Степень сжатия — отношение полного объёма цилиндра (надпоршневого пространства цилиндра двигателя внутреннего сгорания при положении поршня в нижней мёртвой точке, НМТ) к объёму камеры сгорания (надпоршневого пространства цилиндра при положении поршня в верхней мёртвой точке, ВМТ).
ε <displaystyle varepsilon > 
Увеличение степени сжатия требует использования топлива с более высоким октановым числом (для бензиновых ДВС) во избежание детонации. Повышение степени сжатия в общем случае повышает его мощность, кроме того, увеличивает КПД двигателя как тепловой машины, то есть, способствует снижению расхода топлива.
Степень сжатия, обозначаемая греческой буквой ε <displaystyle varepsilon >
P = P 0 ∗ ε γ <displaystyle P=P_<0>*varepsilon _<gamma >>
Из-за неадиабатичности сжатия в двигателе внутреннего сгорания (теплообмен со стенками, утечки части газа через неплотности, присутствия в нём бензина) сжатие газа считают политропным с показателем политропы n=1,2.
При ε <displaystyle varepsilon >
Детонация в двигателе — изохорный самоускоряющийся процесс перехода горения топливо-воздушной смеси в детонационный взрыв без совершения работы с переходом энергии сгорания топлива в температуру и давление газов. Фронт пламени распространяется со скоростью взрыва, то есть превышает скорость распространения звука в данной среде и приводит к сильным ударным нагрузкам на детали цилиндро-поршневой и кривошипно-шатунной групп и вызывает тем самым усиленный износ этих деталей. Высокая температура газов приводит к прогоранию днища поршней и обгоранию клапанов.
Понятие степени сжатия не следует путать с понятием компрессия [1] , которое обозначает (при определённой конструктивно обусловленной степени сжатия) максимальное давление, создаваемое в цилиндре при движении поршня от нижней мёртвой точки (НМТ) до верхней мёртвой точки (ВМТ) (например: степень сжатия — 10, компрессия — 15,8 атм.).
Интересные факты [ править | править код ]
Двигатели гоночных автомобилей, работающих на метаноле, имеют степень сжатия, превышающую 15 [ источник не указан 2565 дней ] ; в то время как в обычном карбюраторном ДВС степень сжатия для неэтилированного бензина как правило не превышает 11,1.
В настоящее время только компания Mazda серийно производит бензиновые двигатели Skyactiv-G со степенью сжатия 14, которые устанавливаются на такие автомобили, как Mazda CX-5 и Mazda 6. Однако необходимо понимать, что это геометрическая степень сжатия, фактическая же примерно равна 12, так как двигатель работает по циклу Аткинсона, то есть смесь начинает сжиматься после позднего закрытия клапанов и сжимается в 12 раз. Эффективность такого мотора по мощности и крутящему моменту обуславливается таким понятием как степень расширения, которая обратна геометрической степени сжатия.
В 1950-60-е года одной из тенденций двигателестроения, особенно в Северной Америке, было повышение степени сжатия, которая к началу 1970-х на американских двигателях нередко достигала 11-13. Однако, это требовало соответствующего бензина с высоким октановым числом, что в те годы могло быть получено лишь добавлением ядовитого тетраэтилсвинца. Введение в начале 1970-х годов экологических стандартов в большинстве стран привело к остановке роста и даже снижению степени сжатия на серийных двигателях.
Силовые агрегаты современных легковых автомобилей представляют собой сложные технические конструкции, и их работа определяется множеством различных параметров. Начинающим автолюбителям бывает очень непросто разобраться с тем, что же именно под каждым из них подразумевается. К примеру, о том, что такое степень сжатия двигателя в действительности не знают даже опытные автолюбители. Вернее, они считают, что им эти известно, но на самом деле очень часто путают этот параметр с компрессией.
Что такое степень сжатия и чем она отличается от компрессии
Иллюстрация степени сжатия 10:1
Каждый двигатель внутреннего сгорания функционирует за счет того, что в его цилиндрах при сжигании топливной смеси образуются газы, которые приводят в движение поршни, а они, в свою очередь — коленчатый вал. Таким образом, происходит преобразование энергии горения в энергию механическую, возникает крутящий момент, благодаря чему автомобиль движется.
Сгорание топливной смеси происходит в цилиндрах, причем перед воспламенением поршни сжимают ее до определенного объема. Именно отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания и называется степенью сжатия ДВС. Эта величина не имеет размерности и выражается простым соотношением. Для большинства современных бензиновых двигателей внутреннего сгорания она составляет от 8:1 до 12:1, а для дизельных моторов — от 11:1 до 14:1.
Под компрессией понимается максимальное значение давления, которое возникает в камере сгорания в самом конце такта сжатия топливной смеси. Таким образом, эта величина является не относительной, а абсолютной величиной. Для ее измерения используются такие единицы, как атмосферы, кг/см 2 , а также килопаскали или бары. Компрессия тесно связана со степенью сжатия, однако совсем не идентична ей. На ее значение оказывает влияние не только объем, до которого сжимается топливная смесь перед воспламенением, но и такие факторы, как ее состав, текущая температура двигателя, наличие зазоров в приводах клапанов и некоторые другие.
На что влияет степень сжатия двигателя
Нормальное сгорание смеси (вверху) и детонация (внизу)
Степень сжатия двигателя напрямую влияет на то количество работы, которое производит силовой агрегат. Чем она выше, тем больше энергии выделяется при сжигании топливной смеси, и, соответственно, тем большую мощность демонстрирует силовой агрегат. Именно по этой причине в конце прошлого века производители двигателей внутреннего сгорания старались делать свою продукцию мощнее именно за счет увеличения степени сжатия, а не за счет увеличения объемов цилиндров и камер сгорания. Следует заметить, что при форсировании моторов таким способом достигается существенный прирост мощности без дополнительного потребления топлива. Таким образом, моторы в итоге получаются не только мощными, но еще и экономичными.
У такого метода есть, однако, и свои ограничения, причем довольно существенные. Дело в том, что при сжатии до определенной величины топливная смесь детонирует, то есть происходит ее самопроизвольный взрыв. Это, правда, касается только бензиновых двигателей: в дизельных моторах детонации не происходит, и во многом именно поэтому они в среднем имеют более высокую степень сжатия.
Для того чтобы серьезно увеличить значение давления детонации, повышают октановое число бензина, что существенно удорожает топливо. Кроме того, многие химические добавки, которые для этой цели используются, ухудшают экологические параметры двигателей внутреннего сгорания. Некоторые не очень опытные автомобилисты считают, что чем выше октановое число бензина, тем больше энергии он выделяет при сгорании, однако на самом деле это совсем не так: эта характеристика не оказывает никакого влияния на теплотворную способность топлива.
Читайте также: Какая компрессия должна быть в двигателе.
Как рассчитывают степень сжатия двигателя
Поскольку очень желательно, чтобы двигатель внутреннего сгорания, установленный на автомобиле, имел максимально возможную степень сжатия, то необходимо уметь ее определять. Важно это еще и для того, чтобы при регулировке силового агрегата, направленной на его форсирование, избежать опасности детонации, которая может просто разрушить мотор.
Стандартная формула, по которой рассчитывается степень сжатия двигателя внутреннего сгорания, имеет следующий вид:
- CR=(V+C)/C,
- где CR — степень сжатия двигателя, V — рабочий объем цилиндра, C — объем камеры сгорания.
Для того чтобы определить значение этой величины для одного цилиндра, нужно сначала разделить общий рабочий объем силового агрегата на их количество. Таким образом определяется значение параметра V из приведенной выше формулы. Определить объем камеры сгорания (то есть значение величины С) несколько сложнее, но вполне возможно. Для этого опытные автомобилисты и механики, специализирующиеся на ремонте и наладке двигателей внутреннего сгорания, используют бюретку, которая проградуирована в кубических сантиметрах. Наиболее простой способ заключается в том, чтобы залить в камеру сгорания жидкость (например, бензин), а после этого измерить с помощью бюретки ее объем. Полученные данные нужно подставить в формулу расчета.
На практике значение степени сжатия двигателя обычно определяется в следующих случаях:
- При форсировании силового агрегата;
- При его приспособлении для функционирования с топливом другого октанового числа;
- После проведения такого ремонта ДВС, когда требуется корректировка степени сжатия.
Как изменить степень сжатия двигателя
У современных двигателей внутреннего сгорания меняют степень сжатия как в сторону увеличения, так и в строну уменьшения. Если ее необходимо увеличить, то растачивают цилиндры и устанавливают поршни большего диаметра. Еще один достаточно распространенный способ — это уменьшение объема камер сгорания. Для этого там, где головка цилиндров сопрягается с блоком, удаляется слой металла. Эту операцию производят на строгальном или фрезерном станке.
Если по тем или иным причинам нужно снизить степень сжатия двигателя внутреннего сгорания, то проще всего для этого между блоком цилиндров и головкой установить дополнительную прокладку из дюралюминия. Еще один, более сложный способ состоит в том, что на токарном станке с днища поршня удаляется слой металла.
Видео на тему
Многим водителям известны такие понятия, как степень сжатия двигателя, компрессия и объем, но даже опытные автовладельцы порой смутно понимают значение геометрических показателей мотора и на что они влияют. Зачастую их просто путают между собой. В статье рассмотрим каждый показатель в отдельности и попробуем внести ясность.
Объем двигателя
Прежде чем говорить о компрессии и степени сжатия, разберемся с понятием объема. У цилиндра существует 3 вида объемов:
В полный объем входит рабочий объем и объем камеры сгорания. Каждый мотор имеет определенное количество цилиндров. Чтобы узнать общий объем двигателя, нужно сложить параметры каждого цилиндра.
Объемы цилиндра двигателя
Для расчета рабочего объема одного цилиндра, нужно умножить площадь сечения цилиндра на длину рабочего хода поршня. Длина хода поршня определятся расстоянием от нижней мертвой точки (НМТ) до верхней мертвой точки (ВМТ), т.е. от максимально нижнего до максимально верхнего положения поршня.
По формуле это выглядит так: Vраб. = πr 2 h, где π = 3,14, r – радиус, h – длина рабочего хода поршня.
Например, если объем одного цилиндра составил 499 кубических сантиметров, а цилиндров четыре, то нужно умножить 499 на 4 и получим 1996 кубических сантиметров. Далее, округляем до 2000 и делим на 1000, чтобы получить значение в литрах. Таким образом, рабочий объем двигателя составит 2 литра.
Объем двигателя – это параметр ДВС, который определяет его мощность.
В большинстве стран стоимость автомобильного налога зависит от рабочего объема двигателя. Чем он больше, тем дороже обходится налог. Например, объем мотора японского автомобиля “Kei Car” всего 0,66 кубических сантиметров. Владельцы этих машин вообще не платят дорожный налог.
Рабочий объем любого двигателя измеряется в кубических сантиметрах или литрах. Исходя из объема, автомобили делятся на категории:
- микролитражные (не больше 1,1 литра);
- малолитражные (от 1,2 до 1,7 литра);
- среднелитражные (от 1,8 до 3,5 литра);
- крупнолитражные (от 3,6 и больше).
Чем больше объем, тем больше топливно-воздушной смеси помещается в каждой камере сгорания. Этот показатель напрямую влияет на расход топлива, но вместе с тем увеличивается мощность автомобиля.
Что такое степень сжатия
Движение поршня происходит в результате давления газов, которые образуются при сгорании топливно-воздушной смеси. Перед воспламенением смесь сжимается поршнем в цилиндре. Оставшийся объем в цилиндре после полного сжатия топлива (объем над поршнем в ВМТ) называется камерой сгорания.
Степень сжатия — это отношение объема камеры сгорания к полному объему цилиндра. Она рассчитывается по формуле: ξ = (Vр + Vс) : Vс, где Vр – это рабочий объем, Vс – объем камеры сгорания.
Степень сжатия
Например, полный объем цилиндра равен 500 кубических сантиметров, а объем камеры сгорания 50 кубических сантиметров. Сжатие в 10 раз. Значит, степень сжатия будет равна 10:1.
Степень сжатия является соотношением и относительной величиной.
Процесс сжатия в дизельных двигателях
Как правило, в дизельных двигателях степень сжатия значительно выше. Если в бензиновых двигателях она в среднем составляет 10:1 – 12:1, то у дизелей значение может достигать от 15:1 до 22:1. Рабочий процесс в дизельном моторе происходит следующим образом: вначале в цилиндр попадает чистый воздух, который за счет большой степени сжатия разогревается до 700-900°С. Дизтопливо впрыскивается под высоким давлением в камеру сгорания при подходе поршня к ВМТ. А так как воздух уже сильно разогрет, после смешивания с ним происходит воспламенение топлива. Возгорание под давлением (без необходимости применения сложной системы зажигания) является главным преимуществом дизельного двигателя. Но, с другой стороны, повышаются требования к герметичности. Также необходим насос высокого давления, который является одним из слабых мест такого типа силовых агрегатов.
Кратко о компрессии
Если со степенью сжатия все понятно, то перейдем к термину компрессия. Под этим понятием понимается максимальный уровень давления, который возникает в камере сгорания в момент перед сгоранием топлива. Если степень сжатия это условная величина, то компрессия является абсолютной величиной и измеряется в атмосферах, килограммах на кубический сантиметр (кг/см 2 ).
Компрессия — это давление в цилиндре, степень сжатия — безразмерный параметр, описывающий геометрические характеристики цилиндра.
Между этими двумя понятиями есть тесная связь, но на компрессию влияет не только уровень сжатия, но также герметичность компрессионных колец и клапанов, температура двигателя, температура горения топлива и многое другое. Более подробно о компрессии можно почитать в отдельной статье на нашем сайте.
На что влияет степень сжатия двигателя
Она оказывает влияние на количество работы, производимой двигателем. Чем выше степень сжатия, тем больше энергии выделяется при сжигании топливно-воздушной смеси. Соответственно, это отражается на мощности силового агрегата. В конце прошлого века автопроизводители добивались увеличения мощности именно путем повышения степени сжатия.
Производительность двигателя и степень сжатия
Этот метод имеет определенные ограничения. Дело в том, что нельзя сжимать смесь до бесконечности. Есть определенный предел и если этот предел превысить, то происходит самопроизвольное воспламенение смеси (детонация). Но это правило относится только к бензиновым двигателям.
Степень сжатия и октановое число бензина
Известно, что каждому бензиновому двигателю соответствует определенное октановое число топлива.
Октановое число бензина определяет его детонационную стойкость.
Чем выше степень сжатия и компрессия, тем большим октановым числом должно обладать топливо. Например, низкооктановое топливо вызовет детонацию в двигателе с высоким уровнем сжатия, т.к. воспламенится раньше времени. Если же компрессия и сжатие невысокое, а используется высокооктановое топливо, то двигатель не сможет достичь полной мощности, т.к. 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. Следовательно, детали двигателя будут перегреваться, особенно клапаны и возможен их прогар.
Рассмотрим двигатели с разной степенью сжатия и рекомендуемым октановым числом топлива:
| Степень сжатия | Октановое число |
| 5,5 – 7 | 66 – 62 |
| 7 – 7,5 | 72 – 76 |
| 7,5 – 8,5 | 76 – 85 |
| 10 | 92 |
| 10,5 – 12,5 | 95 |
| 12 – 14,5 | 98 |
Как видно, степень сжатия является важным параметром двигателя. От нее во многом зависит мощность двигателя. Со степенью сжатия также напрямую связано октановое число топлива и другие параметры. Каждому автолюбителю имеет смысл разбираться в этом понятии и иметь представление о его значении.
