Степень сжатия это кратко

Обновлено: 02.07.2024

Степень сжатия является одной из основных характеристик поршневого двигателя внутреннего сгорания, которая указывает соотношение объема цилиндра между поршнем в нижней части и поршнем в верхней мертвой точке.

Таким образом, степень сжатия представляет собой отношение общего рабочего объема цилиндра к объему пространства сжатия, другими словами, отношение между объемом смеси, всасываемой в цилиндр, и объемом смеси, сжатой в цилиндре.

Расчет степени сжатия для линейного поршневого двигателя:

tk - степень сжатия

ВК - сжатие пространства / объема

Поршень движется цилиндрическим образом возвратно-поступательно, причем наиболее удаленное положение его движения от коленчатого вала называется верхней мертвой точкой, а наименее удаленное положение его движения от коленчатого вала называется нижней мертвой точкой. Пространство между нижней и верхней мертвой точкой называется объемом смещения. Смещение зависит от диаметра отверстия цилиндра и хода поршня. Пространство, которое остается в цилиндре, когда поршень находится в верхней мертвой точке, называется пространством сжатия.

Расчет степени сжатия для роторно-поршневого двигателя:

В этих двигателях степень сжатия определяется как соотношение наибольшего и наименьшего объема рабочего пространства при скорости поршня.

tk - степень сжатия

V1 - самый большой объем рабочего пространства

V2 - наименьший объем рабочей области

Влияние степени сжатия на двигатель:

В обычном поршневом двигателе внутреннего сгорания степень сжатия постоянна и всегда является компромиссом между различными режимами движения. Однако существуют также двигатели, которые могут непрерывно изменять степень сжатия в зависимости от нагрузки. Таким образом, такой двигатель может работать при высокой степени сжатия при низкой нагрузке и, в свою очередь, при низкой степени сжатия при высокой нагрузке. При высоких нагрузках желательно, чтобы степень сжатия была низкой, чтобы предотвратить детонацию. При низкой нагрузке целесообразно быть выше для лучшей эффективности двигателя.

Чем больше степень сжатия, тем больше сжатие смеси до воспламенения. Степень сжатия принципиально влияет на:

- достижимая эффективность двигателя внутреннего сгорания и, следовательно, его мощность и крутящий момент

Увеличивая степень сжатия, есть и недостатки, такие как:

- особенно в случае двигателей с принудительным зажиганием, может произойти преждевременное воспламенение топлива (детонационное сгорание)

- компоненты двигателя со временем изнашиваются больше, чем при меньшей степени сжатия, поэтому необходимо, чтобы такой двигатель был оснащен более долговечными компонентами, которые, однако, являются более дорогими (керамические и титановые детали)

Измерение давлений сжатия:

Измерение давления сжатия цилиндра - это метод получения точной информации о состоянии двигателя. Давление сжатия измеряется компрессиометром. Перед измерением давления сжатия двигатель должен быть доведен до рабочей температуры, чтобы определить зазор между поршнем и цилиндром. Компрессиометр ввинчивается в головку цилиндров вместо свечи зажигания. Впоследствии двигатель запускается стартером с полностью открытой дроссельной заслонкой (дроссельная заслонка полностью нажата). Давление сжатия указано на руке компрессиометра, который фиксирует самое высокое достигнутое давление.

Давление сжатия - это максимально достижимое давление в конце такта сжатия двигателя, когда смесь еще не горит. Размер давления сжатия зависит от степени сжатия, частоты вращения двигателя, уровня заполнения цилиндров и герметичности камеры сгорания. Все эти параметры, кроме герметичности камеры сгорания, являются фиксированными и задаются конструкцией двигателя. Таким образом, если измерение показывает, что какой-либо из цилиндров не соответствует спецификациям производителя, это указывает на утечку в камере сгорания. Также очень важно, чтобы давление сжатия всех цилиндров было одинаковым.

Что вызывает более низкие давления сжатия:

- Изношенное или разрушенное поршневое кольцо

- изношенный цилиндр двигателя

- повреждена или треснутая головка цилиндра

- повреждена прокладка головки блока цилиндров

- повреждена пружина клапана

- Изношенное седло клапана

Если камеры сгорания исправны, максимальная разница давлений сжатия на отдельных цилиндрах составляет до 1 бара (0,1 МПа). Давление сжатия составляет от 1,0 до 1,2 МПа для бензиновых двигателей и от 3,0 до 3,5 МПа для дизельных двигателей.

Коэффициент сжатия двигателя, нормальные значения:

Чтобы предотвратить детонационное сгорание (преждевременное самовоспламенение топлива), степень сжатия не должна превышать 10: 1 для двигателей с принудительным зажиганием. Однако двигатели, оснащенные датчиком детонационного сгорания, электронным блоком управления и другими устройствами, могут достигать степени сжатия до 14: 1.

Для бензиновых двигателей с турбонаддувом степень сжатия составляет около 8,5: 1, поскольку часть сжатия рабочего тела выполняется в турбонагнетателе.

Двигатели с воспламенением от сжатия имеют степень сжатия 20: 1 или выше, поскольку они работают по принципу, что впрыскиваемое топливо воспламеняется от тепла сжатия. По этой причине степень сжатия для двигателей с воспламенением от сжатия должна быть выше, чем для двигателей с воспламенением от сжатия. Степень сжатия двигателя с воспламенением от сжатия ограничена нагрузкой от давления в цилиндре двигателя.

При диагностике автомобиля перед покупкой опытные автовладельцы практически всегда советуют новичкам проверить компрессию. А еще существует степень сжатия – казалось бы, схожий термин, ведь компрессия – это и есть сжатие. На самом деле это совершенно разные вещи. Давайте разберемся, что есть что, а заодно поймем, что и как нужно проверять при покупке машины.

Начнем со степени сжатия. Как мы помним, поршень в цилиндре при работе двигателя движется вверх-вниз, имея две так называемых мертвых точки, верхнюю и нижнюю. Так вот, степень сжатия – это отношение между двумя объемами: полным объемом цилиндра, когда поршень находится в нижней мертвой точке, и объемом камеры сжатия, когда поршень находится в верхней мертвой точке. То есть степень сжатия – это математическое отношение, которое показывает, во сколько раз топливовоздушная смесь (или воздух, если речь о дизеле) сжимается в цилиндре при работе мотора.

Степень сжатия – одна из базовых характеристик любого двигателя, и закладывается она на стадии проектирования. У бензиновых моторов она ниже, чем у дизельных: в среднем от 8:1 до 12:1 у первых и от 14:1 до 23:1 у вторых. Дело в том, что работа дизельного мотора предполагает самостоятельное воспламенение топливовоздушной смеси от сжатия, а в бензиновом моторе смесь в каждом такте поджигается свечой зажигания. Однако в целом по мере развития технологий двигателестроения степень сжатия в моторах росла. Причина проста: повышение степени сжатия позволяет увеличить КПД мотора, получая больше мощности при том же рабочем объеме и расходе топлива. Собственно, с ростом степени сжатия связано и применение более высокооктановых бензинов.

Если степень сжатия – параметр математический и неизменный, то компрессия – характеристика изменяемая. Компрессия – это давление, создаваемое в цилиндре в конце такта сжатия, когда поршень идет от нижней мертвой точки к верхней, сжимая воздух или топливовоздушную смесь. Давление в цилиндре в момент, когда поршень достиг верхней мертвой точки – это и есть компрессия. Можно подумать, что компрессия фактически должна быть равна степени сжатия – ведь она тоже показывает разницу давления в цилиндре при двух положениях поршня – верхнем и нижнем. Однако на самом деле компрессия оказывается значительно выше. Ведь воздух при резком сжатии нагревается, что означает увеличение давления. А еще он нагревается от горячих стенок цилиндра, ведь рабочая температура двигателя гораздо выше температуры окружающей среды. Таким образом, компрессия, конечно, зависит от степени сжатия, но не равна ей. И именно компрессию замеряют при диагностике двигателя, чтобы оценить его техническое состояние.

Замер компрессии проводится с учетом перечисленных выше условий: на полностью прогретом двигателе и при полностью открытой дроссельной заслонке, отвечающей за подачу воздуха в цилиндр. Разумеется, горение топлива для замера компрессии не нужно, в цилиндре сжимается только воздух. Так что подачу топлива отключают, а свечу зажигания (или накаливания, если речь идет о дизеле) выкручивают, а на ее место вкручивают шлаг компрессометра. Компрессометр – это прибор для измерения компрессии. Он фактически представляет собой манометр, подключаемый трубкой к цилиндру и оснащенный обратным клапаном, чтобы не сбрасывать измеренное давление.

ДВС – это разновидность силового агрегата, который использует энергию, освобождающуюся в результате сгорания топлива (бензина, газа или дизтоплива). Цилиндропоршневой механизм через кривошипно-шатунный преобразует возвратно-поступательные движения во вращательные.

Мощность силового агрегата зависит от многих факторов, и один из них – степень сжатия. Рассмотрим, что это такое, как она влияет на мощностные характеристики авто, как изменить это параметр, а также чем СС отличается от компрессии.

Формула степени сжатия (поршневой двигатель)

Вначале коротко о самой степени сжатия. Чтобы воздушно-топливная смесь не просто загорелась, а взорвалась, ее нужно сжать. Только в этому случае образуется толчок, который переместит поршень внутри цилиндра.

Поршневой двигатель — двигатель внутреннего сгорания, в основе которого процесс получения механического действия достигается за счет расширения рабочего объема топлива. При сжигании топлива высвободившийся объем газов толкают поршни и благодаря этому вращается коленчатый вал. Это самый распространенный вид двигателя внутреннего сгорания.

Степень сжатия высчитывается по такой формуле: CR = (V + C) / C

V — рабочий объем цилиндра

С — объем камеры сгорания.

Такие двигатели состоят из нескольких цилиндров, в которых поршни сжимают топливо в камере горения. Степень сжатия определяется изменением объема пространства внутри цилиндра в крайних положениях поршня. То есть соотношением объема пространства, когда впрыскивается топливо и объем, когда оно загорается в камере горения. Пространство между нижней и верхней мертвой точкой поршня называется рабочим объемом. Пространство в цилиндре при поршне в верхней мертвой точке, называется пространством сжатия.

Формула степени сжатия (роторно-поршневой двигатель)

Роторно-поршневой двигатель — это двигатель, в котором роль поршня отведена трехгранному ротору, совершающему сложные движения внутри рабочей полости. Сейчас такие двигатели используется преимущественно в автомобилях Mazda.

Для этих двигателей степень сжатия определяется, как отношение максимального к минимальному объему рабочего пространства при вращении поршня.

V1 — максимальный объем рабочего пространства

V2 — минимальный объем рабочего пространства.

Влияние степени сжатия

Формула СС покажет, во сколько раз очередная порция топлива сожмется в цилиндре. Этот параметр влияет на то, насколько качественно сгорит топливо, а от этого в свою очередь зависит содержание вредных веществ в выхлопе.

Существуют двигатели, которые меняют степень сжатия в зависимости ситуации. Они работают с высокой степенью сжатия при низких нагрузках и с низкой степенью сжатия при высоких нагрузках.

При высоких нагрузках необходимо, чтобы степень сжатия была низкой для предотвращения детонации. При низких нагрузках рекомендуется, чтобы она была выше для максимального КПД ДВС. В стандартном поршневом двигателе степень сжатия не меняется и оптимальна для всех режимов.

Чем выше степень сжатия, тем сильнее сжатие смеси перед воспламенением. Степень сжатия влияет на:

КПД двигателя, его мощность и крутящий момент;
выбросы;
расход топлива.

Возможно ли повысить степень сжатия

На эту процедуру идут при тюнинге мотора автомобиля. Форсирование достигается изменением объема поступающей порции топлива. Прежде чем выполнять данную модернизацию, следует учесть, что с увеличением мощности агрегата увеличится и нагрузка на детали не только самого ДВС, но и других систем, например, трансмиссию и ходовую часть.

Стоит учесть, что процедура дорогостоящая, а в случае переделки уже достаточно мощных агрегатов прирост лошадиных сил может быть незначительным. Ниже перечислены несколько способов увеличить степень сжатия в цилиндрах.

Расточка цилиндров

Более выгодное время для проведения данной процедуры – это капитальный ремонт мотора. Все равно блок цилиндров нужно будет разбирать, поэтому дешевле будет выполнить эти две задачи одновременно.

При расточке цилиндров увеличится объем мотора, а это также потребует установки поршней и колец большего диаметра. Некоторые выбирают ремонтные поршни или кольца, но для форсирования лучше воспользоваться аналогами для агрегатов с большим объемом, выставленным на заводе.

Расточка должна производиться специалистом на особенном оборудовании. Только в этом случае можно достичь идеально одинаковых размеров цилиндров.

Доработка ГБЦ

Второй способ увеличить степень сжатия – обработать нижнюю часть головки блока цилиндров фрезером. В этом случае объем цилиндров остается прежним, а вот изменяется надпоршневое пространство. Кромка снимается в допустимых конструкцией мотора пределах. Такую процедуру также должен выполнять специалист, уже занимающийся подобного рода доработкой моторов.

В этом случае нужно точно высчитать величину удаляемой кромки, потому что если слишком много снять, поршень будет касаться открытого клапана. Это в свою очередь отрицательно скажется на работе мотора, а в некоторых случаях – вообще сделает его непригодным, из-за чего придется искать новую головку.

После доработки ГБЦ нужно будет настроить работу газораспределительного механизма, чтобы он правильно распределял фазы открытия клапанов.

Измерение объема камеры сгорания

Прежде чем приступать к форсированию двигателя перечисленными способами, нужно точно знать, какой объем камеры сгорания (надпоршневое пространство, когда поршень достиг верхней мертвой точки).

Не в каждой технической документации автомобиля указываются такие параметры, а сложное строение цилиндров некоторых двс не позволяет правильно высчитать этот объем.

Существует один проверенный метод измерения объема этой части цилиндра. Коленвал проворачивается так, чтобы поршень занял положение ВМТ. Выкручивается свеча и при помощи объемного шприца (можно воспользоваться самым большим – на 20 кубиков) в свечной колодец заливается моторное масло.

Количество залитого масла как раз и будет объемом надпоршневого пространства. Объем одного цилиндра высчитывается очень просто – объем ДВС (указывается в техпаспорте) нужно разделить на количество цилиндров. А степень сжатия высчитывается по формуле, указанной выше.

В дополнительном видео вы узнаете о том, насколько можно повысить КПД мотора, если качественно его доработать:

Недостатки увеличения степени сжатия:

Степень сжатия напрямую влияет на компрессию в моторе. Более подробно о компрессии рассказывается в отдельном обзоре. Однако прежде чем решиться на изменение степени сжатия, нужно учесть, что это будет иметь следующие последствия:

преждевременное самовоспламенение топлива;
компоненты двигателя изнашиваются быстрее.

Как измерить давление сжатия

Основные правила для измерения:

Двигатель прогрет до рабочей температуры;
Отключена топливная система;
выкручены свечи (кроме цилиндра, который проверяется);
аккумулятор заряжен;
воздушный фильтр — чистый;
коробка передач переведена на нейтральную скорость.

Для получения точной информации о двигателе измеряют давление сжатия в цилиндрах. Перед измерением, двигатель прогревается, чтобы определить зазоры между поршнем и цилиндром. Датчик компрессии манометр, а вернее компрессометр, вкручивается вместо свечи зажигания. Затем двигатель запускается стартером с выжатой педалью акселератора (открытой дроссельной заслонкой). Давление сжатия отображается на стрелке компрессометра. Компрессометр — это инструмент для измерения давления сжатия.

Давление сжатия — это максимально достижимое давление в конце такта сжатия двигателя, когда смесь еще не горит. Величина давления сжатия зависит от

Все эти параметры, кроме герметичности камеры сгорания, постоянны и задаются конструкцией двигателя. Следовательно, если замер показывает, что один из цилиндров не достигает значения, указанного производителем, то это указывает на утечку в камере сгорания. Давление сжатия должно быть одинаковое во всех цилиндрах.

Причины низкого давления сжатия

поврежден клапан;
повреждена пружина клапана;
изношено седло клапана;
изношено поршневое кольцо;
изношен цилиндр двигателя;
головка блока цилиндров повреждена;
поврежден прокладка ГБЦ.

В исправной камере сгорания максимальная разница давлений сжатия на отдельных цилиндрах составляет до 1 бара (0,1 МПа). Давление сжатия составляет от 1,0 до 1,2 МПа для бензиновых двигателей и от 3,0 до 3,5 МПа для дизельных двигателей.

Для предотвращения преждевременного самовоспламенения топлива степень сжатия для двигателей с принудительным зажиганием не должна превышать 10:1. Двигатели, оснащенные датчиком детонационного сгорания, электронным блоком управления и другими устройствами, могут достигать степени сжатия до 14:1.

Для бензиновых турбо-двигателей степень сжатия составляет 8,5:1, поскольку часть сжатия рабочего тела осуществляется в турбонагнетателе.

Таблица основных степеней сжатия и рекомендуемых видов топлива для бензиновых ДВС:

Степень сжатия	Бензин
До 10	92
10,5-12	95
от 12	98

Таким образом, чем выше степень сжатия тем с большим октановым числом нужно использовать топливо. В основном его повышение приведет к росту КПД двигателя и уменьшению расхода топлива.

Оптимальная степень сжатия дизельного двигателя находится в пределах от 18:1 до 22:1 в зависимости от агрегата. В таких двигателях впрыскиваемое топливо воспламеняется за счет тепла сжатого воздуха. И потому степень сжатия у дизельных двигателей должна быть выше, чем у бензиновых. Степень сжатия дизельного двигателя ограничена нагрузкой от давления в цилиндре двигателя.

Компрессия

Компрессия — это наивысшая степень давления воздуха в двигателе, которое возникает в цилиндре в конце такта сжатия и измеряется в количестве атмосфер. Компрессия всегда выше степени сжатия ДВС. В среднем при степени сжатия около 10, компрессия будет около 12. Это происходит потому что при замере компрессии температура воздушно-топливной смеси растет.

Вот короткое видео о степени сжатия:

Компрессия показывает нормальную работу двигателя, а степень сжатия определяет, какое топливо нужно использовать для двигателя. Чем выше сжатие, тем большее октановое число необходимо для оптимальной работы.

Примеры дефектов двигателя:

Дефект	Признаки	Компрессия, МПа	Компрессия, МПа
Без деффектов	нет	1,0-1,2	0,6-0,8
Трещина в перемычке поршня	высокое давление в картере, синие выхлопные газы	0,6-0,8	0,3-0,4
Прогар поршня	Те же, цилиндр не работает на малых оборотах	0,5-0,5	0-0,1
Залегание колец в канавках поршней	Те же	0,2-0,4	0-0,2
Задир поршня и цилиндра	Те же, вероятна неравномерная работа цилиндра на холостом ходу	0,2-0,8	0,1-0,5
Деформация клапана	Цилиндр не работает на малых оборотах	0,3-0,7	0-0,2
Прогарание клапана	Те же	0,1-0,4	0
Дефект профиля кулачка распредвала	Те же	0,7-0,8	0,1-0,3
Нагар в камере сгорания + износ маслосъемных колпачков и колец	Высокий расход масла + синие выхлопные газы	1,2-1,5	0,9-1,2
Износ цилиндро-поршневой группы	Высокий расход топлива и масла на угар	0,2-0,4	0,6-0,8

Основные причины проверить двигатель:

вялый разгон;
низкое давление масла;
высокий расход масла;
проблемный запуск;
низкая компрессия;
синие выхлопные газы;
высокий расход топлива;
неровный холостой ход;
сильная детонация;
нагар на свечах / частая замена свечей;
стуки / перегрев двигателя;
износ прокладок;
пульсация в газоотводящем шланге из картера.

Первоначально двигатели делали из таких известных и распространенных материалов как чугун, сталь, бронза, алюминий и медь. Но в последние годы авто-концерны стремятся достичь большей мощности и меньшей тяжести для свои двигателей и это побуждает их использовать новые материалы — металлокерамический композит, кремний-никелевые покрытия, полимерные углероды, титан, а также различные сплавы.

Самая тяжелая часть двигателя — блок цилиндров, который исторически всегда делался из чугуна. Основная задача сделать сплавы чугуна с лучшими качествами, не пожертвовав его прочностью, чтобы не пришлось делать гильзы цилиндров из чугуна (так иногда делают на грузовых авто, где такая структура финансово окупается).

Вопросы и ответы:

Почему для двигателей так важна степень сжатия, и на что она влияет.

Сразу хотим отметить, что разобраться в том, что такое степень сжатия двигателя, не так просто, как кажется на первый взгляд. Вы наверняка заметили в различных рекламных проспектах и каталогах, а также в описании на сайтах автопроизводителей, что автобренды пытаются привлечь наше внимание такой характеристикой, как степень сжатия двигателей. Особенно стараются нам рассказать о степени сжатия менеджеры автосалонов. Мы обычно делаем вид, что понимаем, о чем идет речь, пропуская мимо ушей эту информацию. И причина такого поведения в том, что многие автолюбители просто не представляют, что такое степень сжатия двигателей, равно как и на что она влияет. Но тем не менее мы считаем, что все автолюбители должны знать, что же это за показатель двигателей внутреннего сгорания, о котором недавно вспомнили многие автопроизводители.

Мы живем в эпоху, когда инженеры не могут просто дать двигателю больше энергии за счет укрупнения, как, например, это было раньше, когда автопроизводители на многие свои автоновинки устанавливали моторы с увеличенным объемом. К тому же это приводило к неминуемому увеличению расхода топлива и росту уровня вредных выбросов в выхлопе автомобиля. Сегодня в связи с дороговизной топлива по всему миру и сложной экологической обстановкой подобный способ увеличения мощности мотора не подходит. Особенно если учитывать жесткие экологические нормы, предъявляемые автопроизводителям рядом развитых западных стран.

В итоге автопроизводители стали улучшать эффективность нынешних моторов за счет применения турбин и увеличения степени сжатия современных двигателей.

Как определяется степень сжатия, и что это такое?

Степень сжатия – это показатель, при котором устанавливается, какой максимальный объем цилиндра двигателя может быть сжат в минимальный объем цилиндра. Этот показатель степени сжатия определяется как соотношение.

Для тех, кто любит больше смотреть, чем читать, внизу мы публикуем GIF-картинку, на которой демонстрируется, как работает четырехтактный двигатель. Обратите внимание, как поршень движется вверх во время такта сжатия топливной смести (топливо + кислород), которая подается клапанами головки блока двигателя. Напомним, что воздух и топливо, поступаемые в цилиндр двигателя, сжимаются поршнем, чтобы затем воспламенить эту смесь с помощью свечи зажигания (в бензиновых моторах) или за счет сильного сжатия (в дизельных моторах).

Если двигатель имеет высокую степень сжатия, это означает, что заданный объем воздуха и топлива в цилиндре сжимается в гораздо меньшем пространстве, чем в двигателях с небольшой степенью сжатия.

А теперь математический пример соотношения степени сжатия в ДВС.

Предположим, что у нас есть двигатель, объем цилиндра и камер сгорания которого в момент нахождения поршня в нижней мертвой точке составляет 10 куб. см. После того как впускной клапан головки блока двигателя закрывается и поршень поднимается вверх, начав такт сжатия, он сжимает воздух и топливную смесь в пространство 1 куб. см. Этот двигатель имеет коэффициент сжатия (степень) 10:1.

Также часто производители любят вычислять итоговую степень сжатия, деля большее значение объема цилиндра над поршнем на меньший объем цилиндра. В итоге во многих технических характеристиках автомобилей вместо соотношения производители указывают результат деления этих значений.

Таким образом вычисляется, во сколько раз сжимается топливно-воздушная смесь при движении из нижней мертвой точки поршня в верхнюю мертвую точку. Разделив большее значение на меньшее, мы и получим итоговое значение степени сжатия без соотношения большего объема к меньшему.

Почему производители стараются увеличить степень сжатия?

Но не все так просто со степенью сжатия. Одно дело – понимать, что такое степень сжатия. И это не менее важно по сравнению с пониманием, почему так важна высокая степень сжатия для современных двигателей. К сожалению, объяснить простыми словами, почему высокая степень сжатия в двигателях современных автомобилей – это отличное решение на ближайшие годы, не получится. Тем не менее мы попытаемся.

Вы знаете, что мощность двигателя появляется в тот момент, когда сгорание топливной смеси оказывает силу на поршень внутри цилиндра двигателя. Эта сила толкает поршень вниз по цилиндру. И чем выше поршень находится в цилиндре в момент сжигания топливно-воздушной смеси, тем больше сил будет приложено на поршень.

Как мы уже сказали, чем больше степень сжатия, тем выше находится поршень в верхней мертвой точке. В итоге это позволяет вырабатывать больше мощности в момент сгорания топлива. Также помимо увеличения мощности для вырабатывания силы, толкающей поршень вниз по цилиндру двигателя, необходимо меньше топлива, что в конечном итоге влияет на топливную эффективность мотора. Это простое объяснение. Но оно неполное, поскольку при увеличении степени сжатия двигателей возникает ряд проблем, для решения которых необходимо в идеале знать термодинамику.

Итак, мы знаем, что высокая степень сжатия означает, что двигатель получает больше силы и мощности из того же количества топлива по сравнению с мотором с меньшим коэффициентом сжатия. Как мы выяснили, это хорошо для динамики автомобиля, а также для достижения хороших показателей его экономичности.

Чтобы объяснить вам точнее, почему более высокая степень сжатия дает больше экономии топлива, мы не будем погружаться слишком глубоко в науку о термодинамике. Тем не менее без нее нам также не объяснить вам в деталях, почему моторы с большой степенью сжатия более экономичные. Да, это нелегко понять. Но все же этот раздел термодинамики очень и очень интересен.

Более высокое сжатие в двигателе означает больше мощности, но больше давления

На приведенном выше рисунке показана диаграмма PV давления – объема для идеального типичного бензинового двигателя. Этот график наглядно демонстрирует, что происходит в двигателе, когда он сжигает воздушно-топливную смесь (в нашем примере бензин + кислород).

На приведенном выше графике кривая 1-2 показывает ход сжатия.

Линия 2-3 показывает сгорание топлива.

Верхняя кривая 3-4 показывает ход расширения.

И линия 4-1 показывает отвод тепла, когда открывается выпускной клапан в головке блока цилиндров двигателя.

Если описать все более техническим языком, то эту диаграмму следует понимать так:

На диаграмме кривая 1-2 показывает ход сжатия, при котором давление (ось Y) возрастает, а объем (ось Х) падает, когда поршень сжимает воздушно-топливную смесь внутри цилиндра, приближаясь к верхней мертвой точке.

Линия 2-3 показывает тепло, выделяемое во время горения топливной смеси. Эта линия показывает, как быстро увеличивается давление и температура сгораемого топлива.

Кривая 3-4 показывает увеличение объема цилиндра двигателя и падение давления, когда газ, полученный в процессе сгорания топливной смеси, оказывает силу на поршень, который начинает свое движение вниз по цилиндру двигателя (такт расширения).

Линия 4-1 показывает отвод тепла от газов, образованных в процессе сгорания топлива. Когда давление внутри цилиндра возвращается к давлению окружающей среды, открывается выпускной клапан.

Наконец, линия 1-5 демонстрирует нам ход выхлопа (выхлопной цикл мотора), в процессе которого поршень снова движется внутри цилиндра вверх (к верхней мертвой точке), чтобы снова сжать топливно-воздушную смесь для повторения цикла.

Область в пределах линий 1-2-3-4 показывает нам, сколько работы было проделано двигателем в рамках одного лишь только цикла. Более высокая степень сжатия двигателя означает, что две вертикальные линии на графике выше будут двигаться влево и вверх, оставляя больший диапазон хода поршня, что влияет на получение большей мощности по сравнению с двигателем, имеющим низкий коэффициент сжатия. То есть двигатель с высокой степенью сжатия сделает больше работы за один цикл, чем мотор с небольшой степенью сжатия.

И все дело в том, что в двигателях с высокой степенью сжатия в процессе сгорания топлива образуется больше давления, которое с большей силой двигает поршень вниз по цилиндру. Правда, в этом случае внутри двигателя выделяется больше тепла.

Более высокое сжатие в двигателе также означает более высокую тепловую эффективность

Важно отметить, что образование тепла и потеря тепла в течение цикла работы двигателя напрямую связаны с его эффективностью (речь идет о коэффициенте полезного действия – КПД). Причем на КПД главное влияние оказывает степень сжатия двигателя. Все дело в двух идеях. Во-первых, любая тепловая энергия, поступающая в систему, должна быть преобразована в механическую или отработанную. Во-вторых, тепловая эффективность – это просто результат работы двигателя (мощность и сила), разделенный на теплопередачу.

Вот как выглядит уравнение этой взаимосвязи (n – тепловой КПД, r – степень сжатия, а γ (гамма) – свойство жидкости):

Теперь вернемся к нашей диаграмме выше. Когда вы обеспечиваете больший ход поршня между верхней и нижней мертвой точкой, вы увеличиваете степень сжатия. За счет этого вы смещаете на диаграмме PV вверх и влево и увеличиваете температуру (Qh на графике выше). Причем увеличение температуры будет больше, чем потери тепла (Ql).

Иными словами, вы добываете в процессе сгорания топливной смеси больше энергии за один цикл работы двигателя. Кстати, вот один интересный ролик видеоблогера Джейсона Фенске, который рассказывает более простыми словами о взаимосвязи между степенью сжатия, теплопередачей и эффективностью (экономичностью двигателя):

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

Так что, как вы, наверное, уже поняли, тепловая эффективность двигателя возрастает по мере увеличения степени сжатия двигателя. Таковы законы физики, а именно законы термодинамики. Особенно это становится ясно из уравнения, приведенного выше.

Соответственно, чем выше степень сжатия мотора, тем больше он выдает лошадиных сил и меньше потребляет топлива. Для нас это означает более тяжелый кошелек за счет сэкономленных денег на заправке и больше адреналина при разгоне.

Например, знаменитый двигатель Skyactiv-G от Mazda является очень эффективным в плане не только мощности, но и хорошей экономичности. Во многом это благодаря большой степени сжатия. Также ряд и других производителей стали выпускать современные моторы с высоким коэффициентом сжатия. Так, сегодня компании Mazda, Nissan / Infiniti и Toyota и другие начали выпускать двигатели с очень высокой степенью сжатия – 14:1.

Вы не поверите, но двигатели с такой степенью сжатия еще недавно казались фантастикой. Кстати, благодаря такой степени сжатия автопроизводителям нет необходимости оснащать двигатели турбинами, для того чтобы добиться соответствия современным стандартам экономичности, экологическим нормам, а также требованиям к мощности.

Почему более высокая степень сжатия означает, что автомобиль должен заправляться топливом с высоким октановым числом

Но почему большинство автопроизводителей сегодня не перешли на выпуск двигателей с высокой степенью сжатия, если такие силовые агрегаты позволяют без турбокомпрессоров добиваться таких выдающихся результатов эффективности силовых агрегатов? Все дело в законах физики.

Многие двигатели с высоким коэффициентом сжатия нуждаются в премиальном топливе или в высокооктановом бензине.

Тем, кто не знает или не помнит, что такое октан бензина и как он помогает избежать детонации в двигателе, советуем почитать наши следующие материалы:

Топливо с низким октановым числом по сравнению с топливом с высоким октаном, скорее всего, будет самопроизвольно воспламеняться из-за более высоких температур и давления воздуха в двигателях с высокой степенью сжатия. Мы знаем, что воспламенение топливно-воздушной смеси должно происходить, когда это действительно нужно, а не наоборот. Такое неконтролируемое воспламенение топлива называется детонацией. Это очень вредно для любых двигателей внутреннего сгорания. Дело в том, что излишняя детонация уменьшает крутящий момент и может нанести непоправимый урон двигателю автомобиля.

Высокая степень сжатия увеличивает риск сильной детонации двигателя. Вот почему моторы с большим коэффициентом сжатия, как правило, работают на высококачественном или высокооктановом бензине.

Главная причина риска самовоспламенения топливно-воздушной смеси в двигателях с высокой степенью сжатия – это превышение допустимого давления, которое приводит к резкому нагреву топливной смеси. В итоге это вызывает преждевременное сжигание топлива еще до того, как свеча зажигания с помощью искры зажжет его. Повторяем, преждевременное воспламенение топлива – это очень плохо для любого двигателя.

Для того чтобы снизить риск преждевременного воспламенения топлива, компания Mazda много работала над поршневыми и выпускными конструкциями бензиновых двигателей с высокой степенью сжатия (соотношение степени сжатия в цилиндрах двигателя 14:1). Например, мотор Skyactiv-X оснастили специальными поршнями, имеющими полость посередине, которая позволила предотвращать всплеск богатого кислородом топлива вокруг области воспламенения топливной смеси от свечи зажигания.

Именно проблема самовоспламенения топлива в двигателях с высокой степенью сжатия и препятствует сегодня массовому распространению данного типа моторов во всей автопромышленности. Подробнее об двигателе Mazda можно почитать здесь

Существуют ли ограничения по увеличению степени сжатия в двигателях

Интересно, почему автопроизводители не стараются сделать степень сжатия своих двигателей еще больше? Почему сегодня коэффициент сжатия 14:1 уже считается много? Неужели нельзя сделать двигатель с еще большим коэффициентом сжатия? Ведь в таком случае автомобили получили бы еще больше мощности и одновременно стали бы еще экономичней.

Например, почему бы не сделать двигатель со степенью сжатия 60:1? Но на самом деле это невозможно в сегодняшнем мире.

Такую степень сжатия не выдержит ни один металл внутри двигателя. Да дело даже не в металле. Даже если бы у нас был такой крепкий дешевый металл, способный выдержать степень сжатия 60:1, все равно бы мы не смогли построить подобный рабочий мотор. Просто такая степень сжатия привела бы к чрезмерно высокой температуре внутри двигателя. В итоге мотор стал бы настолько горячим, что это вызвало бы его самоуничтожение (двигатель взорвался бы от высоких температур).

Также, в принципе, нас не должна так сильно заботить высокая степень сжатия в современных автомобилях, если речь идет, конечно, не о спортивных мощных автомобилях, где каждая лишняя лошадиная сила на вес золота. Сегодня в рамках массового рынка нас больше волнует не мощность, а экономичность обычных повседневных автомобилей. Особенно во времена немалой стоимости топлива, где вопрос экономии топлива напрямую влияет на наши кошельки. Также сегодня более остро стоит вопрос экологии. А мы знаем, что чем менее экономичен автомобиль, тем меньше он загрязняет окружающую среду выхлопными газами. Так что, в принципе, увеличение степени сжатия в современных двигателях необходимо в первую очередь для улучшения экологической обстановки на всей планете. Но для того чтобы этого добиться, нет смысла существенно увеличивать в современных моторах степень сжатия.

Вот мы и подошли к концу темы о степени сжатия двигателей внутреннего сгорания. Надеемся, что теперь вы не просто знаете, что такое степень сжатия силовых агрегатов, но и понимаете, какую важную роль она играет в современных двигателях.

Читайте также: