Как найти степень сжатия формула

В любом отрегулированном двигателе одним из параметров, который без всякого сомнения следует изменить и обычно в сторону повышения, является степень сжатия. Поскольку повышение степени сжатия увеличивает отдаваемую эффективную мощность двигателя, поэтому желательно иметь степень сжатия как можно более высокой в определенных пределах. Верхний предел всегда определяется в зависимости от точки, в которой возникает детонация.

Поскольку детонация может очень быстро разрушить двигатель, поэтому будет лучше, если мы будем точно знать, какая степень сжатия есть или будет, чтобы можно было выдерживать разумное соотношение.

Степень сжатия определяется c помощью следующей формулы (V + C)/C = CR, где V это рабочий объем цилиндра, а С это объем камеры сгорания.

Определить рабочий объем или емкость одного цилиндра можно просто. Для этого вам нужно просто разделить рабочий объем (литраж) двигателя на число цилиндров, например, если литраж четырехцилиндрового двигателя 1100 куб. см, то емкость или рабочий объем одного цилиндра будет равняться 1100/4 = 275 куб. см. Найти значение объема камеры сгорания несколько сложнее. Для определения объема мы должны физически его измерить и для этого нам нужно иметь пипетку или бюретку, градуированные в куб. см.

Объем камеры сгорания это полный объем, который остается над поршнем, когда он находится в ВМТ. Он включает в себя объем полости в головке плюс объем, равный толщине прокладки, плюс объем между верхней частью поршня и верхней частью блока цилиндров в ВМТ и плюс объем выемки в днище поршня при использовании поршней с вогнутыми днищами или минус объем выпуклости на днище поршня при использовании поршней с выпуклыми днищами.

После того как это будет сделано, вы можете добавить объем, равный толщине прокладки. Если прокладка имеет круглое отверстие, то этот объем проще всего можно определить с помощью следующей формулы:

Vcc = [(p D2 ´ L)/4] ÷ 1,000, где

V = объем,

p = 3,142,

D = диам. отверстия в прокладке в мм,

L = толщина прокладки в зажатом состоянии в мм.

Если отверстие в прокладке некруглое, как это имеет место во многих случаях, то мы можем измерить нужный объем, воспользовавшись бюреткой. Для этого обжатую прокладку приклейте к листу стекла с помощью герметика, предназначенного для прокладок головок цилиндров, затем поместите стекло на горизонтальную поверхность и заполните отверстие в прокладке жидкостью с помощью бюретки.

Старайтесь это делать так, чтобы жидкость не выливалась из отверстия или покрывала полностью всю поверхность прокладки, поскольку в этом случае замеры будут неправильными. Заливать жидкость следует до тех пор, пока ее уровень не дойдет до края прокладки.

Если все отверстия круглые, то можно легко рассчитать объем между верхней поверхностью поршня и верхней частью блока. Это можно сделать с помощью указанной выше формулы, но при этом D будет равняться диам. отверстия цилиндра в мм, а L расстоянию от верхнего днища поршня до верхней части блока опять в мм.

На каких-то стадиях бывает необходимо определить, сколько нужно снять металла с торцевой поверхности головки цилиндров, чтобы получить требуемую степень сжатия. Для этого сначала нужно рассчитать требующийся полный объем камеры сгорания. Из полученного значения вы вычитаете объем, равный толщине прокладки, объем в блоке над поршнем, когда он находится в ВМТ и, если используется поршень с вогнутым днищем, объем выемки. Оставшееся значение теперь представляет собой объем, который должна иметь полость в головке для получения нужной нам степени сжатия. Чтобы было более понятно, рассмотрим следующий пример.

Предположим, что нам нужно иметь степень сжатия 10/1, а литраж двигателя равен 1000 см3 и он имеет четыре цилиндра.
СR = (V = C)/C, где
V- рабочий объем одного цилиндра, а С- полный объем камеры сгорания.

Поскольку мы знаем, что V (рабочий объем цилиндра) = 1000 см3 /4 = 250 см3 и знаем требуемую степень сжатия, поэтому преобразуем уравнение, чтобы получить полный объем камеры сгорания С. В результате вы получите следующее уравнение:

С = V/(CR-1).

Подставим в него указанные значения

С = 250/(10 – 1) = 27,7 см3.

Таким образом полный объем камеры сгорания равен 27,7 см3. Из этого значения вы вычитаете все составляющие объема камеры сгорания, которые не находятся в головке. Предположим, что поршень имеет вогнутое днище, объем полости в днище равен 6 см3 и что оставшийся объем над поршнем, когда он находится в ВМТ, до торцевой поверхности головки равен 1,5 см3. Кроме того объем, равный толщине прокладки, равен 3,5 см3. Сумма всех этих объемов, которые не входят в объем полости в головке равна 11 см3.

Для получения нужной нам степени сжатия 10/1 мы должны иметь объем полости в головке (27,7 – 11) = 16,7 см3. Чтобы определить, сколько металла нужно снять с торцевой поверхности головки, поместите ее на горизонтальную поверхность, или точнее поместите головку таким образом, чтобы торцевая ее поверхность была горизонтальной. После того как вы это сделаете, заполните камеру количеством жидкости, равным требующемуся окончательному объему. В этом примере этот объем равен 16,7 см3. Затем измерьте расстояние от торцевой поверхности головки до поверхности жидкости и оно будет определять то количество металла, которое нужно будет удалить. Имеется одна небольшая проблема при измерении расстояния от торца головки до уровня жидкости.

Как только наконечник глубиномера приближается к поверхности жидкости, она за счет капиллярного действия поднимается к наконечнику. Это капиллярное действия имеет место при использовании парафина в качестве жидкой среды для измерения объема, когда наконечник глубиномера находится на расстоянии от 0,008 до 0,012 дюйма от поверхности жидкости и поэтому нужно делать допуск на это явление.

Из-за небольших неточностей, имеющих место при шлифовании и фасонной обработке камеры сгорания, рекомендуем проверять объем каждой камеры точно также, как и других. Если все объемы не будут одинаковыми, то следует удалить металл с головок камер, имеющих меньший объем, чтобы их объемы стали такими же, как у камеры большим объемом. Главной причиной необходимости балансировки камер является то, что она обеспечивает более плавную работу двигателя, особенно на малых оборотах, и позволяет несколько уменьшить вибрации, возникающие за счет одинаковых пусковых импульсов.

Вторая причина заключается в том, что если мы используем максимально возможную степень сжатия и при проверке находим камеру с самым большим объемом, чтобы определить количество удаляемого металла, то степени сжатия у других камер могут быть выше этого предельного значения. В результате возникнет детонация, которая может быстро привести к разрушению двигателя.

При удалении металла из камер лучше всего снимать металл в верхней части камер или со стенок около свечи.

Точность балансировки камер составляет порядка 0,2 см3. Попытки получить меньшие значения не могут быть реализованы на практике, поскольку при таких крайних значениях возможности измерений с помощью используемых измерительных инструментов ограничены из-за их погрешностей. Помимо этого ошибка, равная 0,2 см3, даже для двигателей малого литража, составляет малый процент полного объема камеры в головке.

*****************************************************************
Изменение степени сжатия

После того как мы определились со степенью сжатия перед нами стоит вопрос как правильно добиться нужной нам степени сжатия. Для начала нужно рассчитать на сколько необходимо увеличить камеру сгорания. Это не сложно. Формула для вычисления степени сжатия имеет следующий вид:
Ɛ=(VP+VB)/VB
Где Ɛ— степень сжатия
VP — рабочий объём
VB — объём камеры сгорания

Преобразовав уравнение можно получить формулу для вычисления камеры сгорания при известной степени сжатия.
VB=VP1/Ɛ
Где VP1 — объём одного цилиндра

По этой формуле вычисляем объём имеющейся камеры сгорания и вычитаем из него объём желаемой (вычисленный по той же формуле), полученная разница и есть интересующее на значение на которое и нужно увеличить камеру сгорания.

Существуют разнообразнве способы увеличения камеры сгорания но далеко не все из них верные. Камера сгорания современного автомобиля спроектирована таким образом, что при достижении поршнем ВМТ топливо воздушная смесь вытесняется к центру камеры сгорания. Это пожалуй самая действенная разработка препятствующая детонации.

Самостоятельная доработка камеры в ГБЦ под силу далеко не многим. Это обусловлено тем, что вопервых вы можите нарушить спроектированную форму камеры, так же при доработке могут «вскрыться» стенки т.к. не известна их толщина. Так же не рекомендуется «расжимать мотор» толстыми прокладками т.к. Это нарушит процессы вытеснения в камере сгорания. Наиболее простым и правельным способом считается установка новых поршней в которых задан необходимый объём камеры. Для турбо-двигателя сферическая форма считается наиболее эффективной. Лучше использовать для этих целей специально разработанные и изготовленные поршни. Возможен вариант самостоятельной доработки стоковых поршней. Но сдесь нужно учесть что толщина дна поршня не должна быть меньше 6% от диаметра.
Степень сжатия в турбо двигателе

Одной из самых важных и пожалуй самой сложной задачей при проектировании турбодвигателя является принятие решения о степени сжатия. Этот параметр влияет на большое количество факторов в общей характеристике автомобиля. Мощность, экономичность, приёмистость, детонационная стойкость (параметр от которого сильно зависит эксплуатационная надёжность двигателя в целом), все эти факторы в значительной степени определяются степенью сжатия. Также это влияет на расход топлива и состав отработавших газов. В теории, степень сжатия для турбо-мотора рассчитать не составляет большого труда.

Сначала разберём понятие «Сжатие» или «Геометрическая степень сжатия». Оно представляет собой отношение полного объёма цилиндра (рабочий объём плюс пространство сжатия, остающееся над поршнем при положении в верхней мёртвой точки (ВМТ)), к чистому пространству сжатия. Формула имеет следующий вид: Ɛ=(VP+VB)/VB

Где Ɛ— степень сжатия
VP — рабочий объём
VB — объём камеры сгорания

Не нужно забывать о существенных расхождениях между геометрической и фактической степенью сжатия даже на атмосферных моторах. В турбодвигателях к этим же процессам добавляется и предварительно сжатая компрессором смесь. На сколько фактически от этого увеличиться степень сжатия, видно из следующей формулы:
Ɛeff=Egeom*k√(PL/PO)
Где Ɛeff — эффективное сжатие
Ɛgeom — геометрическая степень сжатия
Ɛ=(VP+VB)/VB, PL — Давление наддува (абсолютное значение),
PO — давление окружающей среды,
k — адиабатическая экспонента (числовое значение 1,4)

Эта упрощённая формула будет справедлива при условии, что температура в конце процесса сжатия для двигателей с наддувом и без наддува достигает одинакового значения. Иными словами, чем выше давление наддува, тем меньше возможное геометрическое сжатие. Итак, согласно нашей формуле для атмосферного двигателя со степенью сжатия 10:1 при давлении наддува 0.3 бара степень сжатия следует уменьшить до 8.3:1, при давлении 0.8 бара до 6.6:1. Но, слава богу, это теория. Все современные двигатели с турбонаддувом работают не с такими через мерно низкими значениями. Правильная степень сжатия для работы определяется сложными термодинамическими вычислениями и всесторонними испытаниями. Всё это из области высоких технологий и сложных расчётов, но много тюнинговых моторов собрано на основе некоторого опыта, как собственного, так и взятого за пример, от известных автомобильных производителей. Эти правила будут справедливы в большинстве случаев.

Есть несколько важных факторов влияющих на расчёт степени сжатия и их нужно принимать во внимание при проектировании. Я перечислю наиболее важные. Конечно, это желаемый наддув, октановое число топлива, форма камеры сгорания, эффективность промежуточного охладителя, и, безусловно те мероприятия которые вы в состоянии провести по снижению температурной напряжённости в камере сгорания. Углом опережения зажигания (УОЗ) так же можно частично компенсировать возросшие нагрузки. Но это темы для отдельной разговора, и мы безусловно затронем их позже в следующих статьях

Did this article help you?

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 12 сентября 2019 года; проверки требуют 9 правок.

У этого термина существуют и другие значения, см. сжатие.

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).

, где

— объём хода поршня,

— объём камеры сгорания.

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 , есть величина безразмерная. Связанная с ней величина — компрессия — зависит от степени сжатия, от природы сжимаемого газа и от условий сжатия. При адиабатическом процессе сжатия воздуха зависимость эта выглядит так:

, где

 — показатель адиабаты для двухатомных газов (в том числе воздуха),

 — начальное давление, как правило, принимается равным 1.GG

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 =10 компрессия в лучшем случае должна быть 10^1,2=15,8

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 3813 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 Миллера (который часто путают с циклом 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.

Примечания[править | править код]

От величины сжатия зависит термический КПД двигателя. Но с ростом степени повышается и риск детонации, поэтому при форсировке и капитальном ремонте следует уделить время расчетам. Давайте рассмотрим, как увеличить степень сжатия двигателя, взаимосвязь компрессии и степени, и чем примечателен двигатель цикла Миллера-Аткинсона.

Как связаны степень сжатия и компрессия двигателя?

Степень сжатия в цилиндрах мотора – величина абсолютная и рассчитывается математически. На практике это соотношение отображает коэффициент сжатия поступившей в цилиндр топливной смеси на такте впуска. Понятие компрессии означает пиковое давление в камере сгорания в конце такта сжатия и может быть измерено практически. Компрессия хоть и является производной от степени сжатия, но зависит от многих факторов:

• герметичность цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) и клапанного механизма;
• мощность стартера, состояние АКБ и качество контактов, влияющее на количество оборотов стартера.

Форсирование двигателя путем увеличения степени сжатия

Чем выше степень, тем горячее воздух в конце такта сжатия и тем выше КПД двигателя. Но повышение одного параметра не гарантирует линейное возрастание второго. Наибольший прирост мощности ощущается при повышении степени до 10-11 единиц.

К примеру, увеличив степень сжатия стандартного ВАЗовского мотора с 9.8 до 11, мы в теории получаем прирост термического КПД на 4%. Тест на стенде при этом покажет куда более скромное значение – 2,5%. Повысив степень сжатия того же мотора еще на единицу, мы получим фактическую прибавку в 4.5%. Моментная характеристика возрастет главным образом на низких и средних оборотах. Дальнейшее увеличение степени сжатия без перехода на высокооктановое спортивное топливо и вовсе не даст результат.

Причина такого явления —  в детонации, которая возникает в случае слишком высокого пикового давления в камере сгорания. При контакте с разогретым воздухом в таком случае смесь самовоспламеняется еще до момента подачи искры. При этом фронт пламени распространяется со скоростью более 2000 м/с, тогда как значение при нормальном сгорании не превышает 250-300 м/с.

Ударная волна такой силы оказывает разрушительное давление на цилиндры, стенки камеры сгорания, поршни. Также значительно повышается температура выхлопных газов, что приводит к прогоранию днища поршня, клапанов.

Поэтому тюнинг со сжатием следует проводить после точного математического расчета и с прицелом на октановое число бензина.

Основные методы увеличения

1. Уменьшение толщины ГБЦ, БЦ. С привалочной плоскости головки и блока методом фрезеровки либо шлифовки снимается слой металла и уменьшается объем камеры сгорания.
2. Установка поршней с выпуклостями. Цель, как и в предыдущем методе – уменьшение объема камеры сгорания.
3. Увеличение хода поршня за счет установки другого коленчатого вала, шатунов.

Как работает двигатель с изменяемой степенью сжатия?

До недавнего времени показатель степени закладывался инженерами на этапе разработки и был фиксированным вне зависимости от режима работы двигателя. Нормальное значение для современных бензиновых моторов варьируется от 8 до 14 единиц, традиционно высокая степень сжатия у дизельных моторов – 18-23.

Ужесточение экологических норм заставляет гениев инженерной мысли искать новые пути увеличения термического КПД. Одно из таких решений – двигатель с изменяемой степенью сжатия. Было разработано несколько вариантов динамического изменения степени:

• дополнительная секция в полости ГБЦ. Открытие секции позволяет увеличить объем камеры сгорания, уменьшая тем самым степень. Система не получила распространения из-за избыточного усложнения конструкции ГБЦ;
• поршни с изменяемой высотой. Конструкция получилась слишком громоздкой, появились проблемы с перекосом поршней и уплотнением ЦПГ;
• регулировка высоты подъема коленчатого вала. Изменение степени сжатия осуществляется за счет специальных эксцентриковых муфт, которые регулируют высоту опорных подшипников коленвала. Технология долгое время тестировалась концерном VAG, но так и не вошла в серию;
• регулировка высоты поднятия ГБЦ. Специальный механизм с электроприводом и шарнирное соединение частей блока двигателя позволяли регулировать степень от 8 до 14 единиц. Разрабатывалась технология инженерами SAAB, но из-за ненадежности резинового кожуха, герметизирующего подвижные части блока, и излишней сложности конструкции также не пошла в серию;

• шатун с изменяемой длиной. Высота шатуна регулировалась специальным реечным механизмом с помощью давления масла. Как и в предыдущих случаях, разработка французских инженерах не была внедрена в массовое производство;

• траверсный механизм сочленения шатуна с коленчатым валом. За счет изменения угла поворота траверсы уменьшается либо увеличивается ход поршня. Разработка инженеров Infiniti используется на двухлитровом моторе VC-T, который сейчас устанавливается на кроссовер QX50. Двигатель развивает максимальную мощность в 268 л.с. и пиковый крутящий момент 380 Нм.

Цикл Миллера-Аткинсона

Большую известность цикл Миллера-Аткинсона получил благодаря рекламным брошюрам компании Mazda. Маркетологи гордо заявляют, что инженерам удалось поднять степень сжатия двигателей модели Skyactive до 14 единиц. На самом деле речь идет о геометрической степени сжатия, а не о фактической.

Трюк заключается в том, что во время поднятия поршня на такте сжатия выпускные клапаны еще долгое время открытые, из-за чего часть свежего воздушного заряда выталкивается в выхлопной тракт. Поэтому фактическая степень близка к стандартным для бензиновых моторов 12 единицам. Увеличение термического КПД при этом достигается за счет более эффективного использования энергии расширяющихся газов на такте рабочего хода. За счет большего хода (увеличен диаметр кривошипа) газы дольше давят на поршень. Поэтому при сгорании одной и той же доли топлива, в сравнении с обычным циклом Отто, на коленчатый вал передается больший крутящий момент. Технология позволяет в режимах малых и средних нагрузок значительно уменьшить расход топлива и количество вредных выбросов.

Математический расчет

Степень сжатия двигателя внутреннего сгорания равняется объему камеры сгорания к рабочему объему цилиндра и рассчитывается по формуле (V + C)/C = CR, где

• V — объем цилиндра, когда поршень находится в нижней мертвой точке (НМТ). Для расчета необходимо сумму объемов всех цилиндров (указывается в технической характеристике ДВС) разделить на количество котлов;
• С — объем камеры сгорания, когда поршень в верхней мертвой точке (ВМТ). Включает в себя объем полости ГБЦ, прокладки ГБЦ и выемок в цилиндре. Если поршень имеет выпуклость, ее объем отнимается от общего объема камеры сгорания.

Вычислить степень сжатия математически довольно непросто из-за сложной геометрической формы камеры сгорания. Поэтому на практике применяются 2 основные методы вычисления.

Видео:Как измерить степень сжатия правильно.

Практический расчет методом проливки

Суть измерения заключается в поочередном заполнении жидкостью площади над поршнем, когда тот находится в верхней мертвой точке, и стенок камеры сгорания ГБЦ. Для измерения нам необходим кусок оргстекла, в котором будут пропилены отверстия для вкручивания болтов ГБЦ и отверстие для заливки жидкости. Между оргстеклом и блоком необходимо установить уже использованную (обжатую) прокладку. Стенки цилиндров для увеличения гидроплотности необходимо смазать густой консистентной смазкой (литиевой либо обычным солидолом).

Притянув оргстекло болтами, заполните образовавшейся объем жидкостью. Объем поместившейся воды будет соответствовать объему надпоршневого пространства. Аналогичный тест проводится и с головкой блока. При этом клапана должны быть притерты, между седлами и тарелками нанесена консистентная смазка. Сумма объема залитых жидкостей и будет объемом камеры сгорания.

Чтобы рассчитать степень сжатия на онлайн-калькуляторе, также будет необходимо измерить величину хода поршня и диаметр цилиндра. Все эти значения помогут вычислить объем двигателя, который изменяется при каждой фрезеровке плоскостей БЦ, ГБЦ, установке поршней иной геометрической формы, расточки цилиндров либо установке других шатунов, коленчатого вала.

Можно ли рассчитать степень, измерив компрессию?

Компрессия напрямую зависит не только от понятия степени сжатия двигателя, но и от природы сжимаемого газа и условий в камере сгорания. На практике зависимость этих параметров выливается в формулу Р = Ро*Ɛƴ, где

• Ро – начальное давление в цилиндре, принимаемое за 1;
• Ƴ – адиабатический показатель для воздуха. В двигателе внутреннего сгорания при сжатии часть тепла отдается стенкам цилиндра, камеры сгорания; происходит утечка части газа через неплотности, а воздух перемешан с частичками топлива, поэтому процесс считается недиабетическим. Показатель политропы при этом равняется не эталонным 1.4, а приближенным к фактическим 1.2.

Все это значит, что, измерив компрессию, мы можем вычислить показатель степени сжатия двигателя. К примеру, при компрессии 15,8 степень сжатия будет близка к 10 единицам. Чтобы уменьшить погрешность, нужно соблюсти все правила измерения компрессии:

1. Свечи должны быть выкручены.
2. Дроссель открыт на 100%.
3. Отключена подача топлива.
4. АКБ должна быть полностью заряжена. При этом емкости должно хватать на измерения компрессии во всех котлах.
5. Стартер должен быть исправен, а на проводах его питания отсутствует значительное падение напряжение из-за окислов.