Геометрическая степень сжатия (СЖ) – это отношение полного объема пространства над поршнем, когда он находится в НМТ (нижней мертвой точке) к объему камеры сгорания. Полный объем камеры сгорания (КС) складывается из: объема КС в головке блока цилиндров, объема КС в поршне, объема отверстия под цилиндр в прокладке ГБЦ (в ее сжатом состоянии), объема, образующегося из-за недохода поршня до плоскости блока цилиндров в ВМТ. Если у поршня имеется вытеснитель, его объем в расчеты входит со знаком минус (аналогично, если поршень имеет выход из блока в ВМТ, что допустимо в некоторых случаях).
Не путайте степень сжатия с компрессией.
Не путайте геометрическую степень сжатия с динамической.
Введение
Как всегда, для рассмотрения какого-либо вопроса, вспомним уже известную нам информацию по теме степени сжатия. Преобладающее количество людей, конечно, скажут, что степень сжатия – это безразмерная величина, отображающая отношение объема цилиндра к объему камеры сгорания. Также известно, что для современного атмосферного бензинового двигателя она равняется примерно 9-11, для турбированных моторов 7-8. Но каков ее физический смысл? Какое влияние она оказывает на процессы, происходящие в двигателе, рассмотрим этот вопрос более детально.
Теоретическое пояснение
Итак, рассмотрим, что же такое с физической точки зрения Степень сжатия, в классическом ее понимании. Как мы уже знаем, это отношение объема цилиндра к объему камеры сгорания, т.е. другими словами, мы понимаем под этим, что объем воздуха поступившее в цилиндр на такте впуска равняется объему цилиндра… Но так ли это на самом деле?
Нам известно, например, что для двигателей с 2-мя клапанами на цилиндр Эффективное наполнение (volumetric efficiency) составляет для гражданских двигателей 75-80%, для 16-ти клапанных этот показатель немного выше – 80-85%. Таким образом, получается, что в двигатель, в лучшем случае, попадет воздуха около 85% от объема цилиндра. А также, забегая немного вперед, надо отметить, что произойдет это в режиме максимального наполнения. Как мы видим, реальная степень сжатия уже будет отличаться.
Также, мы должны понимать, что степень сжатия будет равняться расчетной, если уменьшение объема (сжатие) ТВС будет происходить в замкнутом пространстве от Объема V1 к V2. Грубо говоря, сжатие начнется при положении поршня в НМТ и закончится тогда, когда поршень достигнет ВМТ. Но опять же по факту, в реальном двигателе этого не происходит, потому что впускной клапан закрывается с определенным запаздыванием после НМТ, и по сути само сжатие ТВС начинается с запаздыванием относительно НМТ.
Что же мы видим? Получается, что объем воздуха в реальном двигателе, участвующий в сжатии и физический объем, намного меньше, соответственно и степень сжатия, рассчитанная нами ранее, является не корректной, или скажем так, мало информативной. Ведь помимо физического объем цилиндра, разные конструкции двигателей имеют абсолютно разные и другие геометрические параметры, начиная от диаметра цилиндра, хода поршня и заканчивая различными распределительными вала, а также различными системами изменения фаз газораспределения.
Таким образом, является целесообразным ввести некую величину, которая позволит нам учитывать все параметры, влияющие на реальную степень сжатия – назовем эту величину Динамическая степень сжатия (DCR).
Понятие DCR
Динамическая степень сжатия (DCR) – величина, которая позволяет нам учитывать различные аспекты конструкции ДВС влияющие в процессе работы на конечное давление в конце такта сжатия, именно конечное давление и будет являться бенефициаром нашего расчета. Также, нам необходимо систематизировать полученные данные по соответствию значения DCR — конкретному октановому числу топлива.
Обзор конструкций
Для лучшего осмысления, физического смысла DCR, рассмотри конструкции некоторых моделей двигателей, на примере, посмотрим, какие значения DCR они имеют, а также чем это обусловлено. Для простоты, сравним всем известные двигатели семейства ВАЗ и проследим их эволюцию в разрезе введенного нами параметра.
Итак, первый двигатель, который мы рассмотрим — это ВАЗ 2106, основные параметры, такие как диаметр цилиндра, ход поршня и остальные можно легко найти в интернете, я уже произвел все необходимые расчеты, и для простоты, буду указывать уже сокращенные данные. Этот двигатель имеет геометрическую степень сжатия – 8,5 и угол закрытия ВК равным 55°, на основе всех данных, значение DCR для этого двигателя будет равно 7,5. Сравним со значением из таблицы, получаем, что для данного типа двигателя допустимо применение 92 бензина, причем с небольшим запасом. В принципе, для того времени, когда разрабатывался этот двигатель октановое число топливо применялось со значение 91, а системы управления двигателем не позволяли достаточно точно производить настройку, поэтому некий запас конечно был необходим.
Теперь рассмотри другой двигатель из этого семейства – ВАЗ 21213. Этот двигатель имеет больший объем по отношению к двигателю 2106, а также он устанавливался на автомобиль, которому предъявлялись повышенные требования к проходимости, соответственно двигатель должен был бесперебойно работать при продолжительных нагрузках, при этом не иметь детонации. Так как объем цилиндра увеличился, а конструкция ГБЦ осталась практически без изменения – это неминуемо привело к тому, что этот двигатель имеет геометрическую степень сжатия равную 9,3. Получается, что значение степени сжатия увеличилось почти на единицу по отношению к предыдущему двигателю, но применяемое топливо осталось на прежнем уровне, и нагрузки на низких оборотах не уменьшились, а даже возросли, так в чем же дело? По логике вещей нужно было бы использовать топливо с большим октановым числом и иметь более точные настройки системы зажигания и топливоподачи. Конечно, еще одним вариантом могло бы быть изменение конструкции ГБЦ (увеличение камеры сгорания), но это не рентабельно, в масштабах массового производства, практически идентичного мотора изготавливать отдельные узлы. Поэтому, конструкторы пошли другим путем, а именно, они изменили параметры распределительного вала, и даже только той части, которая касается впускного кулачка – они сделали угол закрытие ВК равным 73° в отличии от 55° на 2106, что на 18° позже. Таким образом, значение DCR составило 7,45 – что является нормальным для применения 92 бензина.
На примере этих моторов, мы наглядно убедились в том, что значение геометрической степени сжатия по факту ни дает нам практически, ни какой информации, о тех процессах, которые реально происходят в двигателе.
Также интересно проследить развитие двигателей семейства переднеприводных машин ВАЗ. Например, в силу опять же не достаточно современных систем управления, двигатель 21083, имея, казалось бы для того времени довольно высокую геометрическую степень сжатия – 9,8 имеет DCR равным 7,4 — что также вписывается в концепцию применения 92 бензина. В дальнейшем на двигателе 2110 стала устанавливаться электронная система управления двигателем, что привело к ряду изменений и в конструкцию самого двигателя – стал применяться распредвал с более ранним закрытием ВК 51,5° против 80° нежели на предыдущей модели, что в свою очередь при геометрической степени сжатия равной также 9,8 позволило поднять DCR до значения 8,8 – что также позволяло использовать 92 бензин, но при этом процессы горения происходили более качественно. И, в конце концов, на автомобиле Лада-Гранта установлен двигатель 21116 с геометрической степенью сжатия – 10,5, а значение DCR составляет 9,4, что стало возможно благодаря применению электронной дроссельной заслонки и применению бензина с октановым числом не ниже 95.
Одним из главнейших технических показателей автомобильного мотора является коэффициент сжатия. Он показывает соотношение разницы между объёмом свободного участка над цилиндровым поршнем и под ним в крайних его положениях.
Что такое степень сжатия двигателя
Условно величину сжатия представляют и как соотношение давлений в устройстве при подаче горючего и взрыве смеси. Конкретно эта степень обусловлена конструкцией автомобильного двигателя, и может быть высокой или низкой.
Перед непосредственным процессом воспламенения горючей смеси, поршни сжимают топливо до определённого объёма. Инженеры способны варьировать этот показатель, рассчитывая его ещё на стадии проектирования. Узнав количественное соотношение данной величины к объёму камеры сгорания, можно делать различные выводы.
На бензиновых силовых установках показатель сжатия достигает максимум 12 единиц. Чем выше здесь степень сжатия двигателя или ССД, тем больше удельная мощность мотора. Однако при сильном увеличении данного показателя снижается ресурс агрегата, особенно при заправке низкосортным бензином. На дизельных моторах, ввиду их технических отличий, она может варьироваться от 14 до 18 единиц.
В бензиновые двигатели с увеличенной до 12 единиц степенью сжатия нельзя лить ничего, кроме АИ-98 Премиум. Очевидно, что это существенно удорожает расходы на топливо.
На что она влияет
ССД непосредственно определяет объём работы, произведённой ДВС. Чем изначально выше рассчитана степень сжатия, тем продуктивнее будет воспламенение. Пропорционально увеличится и отдача мотора. Вспомним, как разработчики в 90-е годы старались повышать этот показатель, полностью не модернизируя двигатель. Таким способом они конкурировали между собой, делая агрегаты мощнее, и не затрачивая при этом много средств. Но что самое интересное — моторы в этом случае не потребляли больше горючего, а даже становились экономнее.
Однако всему есть предел, и как было сказано выше, чересчур высокий коэффициент приводит к снижению ресурса ДВС. Почему это происходит? Дело в том, что при значительном сжатии топливная смесь начинает самопроизвольно детонировать, взрываться. Особенно это затрагивает агрегаты на бензине, поэтому здесь данный коэффициент имеет строгое ограничение.
Помните, что применение низкооктанового топлива становится причиной детонации на агрегатах с повышенной ССД. И наоборот, высокооктановое горючее может не позволять двигателю полностью раскрываться, если будет использовано в агрегатах с низким коэффициентом сжатия. По этой причине оба параметра должны соответствовать. Подробнее в таблице ниже.
Отличие степени сжатия от компрессии
Степень сжатия двигателя не является компрессией. Они полностью различаются, хотя многие их путают. Коэффициент, о котором идёт речь в статье, не раскрывает значение оптимального давления ТВС перед возгоранием. Измеряется ССД лишь относительно, в соотношении к единице объёма камеры.
Под компрессией принято понимать предельное значение сжатия, образуемого в камере сгорания, на конечном этапе давления горючей смеси. Данная величина априори не может быть относительной, поэтому её измеряют в абсолютных значениях — атм, кг/см2, бар.
Степень сжатия и компрессия неразрывно связаны, но не идентичны. Показатель компрессии зависит не только от сжатия. На него оказывает влияние температура ДВС, наличие зазоров в приводных клапанах, состав топлива и многое другое.
Расчет коэффициента сжатия
Ввиду того, что желательно увеличивать степень сжатия до определённого значения, необходимо уметь рассчитывать этот показатель. К тому же это даст возможность избежать детонационных моментов, разрушающих силовой агрегат изнутри в процессе форсирования.
Таким образом, необходимость в измерении этого показателя требуется в таких случаях, как:
- форсировка мотора;
- подгонка под топливо с другим АИ или для метанового топлива с октановым числом 120;
- послеремонтная корректировка.
Турбированные моторы
На турбомоторах расчёт коэффициента сжатия отличается. Это объясняется наличием наддува воздуха. Поэтому в этом случае величину, полученную в ходе вычислений, умножают на показатель турбокомпрессора.
Кроме того, при вычислении степени сжатия турбированных моторов учитывается не только давление наддува, но и показатель эффективного сжатия, климатические изменения и многое другое. В данном случае процесс значительно усложняется по сравнению с измерениями на атмосферном двигателе.
Пример подсчета
Вот как выглядит общепринятая расчётная формула для автомобильного ДВС: «ССД = (РО+ОКС)/ОКС». Степень сжатия здесь отмечена как «ССД», рабочий объём цилиндра — «РО», а объём камеры сгорания — «ОКС».
Для расчёта «РО» нужно в первую очередь разложить единый объём двигателя или литраж на количество используемых цилиндров. К примеру, литраж мотора «четвёрки» — 1997 см3. Для определения ёмкости одного цилиндра, надо 1997 разделить на 4. Получится около 499 см3.
Для вычисления параметра «ОКС» специалисты пользуются проградуированной в см3 трубкой или пипеткой. Под камерой подразумевается место, где непосредственно происходит возгорание горючего. Камеру заправляют, а затем измеряют объём с помощью жидкостной бюретки. Если нет градуированной трубочки, можно жидкость выкачать с помощью шприца, а затем измерить в мерной посуде или на весах. В этом случае желательно для расчёта использовать не бензин или солярку, а чистую воду, так как её удельный вес более соотносим к объёму в см3.
Внимание! Для точного измерения «ОКС» дополнительно приплюсовывается объём толщины прокладки ГБЦ, учитывается форма днища поршней и другие особенности. Поэтому расчёт этой величины рекомендуется доверить специалистам.
Как увеличить степень сжатия двигателя
Если необходимо увеличить данный показатель, используют несколько способов:
- расточка блока и установка поршней с большим диаметром;
- уменьшение объёма камеры сгорания путём удаления слоя металла в месте соединения ГБЦ.
Нельзя забывать, что в некоторых случаях потребуется инсталляция модернизированных поршней. Это делается, чтобы исключить такое нежелательное последствие, как встреча поршней с клапанами. В частности, на элементах увеличивают выемки клапанов. Также в обязательном порядке корректируются заново фазы газораспределения.
Интересно, что лучше всех раскрыли потенциал степени сжатия ДВС японские производители. В то время как европейские автокомпании пошли путём усовершенствования гибридных моторов, японцам удалось увеличить ССД до 14 единиц и на бензиновых силовых агрегатах, применив изменяемую величину. Но как это возможно без детонационных моментов? Всё оказалось просто. Оказывается, нужно охладить камеру, где происходит возгорание. Тогда можно будет без опасения сжимать смесь. И вовсе не обязательно для этого использовать прохладный воздух: достаточно модернизировать систему выпуска.
Приём, давно известный ещё по гоночным движкам. Выпускные каналы меняются согласно схеме 4-2-1. Порции выхлопных газов здесь не мешаются, поочерёдно вылетают в трубу. Благодаря такой чёткой системе выхлопа, улучшается продувка цилиндров, где остаётся меньше горячих газов.
Секрет японской формулы, согласно которой можно без опаски сжимать горючую смесь, имеет строго математическое соотношение. Так, если процент выхлопа снизить в 2 раза, ССД можно поднимать на 3 единицы, но не больше. Если же при этом ещё и охлаждать воздух, поступающий в цилиндры, можно приплюсовать ещё одну единицу.
Однако для реализации данного метода нужно будет еще модернизировать газообмен, раскошелившись на фазовращатели обоих распредвалов. Вдобавок потребуется доработать некоторые моменты. К примеру, изменить длину поршневого хода посредством компьютерного вмешательства.
Применяется система изменяемого коэффициента на многих японских движках, например, для Inflniti. Способность автоматически менять этот показатель сжатия в зависимости от нагрузки позволяет значительно повышать КПД мотора, особенно турбированного. Каждая порция смеси сгорает при оптимальном на данный момент работы сжатии. Так, если нагрузки на мотор незначительные и смесь обеднённая, включается максимальное сжатие. И наоборот, в нагруженном режиме задействуется минимальная степень, так как бензина впрыскивается много и возможна детонация.
Таким образом, передовая система изменения ССД позволяет вдвое уменьшать литраж мотора, сохраняя при этом мощность и динамические характеристики.
Курс на увеличение степени сжатия двигателя наблюдался и в середине 20 века в США. Основная масса американских двигателей, выпущенных в 70-е годы, находилась в пределах 11-13 единиц. Но работали они только на очень качественном, высокооктановом топливе, получаемом путём этилирования. После того как этилирование запретили, в серийных образцах ДВС наблюдалось снижение показателя сжатия.
Важно знать, что прирост мощности будет наиболее заметен на двигателях, штатно работающих на низкой степени сжатия. Например, моторы с показателем 8 единиц, доведённые до 10, выдадут больше мощности, чем агрегаты со стоковым параметром 11 единиц, форсированные до 12.
Дефорсирование ДВС: для чего нужно и как осуществить
Иногда бывает необходимо уменьшить показатель сжатия. В этом случае устанавливается дополнительная металлическая прокладка ГБЦ. Можно использовать две прокладки вместо одной, тем самым утолщая промежуток — объём камеры растёт за счёт высоты головки блока. Более сложный способ подразумевает укорочение поршня — удаление верхнего слоя на токарном станке.
Дефорсирование двигателя, как правило, процедура вынужденная. В том числе это делается для снижения налоговых выплат или в целях увеличения ресурса агрегата. Как известно, моторы с низкой степенью сжатия дольше работают, меньше подвержены износу. Однако любой такой процесс усложняется законом, чтобы недобросовестные владельцы искусственно не занижали технические данные.
Что касается снижения показателя сжатия на турбированных моторах, то здесь потребуется модернизация системы электрики с датчиками, всей поршневой группы и форсунок, если это дизельный агрегат.
В отдельных случаях дефорсированию предпочитают свап, когда менее мощный контрактный мотор устанавливают вместо штатного.
