Степень сжатия двигателя: Компрессия и степень сжатия двигателя автомобиля

Компрессия и степень сжатия двигателя автомобиля

Кто изучает устройство автомобиля, встречает непонятные термины из области работы двигателя. Расскажем что такое компрессия и степень сжатия мотора, их определения. Рассмотрим работу мотора с изменяемой степенью сжатия.

Что такое степень сжатия

Это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. На бензиновом моторе, в зависимости от конкретной задачи, степень сжатия может серьезно варьироваться, достигая величин в 8 до 12. На дизельных двигателях из-за их конструктивных особенностей она намного больше и оставляет от 14 до 18 единиц. Для бензиновых двигателей, чем выше степень сжатия — тем выше удельная мощность. Но если её сильно увеличить, то может снизится ресурс и возрастает риск проблем с мотором при заправке некачественным топливом.

Что такое компрессия двигателя

Это максимальное давление воздуха в камере сгорания в конце такта сжатия.

Компрессия это давление в цилиндре. Поэтому она зависит от степени сжатия (величина давления в меньшем объеме всегда будет больше, т.

е. при увеличении степень сжатия компрессия растет). По величине компрессии можно предварительно судить о состоянии двигателя. При этом важно правильно провести процедуру замера компрессии.

При снижении уровня компрессии необходимо выяснить причину. Это могут быть поршневые кольца или проблемы в клапанном механизме, выяснить это можно так. В проблемные цилиндры с помощью шприца вводят 15-20 грамм моторного масла. Процедуру замера повторяют. Если показания манометра выросли — причина падения в поршневых кольцах, если остались на прежнем уровне — в клапанах.

Двигатели с изменяемой степенью сжатия

Японские производители улучшили эффективность традиционного двигателя за счет поднятия степени сжатия до 14:1, что ранее было просто невозможно. Они заявляют, что с данной степенью сжатия могут работать, как бензиновый, так и дизельный двигатели, причем на обычном 95-ом бензине. Как это возможно? Один из недостатков бензиновых моторов с искровым зажиганием — относительно невысокая степень сжатия. Если ее поднять с нынешних 10:1 до 12,5:1, то эффективность использования теплоты сгоревшего топлива возрастет процентов на шесть. Но чем сильнее сжимаем поршнем воздух с парами бензина, тем выше риск взрывного неконтролируемого самовоспламенения смеси — это детонация, страшный враг двигателя: ударные нагрузки, перегрев, разрушение поршней и колец.

Не зря степень сжатия бензиновых агрегатов редко поднимается выше 11:1.

На самом деле все дело в снижении средней температуры цикла. Чем «холоднее» горючая смесь в камере сгорания, тем сильнее ее можно сжать без риска возникновения детонации. Думаете, японцы решили охлаждать всасываемый воздух? Нет, они занялись системой выпуска.

Этот прием давно известен по гоночным моторам — «настроенные» выпускные каналы по схеме 4-2-1, в которых порции выхлопных газов из всех четырех цилиндров не «толкаются» друг с другом, а строго поочередно вылетают в атмосферу. При чем здесь температура цикла? «Настроенный» выпуск за счет газодинамического наддува улучшает продувку цилиндров — в них остается меньше горячих отработавших газов, которые неизбежно подмешиваются к свежему воздуху на такте впуска и поднимают температуру в конце такта сжатия. Как уверяют, если долю выхлопа снизить с обычных 8% до 4%, то степень сжатия можно безболезненно поднять на три единицы. А за счет охлаждения воздуха при распыле бензина прямо в цилиндр — сжатие можно увеличить еще на единичку.

Чтобы реализовать продвинутый газообмен, пришлось раскошелиться на фазовращатели на обоих распредвалах — и впускном, и выпускном. А вдобавок с помощью компьютерного моделирования придумать еще кучу всяких ухищрений. К примеру, чтобы улучшить «термоизоляцию» камеры сгорания, диаметр цилиндра пришлось уменьшить с нынешних 87,5 мм до 83,5 мм, соответственно увеличив ход поршня.

Длинноходность способствует увеличению крутящего момента на низких оборотах, вдобавок тягу «на низах» улучшают непосредственный впрыск и увеличение степени сжатия — и возникает эффект, который именуют downspeeding. Мол, мотор настолько хорошо тянет «внизу», что среднестатистические обороты при езде снижаются на 15% — это дает эффект по части снижения расхода бензина и выбросов СО

2 по сравнению с турбомотором с уменьшенным до 1,4 л рабочим объемом.

Голая правда о технологии Mazda SkyActive :: Autonews

Компания Мазда не так давно действительно сделала бензиновый атмосферный двигатель с рекордной степенью сжатия — 14:1, достигнутой в том числе и за счет «улучшения вентиляции цилиндров» — оригинальной доработки системы выпуска. Снижение «средней температуры цикла» позволило вроде бы бороться и даже победить «неизбежную детонацию».

Степени сжатия практически всех современных атмосферных моторов (которых уже скоро и вовсе не останется) достигли критических величин в 10,5-11* единиц еще лет 20 назад и остаются практически неизменны с того момента (хороший пример —  моторы BMW M50 и BMW S50). Рекордные же показатели, находящиеся в общем-то на грани теоретической детонации, чаще всего демонстрируют немногочисленные «докрученные» моторы спортивных автомобилей. Так или иначе, в мировом двигателестроении до недавнего времени существовали единицы моторов с СЖ около 12.

Зачем же, почему и чем именно важен этот показатель? Зачем стране такие рекорды?

*Здесь и далее говорим только про атмосферные моторы.

Важность степени сжатия можно оценить рассмотрев прямой показатель эффективности двигателя — крутящий момент приведенный к объему. Понятно, что на деле это может быть лишь точка, или же довольно узкий участок на моментной характеристике — нам важна лишь максимально достигнутая цифра. Около 20 лет назад, BMW одной из первых добилась соотношения 1 Нм на 10 кубиков рабочего объема. И прогресс в эффективности на этом фактически остановился. Компании начали больше заниматься экологией и интегральной характеристикой момента — работать с фазами газораспределения и их эффективностью. Фазовращателями  просто «раскатали» моментную характеристику влево и вправо. Про все это я уже говорил.

На момент 2012 года, не существует атмосферного гражданского мотора с характеристиками существенно превышающими «золотое» соотношение эффективности — 1 Нм на 10 куб. см. рабочего объема. Моторы получающие хотя бы на 7-10% больше — дожаты до предела — это привелегия спортивных двигателей Ferrari, Porsche, BMW Motorsport. Тут чаще всего или помудрили с фазами, или выставили критические углы зажигания ну и степень сжатия, разумеется, по верхней возможной границе сделали.

Массовый же потребитель в основном ориентируется на гонку лошадиных сил и фактически не замечает, что продают-то ему почти тот же самый мотор, если не хуже. Разумеется, он стал ЕВРО4, старт-стоп и чего-то там еще, но эффективность осталась такая же, если не ниже…

Лишние 10-20 лошадиных сил, по сравнению с предыдущей моделью, подняты заменой прошивки с сопутствующим добавлением оборотов. Также, возможно, конструкторы чуть поиграли с фазами — приподняли холостые — сдвинули всю характеристику вправо. По такому пути идут все производители: так или иначе, именно такова главная тенденция в ретроспективе развития мирового моторостроения за последние 20-30 лет.

Вернемся к понятию «степень сжатия» и вспомним волговский «ЗМЗ-21», мотор американской технологии 50-х годов: СЖ 6,7:1, фактически — обычный распространенный в то время «американец» советского изготовления.

Переваривал бензины от А-66 до А76 (современный — АИ-80). На нем был достигнут момент около 167 Нм при рабочем объеме около 2,44 л. BMW в 1991 году примерно с такого же объема двигателя M50B25 снимали привычные сейчас 250 Нм. Прогресс по степени сжатия — примерно полуторакратный. Прогресс по моменту… практически те же 1,5 раза! Линейная зависимость. Ну так давайте увеличим СЖ еще в 1,5 раза, примерно до 15 единиц и мы получим что-нибудь около 375 Нм?!

Ничего подобного: на самом деле, эффективность двигателя зависит от степени сжатия нелинейно. К 10-11 единицам теоретическая кривая эффективности входит в зону насыщения и к условным 12,5 единицам на графике наступает перегиб — дальнейший рост происходит крайне неохотно. Об этом же говорит и сама Мазда:

К чему я все это? Мазда обещает СЖ 14:1? Рекорд? Разберемся, по сравнению с чем?

Практически все современные моторы оснащены непосредственным вспрыском. Послойное смесеобразование, использование дополнительной «обычной» форсунки, оптимизация камеры сгорания — все это пути для понижения температуры смеси — снижения склонности к детонации.

Один и тот же двигатель с СЖ 11-12 может быть более, или напротив — менее склонен к детонации, в зависимости от режима его питания.

Так что берем обычный современный двигатель, редактируем его в сторону снижения детонации и получаем 12:1 с допустимой эксплуатацией на АИ-95… И не детонирует. Думаю, с обязательным ограничением на 98-й, получим и беспроблемные 12,5:1 при использовании, повторюсь, совершенно доступных технологий. То есть, если и сравниваем, при прочих равных, то сравниваем не с мотором 80-х, а с мотором 2012 года — со всеми возможными современными ухищрениями. Если сравниваем «маздовские» 14:1, то примерно с 12:1, что сегодня вполне себе норма, как видите.

Одна из ключевых технологий при этом — непосредственный впрыск и оптимизация формы камеры сгорания.

Кроме того, стоит рассматривать каждый случай в отдельности — декларируемая цифра может несколько отличаться от реалий — идеально точно геометрию камеры сгорания редко кто высчитывает. Чаще всего, указанные производителем данные о степени сжатия довольно условны, отображают, так сказать, общую тенденцию, или «среднетехнологическое» значение. Компрессия двигателей M54B22 и M54B30, или же M50B20 и M50B25, например, отличается заметно больше, чем того стоит ожидать зная указанные степени сжатия этих моторов. В Сети хватает и практических расчетов для конкретного мотора… Реальные цифры могут варьироваться в довольно широком диапазоне. Разумеется, всему есть предел и двигатель с заявленной степенью сжатия 10:1 на деле вряд ли окажется дожатым до 12:1. Учитывая естественный технологический разброс и, например, возможный нагар в камере сгорания, вы никогда не сможете точно предсказать фактическую склонность двигателя к детонации на основе одной только паспортной степени сжатия.

К чему я все это пишу: даже указанная производителем степень сжатия требует фактической проверки. Самая простая из которых — точное измерение компрессии. И вот тут, при прочих равных, можно пытаться строить теорию склонности этого ДВС к детонации. Одна-две «лишних» атмосферы и стоит выбирать следующий сорт бензина…

Хорошо, представим, что «честные» 12:1 сопоставляются с технологическим совершенством — честными и рекордными 14:1. Сравнение, допустим, полностью корректное. Что нам дадут «рекордные» дополнительные 2 единицы? Хотя бы +10% к эффективности? Ничуть не бывало: перед нами, как видно, все те же 200-205 Нм которые показывают в паспортных данных на Skyactive-G. Кстати, почему, интересно, для канадского рынка указана степень сжатия 13:1? Дефорсировали мотор? Отнюдь: показатели момента и мощности те же самые. А теперь сюрприз. Что случилось с Mazda3 с таким же мотором? Нам говорят, что «охладительный» волшебный коллектор не поместился, там стоит обычный и заявленная степень сжатия уже не 14 и даже не 13…  12:1! Все характеристики прежние, заявленная разница в моменте — 3 Нм. Полагаю, даже одинаковые двигатели могут давать такой разброс на практике. Оставили бы все как есть — чем было бы оправдать отсутствие оригинального коллектора? Если эти 3 Нм действительно соответствуют разнице «технического» прорыва по сравнению с обычным двигателем с СЖ 12:1, то оно того стоит вообще? Ради чего городили весь этот огород? 3 Нм? Что-то около 1% на моментной характеристике?

Суровая действительно такова: двигатели MAZDA SKYACTIV-G в вариантах степеней сжатия 14:1, 13:1 и 12:1 фактически ничем друг от друга не отличаются. Да, это один и тот же мотор. Вот такой вот извращенный изощренный маркетинг. Mazda сделала совершенно обычный современный двигатель (ничем не лучше и не хуже аналогов) и завернула его в блестящую маркетинговую шелуху. Продавать же как-то надо…

P.S.Распространенный двигатель BMW N46B20 (в общем-то, аналогичный более раннему N42B20 аж 2001 года выпуска) при равном рабочем объеме, имеет примерно аналогичные характеристики эффективности, но при действительной степени сжатия… всего 10,5:1. Вот только рабочий момент у него доступен уже с 1200 оборотов! Двигатель Мазды «оживает» едва после 2000 об/мин… Почти 1000 оборотов — это пропасть. Делать надо было «момент», а не степень сжатия. Но момент сложнее «продать».

Подготовлено в сотрудничестве с bmwservice.livejournal.com

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.

Таким образом, с помощью уравнения можно вычислять взаимосвязь между тепловым КПД и степенью сжатия. 

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):

 

 Для тех, кто не знает английский, включите субтитры и их машинный перевод на русский язык.

 

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:

 

Какой бензин лучше?

 

Почему премиум бензин является пустой тратой денег для большинства автомобилей

 

Сколько энергии в различных видах топлива

 

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. 

Двигатели с изменяемой степенью сжатия: от Saab до Infiniti

Все чаще звучат авторитетные мнения, что сейчас развитие двигателей внутреннего сгорания достигло наивысшего уровня и больше невозможно заметно улучшить их характеристики. Конструкторам остается заниматься ползучей модернизацией, шлифуя системы наддува и впрыска, а также добавляя все больше электроники. С этим не соглашаются японские инженеры. Свое слово сказала компания Infiniti, которая построила двигатель с изменяемой степенью сжатия. Разбираемся, в чем преимущества такого мотора, и какое у него будущее.

В качестве вступления напомним, что степенью сжатия называют отношение объема над поршнем, находящимся в нижней «мертвой» точке, к объему, когда поршень находится в верхней.

Компоненты / Новости

Для бензиновых двигателей этот показатель составляет от 8 до 14, для дизелей — от 18 до 23.

Степень сжатия задается конструкцией фиксировано. Рассчитывается она в зависимости от октанового числа применяемого бензина и наличия наддува.

Возможность динамически изменять степень сжатия в зависимости от нагрузки позволяет поднять КПД турбированного мотора, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси сгорала при оптимальном сжатии.

При малых нагрузках, когда смесь обедненная, используется максимальное сжатие, а в нагруженном режиме, когда бензина впрыскивается много и возможна детонация, мотор сжимает смесь минимально.

Это позволяет не регулировать «назад» угол опережения зажигания, который остается в наиболее эффективной позиции для снятия мощности. Теоретически система изменения степени сжатия в ДВС позволяет до двух раз уменьшить рабочий объем мотора при сохранении тяговых и динамических характеристик.

Схема двигателя с изменяемым объемом камеры сгорания и шатуны с системой подъема поршней

Одной из первых появилась система с дополнительным поршнем в камере сгорания, который перемещаясь, изменял ее объем. Но сразу возник вопрос о размещении еще одной группы деталей в головке блока, где уже и так теснились распредвалы, клапаны, инжекторы и свечи зажигания. Притом нарушалась оптимальная конфигурация камеры сгорания, отчего топливо сжигалось неравномерно. Поэтому система так и осталась в стенах лабораторий. Не пошла дальше эксперимента и система с поршнями изменяемой высоты. Разрезные поршни были чрезмерно тяжелыми, притом сразу возникли конструктивные трудности с управлением высотой подъема крышки.

Система подъема коленвала на эксцентриковых муфтах FEV Motorentechnik (слева) и траверсный механизм для изменения высоты подъема поршня

Другие конструкторы пошли путем управления высотой подъема коленвала. В этой системе опорные шейки коленвала размещены в эксцентриковых муфтах, приводимых в действие через шестерни электромотором. Когда эксцентрики поворачиваются, коленвал поднимается или опускается, отчего, соответственно, меняется высота подъема поршней к головке блока, увеличивается или уменьшается объем камеры сгорания, и изменяется тем самым степень сжатия. Такой мотор показала в 2000 году немецкая компания FEV Motorentechnik. Система была интегрирована в турбированный четырехцилиндровый двигатель 1.8 л от концерна Volkswagen, где варьировала степень сжатия от 8 до 16. Мотор развивал мощность 218 л.с. и крутящий момент 300 Нм. До 2003 года двигатель испытывался на автомобиле Audi A6, но в серию не пошел.

Не слишком удачливой оказалась и обратная система, также изменяющая высоту подъема поршней, но не за счет управления коленвалом, а путем подъема блока цилиндров. Действующий мотор подобной конструкции продемонстрировал в 2000 году Saab, и также тестировал его на модели 9-5, планируя запустить в серийное производство. Получивший название Saab Variable Compression (SVC) пятицилиндровый турбированный двигатель объемом 1,6 л, развивал мощность 225 л. с. и крутящий момент 305 Нм, при этом расход топлива при средних нагрузках снизился на 30%, а за счет регулируемой степени сжатия мотор мог без проблем потреблять любой бензин — от А-80 до А-98.

Система двигателя Saab Variable Compression, в которой степень сжатия изменяется за счет отклонения верхней части блока цилиндров

Задачу подъема блока цилиндров в Saab решили так: блок был разделен на две части — верхнюю с головкой и гильзами цилиндров, и нижнюю, где остался коленвал. Одной стороной верхняя часть была связана с нижней через шарнир, а на другой был установлен механизм с электроприводом, который, как крышку у сундука, приподнимал верхнюю часть на угол до 4 градусов. Диапазон степени сжатия при поднимании — опускании мог гибко варьироваться от 8 до 14. Для герметизации подвижной и неподвижной частей служил эластичный резиновый кожух, который оказался одним из самых слабых мест конструкции, вместе с шарнирами и подъемным механизмом. После приобретения Saab корпорацией General Motors американцы закрыли проект.

Проект МСЕ-5 в котором применен механизм с рабочим и управляющим поршнями, связаными через зубчатое коромысло

На рубеже веков свою конструкцию мотора с изменяемой степенью сжатия предложили и французские инженеры компании MCE-5 Development S.A. Показанный ими турбированный 1.5-литровый мотор, в котором степень сжатия могла варьироваться от 7 до 18, развивал мощность 220 л. с. и крутящий момент 420 Нм. Конструкция тут довольно сложная. Шатун разделен и снабжен наверху (в части, устанавливаемой на коленвал) зубчатым коромыслом. К нему примыкает другая часть шатуна от поршня, оконечник которой имеет зубчатую рейку. С другой стороной коромысла связана рейка управляющего поршня, приводимого в действие через систему смазки двигателя посредством специальных клапанов, каналов и электропривода. Когда управляющий поршень перемещается, он воздействует на коромысло и высота поднятия рабочего поршня изменяется. Двигатель экспериментально обкатывался на Peugeot 407, но автопроизводитель не заинтересовался данной системой.

Теперь свое слово решили сказать конструкторы Infiniti, представив двигатель с технологией Variable Compression-Turbocharged (VC-T), позволяющей динамически изменять степень сжатия от 8 до 14. Японские инженеры применили траверсный механизм: сделали подвижное сочленение шатуна с его нижней шейкой, которую, в свою очередь, связали системой рычагов с приводом от электромотора. Получив команду от блока управления, электродвигатель перемещает тягу, система рычагов меняет положение, регулируя тем самым высоту подъема поршня и, соответственно, изменяя степень сжатия.

Конструкция системы Variable Compression у мотора Infiniti VC-T: а - поршень, b - шатун, с - траверса, d - коленвал, е - электродвигатель, f - промежуточный вал, g - тяга. 

За счет данной технологии двухлитровый бензиновый турбомотор Infiniti VC-T развивает мощность 270 л.с., оказываясь на 27% экономичнее других двухлитровых двигателей компании, имеющих постоянную степень сжатия. Японцы планируют запустить моторы VC-T в серийное производство в 2018 году, оснастив ими кроссовер QX50, а затем и другие модели.

Заметим, что именно экономичность выступает сейчас основной целью разработки моторов с изменяемой степенью сжатия. При современном развитии технологий наддува и впрыска, нагнать мощности в моторе для конструкторов не составляет больших проблем. Другой вопрос: сколько бензина в супернадутом двигателе будет вылетать в трубу? Для обычных серийных моторов показатели расхода могут оказаться неприемлемы, что и выступает ограничителем для надувания мощности. Японские конструкторы решили этот барьер преодолеть. Как считают в компании Infiniti, их бензиновый двигатель VC-T, способен выступить как альтернатива современным турбированным дизелям, показывая тот же расход топлива при лучших характеристиках по мощности и более низкой токсичности выхлопа.

Каков итог?

Работы над двигателями с изменяемой степенью сжатия ведутся уже не один десяток лет — этим направлением занимались конструкторы Ford, Mercedes-Benz, Nissan, Peugeot и Volkswagen. Инженерами исследовательских институтов и компаний по обе стороны Атлантики получены тысячи патентов. Но пока ни один такой мотор не пошел в серийное производство.

Не все гладко и у Infiniti. Как признаются сами разработчики мотора VC-T, у их детища пока остаются общие проблемы: возросла сложность и стоимость конструкции, не решены вопросы с вибрацией. Но японцы надеются доработать конструкцию и запустить ее в серийное производство. Если это произойдет, то будущим покупателям осталось только понять: сколько придется переплатить за новую технологию, насколько такой мотор будет надежен и сколько позволит экономить на топливе.

Пять систем, которые снижают ресурс двигателя автомобиля — Российская газета

Не секрет, что новые моторы разрабатываются исходя из требований экономичности и экологичности, а потребительские характеристики при этом уходят на дальний план. В итоге снижается надежность и ресурс двигателя.

При выборе автомобиля стоит учитывать эту тенденцию. Есть список характеристик, которые неизбежно сокращают ресурс двигателя.

Первый пункт — это снижение объема камер сгорания. Это уменьшает выброс вредных веществ в атмосферу. При этом обозначенная мощность мотора обеспечивается за счет увеличенной степени сжатия, которая позволяет улучшить скорость сгорания.

Степень сжатия ограничена топливными характеристиками и материалами, из которых сделаны механизмы поршневой группы. Если степень сжатия увеличивается на треть, то воздействие на поршень и подвижные части вырастает в два раза. С этой точки зрения в легковых авто оптимальными потребительскими свойствами обладают 1,6-литровые 4-цилиндровые двигатели, пишет aif.ru.

Второй пункт — применение поршней с короткой юбкой. Логика производителя следующая. Чем меньше поршень, тем он легче. И благодаря этому он обеспечивает большую отдачу и эффективность. Сокращение юбки поршня в сочетании уменьшением плеча шатуна влечет за собой рост нагрузки на стенки цилиндров. На высоких оборотах такой поршень иногда пробивает масляную пленку и соприкасается с металлом цилиндров. Что, конечно, не продляет службу поршневой группы.

Третьим в списке идет использование турбонаддува на малообъемных моторах. Чаще всего встречается турбонаддув, работающий на энергии выхлопных газов для вращения центростремительной турбины. Температура в ней достигает 1000 градусов. Чем больше литровая мощность мотора — тем сильнее износ. Чаще всего турбоагрегат ломается на пороге 100 тысяч километров. Турбина может быстро вывести из строя поршневую часть, поскольку турбокомпрессор возьмет весь запас моторного масла.

Четвертый пункт — отсутствие прогрева двигателя при минусовых температурах. Действительно, современные моторы могут начинать работу без прогрева благодаря новейшим системам впрыска. При понижении температуры нагрузка на детали резко возрастает: двигателю нужно прокачать масло и прогреться хотя бы минут пять. Но из-за экологических требований производители опускают эту рекомендацию. А срок службы шатунно-поршневой группы сокращается.

Пятой в списке стоит система «старт/стоп». Ее придумали немецкие автопроизводители для отсечения режима холостого хода, при котором в атмосферу выбрасывается немало вредных веществ. Как только скорость автомобиля падает до нуля, система отключает двигатель. Проблема в том, что каждый мотор рассчитан на определенное число пусков. Без этой системы за 20 лет двигатель запустится, в среднем, 100 тысяч раз. С ней — около 10 миллионов. Чем больше пусков — тем сильнее происходит выработка трущихся частей.

переменная степень сжатия по рецепту… НАМИ! — Авторевю

Будет ли серийный кроссовер Infiniti QX50 нового поколения похож на концепт-кар QX Sport Inspiration? Теперь это не столь важно: свое место в энциклопедиях Infiniti займет как первый автомобиль, оснащенный серийным двигателем с переменной степенью сжатия. Спроектированным по рецепту… НАМИ!

Таким концепт-кар Infiniti QX Sport Inspiration был показан этой весной на автосалоне в Пекине, серийный QX50 унаследует многие его черты

На обычную рядную «четверку» мотор 2.0 VC-T (Variable Compression Turbo) похож лишь «до пояса», а ниже у него хитроумный рычажный механизм. Шатун каждого цилиндра соединен с коленвалом не напрямую, а через подвижное коромысло — траверсу, которая своим противоположным концом связана с тягой электроактуатора. Перемещение этой тяги меняет наклон траверсы и, соответственно, расстояние между поршнем и шатунной шейкой коленвала, варьируя положение верхней мертвой точки (ВМТ).

Что это дает? Чем выше поднимается поршень, тем меньше объем камеры сгорания над ним. Топливовоздушная смесь сжимается сильнее, а сгорая и расширяясь, совершает бо́льшую работу. Соотношение между объемом камеры сгорания и полным объемом цилиндра как раз и есть степень сжатия. Чем она выше, тем больше теоретически достижимая эффективность сгорания топ­лива. Однако попутно растет и риск возникновения взрывного сгорания, то есть детонации, — особенно при высоких нагрузках. Именно поэтому применение наддува заставляет не повышать, а наоборот, понижать степень сжатия.

Новый турбомотор 2.0 VC-T при крайнем верхнем положении траверсы способен достигать очень высокой степени сжатия 14,0:1 — как у атмосферных «четверок» Skyactiv компании Mazda. Но если маздовские моторы так работают во всех режимах, то двигатель Nissan — только на малых оборотах при небольших нагрузках. При их увеличении механизм переходит в промежуточные положения, понижая степень сжатия, а на высоких оборотах или под полным дросселем автоматика сдвигает ВМТ вниз — и степень сжатия падает до минимума: 8,0:1.

Мотор 2.0 VC-T ­немного крупнее и тяжелее обычных турбочетверок, но существенно компакт­нее двигателей V6, которые он должен заменить

Интересно, что двигатель по неофициальной информации выдает примерно 270 л.с. и 390 Нм крутящего момента — то есть форсирован на уровне обычных двухлитровых турбомоторов «заряженных» машин. Куда важнее, что агрегат 2.0 VC-T сулит сокращение расхода топлива на 27% по сравнению с атмосферной «шестеркой» Nissan 3.5 серии VQ, — которую, судя по всему, и призван заменить. А еще мотористы компании Nissan уверяют, что такие двигатели с изменяемой степенью сжатия станут альтернативой дизелям: ведь при схожей экономичности они требуют менее сложных систем очистки выхлопа и легче впишутся в строгие экологические нормативы.

Почему же раньше японцев никто не довел такие двигатели до серийного воплощения на легковушках? Ведь впервые эту идею еще в 20-х годах прошлого века предложил британский инженер Гарри Рикардо. Полвека назад в Америке выпускали «переменный» танковый дизель Continental AVCR-1100, а в конце 90-х аналогичные исследования вели Daimler, Volvo, Audi, Porsche, Honda, Ford, Suzuki, Peugeot и Citroen, Lotus, российский институт НАМИ, немецкая компания FEV…

Но за это время не появилось даже единого мнения, какой механизм считать наиболее эффективным. Вариант с раздвижными поршнями (как на дизеле AVCR-1100) грозит сложнос­тями со смазкой и не позволяет точно контролировать степень сжатия. Телескопичес­кие шатуны или щеки коленвала снижают надежность. Вспомогательные поршни, которые открывают дополнительные полости в стенках камеры сгорания, варьируя ее объем, ставят под угрозу герметичность. Эксцент­рики в нижних или верхних головках шатунов осложняют индивидуальное управление цилиндрами, а смещение коленвала относительно всего блока цилиндров требует еще и «переходников» в трансмиссии.

В ниссановском двигателе траверса (а) вращается вместе с коленвалом, а дополнительная система рычагов (б) с приводом от электроактуатора (в) контролирует ее наклон. Когда необходим переход на высокую степень сжатия, актуатор поворачивается по часовой стрелке, меняя положение эксцентрикового вала, который в свою очередь опускает правое плечо траверсы, а та своим противоположным плечом смещает поршень (г) и шатун вверх. При переходе на низкую степень сжатия механизм работает в обратной последовательности — и ВМТ уходит вниз

Ну а Saab 16 лет назад даже приглашал журналистов на тесты компрессорной «пятерки» 1.6 SVC (АР №21, 2000) с наклонным моноблоком, который смещался относительно коленвала. Мотор получился темпераментным (225 л.с.), но шумным и капризным на низах. А главное — дорогим и сложным. Поэтому до конвейера дело тоже не дошло.

Под конец 2000-х надежды подавал еще и французский двигатель ­MCE-5 для автомобилей Peugeot и Citroen: в нем поршень с «шатуном» были монолитны и толкали кривошип через зубчатую передачу и коромысло, положение которого корректировал сервопривод. Но все достоинства этого механизма нивелировала невозможность унифицировать такой мотор с традиционными двигателями.

А схему с траверсой и управляющей тягой, которую собирается применить Nissan, в конце 80-х запатентовали в… советском институте НАМИ! Самый же ранний патент компании Nissan датирован 2001 годом — и описывает очень похожий механизм, хотя и переосмысленный: с иной геометрией расположения элементов и нижним креплением управляющего рычага.

В саабовском двигателе SVC эксцент­риковый вал приподнимал или опускал опоры одной из сторон моноблока, в который были объединены блок цилиндров и его головка. Объем камеры сгорания менялся, но попутно менялось и положение верхней части двигателя под капотом, что требовало доработки впускной и выпускной систем. Интересно, что Saab тоже предлагал изменять степень сжатия в диапазоне от 8,0:1 до 14,0:1, однако при самой высокой степени мотор работал как атмосферник: муфта отключала привод компрессора

Кстати, еще раньше на работы ­НАМИ обратил внимание концерн Daimler: в 2002—2003 годах из России в Штутгарт были отправлены три «траверсных» мотора на основе мерседесовского дизеля OM611 (2,15 л) и бензиновой двухлитровой «четверки» М111. Российский механизм позволял менять степень сжатия в пределах от 7,5:1 до 14,0:1, но очень скоро Daimler и НАМИ обнаружили, что выгода от него весьма эфемерна: эффективность повышалась на 20% при переходе от минимальной степени сжатия к обычной (10,0:1), а дальнейшее повышение до 14,0:1 давало всего 3,5% выигрыша.

Почему же Nissan с оптимизмом смот­рит на серийную перспективу? Несмотря на сложность нового кривошипно-шатунного механизма с возросшими потерями на трение, на прибавку лишних десяти килограммов и на ограничения по унификации, в производство двигатели 2.0 VC-T должны пойти в конце 2017 года. Возможно, потому, что надежда на гибриды не оправдалась: в Америке за этот год продано всего 2,5 тысячи гибридомобилей Nissan и Infiniti. Делать ставку на дизели после скандала с концерном Volkswagen тоже не вариант. А «переменный» мотор поможет не только отказаться от закупки двухлитровых турбочетверок у концерна Daimler, но и прибавит козырей по части имиджевой рекламы. Ведь таких агрегатов действительно не делает никто в мире!

Кстати, мотор с переменной степенью сжатия как нельзя лучше подходит для ездового цикла по измерению расхода топлива. И это тоже козырь. 

Мощнее, экономичнее, безвреднее – Наука – Коммерсантъ

Последние 20 лет в автомобилестроении идет перманентная революция. Она распространяется на все детали — от колес до омывателя стекол. Но главное движение мысли инженеров направлено на двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

Речь пойдет о ДВС с переменной степенью сжатия. Сейчас существует один серийный автомобиль с подобной технологией — Infiniti QX50. Но и в России существует разработка, способная потягаться с японской. Российский ДВС с переменной степенью сжатия создали инженеры Научно-исследовательского автомобильного и автомоторного института, или, говоря бюрократическим языком, ГНЦ РФ ФГУП НАМИ. (Кстати, именно эта организация делает автомобили марки Aurus.) ДВС с переменной степенью сжатия НАМИ представил на конференции в Германии зимой 2019 года.

Степенью сжатия называется отношение поршня, находящегося в нижней точке, к поршню, находящемуся в верхней точке. Почти во всех автомобилях этот показатель — фиксированный и определяется таким образом, чтобы не допустить взрыва топливной смеси. Возможность динамически изменять степень сжатия позволяет значительно поднять КПД автомобиля. То есть при малых нагрузках степень сжатия может быть выше, а при больших, когда в камеру сгорания попадает много воздушно-бензиновой смеси и возможна опасная детонация, степень сжатия уменьшается. Вроде все просто.

Одними из первых, кто попытался воплотить технологию в жизнь, стали инженеры фирмы SAAB. В 2000 году на автосалоне в Женеве они представили инновационный двигатель с изменяемой степенью сжатия. Суть разработки заключалась в том, что цилиндры двигателя и головка блока выполнены как моноблок (у обычных двигателей они существуют раздельно). Таким же образом были объединены блок-картер и шатунно-поршневая группа. (Блок-картер — это не что иное, как корпус, который объединяет и скрепляет все детали двигателя.) Так вот, изменение степени сжатия происходило за счет наклона моноблока относительно блок-картера с помощью гидропривода при неизменном ходе поршня. За всеми этими сложными словами скрывается простая задумка: когда нужно уменьшить степень сжатия, моноблок отклоняется от вертикали, что приводит к увеличению объема камеры сгорания и, соответственно, к нужному результату. Для увеличения степени сжатия угол наклона моноблока нужно уменьшить, уменьшив тем самым объем камеры сгорания. Руководит процессом электронный блок управления, который рассчитывает оптимальный угол отклонения в зависимости от множества факторов, начиная от нагрузки и заканчивая типом топлива.

Шведский двигатель объемом 1,6 л выдавал мощность 225 л. с. Прекрасный результат! Но еще и расход топлива уменьшился на 30%. Более того, удалось добиться существенного снижения выброса вредных веществ, что крайне важно для Швеции, где к экологии относятся исключительно внимательно.

Примерно в то же время, когда на Женевском автосалоне был представлен инновационный двигатель, компания SAAB перешла в полную собственность General Motors. Постепенно проекты вроде этого стали сворачиваться, а в 2010 году GM избавилась от шведской марки. Теперь ее вовсе не существует — осталась втуне и перспективная разработка.

Похожую задумку пробовали воплотить и инженеры немецкой компании FEV Motorentechnik. Их двигатель с переменной степенью сжатия был представлен в том же 2000 году. Немцы тоже пытались добиться результата за счет изменения объема камеры сгорания, но только не за счет блока цилиндров, как сделала SAAB, а за счет управления высотой подъема коленвала. Опорные шейки коленвала размещались в эксцентричных муфтах (эксцентриком называется механизм, который преобразует вращательное движение в поступательное), а они приводились в действие электромотором через шестерни. Поворот эксцентриков заставлял подниматься или опускаться коленвал, что и меняло объем камеры сгорания. Разработка была использована в турбированном четырехцилиндровом двигателе Volkswagen объемом 1,8 л. Мотор развивал мощность до 218 л. с., но в серию не пошел (по неведомым причинам).

Возможно, идея ДВС с переменной степенью сжатия так и осталась бы идеей, если бы в 2017 году Infiniti не выпустила свой VC-Turbo.

Японцы пошли отличным от коллег путем и применили траверсный механизм: шатун соединен системой рычагов с приводом электромотора, который, в свою очередь, регулирует через систему рычагов свободу движения поршня, изменяя степень сжатия. Главный успех Infiniti — в том, что пока это единственный производитель, которому удалось довести разработку до серийного производства. VC-Turbo используется в автомобиле Infiniti QX50, японцам удалось вместить в двухлитровый турбированный агрегат 270 лошадиных сил, увеличив экономичность на 27% по сравнению с аналогичными двигателями.

Алексей Теренченко, кандидат технических наук, доцент, директор центра «Энергоустановки» НАМИ, объясняет, что основной целью российских конструкторов было добиться идеального сочетания механизмов для получения максимального диапазона степени сжатия при минимальных затратах энергии на управление. Руководствуясь этой целью, конструкторы пришли к выводу, что добиться такого сочетания проще всего благодаря траверсному механизму. В этом смысле решение схоже с Infiniti, но есть и различия.

«Рядные двигатели, как правило, изначально имеют непропорциональную форму – они высокие и узкие. А все конструкторы пытаются сделать так, чтобы двигатель в моторном отсеке занимал пропорциональные — в отношении высоты, ширины и длины — размеры. Для этого все вспомогательные агрегаты вешаются по бокам. В нашей конструкции траверс примыкает к цилиндрам и находится сбоку. Infiniti же поместила механизм снизу. С точки зрения габаритов решение не самое удачное,— рассказывает господин Теренченко.— Нашим конструкторам удалось добиться диапазона хода поршня от 7 до 14, это очень хороший результат».

Основная проблема, продолжает Алексей Теренченко,— в стоимости двигателя. ДВС с такой технологией под капотом машины неизбежно переводит ее в премиальный класс. Для Infiniti — премиальной марки — нормально. Российский же автопром к такому пока не готов. Условной Lada Vesta не нужен такой двигатель, да и покупатель не готов переплачивать за навороченную разработку. Так что технология лежит на полке и ждет своего часа из-за банальной неготовности рынка ее принять. То есть не технология не дотягивает до серийного производства, а наоборот.

Более того, как говорит господин Теренченко, проблема еще и в том, что у России нет таких жестких норм чистоты автомобильного выхлопа, как в Европе или в США, а такие нормы становятся дополнительным стимулом для внедрения технологии ДВС с переменной степенью сжатия. Патовая ситуация.

Кузьма Лебедев

Степень сжатия — обзор

Степень сжатия обычно варьируется от 1,05 до 7 на ступень; однако соотношение 3,5–4,0 на стадию считается максимальным для большинства технологических операций. Довольно часто повышение температуры газа во время сжатия диктует предел безопасного или разумного повышения давления. Максимальное повышение температуры определяется либо максимальной рабочей температурой цилиндра компрессора, либо максимальной температурой, которую газ может выдержать перед разложением, полимеризацией или даже самовоспламенением, как для хлора, ацетилена и т. Д.Поскольку объемный КПД уменьшается с увеличением степени сжатия, это также добавляет к выбору разумного предельного давления нагнетания. При известной максимальной температуре максимальная степень сжатия может быть рассчитана из соотношения повышения адиабатической температуры.

Оптимальная минимальная мощность достигается при одинаковой степени сжатия во всех цилиндрах для многоступенчатых агрегатов. При внешнем охлаждении газа между ступенями необходимо делать разумные поправки на перепады давления в промежуточных охладителях и учитывать это при настройке степеней сжатия:

Фактическое (с промежуточным охлаждением)

(18-38) Pi1 / P1 = Pi2 / Pi1 ′ = Pi3 / Pi2 ′ =… Pfy / Piy

где 1,2,3 ,.… Y = состояние газа в баллоне, представленное (1) для первой ступени, (2) для второй ступени и т. Д.

i = условие межступенчатого давления нагнетания, непосредственно в баллоне.

Prime (′) = состояние межступенчатого нагнетания, уменьшенное за счет падения давления в промежуточных охладителях, клапанах, трубопроводах и т.д .; следовательно, штрих представляет фактическое давление на всасывании следующего цилиндра в многоступенчатой ​​цилиндровой системе.

f = конечное давление или давление на выходе из многоступенчатой ​​установки.

Степени сжатия по ступеням:

R1 = Pi1 / P1R2 = Pi2 / Pi1′R3 = Pi3 / Pi2′Rf = Pfy / Piy ′

(18-39) R1 = R2 = R3 = … Rf = yRt

, где R _t = общая степень сжатия агрегата = P _i / P ₁

Для двухступенчатого сжатия на ступень:

(18-39A) R1 = R2 = Pf2 / P1

Для пяти ступеней:

(18-39B) R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = 5Pf5 / P1

Обычно на многоступенчатых машинах используются промежуточные охладители.Функция промежуточного охладителя заключается в охлаждении газа до максимально возможной температуры, близкой к исходной температуре всасывания, с минимальным падением давления. Это важно для термочувствительных материалов. Это охлаждение приводит к экономии требуемой тормозной мощности, так как по существу происходит охлаждение при постоянном давлении, что приводит к тому, что следующий цилиндр обрабатывает меньший объем газа. Чтобы добиться максимальной экономии, следует использовать самое холодное охлаждение, доступное на практике.

В некоторых случаях желательно использовать двухступенчатое сжатие без промежуточного охлаждения.Если состав газа должен оставаться постоянным на протяжении всего процесса сжатия, а температура не ограничивается, промежуточные охладители нельзя использовать, если присутствуют конденсируемые вещества. Иногда для газов с низким значением «k» или «n» используются две ступени, чтобы повысить объемный КПД. Когда это так, и высокие температуры сжатия или экономичность работы не контролируются, может быть выгодно отказаться от промежуточного охладителя.

Обратите внимание, что когда промежуточные охладители не используются, температура воды в рубашке компрессора должна быть на 10–15 ° F выше, чем точка росы между ступенями.Для этого на предыдущем этапе потребуется теплая вода из куртки.

Работа промежуточного охладителя внешне не влияет на теоретическую оптимальную степень сжатия на ступень. Тем не менее, это влияет на совокупную мощность, необходимую для выполнения работы по полному сжатию, потому что весь потерянный перепад давления должен быть заменен на мощность в лошадиных силах. Также имеется выигрыш в производительности из-за этого промежуточного охлаждения, как показано на рисунках 18-17A и 18-17B. Поправка на падение давления в промежуточном охладителе обычно делается путем увеличения давления на выходе из цилиндра, чтобы включить половину падения давления в промежуточном охладителе между ступенями, а давление всасывания на следующей ступени уменьшается до другой половины падения давления. по сравнению с теоретическим давлением без учета перепада давления.

Рисунок 18-17а. Комбинированные индикаторные карты двухступенчатого компрессора, показывающие, как водяные рубашки цилиндров и промежуточный охладитель помогают приблизить линию сжатия к изотермической.

(Используется и адаптировано с разрешения: Miller, H.H. Power, © 1994. McGraw-Hill, Inc., Нью-Йорк. Все права защищены.)

Рисунок 18-17b. Влияние объема зазора на КПД цилиндра поршневого компрессора (эффект конструкции клапана).

(Используется с разрешения: Livingston, E. H. Chemical Engineering Progress, V.89, № 2, © 1993. Американский институт инженеров-химиков, Inc. Все права защищены.)

Коэффициент сжатия на ступень можно рассчитать.

(18-40) Pf = P1Rγ− (Δp1) Rγ − 1− (Δp2) Rγ − 2− (Δp3) Rγ − 3− (Δp4) Rγ − 4…

Продолжайте, чтобы увидеть количество членов в правой части уравнение, равное количеству ступеней. Обычно это лучше всего решается методом проб и ошибок, и его можно упростить, если предположить, что большинство значений ΔP равны. Предполагается, что весь перепад давления в промежуточном охладителе вычитается из давления всасывания следующей ступени, т.е.е. Падение давления в промежуточном охладителе первой ступени вычитается из давления всасывания второй ступени.

P _f = конечное давление многоступенчатого блока цилиндров

γ = количество ступеней сжатия

Δp = перепад давления на промежуточных охладителях, фунт / кв. Дюйм

1 = первая ступень

2 = вторая ступень

Если половина Δp добавляется к разряду одной ступени и половина вычитается из всасывания следующей ступени:

(18-41) Pf = P1Rγ− (12Δp1) Rγ − 1− (12Δp2) Rγ − 2− (12Δp3) Rγ − 3− (12Δp4) Rγ − 4…

На практике соотношения для каждой ступени могут не совпадать; однако это не мешает компрессору работать удовлетворительно, если все другие факторы учитываются соответствующим образом.

Охлаждение рубашки компрессора. Вода для охлаждения рубашки компрессора не должна быть такой же теплой, как вода в рубашке газового двигателя. Вода на 15–20 ° F более теплая, чем точка росы сжимаемого газа, предохраняет от конденсации. Рекомендуется повышение температуры воды в рубашке максимум на 15–20 ° F. Никогда не следует ограничивать поток воды к рубашкам, чтобы поддерживать эту температуру, поскольку пониженная скорость имеет тенденцию способствовать загрязнению рубашек.

Количество тепла, отводимого рубашками компрессора, зависит от размера и типа машины.Этот отвод тепла обычно выражается в британских тепловых единицах / час / л.с. Отвод тепла в цилиндр компрессора в среднем составляет около 500 БТЕ / ч / л.с. Некоторые из них имеют низкий уровень 130, и необходимо уточнить у производителя, чтобы получить точную цифру.

Пример 18-1

Давление между ступенями и степени сжатия

Для двух ступеней сжатия, какими должны быть давления в цилиндрах, если перепад давления в промежуточном охладителе и трубопроводе составляет 3 фунта на кв. Дюйм?

Всасывание до первой ступени: P ₁ = 0 фунтов на кв. Дюйм (14.7 psia)

Нагнетание из второй ступени: P _f2 = 150 psig (164,7 psia)

Perstage: Rc = 164,7 / 14,7 = 11,2 = 3,35

Без промежуточного охлаждения:

С промежуточным охлаждением:

Первая ступень:

Вторая ступень:

Пример показывает, что, хотя отношения на цилиндр сбалансированы, каждое из них больше теоретического. Это соответствует реальным операциям.

Важно отметить, что довольно часто фактическая степень сжатия для отдельных цилиндров многоступенчатой ​​машины не может быть точно сбалансирована.Это состояние возникает в результате ограничения потребляемой мощности в лошадиных силах для определенных размеров и конструкций цилиндров производителя. В окончательном выборе они будут скорректированы, чтобы обеспечить максимально возможные степени сжатия для использования стандартных конструкций.

Вот что на самом деле означает «степень сжатия» и почему это важно это значит? Что ж, пора объяснить, что такое степень сжатия, и почему каждый автопроизводитель теперь одержим ею, как будто это Святой Грааль.

Степень сжатия, надо признать, сложнее, чем кажется на первый взгляд. Не помогает и то, что это один из тех терминов, которые вы слышите на автосалонах и в пресс-релизах без серьезных объяснений. Это одна из тех вещей, которую вы в большинстве своем пытаетесь понять, пытаясь произвести впечатление на артиста-трапеции, которого вы встретили в цирке на прошлых выходных.

Мы знаем, что высокая степень сжатия — это хорошо, а низкая — плохо. Мы знаем, что новый двигатель Mazda Skyactiv-X «Holy Grail» отличается высокой степенью сжатия, наряду с «дизельным убийцей» Infiniti и серией Toyota «Dynamic Force», которые рекламируют большую мощность при большей эффективности.

Мы живем в эпоху, когда инженеры не могут просто увеличить мощность двигателя, сделав его больше. Изменение степени сжатия двигателя становится обычным делом.

G / O Media может получить комиссию

(Кстати, если вы читаете это и фыркаете, потому что уже знаете, что такое степень сжатия, хорошо для вас! Не все остальные.)

What Defines Степень сжатия очень проста

Степень сжатия — это именно то, на что она похожа — степень, при которой вы сжимаете максимальный объем цилиндра до минимального объема цилиндра.Это объем цилиндра, когда поршень полностью опущен по сравнению с полностью вверху. Это написано и указано в виде отношения. Например, для двигателя со степенью сжатия 9: 1 вы бы сказали, что это «девять к одному».

Скриншот: ВСЕ О ДВИГАТЕЛЯХ (YouTube)

А теперь представьте себе цилиндр в своей голове. Поршень движется вверх и вниз внутри этого цилиндра. Когда поршень находится в самой нижней точке, это называется нижней мертвой точкой. Вот где объем цилиндра наибольший. Когда поршень находится в наивысшей точке цилиндра, это называется верхней мертвой точкой, и именно здесь объем цилиндра наименьший.Сравнение этих двух объемов — вот откуда взялось ваше соотношение.

Если вы такой же наглядный ученик, как я, вам понравится этот созданный мной GIF, показывающий, как работает четырехтактный двигатель. Видите, как поршень движется вверх во время такта сжатия? Это весь воздух и топливо сжимаются в цилиндре. Если двигатель имеет высокую степень сжатия, это означает, что данный объем воздуха и топлива в цилиндре сжимается в гораздо меньшее пространство, чем двигатель с более низкой степенью сжатия.

А теперь пример с простой математикой, мой любимый вид.

Представьте, что у вас есть двигатель, объем цилиндра и камеры сгорания которого составляет 10 куб. См, когда поршень находится в нижней мертвой точке. После того, как впускной клапан закрывается и поршень поднимается вверх во время такта сжатия, он сжимает топливно-воздушную смесь в объеме одного кубического сантиметра. Этот двигатель имеет степень сжатия 10: 1.

Вот и все! Это степень сжатия. Общий рабочий объем плюс сжатый объем (включая объем головки блока цилиндров и все, что выше, где поршень «движется») в один только сжатый объем .

Почему лучше усложняется

Но понимание , что такое степень сжатия , менее важно, чем понимание , почему нам это небезразлично или почему высокая степень сжатия так важна.

Лучшее объяснение, которое я получил в этом, было от моего коллеги и инженера Дэвида Трейси, который затем обратился за помощью к другим инженерам и профессорам. Лучший ответ из них дал доктор Энди Рэндольф, технический директор ECR Engines. Он проводит исследования трансмиссии для NASCAR, и его объяснение предельно ясно:

С точки зрения непрофессионала, мощность двигателя генерируется, когда сгорание воздействует на поршень и толкает поршень вниз по цилиндру во время такта расширения.

Чем выше поршень находится в канале ствола в момент начала сгорания, тем большее усилие будет приложено.

По мере увеличения степени сжатия поршень перемещается выше в отверстии в верхней мертвой точке, следовательно, появляется дополнительная сила для хода расширения (дополнительная сила для того же количества топлива равняется более высокой эффективности).

Теперь мы на самом деле нужно больше понимать о , почему в дополнение к , как , а это означает, что нам придется рискнуть в области термодинамики.

Суть всего этого в том, что более высокая степень сжатия означает, что двигатель получает больше работы при том же количестве топлива. Это хорошо для энергии, а также миль на галлон.

Чтобы объяснить, почему более высокая степень сжатия дает лучшую эффективность, мы не собираемся слишком углубляться в термодинамику, но, черт возьми, давайте просто окунемся в них. Это здорово и полезно для души.

Более высокое сжатие означает больше работы, но больше давления

На изображении выше показана диаграмма «давление-объем» для идеального и типичного бензинового двигателя.Он визуально показывает, что происходит в вашем двигателе, когда он сжигает бензин.

На диаграмме выше нижняя кривая 1-2 показывает ход сжатия.

Строка 2-3 показывает горение.

Верхняя кривая 3-4 показывает ход расширения.

А линия 4-1 показывает отвод тепла при открытии выпускного клапана.

Чтобы быть более техническим, на диаграмме кривая 1-2 показывает ход сжатия, в котором давление (ось y) возрастает, а объем (ось x) падает, когда поршень действительно воздействует на газ, сжимая его.Строка 2-3 показывает тепло, выделяющееся при сгорании, быстро увеличивая давление и температуру газа. Кривая 3-4 показывает увеличение объема и падение давления по мере того, как газ действует на поршень во время такта расширения. Линия 4-1 показывает отвод тепла от газа в окружающую среду по мере того, как давление возвращается к окружающему при открытии выпускного клапана. Наконец, плоская линия 1-5 внизу представляет ход выпуска и возврат поршня в верхнюю мертвую точку в конце.

Область внутри этих 1-2-3-4 строк показывает, сколько работы проделано двигателем.Более высокая степень сжатия означает, что две вертикальные линии на графике будут двигаться влево и вверх, оставляя больше области в пределах, чем при более низкой степени сжатия, и, таким образом, работа выполняется. Но, как вы можете видеть на этой диаграмме, вы столкнетесь с более высоким давлением. Другими словами, вы получите больше механической работы от двигателя с высокой степенью сжатия. Вы будете получать большее давление в цилиндре и на поршне из-за подводимого тепла от сгорания.

Более высокое сжатие также означает более высокую тепловую эффективность.

Иллюстрация: MIT

Также важно отметить, что тепловложение и тепловые потери во время цикла вашего двигателя связаны с эффективностью как функцией степени сжатия.Все это работает по двум идеям. Во-первых, любая тепловая энергия, поступающая в систему, должна быть преобразована либо в механическую работу, либо в отходящее тепло. Во-вторых, тепловой КПД — это просто результат работы, деленный на подводимое тепло. Итак, вы можете вывести соотношение между термическим КПД и степенью сжатия, как MIT, построенное на его веб-странице и показанное выше. Уравнение здесь (nu — термический КПД, r — степень сжатия, а гамма — свойство жидкости) :

Когда вы даете двигателю определенного рабочего объема более высокую степень сжатия, вы эффективно сдвигаете фотоэлектрическую диаграмму вверх и влево, и увеличивают тепловложение (Qh на диаграмме) в большей степени, чем тепловые потери (Ql).Другими словами, вы превращаете больше входящей энергии в работу. Вот Джейсон Фенске из Engineering Explained , разбирающий взаимосвязь между степенью сжатия, теплопередачей и эффективностью:

В любом случае, дело в том, что термодинамика диктует, что термический КПД возрастает с увеличением степени сжатия, как вы можете видеть на этом графике и уравнении. выше. А это означает больше лошадиных сил, лучшую экономию топлива, более тяжелые кошельки и более широкие улыбки. Управляйте любым вялым, хрипящим, всасывающим газ, старым американским V8 с низкой степенью сжатия, и вы поймете, о чем я.

Степень сжатия также делает такие двигатели, как двигатель Mazda Skyactiv-G, такими эффективными. Mazda, первая из серии новых двигателей с высоким и переменным сжатием от Mazda, Nissan / Infiniti и Toyota, на данный момент имеет самую высокую степень сжатия в отрасли — 14: 1, поэтому она может справляться с высоким расходом топлива. показатели экономичности и мощности даже без турбонагнетателя.

Почему более высокое сжатие означает более высокое октановое число

Почему не все просто используют высокие степени сжатия? Что ж, высокая степень сжатия — вот почему многим двигателям требуется топливо премиум-класса или высокооктановый бензин.Октановое число, как указано в статье How Stuff Works , является мерой способности бензина сопротивляться детонации.

По сравнению с газом с высоким октановым числом бензин с низким октановым числом с большей вероятностью самовоспламеняется из-за высоких температур и давления наддува. По сути, вам нужен газ, который воспламеняется, когда вы этого хотите, а не тот, который воспламеняется, когда вы, , этого не хотите. Такое неконтролируемое горение называется детонацией.Стук — это плохо; он снижает крутящий момент и может нанести непоправимый ущерб вашему двигателю.

Высокая степень сжатия увеличивает риск детонации, поэтому в двигателях с очень высокой степенью сжатия используется высокооктановый гоночный газ или (что сейчас чаще) E85. При сжатии газы склонны нагреваться, поэтому повышенная плотность тепла может привести к преждевременному сгоранию топлива до того, как свеча зажигания воспламенит его. Повторяю: это плохо.

Mazda пришлось проделать большую работу с поршнем и конструкцией выхлопной системы, чтобы уменьшить детонацию в двигателе 14: 1, работающем на газовом насосе.Поршни в двигателе Skyactiv-X, например, имеют полость посередине, чтобы позволить Mazda выстрелить потоком богатого топлива вокруг свечи зажигания в обедненной смеси, и, да, есть причина, по которой это было не так. Не простая технология в разработке.

Что еще интересно, так это то, что вы не можете просто сделать двигатель с такой высокой степенью сжатия, как вы хотите. Я обратился к Джону Хойенге, владельцу производственного выхлопа и раллийного магазина Nameless Performance, чтобы поговорить о рисках и преимуществах высокой компрессии.

Джон строит раллийный автомобиль Nissan 240SX, на который он меняет четырехцилиндровый SR20VE, который в настоящее время развивает около 250 лошадиных сил на колесах всего из 2,0 литров. Удивительно, но без турбо. Все, что Джон должен поблагодарить, — это очень высокая степень сжатия 14,5: 1. «Сжатие выполняет больше работы, — пояснил он, — поэтому тем больше мощности [двигатель] будет производить без наддува».

При этом, поскольку это гоночный двигатель, он использует гоночный бензин или E85 с очень высоким октановым числом.Джон сказал, что при степени сжатия выше 14,5: 1 возникает риск самовоспламенения, а также может вылететь шток или вращаться подшипник. Это то, что небрежно называют «взрывом».

Есть предел тому, насколько высоко вы можете подняться

Я спросил, почему мы не видим, чтобы люди не бегали с двигателями, которые имеют значительно более высокую степень сжатия, чем все, что мы видим сегодня. Неприлично завышенные соотношения, вроде 60: 1. Джон рассмеялся. Он объяснил, что металл просто не может выдерживать такие высокие уровни напряжения, а такая степень сжатия приведет к тому, что вещи будут настолько горячими, что они взорвут любой современный двигатель.

Конечно, не все из нас строят гоночные автомобили с гоночными двигателями, поэтому об изменении степени сжатия нам не о чем беспокоиться. Но мы случайные владельцы автомобилей и энтузиасты квазидвигателей, так что это было объяснением того, что означает степень сжатия и почему это важно. Вам больше не нужно подделывать это, теперь вы знаете, что это такое.

А теперь иди, найди того артиста на трапеции и расскажи ему, что ты чувствуешь!

Знаете ли вы ?: Степень сжатия | Автомобильные новости

Что такое степень сжатия?

Каждый двигатель имеет определенную степень сжатия.Топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндре для создания воспламенения, сила которого зависит от степени сжатия: объема цилиндра, когда поршень находится в нижней части своего хода, по сравнению с объемом цилиндра, когда поршень находится в нижнем положении. в верхней части его штриха. Кстати, вы должны знать, что под рабочим объемом двигателя понимается полная мощность всех поршней в течение полного цикла.

Воспламенение происходит, когда поршень находится в верхней части своего хода, то есть в верхней части цилиндра (также известной как головка цилиндра), который образует камеру сгорания.Оставшийся объем топливовоздушной смеси внутри камеры сгорания позволяет пропорционально определять степень сжатия.

Степень сжатия обычно составляет от 8: 1 до 10: 1. Более высокая степень сжатия — скажем, от 12: 1 до 14: 1 — означает более высокую эффективность сгорания.

Фото: Себастьян Д’Амур

Преимущества
Более высокая степень сжатия и полнота сгорания означают большую мощность при меньшем количестве топлива и меньшем количестве выхлопных газов.С другой стороны, более сильные воспламенения усиливают нагрев, трение и износ, что затрудняет работу внутренних компонентов двигателя. Автопроизводителям нужно найти правильный компромисс.

Рассмотрим, например, технологию Mazda SKYACTIV. Инженеры переработали внутренние компоненты, чтобы увеличить ход поршня, чтобы обеспечить более высокую степень сжатия. При этом водителям, которые хотят воспользоваться этим, абсолютно необходимо использовать бензин премиум-класса (бензин с более высоким октановым числом).

Двигатели с наддувом и дизельные двигатели
Двигатели без наддува могут иметь более высокую степень сжатия, чем двигатели с наддувом (с наддувом или с турбонаддувом).Например, в двигателе с турбонаддувом воздух, поступающий в камеру сгорания, уже находится под давлением, поэтому степень сжатия должна быть немного ниже, чтобы избежать чрезмерной нагрузки на компоненты. Двигатели с наддувом обычно имеют степень сжатия от 8: 1 до 8,5: 1.

Однако, что касается дизельных двигателей, отсутствие свечей зажигания требует более высокой степени сжатия — примерно от 14: 1 до 22: 1. Они используют горячий воздух для испарения, а затем воспламенения топлива.

Марки топлива
Чем больше сжатие и тепло может выдержать топливо перед воспламенением, тем выше октановое число (87, 91, 94 и т. Д.)) и более высокой марки топлива (обычное, премиум и т. д.).

Как я уже сказал; более высокая степень сжатия означает больше тепла внутри двигателя. Топливо с более высоким октановым числом может выдерживать большее повышение температуры и менее склонно к преждевременному воспламенению или преждевременному воспламенению, также известному как детонация двигателя. Это явление изменяет ход поршня и может привести к серьезному повреждению двигателя.

Как рассчитать степень сжатия и рабочий объем двигателя

При создании двигателя с нуля вычисление степени сжатия (CR) является необходимым шагом по любому количеству причин, начиная от соблюдения правил гонок и заканчивая получением преимуществ. тюнинг.

По определению, степень сжатия — это общий рабочий объем цилиндра с поршнем в нижней мертвой точке (НМТ), деленный на общий сжатый объем с поршнем в верхней мертвой точке (ВМТ). Вскоре мы обсудим процедуры и формулы для определения рабочего объема и объема сжатия; но сначала давайте рассмотрим последствия незнания CR двигателя. На степень сжатия существенно влияет объем зазора деки, расстояние между головкой поршня в ВМТ и высотой поверхности деки.Сначала установите поршень в ВМТ, затем обнулите циферблатный индикатор на поверхности деки блока цилиндров. Переместите индикатор на плоскость деки поршня, чтобы определить, насколько поршень находится ниже или выше деки блока. В этом примере это 0,005 дюйма. напишите номер на поршне в качестве проверки для облегчения сравнения.

«Слишком слабое сжатие обычно приводит к неудовлетворенным ожиданиям производительности. На стороне высокого давления [слишком сильное сжатие] представляет больший риск при настройке и потенциальную поломку компонентов, если не используется должным образом лучшее топливо », — говорит Алан Стивенсон из JE Pistons.«В приложениях с принудительной индукцией (FI) ошибиться на низкой стороне намного безопаснее, чем испытать удачу на высокой стороне. Окно настройки расширяется и обеспечивает большую безопасность в случае возникновения проблем с давлением или подачей топлива, или даже в случае плохой партии газа. И, если мощности недостаточно, еще один-два фунта наддува легко восполнит разницу ».

На объем зазора деки влияют высота деки блока, ход коленчатого вала, длина штока и высота сжатия поршней.Обратите внимание на то, как отверстие под палец находится дальше от головки поршня слева. Поршень с меньшей высотой сжатия справа позволяет использовать более длинные штоки, больший ход или меньшую высоту деки. Производитель поршня предоставит вам высоту сжатия для ваших расчетов.

Ряд санкционирующих органов ограничивают степень сжатия двигателя в зависимости от класса или области применения. Если CR рассчитывается неправильно, гонщик может быть оштрафован за мошенничество, если судьи обнаружат, что он слишком высок.С другой стороны, если CR ниже допустимого максимума, гонщик теряет мощность. Даже если нет правил для CR, гонщик может быть ограничен определенным видом топлива. Знание CR обеспечит прочную основу для стратегии настройки.

Для измерения объема камеры сгорания необходимы бюретка и специальные приспособления. Как и при измерении объема купола поршня, ключом является герметизация камеры прозрачной пластиной и измерение количества жидкости, необходимой для заполнения камеры.

Для тех, кто не занимается гонками, неплохо знать и понимать данные, необходимые для расчета CR, особенно при создании двигателя с нуля. Например, при заказе поршней технические представители компании должны знать ряд факторов, чтобы обеспечить желаемую или, по крайней мере, безопасную степень сжатия. Если у вас есть использованный блок и вы не знаете высоту платформы, или вы приобрели набор головок и не знаете объем камеры сгорания, то вероятность возникновения проблем, упомянутых Стивенсоном, вполне вероятна.

Чтобы рассчитать объем купола: сначала поместите поршень на измеренное расстояние в цилиндр, убедившись, что купол находится под декой. В этом примере поршень находится в отверстии 0,150 дюйма. Рассчитайте выставленный объем цилиндра. Объем = (π) x (квадрат радиуса отверстия) x (открытая высота цилиндра). В этом примере диаметр отверстия (4,600 дюйма) и выступающего цилиндра 1,5 дюйма равен 40,9 куб. Используя бюретку и прозрачную пластину настила, заполните цилиндр жидкостью и отметьте, сколько было необходимо.Здесь было около 35,8 куб. Вычтите количество использованной жидкости из рассчитанного объема цилиндра. Разница в объеме купола.

Делаем математику

Раньше вычисление CR означало использование логарифмической линейки (очень давно) или работу с набором формул на портативном калькуляторе. Сегодня поиск онлайн-калькуляторов, которые быстро выдадут результаты, находится на расстоянии одного клика от Google. Но, как гласит старая пословица, компьютер хорош настолько, насколько хорош качество информации, которую он получает.

Измерения, необходимые для определения CR:

• Диаметр цилиндра
• Длина хода коленчатого вала
• Диаметр отверстия прокладки головки
• Толщина уплотненной прокладки головки
• Объем камеры сгорания
• Объем поршневой деки
• Объем поршневой деки

В Интернете есть пара высокотехнологичных калькуляторов, которые запрашивают даже больше, например длину штока и расстояние от первого компрессионного кольца до верха поршня.Последнее поможет обеспечить объем над верхним кольцом, но это измерение обычно не оказывает значительного влияния на окончательный расчет и используется только в очень важных приложениях.

Большинство прокладок, таких как этот блок JE Pro Seal, предоставляют значения объема прокладки и толщины в сжатом состоянии, чтобы помочь вычислить CR.

Онлайн-калькуляторы обычно предлагают выбор ввода всех измерений в дюймах или метрических единицах, за исключением объемов камеры сгорания и купола поршня, которые всегда вводятся в кубических сантиметрах или кубических сантиметрах.

Многие современные поставщики послепродажного обслуживания предоставляют свои соответствующие размеры для стандартных деталей, что является более чем половиной успеха в быстром определении CR вашего двигателя с разумной точностью.

«Слишком многие люди зацикливаются на десятых долях балла в CR, но не понимают влияния гидродинамики из-за правильного выбора кулачка и фазировки, например,» — говорит Стивенсон. «Если все остальное хорошо согласовано, разница в 0,1 коэффициента будет незначительной для всего, что не относится к профессиональным гонкам с максимальными усилиями.”

Это декорировано?

Высота настила — это единственное измерение, которое производитель двигателя должен будет сделать для точного расчета. Даже с новым блоком цилиндров, новыми шатунами и новыми поршнями может быть значительная разница, если сложить высоту платформы и попытаться вычесть половину хода, длины штока и высоты сжатия. И если блок используется, и вы не уверены в его истории, есть вероятность, что он мог иметь фрезерованную поверхность, что изменило бы высоту настила.

Для расчета CC головки блока цилиндров используйте кусок прозрачного акрила с отверстием. Слегка наклоните голову, чтобы отверстие оказалось в самой высокой точке. С помощью бюретки измерьте, сколько жидкости нужно для заполнения камеры сгорания.

«Самый упускаемый из виду размер — высота блока. Это критически важно для точности степени сжатия, поскольку разница в зазоре деки в 0,020 дюйма приводит к значительному изменению CR », — предупреждает Стивенсон.

Опять же, CR рассчитывается путем деления общего рабочего объема на общий сжатый объем.Вот что необходимо для определения каждой из этих сумм:

Рабочий объем равен объему цилиндра + объем зазора + объем поршня + объем прокладки + объем камеры. Сжатый объем равен зазору + объем прокладки + объем поршня + объем камеры.

Все коэффициенты должны иметь одно и то же числовое значение. При ручном вычислении это обычно кубические сантиметры или CC. Большинство онлайн-калькуляторов автоматически конвертируют стандартные измерения в метрические и вычисляют такие значения, как объем зазора, если вы правильно ввели диаметр цилиндра и зазор по высоте платформы.Онлайн-калькуляторы также могут вычислить объем прокладки с правильной толщиной и отверстием, но многие производители прокладок предоставляют эту информацию в своих каталогах или на упаковке.

Используйте циферблатный индикатор для определения верхней мертвой точки. Магнитное основание делает эту работу быстрой и точной.

Определение объемов говорящих

Опять же, производственные компании послепродажного обслуживания обычно поставляют необходимое количество новых деталей. Производители поршней будут указывать объем купола / тарелки в + или — CC, а производители головок цилиндров предлагают свои продукты с разными объемами, чтобы помочь достичь желаемой степени сжатия.Однако никогда не помешает подтвердить собственными измерениями.

«По необходимости, двигатели внутреннего сгорания требуют достаточно жесткого контроля размеров для надежной работы, поэтому отклонения в размерах должны находиться в пределах допустимых допусков. Контроль качества на уровне производства предотвращает выпуск несоответствующей продукции в эксплуатацию », — поясняет Стивенсон. «Конечно, ничто не может быть стопроцентным, поэтому тщательные измерения являются стандартной практикой для механических цехов и производителей двигателей. Предполагать, а не измерять, почти гарантирует дорогостоящий и неприятный результат.”

Опытные производители двигателей имеют все необходимые инструменты для выполнения всех необходимых измерений, такие как измеритель внутреннего диаметра и индикатор часового типа. Самые утомительные измерения — это объем поршня и объем камеры сгорания. Требуются бюретка, цветная жидкость и приспособления для решения конкретных задач, как указано на прилагаемых фотографиях.

Варианты обработки могут повлиять на зазор деки поршня. По этой причине важно проверить каждый поршень и записать измеренный зазор на заводной головке.

Пример большого блока Chevy

В качестве примера давайте вычислим CR для популярного приложения Chevy с большими блоками. Начиная с внутреннего диаметра 0,060 дюйма (4,130 дюйма) и хода 4,250 дюйма, рабочий объем каждого цилиндра составляет 62,006 куб. См, что соответствует 496 куб. Дюйм V8.

Завершают вращающийся узел штоки и поршни диаметром 6,385 дюйма с высотой сжатия 1,270 дюйма и куполом объемом 18 см3. Мы используем закаленный блок, который требует небольшой отделки поверхности, поэтому итоговая высота настила равна 9.780. Выбранные головки цилиндров имеют камеры сгорания объемом 118 куб. См, а прокладка головки цилиндров имеет внутренний диаметр 4,375 и толщину в сжатом состоянии 0,040. Производитель заявляет, что объем прокладки составляет 9,854 куб. См.

При такой высоте деки и вращающемся узле зазор деки равен 0,000. Вставив все эти числа в онлайн-калькулятор, мы получим 10,25: 1. Если бы у двигателя был новый блок со стандартной высотой деки 9,800 дюйма, CR упал бы до 9,86: 1, потому что был бы зазор деки 0,020 дюйма.

Если рассчитать вручную, вот как формула будет работать с моделью настила с поверхностью:

• Объем цилиндра = 1016.094cc [(отверстие ÷ 2) ² x 3,1416 x ход x 16,387]
• Зазорный объем = 0,000cc [(отверстие ÷ 2) ² x 3,1416 x высота платформы x 16,387]
• Объем прокладки = 9,9854cc [от производитель, но формула (диаметр отверстия ÷ 2) ² x 3,1416 x толщина прокладки x 16,387]
• Объем камеры = 118 куб. см [Значение от производителя, но может быть определено и / или подтверждено путем измерения]
• Объем поршня = -18 куб. от производителя, но может быть определено и / или подтверждено путем измерения.Выражается как отрицательный объем, потому что форма поршня имеет куполообразную форму. Если бы поршень был выпуклым или плоским верхом с предохранительными клапанами, это было бы положительно.]

С этими числами мы складываем рабочий объем как 1016,094 + 0,000 + 9,985 + 118 — 18 = 1126,079. Сжатый объем 0,000 + 9,985 + 118 — 18 = 109,985. Разделив развернутый объем на сжатый, мы получим 10,24: 1. Небольшая разница между ручным вычислением и онлайн-калькулятором, вероятно, объясняется тем, что последний использует больше десятичных знаков в уравнении.

После расчета CR у производителя двигателя есть несколько вариантов его изменения без использования других деталей или дополнительной обработки. Более толстая прокладка немного снизит сжатие, а более тонкая прокладка немного повысит сжатие. В противном случае придется заказывать другие поршни или головку блока цилиндров придется фрезеровать для уменьшения объема камеры сгорания и увеличения CR.

Изменение толщины прокладки головки может помочь точно настроить степень сжатия.

Статическое и динамическое сжатие

В заключение, эти расчеты будут вычислять статическое степень сжатия двигателя. Следует также учитывать динамическую степень сжатия , которая имеет отношение к фазе газораспределения. Двигатель с высоким CR потеряет часть этого давления сжатия, если впускной клапан останется открытым t после того, как поршень начнет такт сжатия. Это называется точкой закрытия впускного клапана.

«Физика диктует формулу, используемую для вычисления CR, и ни одна из констант, вводимых в эту формулу, не изменяется с RPM», — объясняет Стивенсон. «Единственным исключением является изменение зазора деки из-за растяжения стержней, особенно с алюминиевыми стержнями, и отклонения компонентов, например, изгиба кривошипа».

Означает ли более высокое сжатие большую мощность? Да, и вот почему.

Будет ли увеличиваться сжатие увеличить выходную мощность вашего двигателя? Вы можете подумать, что ответ «да», и будете правы, но вы можете не знать всех причин, почему.Когда целью является увеличение мощности мощных двигателей, есть несколько популярных способов добиться этого, включая добавление наддува с помощью турбонагнетателя, нагнетателя или закиси азота. Увеличение рабочего объема двигателя или увеличение его скорости (об / мин) также может привести к скачку мощности и также популярно, но увеличение степени сжатия, то есть уменьшение объема камеры сгорания, вероятно, является наименее понятным методом из всех. В конце концов, как сделать что-нибудь в двигателе , меньшем , увеличить его мощность ?!

Что такое сжатие?

Просмотреть все 7 фотографий

Возможно, мы покрываем землю, которая для многих хорошо вытоптана, но степень статического сжатия двигателя понять просто: это весь объем цилиндра над компрессионным кольцом в нижней мертвой точке (НМТ), когда по сравнению с объемом над компрессионным кольцом в верхней мертвой точке (ВМТ).Чтобы узнать, как вычислить степень статического сжатия, щелкните здесь.

В четырехтактном двигателе внутреннего сгорания вся работа выполняется на рабочем такте. Остается три других хода (впуск, сжатие и выпуск), которые должны существовать, но ничего не добавляют к выходной мощности. На самом деле они стоят энергии — очень много. Четырехтактные двигатели внутреннего сгорания общеизвестно неэффективны, 20 процентов считаются святым Граалем, но большинство из них находятся в подростковом возрасте. Это означает, что есть огромный потенциал повышения эффективности, и именно по этой причине многие силовые установки с высокой степенью сжатия последних моделей, такие как Gen V GM, Ford Coyote и Gen III Hemi, выглядят так хорошо по сравнению со своими предшественниками.

Power Stroke Dynamics

Просмотреть все 7 фотографий

Представьте на мгновение, что мы смотрим на Power Stroke Dynamics как на неограниченное единичное событие, подобное выстрелу из винтовки. В лучшем случае наша пуля (поршень) имеет только казенную полость, удерживающую порох в ее оболочке в качестве камеры сгорания, и всю длину ствола в качестве цилиндра (стреловидный объем). Изменение исходного положения пули от порохового заряда на место дальше по стволу означает, что у расширяющихся газов меньше расстояния, чтобы воздействовать на пулю до того, как она выйдет.

Если вы перевернете концепцию сжатия с ног на голову и подумаете о нем как о событии расширения, вы получите сжатие в обратном направлении — степень расширения. Это имеет больше смысла, потому что именно расширение, а не сжатие, создает силу, от которой мы получаем энергию. Итак, глядя на нашу аналогию с винтовкой, мы имеем ту же длину и диаметр ствола, ту же пулю (поршень), тот же заряд (воздух и топливо), только мы запускаем пулю дальше по стволу. Чем дальше по стволу начинается пуля, тем меньшую расширяющую силу газ может оказать на пулю.Для наших целей эта сила представляет крутящий момент двигателя, в то время как начальная точка пули аналогична динамической степени сжатия двигателя в данном рабочем состоянии.

Статическое и динамическое сжатие

Посмотреть все 7 фотографий

Степень статического сжатия (иногда называемая степенью механического сжатия) — удобный справочник, который производители двигателей используют для создания и описания двигателей, но никакие два двигателя с одинаковым CR не являются действительно одинаково, потому что действительно важна степень динамического сжатия.По этой причине застревание на статических степенях сжатия — тупик для большинства вещей, помимо игры в тривиальную автомобильную погоню. Цилиндр с объемом 100 куб. См будет улавливать 100 куб. См воздуха и топлива, закрыв впускной клапан на НМТ, но только 75 куб. См, если он закроет четверть пути вверх по отверстию. Поскольку количество воздуха и топлива, захваченных в камере сгорания, действительно имеет значение для выработки энергии, из двух наших гипотетических двигателей объемом 100 куб. См тот, у которого больше всего захваченного воздуха и топлива, будет обеспечивать наибольшую мощность (при прочих равных), даже если оба двигателя имеют одинаковый рабочий объем.

Где «динамическая» часть динамической степени сжатия?

Наш предыдущий абзац не проливает много света на то, почему это называется «динамическим сжатием», пока мы не рассмотрим, как двигатель работает в различных условиях. Даже в двигателях с фиксированными фазами газораспределения (без VVT) эффективная степень сжатия изменяется при изменении частоты вращения двигателя и нагрузки. Короче говоря, если он изменяет количество заряда в камере сгорания от цикла к циклу, он меняет степень расширения и, следовательно, его мощность.Настройка индукции, частота вращения двигателя, продувка выхлопных газов и положение дроссельной заслонки изменяют динамическое сжатие от момента к моменту. Таким образом, статическое сжатие на самом деле не столько показатель удельной мощности двигателя, сколько критерий для расчета того, что будет дальше!

Стоит ли повышать коэффициент статического сжатия?

Посмотреть все 7 фотографий В недавнем динамометрическом тесте мы проверили производительность стандартного литья LS «317» объемом 70 куб. См (слева), сравнив его с литым корпусом меньшего размера 65 куб. точка сжатия.

При обсуждении степеней сжатия, которые обычно бывают в автомобильной сфере — от 8: 1 до 15: 1, — величина мощности, которую вы можете ожидать, будет варьироваться от 2 до 4 процентов на каждую точку полученного статического сжатия. (Мы отметим, что это улучшение, которое вы получили бы только с компрессией, а не с оптимизацией фаз газораспределения.) Три процента могут показаться не такими уж большими по сравнению с тем, что вы получили бы, добавив турбокомпрессор, закись азота или даже кулачок, но все имеет значение. Более того, повышение степени сжатия на величину, достаточно высокую, чтобы почувствовать разницу, может быть столь же простым, как обработка блока или головок цилиндров на несколько тысячных долей во время следующего ремонта, так почему бы и нет? Подробнее об этом чуть позже.

Посмотреть все 7 фотографий Увеличение компрессии на этом 6-литровом LS стоило 15 л.с., и все, что мы сделали, это поменяли большие камеры сгорания на меньшие.

Недавно мы провели динамометрический тест типичного 6-литрового Gen III LS (LY6) с горячим уличным кулачком. Со стандартными камерами сгорания объемом 70 куб. См. Максимальная мощность составила около 490 л.с. Просто заменив стандартные литые головки цилиндров «317» с камерой 70 куб. См на стандартные литые головки «243» с меньшей камерой сгорания объемом 65 куб. См, мы увеличили мощность до 505 л.с., что на 15 л.с.

А как насчет октанового числа топлива?

Посмотреть все 7 фотографий Если вы увеличите компрессию, вы будете вынуждены подавать в двигатель топливо с достаточно высоким октановым числом, чтобы предотвратить детонацию, разрушающую двигатель. Однако усовершенствования головок блока цилиндров и другие технологии в последние годы значительно смягчили выдувание.

Есть один ограничивающий фактор, который может привести к резкому прекращению вашего плана по увеличению компрессии — октановое число топлива. Октан — это описание склонности топлива к воспламенению в определенных условиях испытаний, которые учитывают степень сжатия, частоту вращения, нагрузку, температуру охлаждающей жидкости, температуру воздуха на впуске, влажность и множество других переменных.Более высокое октановое число означает, что топливо может сопротивляться самовоспламенению при более высоком давлении и температуре, чем топливо с более низким октановым числом.

При прочих равных условиях двигатели с более высокой степенью сжатия требуют более высокого октанового числа топлива. Это связано с тем, что топливо с более низким октановым числом может начать воспламеняться до возникновения искры через систему зажигания, состояние, известное как детонация или самовоспламенение. Когда это происходит, ранний фронт пламени создает пиковое давление в камере до того, как поршень достигает ВМТ.Этот скачок давления усугубляется ограничением его пространства во все меньшем пространстве, поскольку поршень продолжает свой неумолимый марш к ВМТ. Детонация почти всегда катастрофична для рабочих характеристик двигателей, ее следует избегать любой ценой — это все равно, что ударять по поршням молотком и плазменным резаком одновременно.

По этой причине работа с более высокой степенью сжатия может вызвать повреждение двигателя, но это постепенно меняется. Усовершенствования таких вещей, как металлургия, покрытия и вычислительная динамика потока, означают, что у инженеров и производителей двигателей есть несколько инструментов, которые можно использовать против разрушительной детонации.Там, где когда-то было табу работать 11: 1 или даже 10: 1 на улице с помпой, мы обнаружили, что хорошо подобранная комбинация (головки, кулачок, впуск и т. Д.) Может раздвинуть границы приемлемого сжатия с закачивать газовую скважину в диапазон 11: 1 плюс с небольшими уступками в производительности или управляемости. Как никогда раньше, сейчас самое время увеличить степень сжатия!

Особая благодарность Дэвиду Визарду и Джону Макбрайду

Посмотреть все 7 фотографий

Как рассчитать степень сжатия

Степень сжатия — это не просто число: это один из важнейших определяющих факторов в двигателестроении.Степень сжатия определяет тип топлива, степень наддува и оказывает значительное влияние на мощность двигателя и потенциал крутящего момента.

Расчет степени сжатия довольно прост, но требует небольшой математики. Итак, возьмите калькулятор и давайте посчитаем несколько цифр.

Коэффициент сжатия — это общий объем двигателя, деленный на зазор двигателя. Что это обозначает?

Представьте, если вы открутили одну из свечей зажигания и залили цилиндр водой.Измерьте количество воды, необходимое для заполнения цилиндра с поршнем в нижней мертвой точке, а затем разделите это количество на количество воды, необходимое для заполнения цилиндра с поршнем в верхней мертвой точке. Соотношение двух разных объемов — это степень сжатия.

Посмотреть все 4 фотографии Конструкция поршня сильно влияет на степень сжатия. Большинство производителей поршней указывают объем своих поршней. См. Все 4 фотографии. Находится ли поршень над декой или в отверстии в верхней мертвой точке, также влияет на степень сжатия.Измерьте это с помощью циферблатного индикатора и магнитного основания. См. Все 4 фотографии. Конструкция камеры сгорания также имеет большое значение для степени сжатия.

Общий объем включает в себя рабочий объем (диаметр отверстия x ход) и зазор (чаша / купол поршня, дека, прокладка головки и объем камеры).

Степень сжатия = (рабочий объем + зазор) / зазор

Диаметр цилиндра = 4,030 дюйма

Ход цилиндра = 3 000 дюймов

Купол поршня (или тарелка) = купол 7 куб. См

Зазор между поршнем и декой = 0.010 дюймов

Диаметр прокладки головки = 4,100 дюйма

Толщина уплотнения головки в сжатом состоянии = 0,039 дюйма

Объем камеры сгорания = 60 см3

Во-первых, давайте определим рабочий объем одного цилиндра:

Рабочий объем = (диаметр цилиндра / 2) В квадрате x 3,14 x ход

Пример: для двигателя с внутренним диаметром 4,030 дюйма и ходом 3,00 дюйма результат составляет 38,2 кубических дюйма (один цилиндр двигателя объемом 306 кубических дюймов).

Важно: нам нужно поддерживать единообразие наших единиц измерения, поэтому проще всего преобразовать этот объем в кубические сантиметры (см3).Преобразование выглядит следующим образом:

1 кубический дюйм = 16,387 кубический сантиметр (куб. См)

Пример: 38,2 куб. Дюйма = 626,8 куб. См.

Затем мы вычисляем зазор. Это включает в себя тарелку / купол поршня, деку, прокладку головки и объем камеры сгорания.

Зазорный объем = объем поршня + объем деки + объем прокладки + объем камеры сгорания

Большинство производителей поршней указывают объем тарелки или купола своих поршней. (Если вы не знаете, вы можете использовать комплект для измерения CC’ing.Помните: объем тарелки увеличивает объем зазора, а объем купола уменьшает объем зазора.

Пример: наш поршень имеет купол объемом 7 см3.

Высота блока, высота сжатия поршня, длина штока и ход — все это влияет на то, насколько поршень находится «внизу» или «вне отверстия» в верхней мертвой точке. Это влияет на зазор двигателя и должно быть рассчитано.

Объем = (Диаметр цилиндра / 2) в квадрате x высота

Пример: наш поршень находится на 0,010 дюйма ниже платформы в верхней мертвой точке.Это равняется 0,13 кубического дюйма или 2,1 куб.

Толщина прокладки также влияет на зазор. (Расчет толщины прокладки такой же, как и для объема деки).

Пример: прокладка головки имеет диаметр 4,100 дюйма и толщину 0,039 дюйма. Это дает 0,51 кубического дюйма или 8,4 куб.

Очевидно, что объем камеры сгорания также является важной составляющей объема зазора. Проверьте технические характеристики ваших головок на предмет спецификации объема камеры. Однако, если вы установили новые клапаны или модифицировали камеру сгорания, вам нужно будет измерить ее с помощью комплекта для измерения давления.

Пример: производитель головки блока цилиндров указывает объем камеры сгорания 60 см3.

Таким образом, общий объем зазора складывается из объема поршня (-7 см3), объема деки (2,1 см3), объема прокладки (8,4 см3) и объема камеры сгорания (60 см3).

Зазорный объем = 63,5 куб.см

Включение наших цифр в первое уравнение:

Коэффициент сжатия = (Рабочий объем + зазорный объем) / зазорный объем

Коэффициент сжатия = (626,8 куб.см + 63,5 куб.см) / 63.5cc

Коэффициент сжатия = 10,9: 1

Введите числа дважды или трижды, чтобы убедиться, что вы не делаете ошибок, но не беспокойтесь. Также существует множество онлайн-калькуляторов, которые помогут вам рассчитать степень сжатия. Даже если вы используете онлайн-калькулятор степени сжатия, важно понимать математику, лежащую в основе.

Просмотреть все 4 фотографии

Какая связь между степенью сжатия и экономией топлива?

Как мы узнали на предыдущей странице, статическая компрессия двигателя измеряется, когда впускной воздушный клапан двигателя полностью закрыт.Однако в реальной эксплуатации этого почти никогда не происходит. Двигатель работает так быстро, что впускной воздушный клапан может потребоваться снова открыть до того, как поршень завершит свой полный ход вверх и вниз. Когда это происходит, часть давления внутри цилиндра падает, что снижает эффективность. По сути, здесь больше места для воздуха, поэтому двигатель теряет часть мощности из-за сгорания топлива и воздуха.

Динамические степени сжатия учитывают движение впускного клапана. Инженеры могут настроить двигатель так, чтобы впускной клапан закрывался раньше, что помогает нарастить давление в цилиндре.Двигатель также можно настроить так, чтобы клапан закрывался позже, но это позволяет выпустить немного воздуха и снизить эффективность использования топлива двигателем.

Вычислить динамическую степень сжатия на самом деле довольно сложно. Для этого вы используете длину хода и длину шатуна, чтобы определить положение поршня, когда клапан полностью закрыт. Поскольку это соотношение обнаруживается, когда поршень находится в середине своего хода, оно всегда ниже, чем степень статического сжатия. Как и при статическом сжатии, более высокая степень сжатия означает более эффективное использование топлива и лучшую экономию топлива.

Сегодняшние высокоэффективные двигатели на многих современных автомобилях во многом обязаны своей экономией топлива своей высокой степени сжатия. Но у двигателя с высокой степенью сжатия есть и недостатки. Чтобы он работал безупречно, вам нужно использовать высокооктановый газ, который дороже, чем обычный неэтилированный газ. Если пропустить бензин премиум-класса, со временем в двигателе может появиться детонация. Детонация в двигателе — это когда сгорание топливовоздушной смеси не происходит в оптимальное время хода поршня.Использование низкооктанового топлива в двигателе с высокой степенью сжатия может повысить вероятность детонации, поэтому, если вы приобретете новый, экономичный автомобиль с высокой степенью сжатия, убедитесь, что вы используете тип газа, рекомендованный в руководстве пользователя, чтобы получить большинство из этого.