Степень Сжатия / Компрессия

 
Степень Сжатия / Компрессия
 
     
 
Общие понятия и терминология
 
 

 

Компрессия — это максимальное давление воздуха в камере сгорания в конце такта сжатия.

Степень сжатия — отношение объёма надпоршневого пространства цилиндра при положении поршня в нижней мёртвой точке (НМТ) к объёму надпоршневого пространства цилиндра при положении поршня в верхней мёртвой точке (ВМТ), то есть к объёму камеры сгорания.

 

формула степень сжатия, где:

b= диаметр цилиндра;
s= ход поршня;


Vc= объём камеры сгорания, то есть, объём, занимаемый бензовоздушной смесью в конце такта сжатия, непосредственно перед поджиганием искрой; часто определяется не расчётом, а непосредственно измерением из-за сложной формы камеры сгорания.

 

Или, другими словами, отношение полного объема цилиндра Vh+Vc/Vc (т.е. объема цилиндра плюс объема камеры сгорания) к объему одной лишь камеры сгорания.

 

степень сжатия

 

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.

 

Детонация в двигателе — изохорный (взрывной) процесс горения топливо-воздушной смеси без совершения работы с переходом энергии сгорания топлива в температуру и давление газов. Фронт пламени распространяется со скоростью взрыва, 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 , 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 — 10:1, компрессия — 14 атм. ).

 

Двигатели гоночных автомобилей работающих на метаноле (метиловый ака древесный спирт) имеют степень сжатия превышающую 15:1 в то время как в обычном карбюраторном ДВС степень сжатия для неэтилированного бензина как правило не превышает 11.1:1.

 

В пятидесятые — шестидесятые годы одной из тенденций двигателестроения, особенно в Северной Америке, было повышение степени сжатия, которая к началу семидесятых на американских двигателях нередко достигала 11-13:1. Однако, это требовало соответствующего бензина с высоким октановым числом, что в те годы могло быть получено лишь добавлением ядовитого тетраэтилсвинца . Введение в начале семидесятых годов экологических стандартов в большинстве стран привело к остановке роста и даже снижению степени сжатия на серийных двигателях.

 
     
 
Теоретические аспекты
 
     
 

Термическая эффективность и, следовательно, эффективность, с которой топливо используется для совершения полезной работы, непосредственно связана со степенью сжатия. Чем выше степень сжатия, тем меньше топлива будет использовано для получения той же самой мощности.

 

Если увеличение степени сжатия не создает проблем в других областях, таких как детонация т. д. можно заметить, что когда степень сжатия идет вверх, то при каждом увеличении прирост мощности будет все меньше. К примеру, увеличение компрессии от 8,0:1 до 9,0:1 приводит к большему увеличению мощности, чем увеличение степени сжатия с 11,0:1 до 12,0:1 (2% роста мощности против 1,3%).

 

Указанные значения являются типичными для двигателей, использующих распределительные валы с относительно коротким периодом впуска, подобные валам во многих форсированных двигателях. Когда продолжительность такта впуска увеличивается (путем установки распределительного вала с более длительным периодом впуска), прирост мощности от увеличения степени сжатия становится даже больше. Это происходит оттого, что данные базируются на механических степенях сжатия (т.е. определенных путем математических расчетов из фиксированного объема), а не на динамических степенях сжатия, которые продолжают увеличиваться, когда эффективность впуска увеличивается. Когда система впуска модифицируется для улучшения наполнения, то динамическая степень сжатия увеличивается очень похожим образом, как и при увеличении размера поршня, т. к. в цилиндр поступает дополнительное количество воздуха и топлива. Эффективность впуска может продолжать увеличиваться даже до точки «упаковки« цилиндра (объемная эффективность выше 100%), как это предполагается некоторыми комбинациями впускного и выпускного коллекторов.

 

Максимальное давление внутри камеры сгорания перед воспламенением изменяется, когда изменяется плотность подаваемой смеси. Когда система впуска работает с низкой эффективностью, т. е. когда дроссельные заслонки закрыты или впускная система забита, то цилиндр наполняется лишь частично и динамическое давление сжатия низкое. Когда система впуска работает с высокой объемной эффективностью (значение более 100% достигается на многих гоночных двигателях), динамическая степень сжатия может создавать давления, которые превышают давления, ожидаемые от механической (рассчитанной) степени сжатия. В таких случаях увеличение механической степени сжатия может ввести двигатель в режим детонации и уменьшить мощность и надежность двигателя.

Увеличение степени сжатия не всегда приводят к увеличению мощности. Если статическая (подсчитанная) степень сжатия уже находится около предела детонации для используемого топлива, то дальнейшее увеличение статической степени сжатия может ухудшить мощность и/или надежность двигателя. Как ранее упоминалось, это особенно справедливо, когда специальный распределительный вал и системы впуска и выпуска добиваются объемной эффективности (VE) величиной более 100%. Когда (VE) увеличивается, то динамическая степень сжатия также увеличивается, так как цилиндр «упаковывается« смесью так, как если бы работал невидимый нагнетатель.

Другой эффект от увеличения степени сжатия довольно незначителен и неизвестен некоторым создателям двигателей. Когда объемная эффективность превышает 100%, поступившая смесь находится под небольшим положительным давлением, однако, она может заполнить только пространство в цилиндре плюс пространство в камере сгорания. К примеру, если объем цилиндра и камеры составляет вместе 416,2 см3, то это фиксированное пространство будет в основном определять, сколько топливовоздушной смеси может попасть в цилиндр. Если мы решаем увеличить степень сжатия путем уменьшения объема камеры сгорания или путем увеличения размера выпуклости поршня (это наиболее распространенные методы), то это пространство будет не более названной величины. Да, цилиндр сохраняет постоянный рабочий объем — рабочий объем двигателя не изменялся. Но изменили общий объем цилиндра и камеры сгорания. Это означает, что пространство для поступающей рабочей смеси уменьшается. Таким образом, при увеличении степени сжатия мы почти незаметно уменьшили объемную эффективность двигателя.

 

Чем выше объемная эффетивность, которую вы сможете получить, тем ниже будет требуемая степень сжатия; а чем ниже степень сжатия, тем меньше выступ поршня, тем легче фронту пламени распространяться в объеме камеры сгорания. Эти соотношения являются некоторыми из тех методов, которые используют профессионалы для увеличения мощности двигателей.

Более высокая степень сжатия, конечно, требует использования высокооктанового топлива и часто имеющееся топливо имеет гораздо меньшее октановое число, чем хотелось бы многим. Имеются несколько путей обойти данную проблему. Оодним из самых легких путей увеличения степени сжатия является использование традиционных поршней для высокой степени сжатия, имеющих минимальную высоту куполообразной части, при которых нет сильных помех распространению пламени. Если желаемая степень сжатия не может быть достигнута путем плавного увеличения куполообразной части и уменьшением объема камеры сгорания с помощью обработки головки блока (лучше угловая обработка), то лучшим путем для увеличения степени сжатия будет увеличение диаметра цилиндра с помощью расточки блока. Выдерживая практические пределы для толщины стенок цилиндров (обычно допускается увеличение диаметра отверстия цилиндра не более чем на 0,75 — 1,0 мм), эта модификация может увеличить степень сжатия путем добавления рабочего объема, что уменьшает необходимость больших куполов у поршней или камер сгорания меньшего объема (т.е. установки более длинных шатунов). Если проект вашего двигателя более умеренный, то, возможно, будет достаточно обработки (портирования) головки блока, а стоимость обработки головки составляет одну из самых дешевых операций по увеличению мощности и экономичности двигателя.

 
     
 
Практические моменты
 
     
 

Конструкторы моторов с искровым зажиганием т.е. двигателли Отто ( по имени создателя такой конструкции Николауса Отто) всячески стремятся повысить степень сжатия. А создатели двигателей с воспламенением от сжатия (дизельных) наоборот – стараются ее понизить. Например степень сжатия обычного атмосферного бензинового двигателя составляет 10:1-11:1, в то время как для дизельных этот параметр составляет 18:1 и 22:1

 

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. 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, он также нужен для борьбы с детонацией.

Возвращаясь к степени сжатия, посмотрим, почему же она нам важна в контексте эффективности и мощности двигателя. А вот почему. Работа в двигателе внутренного сгорания совершается за счет расширения рабочего тела, в качестве которого в бензиновых двигателях выступает топливо-воздушная смесь. Как в школе учили: горящая смесь расширяется, толкая при этом поршень, поступательное движение которого превращается во вращательное движение коленвала . Соответственно, при большей степени сжатия ход поршня, в рамках которого смесь может реализовать свой энергетический потенциал, оказывается больше, а следовательно совершается больше полезной работы. На самом деле это лишь один из факторов, все вместе же они определяют термический КПД — показатель эффективности расширения рабочего тела в момент сгорания. Для него есть формула:

 

Термический КПД = 1 - (1 / степень сжатия) ^ гамма - 1

 

Где гамма — значения некой дискретной функции, зависящей от температуры, давления и объема воспламеняемой смеси. Итак 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.

Чем больше степень сжатия, тем лучше. Но 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 соотвествовать скорости движения поршня. Фронт воспламенения должен быть однородным и распространяться ровно по ходу поступательного движения. Чем меньше температура горения, тем меньше потери на тепловыделение.

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 нерассчетного профиля фронта горения. Чтобы этого непроисходило необходимо подбирать свечи с подходящим для данного мотора калильным числом.

Детонация — это процесс чрезмерно быстрого сгорания топливо-воздушной смеси в двигателе и похоже, скорее, на взрыв, с распространением горения со скоростью звука. Причина такого явления – выделение энергии при образовании повышенного количества гидропероксидов ROOH в парах бензина, в процессе их окисления кислородом воздуха. При превышении некоторого предела их концентрации происходит взрыв. Такие условия обычно возникают на низких оборотах коленвала, и хорошо прослушивается в виде металлических стуков, похожих на стук поршневых пальцев. На малых оборотах время подготовки рабочей смеси увеличивается, соответственно повышаются требования к детонационной устойчивости топлива, которое, собственно и выражается в октановом числе: чем оно выше, тем устойчивее топливо к детонации. Кроме низкого октанового числа бензина к возникновению детонации может привести слишком ранний момент зажигания, попадание моторного масла в камеру сгорания, отложение нагара.

 

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. Оказываетя, у разных видов топлива стойкость к преждевременному воспламенению и детонации различается (все вместо 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.

Первый распространенный вопрос: прогорят ли клапаны, если залить бензин с большим октановым числом?

При этом считается, что происходит это из-за большей температуры горения смеси с более высоким октановым числом. На самом деле это не так. Топливо с большим октановым числом обычно горит с тойже температурой, но медленнее. Из-за скорости горения ниже рассчетной 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 большинства двигателей позволяет реализовать потенциал топлива с более высоким октановым числом без ущерба для ресурса.

Вопрос номер два: почему при использовании бензина с большим октановым числом на свечах образуется нагар?

Первая причина является следствием того, что в России высокачественное топливо удается найти далеко не на каждой бензозаправке. Также причиной может служить 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.

 

Автомобильные двигатели – разновидность тепловых машин, которые подчиняются законам термодинамики. Еще в 1-й половине XIX в. замечательный французский физик и инженер Сади Карно заложил основы теории тепловых машин – в том числе и д.в.с. Так вот, по Карно, к.п.д. двигателя внутреннего сгорания тем выше, чем больше разница между температурой газов (рабочего тела) к концу горения топливовоздушной смеси – и их температурой на выпуске. А разница температур зависит от степени сжатия – вернее, от степени расширения рабочих газов в цилиндрах. Для термического к.п.д. важна не степень сжатия, а именно степень расширения. Чем сильнее расширяются горячие газы на рабочем ходу, тем ниже падает их температура.

 

Уже давно известен так называемый 5-тактный цикл Atkinson'а/Miller'а. Он как раз и разводит степень сжатия и степень расширения по разные стороны. Представьте, что у вашего 2.0-литрового 16-клапанника 4G63 впуск заканчивается не на 36° после нмт, а очень поздно – на 81°. То есть, при 3 тыс. оборотов поршень на своем ходе к вмт вытесняет часть топливовоздушной смеси через открытые клапаны обратно во впускной коллектор. Иными словами, такт сжатия начинается только где-то на 75° после нмт, а до того имеет место своеобразный такт обратного вытеснения смеси.

 

Тактов теперь не 4, а 5: впуск, обратное вытеснение, сжатие, рабочий ход, выпуск. На первый взгляд, идиотская схема: зачем гонять смесь туда-обратно? Допустим, обратно вытесняется 20% топливовоздушной смеси, уже попавшей в цилиндр, и сжимается только 80%. У конструкции с реальной степенью сжатия 10,6 (вполне допустимо для товарного бензина) степень расширения рабочих газов – 13. Термический к.п.д. двигателя по факту в 1,0518 раза выше, чем по его реальной степени сжатия; не так много, но моторостроители годами бьются ради 5-процентной экономии горючего. Двигатели пассажирских автомобилей уже вовсю работают по 5-тактному циклу. Возьмите 1,5-литровую тойотовскую четверку 1NZ-FXE (для Prius) или фордовскую 2,26-литровую (для Escape hybrid). Вроде блестящее решение, однако у медали есть и оборотная сторона.

 

Геометрическая степень расширения рабочих газов у 1NZ-FXE – 13, реальная степень сжатия – около 10,5. Печаль в том, что из-за обратного вытеснения смеси 1,5-литровый мотор по крутящему моменту и мощности опускается примерно до 1,2-литрового; выигрываем в термическом к.п.д. – ценой потери реального литража.

 

Мало того, двигатель с поздним закрытием впускных клапанов совсем не тянет на низах. Поэтому 5-тактный цикл годится в гибридных силовых агрегатах, где тяговый электромотор как раз и принимает на себя нагрузку при самых низких оборотах. А потом подхватывает д.в.с.; так или иначе, 5-тактный цикл позволяет повысить степень расширения рабочих газов и термический к.п.д. двигателя.

 

А вот наддув – наоборот – вынуждает понижать степень сжатия. При подаче топливовоздушной смеси под избыточным давлением, реальная компрессия в цилиндрах оказывается слишком высокой – даже при умеренной геометрической степени сжатия. Чем больше октановое число бензина, тем выше допустимая (по условиям детонации) степень сжатия, тем эффективнее работает мотор. Исключительно высокую степень сжатия допускает в роли горючего газ – нефтяной или природный. Без наддува 13-14 не вопрос, с компрессором – 10-11. Водород тоже отличается стойкостью против детонации. И еще спирт – метиловый или этиловый: потрясающие антидетонационные качества. Вдобавок у спирта высокая теплота испарения; испаряясь, он сильно охлаждает топливовоздушную смесь (а заодно и поверхность камеры сгорания). Холодная смесь плотнее, и в цилиндр ее – по весу – входит заметно больше; реальный коэффициент наполнения оказывается выше. Крутящий момент, мощность больше.

 

Мощность, термический к.п.д. – все удовольствия сразу. Кроме того, этиловый (питьевой!) спирт еще и экологичен. Правда, расход спиртового топлива в литрах оказывается гораздо выше, чем бензина, поскольку теплотворная способность метанола и этанола невысока. А вот в энергетическом эквиваленте спирт заметно эффективнее бензина – благодаря высокой степени сжатия (расширения).