагревается. В идеальном мире сжатая топливно-воздушная смесь воспламеняется из центральной точки камеры сгорания (где находится свеча зажигания), равномерно расширяясь во всех направлениях и толкая поршень вниз (потому что это единственная часть, которая может двигаться в этой точке).
). Слишком сильно поднимите степень сжатия, и произойдет самовоспламенение по направлению к внешним краям камеры сгорания, вызванное внезапным повышением давления в цилиндре при воспламенении свечи зажигания, вместо того, чтобы выгорать наружу от центральной точки.
Это неравномерное спонтанное горение создает усиленные волны давления в камере сгорания. Металлический стук можно даже услышать из двигателя, когда эти волны высокого давления ударяются о днище поршня и стенки камеры сгорания, отсюда и термин «стук». Хотя эти волны давления очень недолговечны, они выше, чем нормальное давление сгорания и температура, и могут вызвать всевозможные проблемы, от пробитых прокладок головки блока цилиндров до поврежденных поршней и перегруженных шатунов и подшипников. Перегрев также может быть проблемой.
Связанные статьи
Октановое число топлива является мерой его устойчивости к детонации — чем выше число, тем больше оно может быть сжато без возникновения детонации. Обычное неэтилированное топливо для насосов с октановым числом 95 по Рону подходит для большинства стандартных двигателей со степенью сжатия, но даже для двигателей с умеренными настройками может потребоваться сверхнеэтилированное топливо с октановым числом 97/98 для безопасной работы.
Все, что вы хотели знать о коэффициентах сжатия
Мы здесь, чтобы ответить на несколько вопросов — что такое коэффициенты сжатия, как они влияют на цифровое кинопроизводство и какое отношение они имеют к кодекам?
В этой статье мы демистифицируем загадочную степень сжатия, объясним, как можно извлечь из нее полезный смысл, а затем покажем вам несколько приемов для оценки кодеков, чтобы определить наилучший вариант для вашего производства.
Основы сжатия данных
Изображение через Avid.
Мы рассмотрели основы сжатия ранее, поэтому быстро пробежимся по ним здесь.
Все виды сжатия можно разделить на два типа: сжатие с потерями (при котором информация отбрасывается ради размера файла или скорости передачи данных) или сжатие без потерь (при котором данные временно сжимаются в процессе кодирования, чтобы обеспечить полное или почти полное восстановление несжатого набора данных при декодировании). Кадры, записанные без использования какого-либо алгоритма сжатия, считаются несжатыми.
Теперь, прежде чем углубляться в коэффициенты сжатия, нам нужно немного изучить информатику 101. (Обещаю, это будет быстро.)
Фундаментальная частица информационного мира называется «бит» и обозначается строчной буквой «b». (Да, дело важно). На этом уровне информация представлена в самой простой двоичной форме — 1 или 0.
8 бит составляют «байт» (произносится как «байт»), представленный прописной буквой «В». На этом и каждом последующем уровне представляемые данные усложняются.
1000 байт составляют килобайт. Это не следует путать с «килобитом» («Кб»), что составляет 1000 байтов. Поскольку байты являются 8-битными единицами, килобайт на самом деле составляет 1024 бита.
Одна тысяча килобайт составляет мегабайт или МБ. (Опять же, не путать с «Мегабит» — «Мб».)
Эта тенденция продолжается — тысяча Мегабайт составляет гигабайт и т. д., но это все, что нам нужно для этой статьи. Если вы хотите узнать больше, WhatsAByte.com — отличный ресурс.
Теперь давайте углубимся в степень сжатия.
Коэффициенты сжатия
Коэффициенты сжатия представляют собой простое числовое представление «мощности сжатия» определенных кодеков или методов сжатия. Они являются бесценным сокращением, поскольку они предлагают значительно упрощенное описание качества результирующих данных, видеоматериалов или аудио, которые вы собираетесь сжимать.
Так что же это такое?
Изображение через Blackmagic.
Два числа в коэффициенте сжатия относятся к сжатому и несжатому размеру данных. Первое число представляет мощность сжатия, а второе (обычно просто «1») относится к общему размеру несжатых данных.
Если вы когда-нибудь захотите найти коэффициент сжатия для любых данных, которые вы сжимаете, вот формула: Коэффициент сжатия = размер несжатого/сжатого размера
Если вам нужно знать экономию памяти, предоставляемую данным кодеком, две простые настройки к формуле, и все готово: Экономия пространства = 1 – (сжатый размер/несжатый размер)
Таким образом, файл размером 10 МБ сжимается до 2 МБ с использованием кодека X, что дает нам степень сжатия 5:1 .
Чтобы найти экономию, мы просто вводим наши значения в формулу.
Экономия пространства = 1 – (2/10) -> = 1 – (.2) -> = .08 -> .08*100 = 80 несжатые данные. Довольно изящно.
И что теперь?
Выбор кодека
Изображение через Apple.
Теперь, когда мы рассмотрели основы, как решить, какой кодек лучше всего подходит для вашего проекта? Давайте посмотрим на параметры, которые инженеры используют при разработке алгоритмов сжатия, но давайте подойдем к этому как к стрелкам и редакторам.
Вопросы о себе о проекте:
- Скорость: Каковы сроки проекта?
- Коэффициент сжатия: Вам нужны файлы более высокого качества или меньшего размера?
- Сложность: не создадут ли дополнительные кодеки ненужную сложность?
- Пространство: можете ли вы эффективно захватывать, создавать резервные копии и архивировать то, что вам нужно?
- Задержка: Вы собираетесь воспроизводить в реальном времени?
- Совместимость: будет ли кодек требовать перекодирования для вашей системы редактирования?
Теперь, когда мы имеем представление о конкретных потребностях нашего производства, что еще нам нужно сделать перед выбором кодека?
Помимо оценки степени сжатия кодека, мы можем использовать все, что мы узнали, для прогнозирования хранения данных, которые мы будем сжимать для всей съемки.
Это дает множество преимуществ — от выбора между двумя кодеками аналогичного класса до знания того, сколько жестких дисков вам потребуется для резервного копирования и архивирования.
Допустим, мы оценили потребности нашего производства и склоняемся к записи видео с использованием ProRes 422 HQ или DNxHD 145 для нашего проекта 1920×1080, 29,97 кадров в секунду. При таком разрешении и частоте кадров ProRes 422 имеет скорость передачи данных 220 Мбит/с (мегабит в секунду), а DNxHD от Avid — 145 Мбит/с.
Итак, используя простую математику, мы можем предсказать, насколько большим будет наш 1-часовой отрывок с интервью, прежде чем мы начнем его снимать.
Для ProRes:
220 Мбит/с = 220 000 000 бит в (/) секунду
220 000 000 бит/сек * 60 = 13 200 000 бит/мин
13 200 000 бит/мин * 60 = 792 000 000 000 бит/час.
792 000 000 000 бит / час / 8 = 99 000 000 000 байтов / час
99 000 000 000 байт / 1000 = 99 000 000 мегабайтов / час
99 000 000 мегабайтов / 1000 = 99 Гигабайт / HR
для DNXHD:
млн.
С.Е. 145 000 000 бит/сек * 60 = 8 700 000 000 бит/мин
87 000 бит/мин * 60 = 522 000 000 000 бит/час.
522 000 000 000 бит / час / 8 = 65 250 000 000 байтов / час
65 250 000 мегабайтов / 1000 = 65,25 Гигабайты / HR
, так что в одном, что будет приведите, что, наше время, будет приведите, что в одном, что будет приведите, что в одном, что будет привлекло в одном, что в одном, что будет приведите, что в одном, что будет приведится, что наше время, что-то в одном. гигов с ProRes 422 HQ и около 65 Гб для DNxHD 145.
Теперь наш выбор прост. Мы просто возвращаемся к вопросам, которые мы задали себе минуту назад о нашем конкретном производстве, чтобы решить, является ли экономия ~ 35 ГБ/час DNxHD более или менее важной, чем увеличение скорости передачи данных примерно на 50%, которое дает нам 422 HQ.
Наше часовое интервью — это 30-секундная реклама в Интернете? Если это так, DNxHD должен обеспечивать качество изображения, почти равное 422 HQ, но после завершения он будет занимать на 40 процентов меньше места, что делает его явным победителем в данном случае.