Степень сжатия и компрессия: Какая компрессия должна быть в двигателе и как ее проверить?

Степень сжатия, компрессия и октановое число

Степень
сжатия, компрессия и октановое число

Для
понимания принципов повышения мощности
и эффективности двигателя внутреннего
сгорания необходимо знать, что такое
степень сжатия, компрессия и октановое
число. Причем, не на уровне рассуждений,
что 98-ой бензин более качественный чем
95-ый. Нужно понимать, что октановое число
само по себе не самоцель, а лишь один из
факторов достижения наилучших
эксплуатационных характеристик ДВС.
Прежде всего давайте сразу внесем
ясность и оговорим, что компрессия и
степень сжатия — это совершенно разные
вещи. Степень
сжатия — это отношение между максимальным
объемом цилиндра…

…и
минимальным…

Или,
другими словами, отношение полного
объема цилиндра (то есть объема цилиндра
плюс объема камеры сгорания) к объему
одной лишь камеры сгорания…
Поскольку
это отношение, называемое степенью
сжатия, грубо говоря, есть отношение
объема, который занимает смесь при ее
подаче в цилиндр, к объему, при котором
смесь воспламеняется, то давление, при
котором воспламеняется топливо,
пропорционально этой величине. То есть
чем больше степень сжатия, тем больше
давление воспламеняемой смеси.
Для
лучшего понимания стоит отметить, что
поскольку давление зависит не только
от степени сжатия, но и от, например,
давления на фазе впуска, то давление
воспламеняемой смеси может быть меньше
у двигателя с большей степенью сжатия.
Как? Например, у турбированных двигателей
степень сжатия обычно меньше чем у
атмосферных (почему так делают — станет
понятно ниже), при этом давление у них
на всех фазах существенно выше, поскольку
уже на впуск смесь подается в сжатом
состоянии (в чем, собственно, и состоит
их природа).
Компрессия — это,
кстати, давление в конце фазы сжатия.
То есть она почти равна тому самому
давлению воспламеняемой смеси. Почему
почти? Потому что смесь воспламеняется
всегда чуть позже или чуть раньше того
момента, когда давление максимально…
Это «почти» определяется углом
зажигания, о котором мы, правда, сегодня
говорить не будем. Достаточно лишь
отметить, что он также нужен для борьбы
с детонацией, о которой ниже. гамма — 1
Где
гамма — значения некоей дискретной
функции, зависящей от температуры,
давления и объема воспламеняемой смеси.
Проще говоря, набор констант. Итак мы
видим, что чем больше степень сжатия,
тем больше термический КПД. Также
понятно, что это некоторое упрощение,
поскольку для получения его максимального
значения нужно подбирать массу параметров,
где степень сжатия лишь один из многих,
хоть и важный. Как говорил владелец
одного из автосервисов: «Не зря двигатели
придумывают люди с двумя высшими
образованиями». И правда, не зря.
Ну
здорово, вроде разобрались: чем больше
степень сжатия, тем лучше. Так давайте
просто избавимся от камеры сгорания,
подняв степень сжатия до небес, и будет
нам счастье. А счастья не будет, и вот
почему. Дело в том, что при повышении
давления и температуры возникает два
неприятных явления: детонация и
преждевременное воспламенение. Для
того, чтобы в полной мере их понять,
нужно осознать один удивительный факт:
топливная смесь в ДВС не взрывается —
она горит. Причем та самая гамма, которую
мы упоминали выше, зависит и от скорости
горения и от формы фронта воспламенения
и от температуры пламени. Скорость
горения должна соответствовать скорости
движения поршня. Фронт воспламенения
должен быть однородным и распространяться
ровно по ходу поступательного движения.
Чем меньше температура горения, тем
меньше потери на тепловыделение. Это
все упрощенные заявления, но общую суть
явлений передают.
Вернемся к
детонации и преждевременному воспламенению.
Преждевременное воспламенение происходит,
когда при увеличении давления в смеси
она самопроизвольно воспламеняется.
При этом получается, что часть работы
затрачивается не на то, чтобы толкать
поршень, а на то чтобы помешать завершить
ему ход фазы сжатия, а та энергия
расширения, которая еще останется (если
останется), будет использована крайне
неэффективно из-за нерасчетного профиля
фронта горения.
Детонация же — это
еще более неприятный эффект, когда
воспламененная смесь взрывается. То
есть после короткого момента, когда
горение распространяется со скоростью,
измеряемой десятками сантиметров в
секунду, она вдруг увеличивается в разы.
Происходит это под влиянием и температуры
и давления, а сам эффект обеспечивается
наличием определенного количества
одного из продуктов горения. Эффекты
от детонации: вместо фронта горения
получаем ударную волну (в принципе то
же самое, но только в разы больше скорость
и температура), как следствие — резкое
падение термического КПД и ударные
нагрузки на поршневую группу. А теперь
на секундочку представьте, что происходит,
если детонация возникает не после
поджига смеси свечой, а после
самовоспламенения — все то же самое,
но только против хода поршня.
Вот
и получается, что степень сжатия можно
увеличивать только до тех пор, пока не
начнут проявляться описанные эффекты.
И тут мы приходим к следующему понятию
— октановому числу. Оказывается, у
разных видов топлива стойкость к
преждевременному воспламенению и
детонации различается (все вместе это
называют детонационной стойкостью).
Октановое число как раз и является
показателем этой стойкости. Чем оно
выше, тем выше и стойкость. Важно при
этом отметить, что в большинстве случаев
количество энергии, которую можно
высвободить из литра топлива, от
октанового числа не зависит.
Но
давайте от теоретических моментов,
которыми можно заполнить несколько
томов, обратимся к вопросам практическим
и рассмотрим описываемые явления через
призму повседневности.
Первый
распространенный вопрос: прогорят ли
клапаны, если залить бензин с большим
октановым числом?
Действительно,
в некоторых случаях использование
бензина с большим октановым числом
может привести к прогоранию выпускных
клапанов:

При
этом считается, что происходит это из-за
большей температуры горения смеси с
более высоким октановым числом. На самом
деле все наоборот. Топливо с большим
октановым числом обычно горит с меньшей
температурой и медленнее. Из-за скорости
горения ниже расчетной может получиться
так, что на фазе выпуска через клапан
вместо отработанных газов будет выпущена
еще горящая смесь. Горящая смесь может
оказаться и в выпускном коллекторе —
тогда пострадает и он. На практике же
конструкция многих двигателей позволяет
реализовать потенциал топлива с более
высоким октановым числом без ущерба
для ресурса.
В любом случае, если
вы льете бензин, отличный от рекомендованного
производителем, вы должны четко понимать
физику работы именно вашего мотора —
тому, что говорят в сервисах, верить
можно далеко не всегда.
Вопрос номер
два: почему при использовании бензина
с большим октановым числом на свечах
образуется нагар?
Первая причина
является следствием того, что в России
высокооктановые бензины получают
исключительно методом добавления
присадок. При этом часто получается
так, что для получения 95-ого бензина
присадки используются менее качественные,
чем для 98-ого. Так что заправившись 95-ым
после 92-ого можно получить более ровную
работу мотора и нагар на свечах в одном
флаконе. Понятно, что тут все зависит
от конкретной АЗС.
Вторая причина
— угол опережения зажигания. Если в
вашем двигателе нет системы, которая
автоматически регулирует угол зажигания,
то залив высокооктановое топливо можно
опять же загадить свечи и потерять часть
мощности. Как упоминалось выше,
высокооктановое топливо горит медленнее,
а следовательно для правильного и
полного сгорания смеси ее поджиг должен
осуществляться раньше.

Ещё
о степени сжатия и детонации

В
такте сжатия температура рабочей смеси
повышается, достигая в конце его 350°.
При увеличении степени сжатия в
цилиндре возрастает давление и температура
сжатой рабочей смеси, т. е. создаются
благоприятные условия для возникновения
детонации. Степень сжатия для двигателей
различных мотоциклов неодинакова. В
зависимости от ее величины необходимо
подбирать соответствующее по качеству
топливо. Как показывает практика,
увеличение степени сжатия способствует
лучшему использованию тепла при сгорании
рабочей смеси, а в связи с этим увеличивается
мощность двигателя и уменьшается расход
топлива (до появления детонации). По
мере развития техники наблюдается
постепенное увеличение степени сжатия
в двигателях и улучшаются антидетонационные
качества топлива.
Стойкость топлива
по отношению к детонации определяется
по октановому числу. С увеличением
октанового числа топлива допускается
более высокая степень сжатия двигателя.
Октановое число является условным и
определяется путем сравнения данного
топлива с эталонным при испытаниях в
лаборатории на специальной установке.
Для повышения октанового числа бензина
к нему добавляют антидетонаторы, в
качестве которых чаще всего применяют
бензол и тетраэтиловый свинец.
Тетраэтиловый свинец приготовляют в
виде специальной этиловой жидкости,
которую добавляют к бензину в небольшом
количестве (1— 3 см3 на 1 л бензина). Бензин
с примесью этиловой жидкости называется
этилированным.
По ГОСТ 2084-48 две
марки автомобильных бензинов А-66 и А-70
этилированны жидкостью Р-9 и имеют
октановые числа: первый —66 и второй
—70.
Тетраэтиловый свинец и этиловая
жидкость — сильно действующие яды,
следовательно, этилированный бензин
также ядовит.
У двигателей спортивных
и гоночных мотоциклов степень сжатия
выше, чем у двигателей дорожных мотоциклов,
поэтому при их эксплуатации иногда
требуется повысить октановое число
бензина. Это можно сделать путем
добавления к бензину этиловой жидкости,
однако следует учесть, что прибавка
первых 3 см9 этиловой жидкости на 1 л
топлива увеличивает октановое число в
среднем на 12 единиц, а дальнейшее
добавление ее уже не дает такого
результата; добавление же более 4 см3 на
1 л бензина нецелесообразно.
Хорошими
антидетонационными свойствами обладает
бензол в смеси его с бензином и смесь
спирта с бензолом и бензином, а также
чистый спирт. Эти виды топлива часто
применяют для спортивных целей.
Для
двигателей дорожных мотоциклов применяют
автомобильные бензины. Авиационные
бензины применяются преимущественно
для спортивных целей, они отличаются
от автомобильных фракционным составом,
содержат части, испаряющиеся при более
низкой температуре, и более высокими
октановыми числами, что допускает
применение этих бензинов в двигателях
с высокой степенью сжатия.

Детонация
и антидетонационные свойства топлива

Стойкость
топлива против детонации является одним
из важнейших свойств, от которого зависит
мощность и экономичность двигателя. В
конце такта сжатия рабочая смесь
воспламеняется и при нормальных условиях
работы двигателя горит со скоростью
распространения пламени 25—30 м/сек.
Однако в ряде случаев скорость сгорания
рабочей смеси резко возрастает, достигая
2000 ж/се/с, т. е. вместо нормального сгорания
происходит взрыв. Такое сгорание со
скоростью взрыва носит название
детонации.
При возникновении
детонации нормальная работа двигателя
нарушается, появляются частые резкие
металлические стуки, повышается
температура деталей двигателя —
цилиндра, клапанов, поршня и др., появляется
черный дым из глушителя и падает мощность.
При длительной работе двигателя с
детонацией может произойти поломка
отдельных его деталей.
При появлении
детонации повышается температура
поршня, цилиндра, клапанов, свечи, в
результате чего рабочая смесь начинает
воспламеняться уже не от искры, а
преждевременно, от перегревшихся
деталей, что способствует снижению
мощности двигателя и большому износу
деталей. В разобранном случае
преждевременная вспышка сопутствует
детонации, однако она может возникнуть
и независимо от нее, например от
раскаленного нагара и в силу других
обстоятельств.
Преждевременная
вспышка отличается от детонации тем,
что скорость сгорания рабочей смеси в
этом случае такая же, как при воспламенении
от искры, но воспламенение происходит
раньше, чем это необходимо, при этом
также падает мощность двигателя,
повышается температура и появляются
стуки.
В условиях эксплуатации
появлению детонации способствуют
следующие причины: 1) несоответствие
качества топлива данному двигателю; 2)
большое опережение зажигания; 3) высокая
температура цилиндра, поршня, клапанов;
4) раскаленный нагар на днище поршня и
внутренней поверхности головки цилиндра.

Полезные статьи по автодиагностике — Школа Пахомова

Главная

Полезные статьи

Практика реальной диагностики

О степени сжатия, компрессии и езде по лужам

Двигатель «троит». Что делать? На любом курсе обучения автодиагностов вам обязательно расскажут, как поступать в подобной ситуации: измерить компрессию, проверить искру и подачу топлива.

Тут вроде бы все просто, но хотелось бы проговорить это все еще раз. Прежде всего нужно уяснить банальную, казалось бы, вещь: троение – это следствие того, что в разных цилиндрах отличаются условия работы. Поэтому менять прошивку в блоке управления или измерять давление топлива совершенно бесполезно, нужно искать причину разницы в условиях работы цилиндров.

Чем могут отличаться эти условия? Перечислим по порядку:

• Зажигание. Совершенно очевидно, что любой дефект в системе зажигания приведет к пропускам воспламенения в цилиндре. Проверку системы зажигания лучше всего выполнять мотортестером по вторичной цепи, обязательно резко открывая дроссельную заслонку. В этой ситуации наполнение цилиндров максимально, и все дефекты сразу себя проявляют.
• Механическая часть, или «железо». Проверяется чаще всего компрессометром. Разброс компрессии по цилиндрам не должен превышать 1 бар. Также важна скорость набора давления: она не должна визуально отличаться в разных цилиндрах. Однако компрессометр – инструмент по сути оценочный: серьезные выводы из его применения сделать невозможно. Компрессия либо есть, либо ее нет, третьего не дано. Само значение компрессии оценивать нельзя, потому что оно зависит от целого ряда факторов. 
• Топливные форсунки. Лучший метод проверки – на проливочном стенде. Если такового в наличии нет, можно выполнить тест баланса форсунок, основанный на падении давления в рейке при поочередной подаче на форсунки управляющего импульса.

Последовательность, в которой изложены причины троения, взята не с потолка. Как показывает многолетняя практика, причиной троения чаще всего бывает именно система зажигания, чуть реже – механическая часть, и уж совсем редко двигатель троит из-за форсунок.

Вышеперечисленные факторы – это то, что знают почти на каждом сервисе. Да что там на сервисе! Об этом знают даже особо продвинутые клиенты. Честно говоря, лучше бы они об этом не знали…

Но самый интересный момент не знают ни те, ни другие. Да и не на всех курсах диагностов вам об этом расскажут. Есть еще одна причина троения, и называется она снижение реальной степени сжатия в одном или нескольких цилиндрах. Происходит это при преодолении автомобилем глубоких луж. Жидкости в отличие от газов несжимаемы, и попав в цилиндр, вода попросту не дает поршню дойти до верхней мертвой точки. А двигатель-то работает! В итоге под воздействием коленчатого вала гнется шатун, сокращается его длина, увеличивается объем камеры сгорания и – увы и ах! – снижается степень сжатия.

Если в таком цилиндре измерить компрессию, то она там будет. А почему бы и нет? Клапаны целы, кольца – тоже, а то, что снизилась степень сжатия – ну, чуть упадет компрессия относительно других цилиндров, и что? Вполне может уложиться в допуск. Но цилиндр при этом работать нормально уже не будет.

Возникает вопрос: хорошо, а можно ли измерить реальную степень сжатия? До недавнего времени прибора для измерения степени сжатия при диагностике двигателя просто не существовало. Теперь измерительный инструмент есть. Это тест Рх Андрея Шульгина, реализованный в мотортестере Autoscope, известном еще как осциллограф Постоловского. Давайте рассмотрим один интересный случай, рассказанный нашим коллегой, автодиагностом Никитой Напреевым. Предоставляю ему слово.

Этот случай ввел в шок не только клиента, но и всех, кто находился в очереди на диагностику. Автомобиль Ford Fusion, двигатель 1,6 л. Подхожу к авто, слышу, что двигатель явно троит. Казалось бы, что тут сложного? Но все было не так-то просто…

Клиент оказался из продвинутых: «Свечи, катушка, форсунка, нет компрессии». Ну я ему в ответ «Если все так просто, делали бы сами». Не люблю таких. Но он сразу успокоился и спросил, а может ли быть что-то еще? Я возьми да ляпни «Степень сжатия еще может быть снижена». Как в воду глядел.

Клиент сразу проникся ко мне уважением и отстал со своими дурацкими расспросами, а я взял в руки датчик давления от Автоскопа и установил его в первый цилиндр. Выполнил тест Рх. Расчетная степень сжатия 9,1! А компрессия при этом 12,5 бар…

Тут же делаю тест в соседнем цилиндре и вижу степень сжатия 11,2:

Далее состоялся примерно такой диалог:

— У вас в первом цилиндре снижена степень сжатия. В рабочем цилиндре 11, а в этом 9.

— Это что, компрессия?

— Нет, это разные вещи. Мало кто понимает разницу. Но суть в том, что в первом цилиндре с вероятностью 95% погнут шатун.

— Не может такого быть! Что вы мне ерунду рассказываете, ищите дальше!

— Хорошо. Давайте так. Мы снимем головку блока, вынем шатун. Если там все в порядке, то мы соберем все обратно за свой счет. Если же нет – вы доплачиваете 35% от общей стоимости работ. Идет?

— Хорошо, согласен.

Начинаем разбирать двигатель, клиент, как и положено, стоит над душой. Вытащили шатун, вот фото:

Сложно описать, что было дальше. Клиент был в восторге, бегал по сервису и всем удивленно рассказывал, как подобную неисправность увидели, не разбирая мотора, и наверно, нигде бы больше не нашли.  Я ответил ему, что грамотный диагност нашел бы, если бы имел в наличии осциллограф Постоловского.

Шатун он взял с собой, чтобы показать друзьям. Но в итоге оставил нам на память, посоветовав показывать таким неверующим, как он. Спросил, почему это могло возникнуть, и после наших объяснений вспомнил, что его дочь действительно недавно влетела на машине в лужу и двигатель заглох. Собственно, это было последним недостающим штрихом.

Остается только добавить, что мотортестер – это сила! У кого его нет, нервно курят в сторонке.

Комментарий Алексея Пахомова

Несмотря на кажущуюся простоту, вопрос о различиях между степенью сжатия и компрессией вызывает много недопонимания среди авторемонтников. На самом деле это два абсолютно разных понятия.

Степенью сжатия называется отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vс и обозначается греческой буквой ε:Степень сжатия – параметр геометрический, заданный при проектировании двигателя. Являясь отношением полного объема цилиндра к объему камеры сгорания, степень сжатия представляет собой величину безразмерную. Она не зависит от состояния двигателя и особенностей его эксплуатации.

Компрессия – это максимальное значение давления в цилиндре, измеренное компрессометром при прокрутке двигателя стартером. Соответственно, имеет размерность, чаще всего это кгс/см² или bar. Измеренное значение компрессии зависит от состояния двигателя, от его температуры, вязкости масла, состояния аккумулятора и стартера. Другими словами, компрессия – это практический измеряемый параметр, зависящий от многих факторов.

Конечно, если взять два одинаковых исправных двигателя, отличающихся только степенью сжатия, и провести замер компрессии, то при прочих равных условиях компрессия в двигателе с большей степенью сжатия будет выше.  Но это ни в коем случае не говорит о том, что понятия «компрессия» и «степень сжатия» имеют что-то общее.  

Динамическая степень сжатия, объясненная Kennedy’s Dynotune

В нашей попытке помочь нашим клиентам понять производительность и то, что заставляет двигатель производить мощность, мы собираемся объяснить концепцию динамической степени сжатия (DCR). Несмотря на то, что это кажется эзотерическим, это важная концепция при разработке двигателя для повышения производительности.

Первое, что нужно понять, это то, что «степень сжатия» (CR), о которой обычно говорят, лучше всего называть «статической степенью сжатия». Это простая концепция, представляющая собой отношение рабочего объема цилиндра (рабочего объема) к объему над поршнем в верхней мертвой точке (ВМТ). Например, если гипотетический цилиндр имеет рабочий объем 450 куб. см и камеру сгорания 50 куб. см (плюс объем от днища поршня до головки), CR будет 500/50, или 10: 1. Если бы мы фрезеровали головку так, чтобы объем над днищем поршня был уменьшен до 40 куб. см, CR теперь был бы 49.0/40 или 12,25:1. И наоборот, если бы мы увеличили камеру до 60 куб. См, CR теперь был бы 510/60 или 8,5: 1.

Всем известно, что высокопроизводительные двигатели обычно имеют более высокую степень сжатия. Проще говоря, более высокая степень сжатия дает больше лошадиных сил. Более высокий CR также улучшает топливную экономичность и приемистость. Так почему бы не увеличить CR еще больше? Как только CR превысит определенную точку, произойдет детонация. Детонация убивает мощность и убивает двигатель. Величина сжатия, которую может выдержать данный двигатель, определяется многими факторами. К ним относятся конструкция камеры сгорания, материал головки, использование покрытий камеры сгорания и т. д. После того, как эти механические аспекты двигателя были исправлены, основной переменной становится октановое число топлива. Более высокое октановое число = большая устойчивость к детонации и способность выдерживать большее сжатие.

Вышеизложенное поднимает вопрос, который часто возникает у энтузиастов производительности и производителей двигателей: насколько высоким должен быть мой CR? Даже если вы знаете все о своем двигателе и решили, какое топливо вы собираетесь использовать, на вопрос нельзя ответить в такой формулировке. Почему? Потому что без привязки к характеристикам распредвала говорить о (статическом) CR рядом с бессмысленно!

Как это так? Что ж, подумайте о цикле Отто и о том, как работает четырехтактный двигатель. Рабочий такт завершен, и поршень движется вверх в отверстии. Впускной клапан закрыт, а выпускной клапан открыт. Когда поршень поднимается, он помогает выталкивать отработавшие газы сгорания через выпускное отверстие. Поршень достигает ВМТ и начинает опускаться. Выпускной клапан закрывается, а впускной открывается. Свежее топливо и воздух всасываются в цилиндр. Поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ) и начинает движение вверх. Это критический момент для понимания DCR. В БДЦ. впускной клапан все еще открыт. Следовательно, несмотря на то, что поршень поднимается вверх по отверстию, фактическое сжатие не происходит из-за открытого впускного клапана. Сжатие не начинается, пока не закроется впускной клапан (IVC). При достижении IVC топливовоздушная смесь начинает сжиматься. Отношение объема цилиндра в IVC к объему над поршнем в ВМТ представляет собой динамическую степень сжатия. DCR — это то, что топливовоздушная смесь на самом деле «видит» и что «считает», а не статическая CR. Поскольку DCR зависит от IVC, характеристики кулачка так же сильно влияют на DCR, как и механические характеристики двигателя.

DCR намного ниже статического CR. Большинство высокопроизводительных уличных и дорожных/гусеничных двигателей имеют DCR в диапазоне 8-8,5:1. Для обычных кулачков это приводит к статической CR в диапазоне 10,0-12,0:1. Выше этого могут быть проблемы детонации с насосным газом. Двигатели с «маленькими» кулачками нуждаются в более низком статическом CR, чтобы избежать детонации. Двигатели с «большими» кулачками имеют более позднюю точку IVC и могут выдерживать более высокий статический CR. Когда используется гоночное топливо, может использоваться гораздо более высокий DCR (и статический CR) из-за сопротивления детонации топлива. Конечно, гоночные моторы также имеют гораздо большие распределительные валы, что является еще одной причиной, по которой им может сойти с рук такое высокое статическое CR, часто в диапазоне 13-15: 1.

Примечание: существует некоторая путаница в использовании термина «Коэффициент динамического сжатия». Некоторые люди используют его для обозначения характеристик двигателя, работающего на высокой скорости. В этом случае объемный КПД двигателя будет иметь большое влияние на давление в цилиндре. В этом случае больший кулачок будет увеличивать давление в цилиндре, когда он находится в диапазоне оборотов. Таким образом, будет создаваться большая мощность и большее давление в цилиндре. Мы предпочитаем думать об этом понятии как о «давлении в цилиндре», чтобы избежать путаницы.

PS: спасибо г-ну Брюсу Вольцу за указание на несоответствие в приведенном выше примере CR

Переменная степень сжатия: технология будущего, применяемая сегодня

«Двигатель был оснащен выдвижными коваными поршнями 12:1. ” Мы, кто был здесь какое-то время, все слышали это заявление и сразу поняли, что этот двигатель был создан для производительности. Всегда было известно, что более высокая степень сжатия (CR) обеспечивает двигателю внутреннего сгорания лучшую производительность и экономичность. Если это утверждение верно, то почему производители оригинального оборудования не используют более высокие степени сжатия в конструкции своих двигателей? Благодаря современным усовершенствованиям двигателя внутреннего сгорания в таких системах, как система изменения фаз газораспределения (VCT), система изменения фаз газораспределения (VVT), непосредственный впрыск бензина (GDI), индукционные наддувочные клапаны (ICV), принудительная подача воздуха (FAI) (и это только несколько), ясно, что производители ищут каждую унцию производительности, которую они могут получить. Так почему бы не высокая степень сжатия? Чтобы понять, почему OE не используют более высокие степени сжатия, необходимо понять, что происходит, когда вносятся изменения в компрессию в двигателе.

Что такое сжатие?  

Компрессия основана на изменении объема цилиндра, которое происходит за один из тактов двигателя внутреннего сгорания. Когда поршень находится в точке нижней мертвой точки (НМТ) после такта впуска, а затем перемещается в точку верхней мертвой точки (ВМТ), изменение объема, происходящее в цилиндре, представляет собой процент изменения объемного соотношения. Это изменение объемного отношения называется статической степенью сжатия двигателя. Эта статическая степень сжатия не изменяется. Однако объем, содержащийся в цилиндре, имеет значение.

Важно понимать, что это изменение объема в цилиндре двигателя с искровым зажиганием не будет постоянным, поэтому будет меняться и компрессия в цилиндре. Это связано с тем, что дроссельная заслонка отличается. Дроссельная заслонка ограничивает поступление воздуха в двигатель, поэтому объем воздуха внутри цилиндра изменяется в соответствии с движением дроссельной заслонки. Это изменение объема можно увидеть на рис. 1, на котором показана кривая давления в цилиндре с использованием осциллографа и датчика давления 300 фунтов на квадратный дюйм. На холостом ходу объем цилиндра мал из-за того, что дроссельная заслонка закрыта, что ограничивает поступление воздуха в двигатель. Когда дроссельная заслонка открывается, поток воздуха увеличивает объем воздуха в цилиндре, тем самым увеличивая компрессию.

Когда производитель проектирует двигатель, он знает об этом изменении давления в цилиндре. Затем инженер рассчитывает перемещение поршня от НМТ до ВМТ (рабочий объем) и объем зазора, остающийся в камере сгорания в ВМТ. Это устанавливает статическую степень сжатия двигателя на основе 100-процентного объема заполнения цилиндра. Как мы теперь понимаем, этот объем заполнения в работающем двигателе постоянно меняется, поэтому в двигателе без наддува 100-процентный объем заполнения, который устанавливает статическую степень сжатия, не будет достигнут, кроме, возможно, при широко открытом дросселе (WOT). Легковой автомобиль работает с открытием дроссельной заслонки менее 40 процентов в течение более 9 часов.0 процентов времени работы двигателя. Таким образом, большую часть времени, когда двигатель работает, его компрессия намного ниже заданной инженером степени сжатия. Тогда возникает вопрос: как устанавливается это соотношение? Данные основаны на наихудшем сценарии, в котором может работать двигатель, поэтому настройка может быть в Долине Смерти в день с температурой 125 ° F, в WOT, с бензином для насосов. Затем в этих условиях устанавливается степень сжатия двигателя, чтобы двигатель не имел условий детонации или перегрева. Понятно, что обычное транспортное средство может никогда не эксплуатироваться в таких экстремальных условиях, но конструкция двигателя должна учитывать такую ​​возможность.

Поскольку двигатель внутреннего сгорания является тепловым двигателем, основной функцией устройства является производство и использование тепла. В этих двигателях все, что делается перед сгоранием типа топлива, заключается в том, чтобы настроить воздух / топливо в цилиндре, чтобы заряд мог воспламениться, сгореть и сгореть. Такт сжатия двигателя занимает большой объем и быстро меняет объемное состояние на малый объем. В этих условиях молекулы воздуха, состоящие примерно из 79% азота и 21 % кислорода ударяются друг о друга, создавая тепло. Чем больше произойдет ударов молекул, тем горячее станет воздух. Это тепло передается рабочей жидкости, азоту и окислителю, которым является кислород. Это тепло используется для нагревания топлива, так что оно превращается из жидкости в пар и возбуждает молекулы, заставляя их вибрировать. Эти вибрирующие молекулы установят заряд так, что его будет легче зажечь и сжечь. В двигателе с искровым зажиганием, как только возникает точка воспламенения, искра ионизирует электроды свечи зажигания, создавая состояние плазмы, в котором температура топлива значительно превышает температуру самовоспламенения топлива. Это устанавливает фазу воспламенения топлива. Фаза сгорания заряда — это когда химическая энергия превращается в тепловую энергию. Затем выделившееся тепло передается следующему слою заряда, воспламеняя его. Это называется дефлаграцией. Дефлаграция — это горение, которое распространяется с дозвуковой скоростью в газе за счет передачи тепла. Это сильно отличается от детонации, которая представляет собой сверхзвуковую ударную волну, которая возникает по всей камере сгорания, создавая почти ступенчатое изменение давления, именно здесь заряд воспламеняется мгновенно.

Когда топливо вступает в реакцию с окислителем, выделяющаяся тепловая энергия нагревает рабочую жидкость, в результате чего азот расширяется и давит на поверхность поршня. Это, в свою очередь, использует трехзвенную связь для создания крутящего момента от коленчатого вала. Таким образом, химическая энергия превращается в тепловую энергию, которая превращается в механическую энергию.

Повышение эффективности

Сжатие — это изменение объема, происходящее внутри цилиндра; чем выше компрессия, тем больше тепла поступает в цилиндр. Поскольку двигатель внутреннего сгорания является тепловым двигателем, это дополнительное тепло будет создавать большую мощность двигателя. Давайте проясним здесь, заряд воздух/топливо сгорает только с одной скоростью, производя одно значение. Дополнительная мощность возникает не за счет сжигания топлива, а за счет дополнительного давления, создаваемого более высокой компрессией в цилиндре. Когда поршень приближается физически ближе к головке, уменьшается площадь, которая будет создавать более высокое пиковое давление. Это более высокое пиковое давление повысит термодинамическую эффективность двигателя, которая является мерой того, насколько эффективно двигатель преобразует тепло в механическую энергию. На рисунке 2 показана диаграмма, демонстрирующая теоретический прирост термодинамической эффективности в зависимости от степени сжатия.

Чтобы понять, как это происходит, необходимо посмотреть на степень расширения двигателя. Степень расширения объясняет, что происходит, когда поршень движется вниз во время горения топлива, создавая давление в камере сгорания. Поскольку поршень физически приблизился к головке, в камере сгорания стало меньше места. По мере того, как топливо выделяет свою тепловую энергию, оно нагревает рабочую жидкость, что создает давление в камере сгорания. Давление – это сила, умноженная на площадь. Давление на квадратный дюйм (PSI) или, точнее, фунт-сила на квадратный дюйм — это сила в один фунт-сила, приложенная к площади в один квадратный дюйм. Таким образом, давление в камере сгорания умножается на площадь поршня. Таким образом, чем выше давление, тем больше создается силы, толкающей поршень вниз. Эмпирическое правило для бензинового двигателя заключается в том, что степень сжатия примерно в сто раз превышает давление сгорания. Таким образом, CR 8: 1 будет давать пиковое давление сгорания примерно 800 фунтов на квадратный дюйм, тогда как более высокий CR 12: 1 даст пиковое давление сгорания примерно 1200 фунтов на квадратный дюйм. Например, если использовался поршень диаметром 3 дюйма; 3 дюйма / 2 = 1,5 радиуса, 1,5 радиуса х 1,5 радиуса = 2,25 радиуса в квадрате, 2,25 радиуса в квадрате х 3,14 пи = 7,065 площади 3-дюймового поршня. Теперь, когда у нас есть площадь поршня, умножьте ее на силу: 7,065 x 800 фунтов на квадратный дюйм = 5652 фунта пиковой силы и 7,065 x 1200 фунтов на квадратный дюйм = 8478 фунтов пиковой силы. Теперь ясно, что степень сжатия создает более высокое усилие для вращения коленчатого вала, что обеспечивает более высокую производительность.

Кроме того, при более высокой степени сжатия изменение объемного отношения в камере сгорания также больше изменяется в течение рабочего такта. При более высокой степени сжатия площадь в ВМТ меньше, поэтому площадь или объем будут больше изменяться по мере удаления поршня от головки. Эта область изменит способ снижения пикового давления в цилиндре. Увеличенная площадь позволяет горящему топливу расширяться с большей силой при большем числе градусов вращения коленчатого вала, таким образом, из исходного заряда высокого давления извлекается больше энергии. Это, в свою очередь, способствует тепловому КПД двигателя.

Чем выше степень сжатия, тем выше пиковое давление, поэтому конструкция компонентов двигателя будет более тяжелой, чтобы выдерживать эту большую силу. Однако за перенос этого дополнительного веса будет начислен штраф в течение всего срока службы автомобиля, поэтому выигрыш от более тяжелого двигателя должен быть компенсирован лучшими характеристиками, обеспечиваемыми более высокой степенью сжатия. Кроме того, будет ограничение на то, насколько высоким может быть сжатие. Физические свойства материалов, используемых в двигателе, а также запас топлива будут иметь ограничения. В конечном итоге в двигателе не может быть детонации, так как детонация приведет к серьезному повреждению двигателя, поэтому необходимо установить степень сжатия, чтобы исключить детонацию в камере сгорания.

Ответ — VCR  

Теперь, когда проблема установки статической степени сжатия в двигателе очевидна, необходим способ изменения степени сжатия двигателя. Мы все знаем об одном таком изменении статической степени сжатия в двигателе, известном как обогащение холодного пуска. Когда дополнительное топливо добавляется в камеру сгорания на холодном двигателе, топливо остается в жидком виде. Жидкость, будучи практически несжимаемой, занимает часть рабочего объема камеры сгорания. Это уменьшает объем зазора в камере сгорания, тем самым увеличивая степень сжатия двигателя. Дополнительное давление, возникающее из-за более высокой степени сжатия, увеличивает температуру рабочей жидкости, поэтому при большем нагреве более легкие ароматические соединения топливного запаса испаряются. Помните, что гореть может только пар; жидкости и твердые тела не горят. Кроме того, может гореть только стехиометрическая топливно-воздушная смесь. Если воздушно-топливная смесь богата, после того, как кислород израсходован, топливо больше не будет гореть, оставляя топливо в камере сгорания; и если воздушно-топливная смесь обеднена, после того, как топливо будет израсходовано, в камере сгорания останется кислород. Как только испарится достаточное количество обогащенного топлива для холодного пуска, топливовоздушная смесь становится горючей, и двигатель можно запускать. Это временное изменение степени сжатия. Что необходимо, так это способ выполнить это изменение объема клиренса на постоянной основе.

Наилучший способ использования степени сжатия двигателя — это динамическое изменение степени сжатия во время работы двигателя. Двигатель с переменной степенью сжатия (VCR) делает именно это. Двигатель VCR изменяет объем в цилиндре, так что компрессия изменяется на лету. Есть много способов, которыми это может быть достигнуто, однако в нескольких примерах системы видеомагнитофона, показанных на рисунках 3-7, это достигается изменением объема зазора в ВМТ. Когда степень сжатия может изменяться динамически, можно использовать наилучшую степень сжатия для условий, в которых работает двигатель. Это означает, что при небольшой нагрузке статическое сжатие может быть намного выше, чем статическое сжатие при большой нагрузке. Это увеличение степени статического сжатия в условиях малой нагрузки двигателя увеличивает термодинамический КПД двигателя.

При малой нагрузке объем заполнения цилиндра намного меньше 100 процентов. Это происходит из-за дроссельной заслонки и скорости воздушного потока, проходящего через двигатель. При меньшем объеме заполнения цилиндра давление сжатия намного ниже уставки статического сжатия. Таким образом, если степень статического сжатия повышается, а объем цилиндра меньше, давление внутри цилиндра повышается, обеспечивая высокую эффективность использования топлива. При большой нагрузке двигателя, когда дроссельная заслонка находится в положении WOT, объем, содержащийся в цилиндре, высок, поэтому степень статического сжатия снижается, чтобы обеспечить наилучшую выходную мощность при контроле детонации и перегрева цилиндра. Двигатель VCR может непрерывно изменять степень сжатия, поэтому термодинамические преимущества проявляются во всем диапазоне нагрузки двигателя. Таким образом, двигатель видеомагнитофона сочетает в себе лучшее из обоих миров; топливная экономичность с меньшими выбросами, обеспечивая при этом максимальную выходную мощность двигателя. Все двигатели внутреннего сгорания, безнаддувные (NA), с турбонаддувом (TC) и с наддувом (SC), могут извлечь выгоду из технологии видеомагнитофона. Кроме того, потребуется технология двигателя VCR, чтобы включить двигатель с воспламенением от сжатия с однородным зарядом (HCCI). HCCI — это форма внутреннего сгорания, при которой хорошо перемешанное соотношение воздух/топливо сжимается до точки, при которой топливо самовоспламеняется. Это самовоспламенение очень похоже на дизельный двигатель, за исключением того, что в качестве топлива он использует бензин.

Не просто теория – в производстве!

Давайте посмотрим на первый серийный двигатель видеомагнитофона. Этот двигатель был разработан моторной группой Nissan. В нем используется многорычажная система VCR типа «шатун-кривошип», как показано на рисунке 3. Первое наблюдение заключается в том, что шатун больше не соединен напрямую с коленчатым валом, а вместо этого соединен с многорычажным узлом. Этот рычажный узел соединен со стержнем управления, который соединен с эксцентриковым валом. Когда этот эксцентриковый вал вращается с помощью управляемого компьютером электродвигателя с редуктором, управляющая тяга изменяет геометрию многозвенного узла. В одном положении эксцентриковый вал вращается, поэтому шток управления поднимается, позволяя многорычажному узлу двигаться вниз на противоположном конце, так что высота поршня внутри цилиндра меньше, что снижает степень сжатия. В другом положении эксцентриковый вал вращается, поэтому шток управления опускается, позволяя многорычажному узлу двигаться вверх на противоположном конце, так что высота поршня внутри цилиндра выше, что увеличивает степень сжатия. Эта рычажная система изменяет высоту поршня примерно на 6 мм, изменяя степень статического сжатия с 8:1 до 14:1 примерно за 100 мс.

Эта система используется на Infiniti QX50 2018 года и показана на рис. 4. Двигатель представляет собой 2,0-литровый четырехцилиндровый двигатель VCR с турбонаддувом мощностью 268 л. Нм) при 4400 об/мин. Результатом этого является двигатель, который на 27 процентов лучше экономит топливо, чем 3,5-литровый V6 Nissan, при примерно такой же мощности и крутящем моменте, но меньше и легче. Возможно, эта видеомагнитофонная система типа Multi-Link Rod-Crank является лучшей конструкцией с точки зрения массового производства.

Дополнительные концепции VCR                                    

На рис. 5 показан двигатель VCR с эксцентриковым подшипником. Этот двигатель VCR имеет отверстие коренного подшипника, сконструированное так, что это отверстие смещено от центра. Затем коренные подшипники поддерживаются дополнительным комплектом подшипников, так что коренные подшипники в сборе плавают в блоке цилиндров. Рычаг управления прикреплен к плавающему основному подшипнику, который соединен с тягой управления, которая, в свою очередь, соединена с узлом плеча рычага управления. Этот узел рычага управления может вращаться с помощью управляемого компьютером электродвигателя с редуктором. В одном положении коренной подшипник вращается так, что высота поршня в отверстии цилиндра уменьшается, что снижает степень сжатия. В другом положении коренной подшипник вращается так, что высота поршня в отверстии цилиндра увеличивается, что увеличивает степень сжатия.

На рис. 6 показан двигатель типа VCR с гидравлическим шатуном. Этот двигатель VCR имеет более традиционный вид, в котором шатун крепится к коленчатому валу и поршню. Однако поршневой конец шатуна намного больше из-за поршней гидравлического управления и шарнирно-сочлененного узла поршневого пальца. Шарнирно-сочлененный узел поршневого пальца имеет смещенное отверстие поршневого пальца. Когда управляющий клапан компьютера подает гидравлическое давление на один из управляющих поршней, этот узел перемещает положение поршневого пальца так, что поршень перемещается вниз, снижая степень сжатия. Когда гидравлическое давление подается на другой поршень гидравлического управления, узел поршневого пальца поворачивается так, что поршень перемещается вверх, увеличивая степень сжатия.

На рис. 7 показан дополнительный двигатель типа VCR с изменением объема поршня. Этот двигатель типа VRC был первым построенным двигателем VCR и использовался для определения октанового числа бензина. Он был разработан Гарри Рикардо в 1920-х годах. Эта конструкция двигателя имеет гораздо более традиционный вид. Основное отличие заключается в объемном поршне, содержащемся в головке блока цилиндров. Когда поршень регулятора объема находится в верхнем положении, объем зазора увеличивается, что снижает степень сжатия. Когда поршень управляющего объема перемещается в нижнее положение, объем зазора уменьшается, увеличивая степень сжатия.

Тестирование механизма видеомагнитофона  
Теперь, когда вы понимаете внутреннюю работу механизма видеомагнитофона, его будет довольно легко протестировать. Вам понадобится сканер, осциллограф и датчик давления. Установите датчик давления в головку блока цилиндров вместо свечи зажигания. Теперь запустите двигатель и, не меняя дроссельную заслонку или число оборотов (что может изменить громкость), используйте диагностический прибор, чтобы дать команду системе видеомагнитофона изменить степень сжатия.