Что такое степень сжатия двигателя и каков ее физический смысл

Что такое степень сжатия двигателя

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.

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.

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:

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:

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.

Источник

Компрессия в двигателе и степень сжатия: что полезно знать

Эти слова часто слышны в гаражных курилках и ремзонах сервисных станций. Понятиями «компрессия» и «степень сжатия» легко жонглируют водители и инженеры. А всегда ли правильно употребляют эти термины? Что это вообще такое? Чем эти величины могут быть нам с Вами полезны?

Определимся с терминами

Компрессия – это значение максимального давления воздуха в камере сгорания неработающего двигателя, которое развивается в конце такта сжатия. В нынешнее время величина измеряется в Барах (бар), Атмосферах (ат, атм) и Паскалях (Па), а раньше – в килограммах силы на квадратный сантиметр (кг/см2) и фунтах на квадратный дюйм (psi, ksi). Измерение компрессии – очень эффективный способ исследования, а полученное её значение – важный диагностический показатель «здоровья» мотора.

Степень сжатия – сугубо инженерная, расчётная и безразмерная характеристика. Она является частным деления объёма цилиндра, когда поршень находится в нижней мёртвой точке (НМТ), и остаточного объёма цилиндра (в т.ч. и объёма камеры сгорания), когда поршень находится в верхней мёртвой точке (ВМТ). Другими словами, степень сжатия – в какое количество раз сжимается объём газа (включая топливо-воздушную смесь), попавшего в цилиндр двигателя во время рабочего хода поршня.

Компрессия зависит от степени сжатия, но не наоборот. Чем выше степень сжатия, тем выше давление, регистрируемое при измерении. Однако на величину этого давления влияет большое количество внешних факторов, изменяя и анализируя которые, с высокой вероятностью можно обнаружить источник проблем, либо убедиться в его отсутствии.

Значение степени сжатия (СЖ) обычному водителю может лишь очень примерно указать на используемое здесь октановое число бензина. Например:

Если двигатель современной конструкции, то взаимосвязь между этими параметрами может отсутствовать благодаря «продвинутым» технологиям смешения, зажигания и сгорания топлива, как и компьютерному управлению, позволяющему менять настройки в широких пределах. Наличие турбонаддува подразумевает эксплуатацию на бензине с октановым числом не ниже АИ-95-98, а если «92-й» и упомянут в числе разрешённых, то только высококачественный, т.к. контрафактный станет для турбомотора смертельным ядом.

Как проверить компрессию в двигателе

При замерах обычно придерживаются следующего регламента: двигатель должен быть прогрет до рабочей температуры (не всегда), демонтирован воздушный фильтр и/или отсоединен блок дроссельной заслонки (если это возможно), либо дроссельная заслонка обязана быть полностью открытой, при наличии карбюратора – полностью открыта воздушная заслонка, вывернуты свечи зажигания (у дизелей – свечи накаливания) из всех цилиндров. Разумеется, для правильного проведения мероприятия, газораспределительный механизм обязан быть правильно отрегулирован (как минимум: метки находиться на своих местах, «перескоки» отсутствовать, а натяжители и их «башмаки» иметь нормальный износ) стартёр должен быть исправен, а АКБ – полностью заряжена.

Пример компрессометра простой конструкции

Компрессометры – приборы для замера компрессии. Их конструктивное исполнение и дизайн могут сильно отличаться, как и цена – от «косаря» за простейшее изделие мануфактурного производства до сотни тысяч рублей за профессиональный диагностический прибор с множеством дополнительных функций. Но принцип действия у всех – один и тот же.

Диагностический прибор с функцией измерения компрессии двигателя и выявления утечек

Обычно у компрессометров имеется наконечник, герметично присоединяемый к свечному отверстию и манометр «с памятью» и обратным клапаном. «Память» манометру нужна для фиксирования («запоминания») максимального давления, развиваемого в течение десятка оборотов коленчатого вала. После присоединения наконечника нужно повернуть ключ зажигания и с помощью стартёра дать мотору сделать около десятка оборотов. На циферблате (или дисплее) прибора мы увидим величину компрессии в данном цилиндре. «Для чистоты эксперимента» замеры необходимо провести 3-5 раз, после чего внести в таблицу среднее арифметическое значение.

Измерение компрессии в цилиндрах двигателя

А какая компрессия должна быть?

«Цифры показывают, как управляется мир» (Иоганн Вольфганг Гёте)

При измерении компрессии у разных марок и моделей двигателей мы получим разные значения у каждого из них. Это нормально, так как у них, как минимум, будет разная степень сжатия.

В качестве примера приведём несколько нормальных значений компрессии для разных моторов:

Эти цифры разрушают одно из опасных предубеждений, давно циркулирующих в водительских кругах, что значение компрессии численно как-то взаимосвязано со степенью сжатия мотора. Как видите – взаимосвязи нет: у одного двигателя со степенью сжатия 7.0 нормальная компрессия от 7.5 до 9.5 бар, а у другого, со СЖ = 11.0, диапазон «здоровой» компрессии от 12.0 до 14.0 бар.

Значение компрессии двигателя в течение его жизни и ресурса – меняется.

У «молодого», только что сошедшего с конвейера движка компрессия может составлять 8.0 – 10.0 бар, когда он «обкатался» и все его детали приработались друг к другу – 12.0 – 14.0 бар, а когда ресурс подходит к концу и на одометре более 200000 км пробега, компрессометр покажет 7.0 — 9.0 бар с тенденцией к дальнейшему снижению давления, что укажет на близкий к критическому износ цилиндро-поршневой группы, сёдел клапанов и их направляющих. Это – нормальные значения при естественном износе двигателя. Но основной задачей измерения компрессии является выявление «болезней» мотора на ранних стадиях.

Главный индикатор «здоровья» двигателя, содержащийся в ряду значений компрессии в каждом из цилиндров — их нахождение в узком диапазоне 2 бар. Иначе говоря: разница более 2 бар между наименьшим и наибольшим значениями компрессии среди цилиндров одного двигателя является критической и однозначно указывает на неисправность!

Также следует «бить тревогу», если, например: в трёх цилиндрах мотора компрессометр показал 12.3 — 12.6 бар, а в четвёртом – 11.5 бар. Такое «рассогласование» значений сигнализирует о наличии какого-то изъяна.

Задиры на зеркале — частая причина потери компрессии в одном из цилиндров

Если давление в конце такта сжатия одного из цилиндров двигателя явно ниже общего ряда значений, для «уточнения диагноза» и «выписки рецепта» воспользуемся знакомым ещё со времён «Побед» и «ЗиСов», простейшим методом: в «подозрительный» цилиндр через отверстие для свечи вливаем примерно 30-50 мл моторного масла, после чего, снова измеряем компрессию.

Если давление явно увеличилось – сигнал о том, что герметичность поршневых колец нарушена.

Маслосъёмные кольца «залегли»

Если давление не изменилось – велика вероятность трещин в клапанах, прогоревшего поршня, выпавшего клапанного седла, нарушения герметичности прокладки ГБЦ, и т.п.

Трещины в тарелках клапанов

Компрессия может быть не только ниже, но и выше нормы.

Слишком высокое в одном из цилиндров относительно других давление говорит о повышенном количестве нагара на тарелках клапанов, днище поршня и стенках камеры сгорания. Это может быть следствием изношенных маслосъёмных колпачков и направляющих втулок клапанов, «залегших» поршневых колец и критического износа зеркала цилиндра.

Слой нагара на днище поршня

Более глубокими причинами таких повреждений могут являться слишком большие пробеги между ТО, применение неподходящего или поддельного моторного масла, эксплуатация на низкосортном топливе, несвоевременная замена свечей зажигания, неправильно выставленные зазоры, использование дешёвых или контрафактных элементов системы зажигания и фильтров. Компрессия возрастает по причине того, что скопившиеся отложения уменьшают объём камеры сгорания, из-за чего увеличивается степень сжатия, а значит, и давление в конце такта сжатия.

Замер компрессии в двигателе: для профи и любителей

Изделие похожего назначения входит в состав «вооружения» профессиональных компрессометров. Однако дорогие приборы могут позволить себе далеко не все СТОА, а описываемое приспособление может создать даже обычный гаражный автолюбитель.

Конструкция изделия элементарна:

В одном из старых журналов «За рулём» для похожего изделия предлагалось взять металлический корпус вышедшей из строя свечи зажигания с извлечённым изолятором центрального электрода, и приварить (или припаять) к нему нужного диаметра стальную трубку, превратив в штуцер.

Приспособление собирается следующим образом … Штуцер (фитинг) присоединяется к шлангу и соединение фиксируется хомутом. От резинового корпуса вентиля острым ножом отрезается грибовидная «шляпка». Получившийся штуцер диаметром около 15 мм вставляется в противоположную часть шланга и соединение фиксируется хомутом. Штуцер герметично вкручивается в свечное отверстие ГБЦ исследуемого цилиндра. Вентиль присоединяется к насосу. Приспособление готово к работе.

Как это работает (после измерения компрессии) … Поршень исследуемого цилиндра устанавливается в положение, соответствующее моменту зажигания, когда все клапаны закрыты. Отворачивается пробка расширительного бачка системы охлаждения и вынимается масляный щуп. Если двигатель не имеет масляного щупа, то отвинчивается крышка маслозаливной горловины. Включается электрический насос. Если такового под рукой не оказалось, можно воспользоваться ножным шинным насосом и прибегнуть к услугам помощника. Воздух начинает нагнетаться в цилиндр двигателя. После этого на слух определяется источник утечек давления из камеры сгорания:

Предложенное приспособление и проверка двигателя с его помощью помогают с большой долей точности выявить характер неисправности, не прибегая к «располовиниванию» двигателя.

В качестве эпилога к рассказу о компрессии, хочется заострить Ваше внимание на большой пользе этой характеристики: получив её значение, появляется отличная возможность продиагностировать двигатель без использования дорогого высокотехнологичного оборудования и сложной деликатной разборки мотора. Периодическое измерение компрессии на СТОА или своими силами, очень полезно не только в плане обеспечения долгой безбедной жизни двигателя и всего автомобиля, но и для экономии финансовых средств владельца, и самого главного – его нервов.

Источник

Как рассчитать и изменить степень сжатия двигателя

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:

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:

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.

Источник