Двигатели с изменяемой степенью сжатия: от Saab до Infiniti

Все чаще звучат авторитетные мнения, что сейчас развитие двигателей внутреннего сгорания достигло наивысшего уровня и больше невозможно заметно улучшить их характеристики. Конструкторам остается заниматься ползучей модернизацией, шлифуя системы наддува и впрыска, а также добавляя все больше электроники. С этим не соглашаются японские инженеры. Свое слово сказала компания Infiniti, которая построила двигатель с изменяемой степенью сжатия. Разбираемся, в чем преимущества такого мотора, и какое у него будущее.

В качестве вступления напомним, что степенью сжатия называют отношение объема над поршнем, находящимся в нижней «мертвой» точке, к объему, когда поршень находится в верхней.

Компоненты / Новости

Для бензиновых двигателей этот показатель составляет от 8 до 14, для дизелей — от 18 до 23.

Степень сжатия задается конструкцией фиксировано. Рассчитывается она в зависимости от октанового числа применяемого бензина и наличия наддува.

Возможность динамически изменять степень сжатия в зависимости от нагрузки позволяет поднять КПД турбированного мотора, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси сгорала при оптимальном сжатии.

При малых нагрузках, когда смесь обедненная, используется максимальное сжатие, а в нагруженном режиме, когда бензина впрыскивается много и возможна детонация, мотор сжимает смесь минимально.

Это позволяет не регулировать «назад» угол опережения зажигания, который остается в наиболее эффективной позиции для снятия мощности. Теоретически система изменения степени сжатия в ДВС позволяет до двух раз уменьшить рабочий объем мотора при сохранении тяговых и динамических характеристик.

Схема двигателя с изменяемым объемом камеры сгорания и шатуны с системой подъема поршней

Одной из первых появилась система с дополнительным поршнем в камере сгорания, который перемещаясь, изменял ее объем. Но сразу возник вопрос о размещении еще одной группы деталей в головке блока, где уже и так теснились распредвалы, клапаны, инжекторы и свечи зажигания. Притом нарушалась оптимальная конфигурация камеры сгорания, отчего топливо сжигалось неравномерно. Поэтому система так и осталась в стенах лабораторий. Не пошла дальше эксперимента и система с поршнями изменяемой высоты. Разрезные поршни были чрезмерно тяжелыми, притом сразу возникли конструктивные трудности с управлением высотой подъема крышки.

Система подъема коленвала на эксцентриковых муфтах FEV Motorentechnik (слева) и траверсный механизм для изменения высоты подъема поршня

Другие конструкторы пошли путем управления высотой подъема коленвала. В этой системе опорные шейки коленвала размещены в эксцентриковых муфтах, приводимых в действие через шестерни электромотором. Когда эксцентрики поворачиваются, коленвал поднимается или опускается, отчего, соответственно, меняется высота подъема поршней к головке блока, увеличивается или уменьшается объем камеры сгорания, и изменяется тем самым степень сжатия. Такой мотор показала в 2000 году немецкая компания FEV Motorentechnik. Система была интегрирована в турбированный четырехцилиндровый двигатель 1.8 л от концерна Volkswagen, где варьировала степень сжатия от 8 до 16. Мотор развивал мощность 218 л.с. и крутящий момент 300 Нм. До 2003 года двигатель испытывался на автомобиле Audi A6, но в серию не пошел.

Не слишком удачливой оказалась и обратная система, также изменяющая высоту подъема поршней, но не за счет управления коленвалом, а путем подъема блока цилиндров. Действующий мотор подобной конструкции продемонстрировал в 2000 году Saab, и также тестировал его на модели 9-5, планируя запустить в серийное производство. Получивший название Saab Variable Compression (SVC) пятицилиндровый турбированный двигатель объемом 1,6 л, развивал мощность 225 л. с. и крутящий момент 305 Нм, при этом расход топлива при средних нагрузках снизился на 30%, а за счет регулируемой степени сжатия мотор мог без проблем потреблять любой бензин — от А-80 до А-98.

Система двигателя Saab Variable Compression, в которой степень сжатия изменяется за счет отклонения верхней части блока цилиндров

Задачу подъема блока цилиндров в Saab решили так: блок был разделен на две части — верхнюю с головкой и гильзами цилиндров, и нижнюю, где остался коленвал. Одной стороной верхняя часть была связана с нижней через шарнир, а на другой был установлен механизм с электроприводом, который, как крышку у сундука, приподнимал верхнюю часть на угол до 4 градусов. Диапазон степени сжатия при поднимании — опускании мог гибко варьироваться от 8 до 14. Для герметизации подвижной и неподвижной частей служил эластичный резиновый кожух, который оказался одним из самых слабых мест конструкции, вместе с шарнирами и подъемным механизмом. После приобретения Saab корпорацией General Motors американцы закрыли проект.

Проект МСЕ-5 в котором применен механизм с рабочим и управляющим поршнями, связаными через зубчатое коромысло

На рубеже веков свою конструкцию мотора с изменяемой степенью сжатия предложили и французские инженеры компании MCE-5 Development S. A. Показанный ими турбированный 1.5-литровый мотор, в котором степень сжатия могла варьироваться от 7 до 18, развивал мощность 220 л. с. и крутящий момент 420 Нм. Конструкция тут довольно сложная. Шатун разделен и снабжен наверху (в части, устанавливаемой на коленвал) зубчатым коромыслом. К нему примыкает другая часть шатуна от поршня, оконечник которой имеет зубчатую рейку. С другой стороной коромысла связана рейка управляющего поршня, приводимого в действие через систему смазки двигателя посредством специальных клапанов, каналов и электропривода. Когда управляющий поршень перемещается, он воздействует на коромысло и высота поднятия рабочего поршня изменяется. Двигатель экспериментально обкатывался на Peugeot 407, но автопроизводитель не заинтересовался данной системой.

Теперь свое слово решили сказать конструкторы Infiniti, представив двигатель с технологией Variable Compression-Turbocharged (VC-T), позволяющей динамически изменять степень сжатия от 8 до 14. Японские инженеры применили траверсный механизм: сделали подвижное сочленение шатуна с его нижней шейкой, которую, в свою очередь, связали системой рычагов с приводом от электромотора. Получив команду от блока управления, электродвигатель перемещает тягу, система рычагов меняет положение, регулируя тем самым высоту подъема поршня и, соответственно, изменяя степень сжатия.

Конструкция системы Variable Compression у мотора Infiniti VC-T: а - поршень, b - шатун, с - траверса, d - коленвал, е - электродвигатель, f - промежуточный вал, g - тяга. 

За счет данной технологии двухлитровый бензиновый турбомотор Infiniti VC-T развивает мощность 270 л.с., оказываясь на 27% экономичнее других двухлитровых двигателей компании, имеющих постоянную степень сжатия. Японцы планируют запустить моторы VC-T в серийное производство в 2018 году, оснастив ими кроссовер QX50, а затем и другие модели.

Заметим, что именно экономичность выступает сейчас основной целью разработки моторов с изменяемой степенью сжатия. При современном развитии технологий наддува и впрыска, нагнать мощности в моторе для конструкторов не составляет больших проблем. Другой вопрос: сколько бензина в супернадутом двигателе будет вылетать в трубу? Для обычных серийных моторов показатели расхода могут оказаться неприемлемы, что и выступает ограничителем для надувания мощности. Японские конструкторы решили этот барьер преодолеть. Как считают в компании Infiniti, их бензиновый двигатель VC-T, способен выступить как альтернатива современным турбированным дизелям, показывая тот же расход топлива при лучших характеристиках по мощности и более низкой токсичности выхлопа.

Каков итог?

Работы над двигателями с изменяемой степенью сжатия ведутся уже не один десяток лет — этим направлением занимались конструкторы Ford, Mercedes-Benz, Nissan, Peugeot и Volkswagen. Инженерами исследовательских институтов и компаний по обе стороны Атлантики получены тысячи патентов. Но пока ни один такой мотор не пошел в серийное производство.

Не все гладко и у Infiniti. Как признаются сами разработчики мотора VC-T, у их детища пока остаются общие проблемы: возросла сложность и стоимость конструкции, не решены вопросы с вибрацией. Но японцы надеются доработать конструкцию и запустить ее в серийное производство. Если это произойдет, то будущим покупателям осталось только понять: сколько придется переплатить за новую технологию, насколько такой мотор будет надежен и сколько позволит экономить на топливе.

Изменение степени сжатия. Автотранспортные средства. Эксплуатация автомобилей. Электронная библиотека учебных материалов. Чертежи, пояснительные записки, методические указания, книги и др. Бесплатно!

Степень сжатия двигателя внутреннего сгорания тесно связана с к.п.д. В бензиновых двигателях степень сжатия ограничивается областью детонационного сгорания. Эти ограничения имеют особое значение для работы двигателя на полных нагрузках, в то время как на частичных нагрузках высокая степень сжатия не вызывает опасности детонации. Для увеличения мощности двигателя и повышения экономичности желательно снижать степень сжатия, однако если степень сжатия будет малой для всех диапазонов работы двигателя, это приведет к снижению мощности и увеличению расхода топлива на частичных нагрузках. При этом значения степени сжатия, как правило, выбираются намного ниже тех величин, при которых достигаются наиболее экономичные показатели работы двигателей. Заведомо ухудшая экономичность двигателей, это обстоятельство особенно сильно проявляется при работе на частичных нагрузках. Между тем, снижение наполнения цилиндров горючей смесью, увеличение относительного количества остаточных газов, уменьшение температуры деталей и т.п. создают возможности для повышения степени сжатия при частичных нагрузках с целью повышения экономичности двигателя и увеличения его мощности. Чтобы решить такую компромиссную задачу, разрабатываются варианты двигателей с изменяющейся степенью сжатия.

Повсеместное применение в конструкциях двигателей систем наддува сделало направление этой работы еще более актуальным. Дело в том, что при наддуве значительно увеличиваются механические и тепловые нагрузки на детали двигателя, в связи с чем их приходится усиливать, повышая массу всего двигателя в целом. При этом, как правило, срок службы деталей, работающих при более нагруженном режиме, сокращается, а надежность двигателя снижается. В случае перехода на переменную степень сжатия рабочий процесс в двигателе при наддуве можно организовать так, что за счет соответствующего снижения степени сжатия при любых давлениях наддува максимальные давления рабочего цикла (т. е. эффективность работы) будут оставаться неизменными или будут изменяться незначительно. При этом, несмотря на увеличение полезной работы за цикл, а, следовательно, и мощности двигателя, максимальные нагрузки на его детали могут не увеличиваться, что позволяет форсировать двигатели без внедрения изменений в их конструкцию.

Очень существенным для нормального протекания процесса сгорания в двигателе с изменяющейся степенью сжатия является правильный выбор формы камеры сгорания, обеспечивающей наиболее короткий путь распространения пламени. Изменение фронта распространения пламени должно быть очень оперативным, чтобы учитывать различные режимы работы двигателя при эксплуатации автомобиля. Учитывая применение дополнительных деталей в кривошипно-шатунном механизме, необходимо также разрабатывать системы с малым коэффициентом трения, чтобы не потерять преимуществ при применении изменяющейся степени сжатия.

Один из наиболее распространенных вариантов двигателя с изменяющейся степенью сжатия показан на рис. 1

Рисунок 1 — Схема двигателя с изменяющейся степенью сжатия:

1 – шатун; 2 – поршень; 3 – эксцентриковый вал; 4 — дополнительный шатун; 5 – шатунная шейка коленчатого вала; 6 – коромысло

На частичных нагрузках дополнительный шатун 4 занимает крайнее нижнее положение и поднимает зону рабочего хода поршня. Степень сжатия при этом максимальна. При высоких нагрузках эксцентрик на валу 3 поднимает ось верхней головки дополнительного шатуна 4. При этом увеличивается надпоршневой зазор и уменьшается степень сжатия.

В 2000 году в Женеве был представлен экспериментальный бензиновый двигатель фирмы SAAB с изменяемой степенью сжатия. Его уникальные особенности позволяют достигать мощности в 225 л.с. при рабочем объеме в 1,6 л. и сохранять расход топлива сравнимого с вдвое меньшим двигателем. Возможность бесшагового изменения рабочего объема позволяет двигателю работать на бензине, дизельном топливе или на спирте.

Цилиндры двигателя и головка блока выполнены как моноблок, т. е. единым блоком, а не раздельно как у обычных двигателей (рис. 2). Отдельный блок представляет собой также блок-картер и шатунно-поршневая группа. Моноблок может перемещаться в блок-картере. Левая сторона моноблока при этом опирается на расположенную в блоке ось 1, служащую шарниром, правая сторона может приподниматься или опускаться при помощи шатуна 3 управляемого эксцентриковым валом 4. Для герметизации моноблока и блок-картера предусмотрен гофрированный резиновый чехол 2.

Рисунок 2 — Двигатель с изменяющейся степенью сжатия SAAB:

1 – ось; 2 – резиновый чехол; 3 – шатун; 4 – эксцентриковый вал.

Степень сжатия изменяется при наклоне моноблока относительно блок-картера посредством гидропривода при неизменном ходе поршня. Отклонение моноблока от вертикали приводит к увеличению объема камеры сгорания, что вызывает снижение степени сжатия.

При уменьшении угла наклона степень сжатия повышается. Максимальная величина отклонения моноблока от вертикальной оси – 4%.

На минимальной частоте вращения коленчатого вал и сбросе подачи топлива, а также при малых нагрузках, моноблок занимает самое нижнее положение, в котором объем камеры сгорания минимален (степень сжатия – 14). Система наддува отключается, и воздух поступает в двигатель напрямую (рис. 3а).

Под нагрузкой, за счет поворота эксцентрикового вала, шатун отклоняет моноблок в сторону, и объем камеры сгорания увеличивается (степень сжатия – 8). При этом сцепление подключает нагнетатель, и воздух начинает поступать в двигатель под избыточным давлением (рис. 3б).

Рисунок 3 — Изменение подачи воздуха в двигатель SAAB при различных режимах:

а – на малой частоте вращения коленчатого вала; б – на нагрузочных режимах.

Оптимальная степень сжатия рассчитывается блоком управления электронной системы с учетом частоты вращения коленчатого вала, степени нагрузки, вида топлива и др. параметров.

В связи с необходимостью быстрого реагирования на изменение степени сжатия в данном двигателе пришлось отказаться от турбокомпрессора в пользу механического наддува с промежуточным охлаждением воздуха с максимальным давлением наддува 2,8 кгс/см2.

Расход топлива для разработанного двигателя на 30% меньше, чем у обычного двигателя такого же объема, а показатели по токсичности отработавших газов соответствуют действующим нормам.

Мощнее, экономичнее, безвреднее – Наука – Коммерсантъ

Последние 20 лет в автомобилестроении идет перманентная революция. Она распространяется на все детали — от колес до омывателя стекол. Но главное движение мысли инженеров направлено на двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

Речь пойдет о ДВС с переменной степенью сжатия. Сейчас существует один серийный автомобиль с подобной технологией — Infiniti QX50. Но и в России существует разработка, способная потягаться с японской. Российский ДВС с переменной степенью сжатия создали инженеры Научно-исследовательского автомобильного и автомоторного института, или, говоря бюрократическим языком, ГНЦ РФ ФГУП НАМИ. (Кстати, именно эта организация делает автомобили марки Aurus.) ДВС с переменной степенью сжатия НАМИ представил на конференции в Германии зимой 2019 года.

Степенью сжатия называется отношение поршня, находящегося в нижней точке, к поршню, находящемуся в верхней точке. Почти во всех автомобилях этот показатель — фиксированный и определяется таким образом, чтобы не допустить взрыва топливной смеси. Возможность динамически изменять степень сжатия позволяет значительно поднять КПД автомобиля. То есть при малых нагрузках степень сжатия может быть выше, а при больших, когда в камеру сгорания попадает много воздушно-бензиновой смеси и возможна опасная детонация, степень сжатия уменьшается. Вроде все просто.

Одними из первых, кто попытался воплотить технологию в жизнь, стали инженеры фирмы SAAB. В 2000 году на автосалоне в Женеве они представили инновационный двигатель с изменяемой степенью сжатия. Суть разработки заключалась в том, что цилиндры двигателя и головка блока выполнены как моноблок (у обычных двигателей они существуют раздельно). Таким же образом были объединены блок-картер и шатунно-поршневая группа. (Блок-картер — это не что иное, как корпус, который объединяет и скрепляет все детали двигателя.) Так вот, изменение степени сжатия происходило за счет наклона моноблока относительно блок-картера с помощью гидропривода при неизменном ходе поршня. За всеми этими сложными словами скрывается простая задумка: когда нужно уменьшить степень сжатия, моноблок отклоняется от вертикали, что приводит к увеличению объема камеры сгорания и, соответственно, к нужному результату. Для увеличения степени сжатия угол наклона моноблока нужно уменьшить, уменьшив тем самым объем камеры сгорания. Руководит процессом электронный блок управления, который рассчитывает оптимальный угол отклонения в зависимости от множества факторов, начиная от нагрузки и заканчивая типом топлива.

Шведский двигатель объемом 1,6 л выдавал мощность 225 л. с. Прекрасный результат! Но еще и расход топлива уменьшился на 30%. Более того, удалось добиться существенного снижения выброса вредных веществ, что крайне важно для Швеции, где к экологии относятся исключительно внимательно.

Примерно в то же время, когда на Женевском автосалоне был представлен инновационный двигатель, компания SAAB перешла в полную собственность General Motors. Постепенно проекты вроде этого стали сворачиваться, а в 2010 году GM избавилась от шведской марки. Теперь ее вовсе не существует — осталась втуне и перспективная разработка.

Похожую задумку пробовали воплотить и инженеры немецкой компании FEV Motorentechnik. Их двигатель с переменной степенью сжатия был представлен в том же 2000 году. Немцы тоже пытались добиться результата за счет изменения объема камеры сгорания, но только не за счет блока цилиндров, как сделала SAAB, а за счет управления высотой подъема коленвала. Опорные шейки коленвала размещались в эксцентричных муфтах (эксцентриком называется механизм, который преобразует вращательное движение в поступательное), а они приводились в действие электромотором через шестерни. Поворот эксцентриков заставлял подниматься или опускаться коленвал, что и меняло объем камеры сгорания. Разработка была использована в турбированном четырехцилиндровом двигателе Volkswagen объемом 1,8 л. Мотор развивал мощность до 218 л. с., но в серию не пошел (по неведомым причинам).

Возможно, идея ДВС с переменной степенью сжатия так и осталась бы идеей, если бы в 2017 году Infiniti не выпустила свой VC-Turbo.

Японцы пошли отличным от коллег путем и применили траверсный механизм: шатун соединен системой рычагов с приводом электромотора, который, в свою очередь, регулирует через систему рычагов свободу движения поршня, изменяя степень сжатия. Главный успех Infiniti — в том, что пока это единственный производитель, которому удалось довести разработку до серийного производства. VC-Turbo используется в автомобиле Infiniti QX50, японцам удалось вместить в двухлитровый турбированный агрегат 270 лошадиных сил, увеличив экономичность на 27% по сравнению с аналогичными двигателями.

Алексей Теренченко, кандидат технических наук, доцент, директор центра «Энергоустановки» НАМИ, объясняет, что основной целью российских конструкторов было добиться идеального сочетания механизмов для получения максимального диапазона степени сжатия при минимальных затратах энергии на управление. Руководствуясь этой целью, конструкторы пришли к выводу, что добиться такого сочетания проще всего благодаря траверсному механизму. В этом смысле решение схоже с Infiniti, но есть и различия.

«Рядные двигатели, как правило, изначально имеют непропорциональную форму – они высокие и узкие. А все конструкторы пытаются сделать так, чтобы двигатель в моторном отсеке занимал пропорциональные — в отношении высоты, ширины и длины — размеры. Для этого все вспомогательные агрегаты вешаются по бокам. В нашей конструкции траверс примыкает к цилиндрам и находится сбоку. Infiniti же поместила механизм снизу. С точки зрения габаритов решение не самое удачное,— рассказывает господин Теренченко.— Нашим конструкторам удалось добиться диапазона хода поршня от 7 до 14, это очень хороший результат».

Основная проблема, продолжает Алексей Теренченко,— в стоимости двигателя. ДВС с такой технологией под капотом машины неизбежно переводит ее в премиальный класс. Для Infiniti — премиальной марки — нормально. Российский же автопром к такому пока не готов. Условной Lada Vesta не нужен такой двигатель, да и покупатель не готов переплачивать за навороченную разработку. Так что технология лежит на полке и ждет своего часа из-за банальной неготовности рынка ее принять. То есть не технология не дотягивает до серийного производства, а наоборот.

Более того, как говорит господин Теренченко, проблема еще и в том, что у России нет таких жестких норм чистоты автомобильного выхлопа, как в Европе или в США, а такие нормы становятся дополнительным стимулом для внедрения технологии ДВС с переменной степенью сжатия. Патовая ситуация.

Кузьма Лебедев

Изменение степени сжатия и степень сжатия турбо двигателя.

Изменение степени сжатия и степень сжатия турбо двигателя.

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.

Что такое компрессия и степень сжатия

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.

Что такое степень сжатия?

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.

Таким образом, степень сжатия – это конструктивная характеристика двигателя, и она не меняется по мере его износа и старения. Степень сжатия не нужно «проверять» при покупке, а знать ее нужно в основном для того, чтобы знать, какой бензин лучше заливать в бак купленной машины.

Что такое компрессия?

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.

Как замеряют компрессию?

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.

Зачем измерять компрессию?

Замер компрессии позволяет оценить исправность и техническое состояние двигателя. Во-первых, после замера можно сравнить соответствие полученного результата заводским параметрам – то есть оценить компрессию в имеющемся двигателе по сравнению с новым. Во-вторых, низкий показатель компрессии означает наличие проблем с мотором, ведь он сигнализирует о том, что воздух «утекает» из камеры сгорания, а при работе мотора из нее будут прорываться раскаленные газы. Причин может быть довольно много: поршневые кольца, повреждения седел клапанов и самих клапанов, негерметичность прокладки ГБЦ и даже трещина в самом поршне. Ну а в-третьих, важна не только сама величина компрессии, но и ее равномерность во всех цилиндрах двигателя. Если компрессия в одном или нескольких цилиндрах ниже, чем в других, это говорит о неравномерном износе и наличии проблем.

Таким образом, замер компрессии – одна из простых, но эффективных методик оценки исправности и общего технического состояния двигателя. Он позволяет быстро отсеять заведомо «мертвые» моторы, имеющие проблемы с цилиндропоршевой группой, клапанами и так далее. Поэтому замер компрессии можно и нужно проводить при диагностике практически любого автомобиля перед покупкой.

Nissan разработала ДВС с изменяемой степенью сжатия / Хабр

Степень сжатия газообразной горючей смеси в цилиндре изменяется от 8:1 до 14:1

Двигатель VC-T. Изображение: Nissan

Японский автопроизводитель Nissan Motor представил новый тип бензинового двигателя внутреннего сгорания, который по некоторым параметрам превосходит продвинутые современные дизельные двигатели.

Новый двигатель Variable Compression-Turbo (VC-T) способен при необходимости изменять степень сжатия газообразной горючей смеси, то есть изменять шаг хода поршней в цилиндрах ДВС. Этот параметр обычно является фиксированным. Судя по всему, VC-T станет первым в мире ДВС с изменяемой степенью сжатия смеси.

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

Повышение степени сжатия в общем случае повышает его мощность и увеличивает КПД двигателя, то есть способствует снижению расхода топлива.

В обычных бензиновых двигателях степень сжатия обычно составляет от 8:1 до 10:1, а в спортивных машинах и гоночных болидах может достигать 12:1 или больше. При повышении степени сжатия двигатель нуждается в топливе с бóльшим октановым числом.

Двигатель VC-T. Изображение: Nissan

На иллюстрации показана разница в шаге поршней на разной степени сжатия: 14:1 (слева) и 8:1 (справа). В частности, демонстрируется механизм изменения степени сжатия от 14:1 к 8:1. Он происходит таким образом.

1. В случае необходимости изменить степень сжатия активируется модуль Harmonic Drive и сдвигает рычаг актуатора.
2. Рычаг актуатора поворачивает приводной вал (Control Shaft на схеме).
3. Когда приводной вал поворачивается, он изменяет угол наклона многорычажной подвески (Multi-link на схеме)
4. Многорычажная подвеска определяет высоту, на которую каждый поршень способен подняться в своём цилиндре. Таким образом, изменяется степень сжатия. Нижняя мёртвая точка поршня, судя по всему, остаётся прежней.

Конструкция запатентована Nissan (патент США № 6,505,582 от 14 июня 2003 года).

Изменение степени сжатия в ДВС можно в каком-то смысле сравнить с изменением угла атаки в винтах регулируемого шага — концепции, которая много десятилетий применяется в воздушных и гребных винтах. Изменяемый шаг винта позволяет поддерживать эффективность движителя близкой к оптимальной вне зависимости от скорости движения носителя в потоке.

Технология изменения степени сжатия ДВС даёт возможность сохранить мощность двигателя при соблюдении строгих нормативов к экономичности двигателя. Вероятно, это вообще самый реальный способ соблюсти эти нормативы. «Все сейчас работают над изменяемой степень сжатия и другими технологиями, чтобы значительно улучшить экономичность бензиновых двигателей, — говорит Джеймс Чао (James Chao), управляющий директор по Азиатско-Тихоокеанскому региону и консультант IHS, — По крайней мере последние двадцать лет или около того». Стоит упомянуть, что в 2000 году компания Saab показывала прототип такого двигателя Saab Variable Compression (SVC) для Saab 9-5, за который удостоилась ряда наград на технических выставках. Затем шведскую фирму купил концерн General Motors и прекратил работу над прототипом.

Двигатель Saab Variable Compression (SVC). Фото: Reedhawk

Двигатель VC-T обещают вывести на рынок в 2017 году с автомобилями марки Infiniti QX50. Официальная презентация назначена на 29 сентября на Парижском автосалоне. Этот двухлитровый четырёхцилиндровый двигатель будет обладать примерно такой же мощностью и крутящим моментом, что и 3,5-литровый двигатель V6, место которого займёт, но обеспечит экономию топлива 27%, по сравнению с ним.

Инженеры Nissan говорят также, что VC-T будет дешевле, чем современные продвинутые дизельные двигатели с турбонаддувом, и будет полностью соответствовать современным нормам на выбросы оксида азота и других выхлопных газов — такие правила действуют в Евросоюзе и некоторых других странах.

После Infiniti новыми двигателями планируется оснащать другие автомобили Nissan и, возможно, партнёрской компании Renault.

Двигатель VC-T. Изображение: Nissan

Можно предположить, что усложнённая конструкция ДВС в первое время вряд ли будет отличаться надёжностью. Есть смысл выждать несколько лет, прежде чем покупать автомобиль с двигателем VC-T, если только вы не хотите участвовать в тестировании экспериментальной технологии.

как работает двигатель с изменяемой степенью сжатия

Второе поколение кроссовера Infiniti QX50 получило кучу новшеств, самым важным из которых стал уникальный мотор — 2,0‑литровая «турбочетверка» VC-Turbo с изменяемой степенью сжатия.

Максим Федоров

Идея создания бензинового мотора, где степень сжатия в цилиндрах была бы величиной непостоянной, не нова. Так, при разгоне, когда требуется наибольшая отдача двигателя, можно на несколько секунд пожертвовать его экономичностью, уменьшив степень сжатия, — это позволит предотвратить детонацию, самопроизвольное возгорание топливной смеси, которое может возникнуть при высоких нагрузках. При равномерном движении степень сжатия, напротив, желательно повысить, чтобы добиться более эффективного сгорания топливной смеси и снижения расхода горючего — в этом случае нагрузка на мотор невелика и опасность возникновения детонации минимальна.

В общем, в теории все просто, однако реализовать эту идею на практике оказалось не так уж легко. И японские конструкторы стали первыми, кто сумел довести замысел до серийного образца.

Суть разработанной корпорацией Nissan технологии в том, чтобы, в зависимости от требуемой отдачи мотора, непрерывно изменять максимальную высоту подъема поршней (так называемую верхнюю мертвую точку — ВМТ), что в свою очередь приводит к уменьшению или росту степени сжатия в цилиндрах. Ключевой деталью этой системы является особое крепление шатунов, которые соединяются с коленчатым валом через подвижный блок коромысел. Блок в свою очередь связан с эксцентриковым управляющим валом и электромотором, который по команде электроники приводит этот хитрый механизм в движение, меняя наклон коромысел и положение ВМТ поршней во всех четырех цилиндрах одновременно. 

Разница степени сжатия в зависимости от положения ВМТ поршня. На левой картинке мотор находится в экономичном режиме, на правой — в режиме максимальной отдачи. A: когда требуется изменение степени сжатия, электромотор поворачивает и перемещает рычаг привода. B: приводной рычаг поворачивает управляющий вал. C: когда вал вращается, он действует на рычаг, связанный с коромыслом, изменяя угол наклона последнего. D: в зависимости от положения коромысла, ВМТ поршня поднимается или опускается, таким образом изменяя степень сжатия.

В результате при разгоне степень сжатия уменьшается до 8:1, после чего мотор переходит в экономичный режим работы со степенью сжатия 14:1. Его рабочий объем при этом меняется от 1997 до 1970 см³. «Турбочетверка» нового Infiniti QX50 развивает мощность 268 л. с. и крутящий момент в 380 Нм — ощутимо больше, чем 2,5‑литровый V6 предшественника (его показатели — 222 л. с. и 252 Нм), расходуя при этом на треть меньше бензина. Кроме того, VC-Turbo на 18 кг легче атмосферной «шестерки», занимает меньше места под капотом и достигает максимума крутящего момента в зоне более низких оборотов.

Кстати, система регулировки степени сжатия не только повышает эффективность работы мотора, но и снижает уровень вибраций. Благодаря коромыслам шатуны при рабочем ходе поршней занимают почти вертикальное положение, в то время как у обычных двигателей они ходят из стороны в сторону (из-за чего шатуны и получили свое название). В результате даже без уравновешивающих валов этот 4‑цилиндровый агрегат работает так же тихо и плавно, как V6.

Но изменяемое положение ВМТ при помощи сложной системы рычагов — не единственная особенность нового мотора. Меняя степень сжатия, этот агрегат также способен переключаться между двумя рабочими циклам: классическим Отто, по которому функционирует основная масса бензиновых двигателей, и циклом Аткинсона, встречающимся в основном у гибридов. В последнем случае (при высокой степени сжатия) из-за большего хода поршней рабочая смесь сильнее расширяется, сгорая с большей эффективностью, в результате растет КПД и снижается расход бензина.

Помимо двух рабочих циклов, этот мотор также использует две системы впрыска: классический распределенный MPI и непосредственный GDI, который повышает эффективность сгорания топлива и позволяет избежать детонации при высоких степенях сжатия. Обе системы работают попеременно, а при высоких нагрузках — одновременно. Положительный вклад в повышение КПД двигателя вносит и особое покрытие стенок цилиндров, которое наносится методом плазменного напыления, а затем закаливается и хонингуется. В результате получается ультрагладкая «зеркальная» поверхность, на 44 % уменьшающая трение поршневых колец.

Еще одна уникальная особенность мотора VC-Turbo — это интегрированная в его верхнюю опору система активного подавления вибраций Active Torque Road, основой которой является возвратно-поступательный актуатор. Эта система управляется датчиком ускорений, фиксирующим колебания двигателя и в ответ генерирует гасящие вибрации в противофазе. Активные опоры в Infiniti впервые использовали в 1998 году на дизельном моторе, но та система оказалась слишком громоздкой, поэтому не получила распространения. Проект пролежал под сукном до 2009 года, пока японские инженеры не взялись за его усовершенствование. На то, чтобы решить проблему избыточного веса и размеров гасителя колебаний, ушло еще 8 лет. Но результат впечатляет: благодаря ATR 4‑цилиндровый агрегат нового Infiniti QX50 работает на 9 дБ тише, чем V6 его предшественника!

Хочу получать самые интересные статьи

Вот что на самом деле означает «степень сжатия» и почему это имеет значение

Новый двигатель Toyota с высокой степенью сжатия «Dynamic Force». Графика: Toyota / Raphael Orlove

Вы слышали термин «степень сжатия» раньше, но задумывались ли вы, что именно он означает? Что ж, пора объяснить, что такое степень сжатия, и почему каждый автопроизводитель сейчас одержим ею, как будто это Святой Грааль.

Степень сжатия, надо признать, сложнее, чем кажется на первый взгляд. Не помогает то, что это один из тех терминов, которые вы слышите на автосалонах и в пресс-релизах без серьезных объяснений.Это одна из тех вещей, которые вы в большинстве своем пытаетесь понять, пытаясь произвести впечатление на артиста-трапеции, которого вы встретили в цирке на прошлых выходных.

Мы знаем, что высокая степень сжатия — это хорошо, а низкая — плохо. Мы знаем, что новый двигатель Mazda Skyactiv-X «Holy Grail» отличается высокой степенью сжатия, наряду с «дизельным убийцей» Infiniti и серией Toyota «Dynamic Force», которые рекламируют большую мощность при большей эффективности.

Мы живем в эпоху, когда инженеры не могут просто увеличить мощность двигателя, сделав его больше. Изменение степени сжатия двигателя становится обычным делом.

G / O Media может получить комиссию

(Кстати, если вы читаете это и фыркаете, потому что уже знаете, что такое степень сжатия, хорошо для вас! Не все остальные.)

What Defines Степень сжатия невероятно проста

Степень сжатия — это именно то, на что она похожа — степень, при которой вы сжимаете максимальный объем цилиндра в минимальный объем цилиндра. Это объем цилиндра, когда поршень полностью опущен по сравнению с полностью вверху.Написано и сказано в виде отношения. Например, для двигателя со степенью сжатия 9: 1 вы бы сказали, что это «девять к одному».

Скриншот: ВСЕ О ДВИГАТЕЛЯХ (YouTube)

А теперь представьте себе цилиндр в своей голове. Поршень движется вверх и вниз внутри этого цилиндра. Когда поршень находится в самой нижней точке, это называется нижней мертвой точкой. Вот где объем цилиндра наибольший. Когда поршень находится в самой высокой точке цилиндра, это называется верхней мертвой точкой, и именно здесь объем цилиндра наименьший. Из сравнения этих двух объемов и берется ваше соотношение.

Если вы такой же наглядный ученик, как я, вам понравится этот созданный мной GIF, показывающий, как работает четырехтактный двигатель. Видите, как поршень движется вверх во время такта сжатия? Это весь воздух и топливо сжимаются в цилиндре. Если двигатель имеет высокую степень сжатия, это означает, что данный объем воздуха и топлива в цилиндре сжимается в гораздо меньшее пространство, чем двигатель с более низкой степенью сжатия.

А теперь пример с простой математикой, мой любимый вид.

Представьте, что у вас двигатель, объем цилиндра и камеры сгорания которого составляет 10 см3, когда поршень находится в нижней мертвой точке. После того, как впускной клапан закрывается и поршень поднимается вверх во время такта сжатия, он сжимает топливно-воздушную смесь в объеме одного кубического сантиметра. Этот двигатель имеет степень сжатия 10: 1.

Вот и все! Это степень сжатия. Общий рабочий объем плюс сжатый объем (включая объем головки блока цилиндров и все, что находится выше, где поршень «движется») в только сжатый объем .

Почему лучше — это сложно

Но понимание , что такое степень сжатия , менее важно, чем понимание , почему нам это важно, или почему высокое сжатие является таким стремлением.

Лучшее объяснение, которое я получил в этом, было от моего коллеги и инженера Дэвида Трейси, который затем обратился за помощью к другим инженерам и профессорам. Лучший ответ из них дал доктор Энди Рэндольф, технический директор ECR Engines. Он проводит исследования трансмиссии для NASCAR, и его объяснение предельно ясно:

С точки зрения непрофессионала, мощность двигателя генерируется, когда сгорание оказывает на поршень силу и толкает его вниз по цилиндру во время такта расширения.

Чем выше поршень находится в канале ствола в момент начала сгорания, тем большее усилие будет приложено.

По мере увеличения степени сжатия поршень перемещается выше в отверстии в верхней мертвой точке, следовательно, появляется дополнительная сила для хода расширения (дополнительная сила для того же количества топлива равняется более высокой эффективности).

Теперь мы на самом деле нужно больше понимать о , почему в дополнение к , как , и это означает, что нам придется рискнуть в области термодинамики.

Суть всего этого в том, что более высокая степень сжатия означает, что двигатель получает больше работы от того же количества топлива. Это хорошо для энергии, а также миль на галлон.

Чтобы объяснить, почему более высокая степень сжатия дает лучшую эффективность, мы не собираемся слишком углубляться в термодинамику, но, черт возьми, давайте просто окунем кончики пальцев ног. Это здорово и полезно для души.

Более высокое сжатие означает больше работы, но больше давления

На изображении выше показана диаграмма «давление-объем» для идеального и типичного бензинового двигателя.Он визуально показывает, что происходит в вашем двигателе, когда он сжигает бензин.

На схеме выше нижняя кривая 1-2 показывает ход сжатия.

Строка 2-3 показывает горение.

Верхняя кривая 3-4 показывает ход расширения.

А линия 4-1 показывает отвод тепла при открытии выпускного клапана.

Чтобы быть более техническим, на диаграмме кривая 1-2 показывает ход сжатия, в котором давление (ось y) увеличивается, а объем (ось x) падает, когда поршень действительно воздействует на газ, сжимая его.Строка 2-3 показывает тепло, выделяющееся при сгорании, быстро увеличивая давление и температуру газа. Кривая 3-4 показывает увеличение объема и падение давления, когда газ действует на поршень во время такта расширения. Линия 4-1 показывает отвод тепла от газа в окружающую среду по мере того, как давление возвращается к окружающему при открытии выпускного клапана. Наконец, плоская линия 1-5 внизу представляет такт выпуска и возврат поршня в верхнюю мертвую точку в конце.

Область внутри этих 1-2-3-4 строк показывает, сколько работы проделано двигателем.Более высокая степень сжатия означает, что две вертикальные линии на графике будут двигаться влево и вверх, оставляя больше области в пределах, чем при более низкой степени сжатия, и, таким образом, работа выполняется. Но, как вы можете видеть на этой диаграмме, вы столкнетесь с более высоким давлением. Другими словами, вы получите больше механической работы от двигателя с высокой степенью сжатия. Вы будете получать большее давление в цилиндре и на поршне из-за подводимого тепла от сгорания.

Более высокое сжатие также означает больший тепловой КПД.

Иллюстрация: MIT

. Также важно отметить, что тепловложение и тепловые потери во время цикла вашего двигателя связаны с КПД как функцией степени сжатия.Все это работает по двум идеям. Во-первых, любая тепловая энергия, поступающая в систему, должна быть преобразована либо в механическую работу, либо в отходящее тепло. Во-вторых, тепловой КПД — это просто результат работы, деленный на подводимое тепло. Итак, вы можете вывести взаимосвязь между термическим КПД и степенью сжатия, как MIT, построенное на его веб-странице и показанное выше. Уравнение здесь (nu — термический КПД, r — степень сжатия, а гамма — свойство жидкости) :

Когда вы даете двигателю определенного рабочего объема более высокую степень сжатия, вы эффективно перемещаете фотоэлектрическую диаграмму вверх и влево, и увеличивают тепловложение (Qh на диаграмме) больше, чем тепловые потери (Ql). Другими словами, вы переводите больше входящей энергии в работу. Вот Джейсон Фенске из Engineering Explained , разбирающий взаимосвязь между степенью сжатия, теплопередачей и эффективностью:

В любом случае, дело в том, что термодинамика диктует, что термический КПД возрастает с увеличением степени сжатия, как вы можете видеть из этого графика и уравнения. над. А это означает больше лошадиных сил, лучшую экономию топлива, более тяжелые кошельки и более широкие улыбки. Управляйте любым вялым, хрипящим, всасывающим газ, старым американским V8 с низким уровнем сжатия, и вы поймете, о чем я.

Степень сжатия также делает такие двигатели, как двигатель Mazda Skyactiv-G, такими эффективными. Mazda, первая из серии новых двигателей с высоким и переменным сжатием от Mazda, Nissan / Infiniti и Toyota, на данный момент имеет самую высокую степень сжатия в отрасли — 14: 1, поэтому она может справляться с высоким расходом топлива. показатели экономичности и мощности даже без турбонагнетателя.

Почему более высокое сжатие означает более высокое октановое число

Почему не все просто используют высокие степени сжатия? Что ж, высокая степень сжатия — вот почему многим двигателям требуется топливо премиум-класса или высокооктановый бензин.Октановое число, как указано в статье How Stuff Works , является мерой способности бензина противостоять детонации.

По сравнению с газом с высоким октановым числом бензин с низким октановым числом более склонен к самовоспламенению из-за высоких температур и давления наддува. По сути, вам нужен газ, который воспламеняется, когда вы этого хотите, а не тот, который воспламеняется, когда вы, , этого не хотите, . Такое неконтролируемое горение называется детонацией.Стук — это плохо; он снижает крутящий момент и может нанести непоправимый ущерб вашему двигателю.

Высокая степень сжатия увеличивает риск детонации, поэтому в двигателях с очень высокой степенью сжатия используется высокооктановый гоночный газ или (что сейчас чаще) E85. При сжатии газы склонны нагреваться, поэтому повышенная плотность тепла может привести к преждевременному сгоранию топлива до того, как свеча зажигания воспламенит его. Повторяю: это плохо.

Mazda пришлось проделать большую работу с поршнем и конструкцией выхлопной системы, чтобы уменьшить детонацию в двигателе 14: 1, работающем на газовом насосе.Поршни в двигателе Skyactiv-X, например, имеют полость посередине, чтобы Mazda могла выстрелить потоком богатого топлива вокруг свечи зажигания в обедненной смеси, и, да, есть причина, по которой это не было Технология не проста в разработке.

Что еще интересно, так это то, что вы не можете просто сделать двигатель с такой высокой степенью сжатия, как вы хотите. Я обратился к Джону Хойенге, владельцу производственного выхлопа и раллийного магазина Nameless Performance, чтобы поговорить о рисках и преимуществах высокой компрессии.

Джон строит раллийный автомобиль Nissan 240SX, на который он меняет четырехцилиндровый SR20VE, который в настоящее время развивает около 250 лошадиных сил на колесах всего из 2,0 литров. Как ни странно, это без турбо. Все, что Джон должен поблагодарить, — это очень высокая степень сжатия 14,5: 1. «Сжатие выполняет больше работы, — пояснил он, — поэтому тем больше мощности [двигатель] будет производить без наддува».

При этом, поскольку это гоночный двигатель, он использует гоночный бензин или E85 с очень высоким октановым числом.Джон сказал, что при степени сжатия выше 14,5: 1 возникает риск самовоспламенения, а также может вылететь шток или раскрутить подшипник. Это то, что небрежно называют «взрывом».

Есть предел тому, насколько высоко вы можете подняться

Я спросил, почему мы не видим, что люди не бегают с двигателями, которые имеют значительно более высокую степень сжатия, чем все, что мы видим сегодня. Неприлично завышенные соотношения, вроде 60: 1. Джон рассмеялся. Он объяснил, что металл просто не может выдерживать такие высокие уровни напряжения, а такая степень сжатия приведет к тому, что вещи будут настолько горячими, что они взорвут любой двигатель.

Конечно, не все из нас строят гоночные автомобили с гоночными двигателями, поэтому об изменении степени сжатия нам не о чем беспокоиться. Но мы случайные владельцы автомобилей и энтузиасты квазидвигателей, так что это было объяснением того, что означает степень сжатия и почему это важно. Вам больше не нужно подделывать это, теперь вы знаете, что это такое.

А теперь иди, найди того художника по трапеции и расскажи ему, что ты чувствуешь!

Теория степени сжатия и ее расчет в Powersports

Покупаете ли вы поршни для мотоцикла, квадроцикла или UTV, вы, скорее всего, увидите варианты с разными степенями сжатия.При разработке поршней для различных степеней сжатия учитывается множество факторов. Здесь мы рассмотрим, как рассчитывается степень сжатия и как она может повлиять на ваш двигатель и требования к топливу для гонок.

Формула проста — сжатие создает мощность, и иногда теория «чем больше, тем лучше» имеет свои достоинства. Но прежде чем мы начнем слепо оценивать степени сжатия, лучше узнать больше о том, как этого добиться. Степень сжатия для любого двигателя или отдельного цилиндра определяется как отношение между рабочим объемом цилиндра с поршнем в нижней мертвой точке (НМТ) и объемом с поршнем в верхней мертвой точке (ВМТ).Если, например, отношение объема НМТ в 13 раз больше, чем объем в ВМТ, то степень сжатия составляет 13: 1.

Степень сжатия — это соотношение между рабочим объемом цилиндра с поршнем в нижней мертвой точке и рабочим объемом цилиндра с поршнем в верхней мертвой точке.

Степень сжатия играет важную роль в создании мощности, поскольку именно сжатие топливовоздушной смеси усиливает процесс сгорания и создает мощность.Конечно, более высокая степень сжатия также предъявляет более высокие требования к октановому числу топлива, поэтому важно иметь это в виду. В качестве примера мы будем использовать одноцилиндровые двигатели для внедорожников. Степень сжатия серийных двигателей для внедорожников с годами увеличилась до нынешних диапазонов от 12,5: 1 до 13,5: 1, при этом они все еще способны сжигать бензин премиум-класса с октановым числом 91/93. Это достигается за счет улучшенной конструкции камеры сгорания, а также превосходного управления соотношением воздух-топливо за счет электронного впрыска топлива (EFI).

Как рассчитывается степень сжатия?

Было бы неплохо проверить, как рассчитывается сжатие. Это вопрос разбивки на ряд небольших участков, для которых необходимо рассчитать их индивидуальные объемы. Затем эти меньшие объемы можно сложить вместе, чтобы получить общий очищенный объем. Например, площадь верхней части поршня в ВМТ должна учитывать отдельные объемы камеры, верхнюю часть поршня (конструкцию головки), прокладку головки и высоту поршня над или под декой поршня. цилиндр.

Щелкните здесь, чтобы узнать, как рассчитать сжатие и смещение для автомобильных двигателей.

Объем цилиндра

Вычисление объема цилиндра с помощью Pi x в квадрате радиуса x хода дает вам только объем цилиндра. На фото одноцилиндровый мотоцикл 250F.

Нашим первым шагом является определение объема цилиндра на основе диаметра и хода. Если вы помните из школьной геометрии, Объем цилиндра = Pi x радиус в квадрате x высота (в данном случае, ход).Диаметр цилиндра 77 мм и ход поршня 53,6 мм создают цилиндр объемом 249 см3. Это просто цилиндр.

Далее нам нужно узнать объем камеры сгорания. Самый простой способ измерить это — с помощью градуированного цилиндра или бюретки. Большинство бюреток имеют градуировку в миллилитрах, а один миллилитр равен одному кубическому сантиметру (куб.см), так что пусть вас это не сбивает. Объем камеры напрямую влияет на степень сжатия, поэтому его измерение важно для точности.Квадратная крышка из плексигласа, запечатанная смазкой, с просверленным в ней небольшим отверстием, позволяющим заполнить камеру медицинским спиртом, смешанным с небольшим количеством пищевого красителя, хорошо работает в качестве измерительной жидкости.

В приведенном ниже примере мы используем головку блока цилиндров автомобиля, но тот же процесс может быть проделан для одно- или многоцилиндровых двигателей мотоциклов.

Уплотнение крышки из оргстекла над камерой сгорания консистентной смазкой позволит вам заполнить камеру сгорания медицинским спиртом.Вы можете использовать электронный измерительный инструмент (показанный здесь), чтобы определить объем жидкости, или вы можете рассчитать его вручную с помощью градуированного цилиндра (показанного ниже). Убедитесь, что камера сгорания заполнена полностью, без пузырьков воздуха, чтобы получить точное измерение.

Объем поршня

Также необходимо измерить объем поршня. Это важно, поскольку поршень редко бывает идеально плоским. Если бы это было так, номер объема поршня был бы по существу 0 или таким, который не складывал бы и не вычитал из степени сжатия.Однако большинство верхних частей поршней содержат некоторую комбинацию предохранительных клапанов, тарелку или форму купола, которые составляют заданный объем. Допустим, этот поршень имеет небольшой купол, но также включает предохранительный клапан поршня. Для достижения точной степени сжатия необходимо рассчитать общий объем купола поршня. Этот объем должен быть у производителя поршня, когда он вам понадобится. JE Pistons фиксирует эту информацию для каждой конструкции поршня.

Имейте в виду, что даже незначительные изменения могут иметь прямое влияние на сжатие.Например, увеличение диаметра отверстия даже всего на 2 мм — например, с 96 до 98 мм — без каких-либо других изменений в поршне, приведет к увеличению степени сжатия 13,58: 1 до 14,05: 1 просто потому, что площадь поршня теперь равна больше.

Объем купола также учитывает так называемый объем щели, или крошечный объем, находящийся между верхним краем поршня над контактной площадкой кольца и стенкой цилиндра. Это измерение наиболее важно выполнить, если поршень был модифицирован для увеличения зазора сброса клапана или если были выполнены другие модификации верхней части поршня.

Этот объем очень мал, но это то, что JE принимает во внимание при вычислении сжатия, чтобы обеспечить высокую точность.

Объем щели — это небольшой промежуток между верхним, внешним краем поршня (над верхним кольцом) и цилиндром. Вы можете увидеть это небольшое пространство на картинке выше.

Прокладка головки

Толщина прокладки головки также влияет на сжатие, так как это также создает объем, который необходимо включить в расчет.Толстая прокладка головки существенно увеличивает объем камеры, а более тонкая — уменьшает его. Расчет объема такой же, как и для цилиндра, только очень короткий. Чаще всего внутренний диаметр прокладки круглый, поэтому рассчитать объем довольно просто: Объем = Pi x квадрат радиуса x высота.

Высота платформы

Также необходимо учитывать высоту платформы. Если поршень в ВМТ находится ниже уровня цилиндра, этот объем добавляется к объему камеры сгорания, уменьшая степень сжатия.Если верхняя часть поршня превышает верхнюю часть цилиндра на заданную величину, этот объем необходимо вычесть из объема камеры сгорания, что увеличит степень сжатия. Это положение поршня также напрямую влияет на зазор между поршнем и головкой, поэтому внимательно следите за ним, чтобы не выходить за пределы спецификации.

Высота деки означает положение поршня по отношению к верхней части цилиндра (деки) в ВМТ. В изображенном здесь поршне / цилиндре купол поршня находится над декой, когда поршень находится в ВМТ, поэтому этот объем купола поршня необходимо вычесть из объема камеры сгорания.Таким образом поршни с высокой степенью сжатия, такие как этот, достигают более высоких степеней сжатия.

После того, как все эти размеры определены, мы можем выполнить простую математику деления объема цилиндра с поршнем в нижней части его хода на объем цилиндра с поршнем в верхней части его хода. Мы включили всю математическую формулу здесь, внизу этой страницы, но она слишком длинная и сложная, и на самом деле нет причин повторять все это, если вы действительно не любите длинные вычисления! Более простой вариант — использовать один из множества бесплатных онлайн-калькуляторов степени сжатия.

Использование программы расчета степени сжатия сэкономит много времени и избавит от ненужных хлопот при выполнении вычислений вручную. Эти цифры приведены только для примера.

Нам нравится версия, предлагаемая на сайте Performance Trends (Performancetrends.com), поскольку она проста в использовании и может быть загружена бесплатно. Вводимые данные в этой программе можно даже изменить с английского на метрические, если вы предпочитаете, и вводимые данные настолько просты, что вы можете попробовать десятки различных комбинаций, чтобы удовлетворить свое любопытство.

Важно отметить, что, хотя сжатие действительно играет важную роль в повышении мощности, добавление сжатия не является чисто линейным предложением. Общепринятая мера для добавления сжатия состоит в том, что одна полная точка сжатия может добавить от 3 до 4 процентов мощности. Итак, если двигатель развивает мощность 50 лошадиных сил, и мы добавляем полную точку сжатия (например, от 11 до 12: 1), это потенциально может увеличить мощность до 51,5 лошадиных сил. Однако с нынешними коэффициентами сжатия гоночных двигателей уже на уровне 13: 1, добавление полной точки сжатия не обязательно может добавить полные три процента, поскольку закон убывающей отдачи играет роль с коэффициентами, близкими к 14: 1 или выше.Положительный прирост все равно будет, но он, скорее всего, не будет таким большим, как, например, от 9: 1 до 10: 1.

На фото показаны 3 поршня JE с различной степенью сжатия для одного и того же двигателя YXZ1000. CR включают 9,5: 1 (уменьшение сжатия для турбо-приложений), 11,5: 1 (стандартное сжатие) и 12,5: 1 (высокое сжатие). Обратите внимание, что максимальная компрессия имеет самый высокий купол, занимающий больше объема камеры сгорания. Поршень 9,5: 1 — наоборот. Другой пример — поршни CRF450R JE 2017-18 годов выпуска.Шток компрессионного поршня 13,5: 1 (справа) имеет очень плоский купол, не занимающий лишнего объема в камере сгорания. Поршень 14,5: 1 (слева) имеет более высокий купол для уменьшения объема камеры сгорания, когда поршень находится в ВМТ.

Щелкните здесь, чтобы узнать больше о наших поршнях серии Pro.

Следует использовать гоночный газ?

Поскольку большинство новых двигателей мотоциклов теперь имеют статическую степень сжатия 13: 1, эти двигатели используют очень точно настроенные комбинации, позволяющие им работать на бензиновом насосе с октановым числом от 91 до 93.Часто задают вопрос: принесет ли гоночный бензин пользу? Есть несколько факторов, влияющих на гоночный бензин, которые выходят далеко за рамки простого увеличения октанового числа. Многие гонщики считают, что добавление октана также добавит мощности. Хотя это может быть правдой, ответы бывает трудно расшифровать.

Октан сам по себе не является функцией топлива, которое увеличивает мощность. Октан добавляется в топливо для предотвращения детонации. Если двигатель страдает от детонации или детонации из-за использования бензина более низкого качества, добавление октанового числа восстановит эту мощность. И наоборот, добавление топлива с более высоким октановым числом в двигатель, не имеющий проблем с детонацией, не приведет к дополнительной мощности. Более распространенная ситуация заключается в том, что добавление октанового числа сверх требований двигателя обычно приводит к менее эффективному процессу сгорания, который не увеличивает мощность. В определенных ситуациях использование слишком большого октанового числа может привести к небольшой потере мощности! Вот где теория «больше — лучше» не проходит проверку.

Как и любая другая система в гоночном двигателе, правильная комбинация компонентов и топлива может привести к повышению мощности.Например, гоночный бензин часто смешивают с оксигенатами, которые имеют эффект обеднения / изменения стехиометрического (или химически правильного) отношения воздух-топливо. Часто за увеличение мощности отвечают именно эти добавки, а не октановое число. Эксперименты с топливом с разным процентным содержанием оксигенатов могут сильно повлиять на фактическое соотношение воздух-топливо. Это входит в сложную историю о стехиометрическом соотношении воздух-топливо, которая выходит за рамки этой истории, но это важный вопрос, о котором нужно знать, прежде чем пытаться индивидуально смешивать гоночный бензин.

Сжатие может быть простым способом повысить мощность, но вам нужно быть в курсе, когда дело доходит до выбора правильных частей. Пропуск чисел через программу сжатия, вероятно, самый простой способ убедиться, что числа не выйдут из-под контроля.

Пример расчета степени сжатия

Знаете ли вы ?: Степень сжатия | Автомобильные новости

Что такое степень сжатия?

Каждый двигатель имеет определенную степень сжатия.Топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндре для создания воспламенения, сила которого зависит от степени сжатия: объема цилиндра, когда поршень находится в нижней части своего хода, по сравнению с объемом цилиндра, когда поршень в верхней части штриха. Кстати, вы должны знать, что под рабочим объемом двигателя понимается полная мощность всех поршней в течение полного цикла.

Воспламенение происходит, когда поршень находится в верхней части своего хода, то есть в верхней части цилиндра (также известной как головка цилиндра), который образует камеру сгорания.Оставшийся объем топливовоздушной смеси внутри камеры сгорания позволяет пропорционально определять степень сжатия.

Степень сжатия обычно составляет от 8: 1 до 10: 1. Более высокая степень сжатия — скажем, от 12: 1 до 14: 1 — означает более высокую эффективность сгорания.

Фото: Себастьян Д’Амур

Преимущества
Более высокие степени сжатия и эффективность сгорания означают большую мощность при меньшем количестве топлива и меньшем количестве выхлопных газов.С другой стороны, более сильные воспламенения усиливают нагрев, трение и износ, что затрудняет работу внутренних компонентов двигателя. Автопроизводителям необходимо найти правильный компромисс.

Рассмотрим, например, технологию Mazda SKYACTIV. Инженеры переработали внутренние компоненты, чтобы увеличить ход поршня, чтобы обеспечить более высокую степень сжатия. При этом водителям, которые хотят воспользоваться этим, абсолютно необходимо использовать бензин премиум-класса (бензин с более высоким октановым числом).

Двигатели с наддувом и дизельные двигатели
Двигатели без наддува могут иметь более высокую степень сжатия, чем двигатели с наддувом (с наддувом или с турбонаддувом).Например, в двигателе с турбонаддувом воздух, поступающий в камеру сгорания, уже находится под давлением, поэтому степень сжатия должна быть немного ниже, чтобы избежать чрезмерной нагрузки на компоненты. Двигатели с наддувом обычно имеют степень сжатия от 8: 1 до 8,5: 1.

Однако, что касается дизельных двигателей, отсутствие свечей зажигания требует более высокой степени сжатия — примерно от 14: 1 до 22: 1. Они используют горячий воздух для испарения, а затем воспламенения топлива.

Марки топлива
Чем больше сжатие и тепло может выдержать топливо перед воспламенением, тем выше октановое число (87, 91, 94 и т. Д.)) и более высокой марки топлива (обычное, премиум и т. д.).

Как я уже сказал; более высокая степень сжатия означает больше тепла внутри двигателя. Топливо с более высоким октановым числом может выдерживать большее повышение температуры и менее подвержено преждевременному воспламенению или преждевременному воспламенению, также известному как детонация двигателя. Это явление изменяет ход поршня и может привести к серьезному повреждению двигателя.

Какая связь между степенью сжатия и экономией топлива?

Как мы узнали на предыдущей странице, статическая компрессия двигателя измеряется, когда впускной клапан двигателя полностью закрыт.Однако в реальной эксплуатации этого почти никогда не происходит. Двигатель работает так быстро, что может потребоваться повторное открытие впускного клапана до того, как поршень завершит свой полный ход вверх и вниз. Когда это происходит, часть давления внутри цилиндра падает, что снижает эффективность. По сути, здесь больше места для воздуха, поэтому двигатель теряет часть мощности из-за сгорания топлива и воздуха.

Динамическая степень сжатия учитывает движение впускного клапана.Инженеры могут настроить двигатель так, чтобы впускной клапан закрывался раньше, что помогает нарастить давление в цилиндре. Двигатель также можно настроить так, чтобы клапан закрывался позже, но это позволяет выпустить немного воздуха и снизить эффективность использования топлива двигателем.

Вычислить динамическую степень сжатия на самом деле довольно сложно. Для этого вы используете длину хода и длину шатуна, чтобы определить положение поршня, когда клапан полностью закрыт.Поскольку это соотношение обнаруживается, когда поршень находится в середине своего хода, оно всегда ниже, чем степень статического сжатия. Как и при статическом сжатии, более высокая степень сжатия означает более эффективное использование топлива и лучшую экономию топлива.

Сегодняшние высокоэффективные двигатели на многих современных автомобилях во многом обязаны своей экономией топлива своей высокой степени сжатия. Но у двигателя с высокой степенью сжатия есть и недостатки. Чтобы он работал безупречно, вам нужно использовать высокооктановый газ, который дороже, чем обычный неэтилированный газ.Если вы откажетесь от премиального газа, со временем в двигателе может появиться детонация. Детонация двигателя . — это когда сгорание топлива и воздуха не происходит в оптимальное время хода поршня. Использование низкооктанового топлива в двигателе с высокой степенью сжатия может повысить вероятность детонации двигателя, поэтому, если вы получаете новый экономичный автомобиль с высокой степенью сжатия, убедитесь, что вы используете тип газа, рекомендованный в руководстве пользователя, чтобы получить большинство из этого.

Ищете дополнительную информацию о степени сжатия двигателя и экономии топлива? Просто перейдите по ссылкам на следующей странице.

Performance Tech | Степень сжатия 101 Деталь: 2

O Шестерни похожи на придурков, и они есть у каждого. Посмотрите на форум , блог, учетную запись Instagram или YouTube, и вы найдете ряд «разработчиков двигателей», которые делятся своими мыслями и чувствами по поводу наилучшей степени сжатия для конкретного движка или приложения. Если вы уберете что-то большее, кроме того, что у человека, который нашел время, чтобы опубликовать этот контент, был такой же засранец, как я, есть 98-процентная вероятность, что вас обманули.Чтобы вас не обманули, вам нужно потратить время, чтобы понять последствия повышения или понижения степени сжатия двигателя. Эти эффекты не имеют ничего общего с чувствами или эмоциями. Напротив, эти эффекты коренятся в науке. Помимо понимания эффектов повышения или понижения степени сжатия двигателя, вам также необходимо понимать, как октановое число топлива, процентное содержание алкоголя, тип впрыска топлива (порт или прямой), уровни наддува и типы вождения будут влиять на выбор идеального сжатия. соотношение для вашего приложения.

Майкл Феррара

---

Вот кое-что, что может вас удивить. Исходная степень сжатия OEM вашего двигателя является идеальной степенью сжатия для двигателя. Конечно, нам нужно определить, что подразумевается под «идеальным». Степень сжатия OEM идеальна для минимального рекомендованного октанового числа бензина, для заводских уровней выходной мощности, для заводских уровней наддува, для соответствия требованиям по выбросам и для режима движения, который, по мнению производителя, будет использоваться.Производитель оригинального оборудования выбирает степень сжатия, которая достаточно высока для обеспечения наивысшего теплового КПД, но при этом достаточно низкая, чтобы не вызывать детонацию (детонацию) в наихудших условиях. Эти наихудшие условия могут возникнуть при чрезмерном накоплении углерода в двигателе с большим пробегом. Даже в этих условиях заводская степень сжатия не была бы слишком высокой.

Хотя степень сжатия OEM очень хорошо работает для двигателя OEM в условиях OEM с предполагаемым использованием OEM, существует вероятность, что степень сжатия OEM может не быть идеальной степенью сжатия для максимальной производительности в вашем приложении. То, что вы кормите свой двигатель, напрямую влияет на идеальную степень сжатия. И октановое число топлива, и содержание спирта будут влиять на идеальную степень сжатия. Топливо с более высоким октановым числом и топливо с более высоким содержанием спирта позволят использовать более высокие степени сжатия. Прямой впрыск также позволяет работать с более высокими степенями сжатия. К сожалению, возможность использовать более высокую степень сжатия не означает, что это идеальная степень сжатия. Это еще не все. Установленные уровни усиления также будут влиять на идеальную степень сжатия.По мере увеличения уровней усиления идеальная степень сжатия для пиковой мощности будет уменьшаться. Позже мы рассмотрим это более подробно, но важно помнить, что увеличение давления наддува снижает идеальную степень сжатия. Наконец, тип гонок и / или вождения, которым будет подвергаться двигатель, также влияет на идеальную степень сжатия. В гоночных сериях, где снижение расхода топлива дает конкурентное преимущество, использование более высокой степени сжатия, которая жертвует некоторой мощностью при более высоких уровнях наддува, но обеспечивает лучшую экономию топлива, может быть лучшим решением. Современные двигатели IndyCar являются хорошими примерами двигателей с принудительной индукцией и высокой степенью сжатия. В зависимости от типа курса, наддув ограничен между 19 и 21,7 фунтами на квадратный дюйм с наддувом от нажатия к проходу до 24 фунтов на квадратный дюйм. Хотя ни один производитель не сообщает фактическую степень сжатия своего двигателя IndyCar, ожидаемый диапазон степени сжатия для этих двигателей составляет от 11,5 до 12,5: 1, согласно большинству источников. В приложении для дрэг-рейсинга, где уровни наддува составляют от 50 до 60 фунтов на квадратный дюйм, работа со степенью сжатия в этом диапазоне будет иметь меньшую выходную мощность, чем работа с более низкой степенью сжатия.В то время как двигатель был бы более экономичным с более высокой степенью сжатия, дистанция мили без пит-стопов не принесла бы пользы.

Настройка двигателя для работы E85 вместо перекачки газа расширяет диапазон возможных степеней сжатия, которые могут быть запущены. Однако использование максимально возможной степени сжатия не обеспечивает наилучшей производительности для всех приложений.

Хотя всем знакомо неправильное суждение, которое может привести к употреблению алкоголя человеком, мало кто понимает, что разрешение двигателю потреблять топливо на основе спирта также открывает дверь для некоторых неправильных суждений.Это неправильное суждение обычно является результатом менталитета «если немного хорошо, то больше — лучше». Топливо с высоким содержанием этанола, такое как E85, очень устойчиво к детонации (детонации). Причина в том, что спирт при испарении имеет гораздо лучший охлаждающий эффект, чем бензин. Поскольку двигатель не может стучать при давлении наддува 30 фунтов на квадратный дюйм даже при степени сжатия 11,0: 1, люди ошибочно полагают, что эти более высокие степени сжатия идеальны для E85. В зависимости от приложения это может быть. Но двигатель 9,0: 1 будет производить больше мощности, чем двигатель 11.0: 1 от примерно 22 до 30 фунтов на квадратный дюйм. Для приложения перетаскивания, в котором вы не проводите время на низких уровнях усиления, низкая степень сжатия, скорее всего, будет идеальным вариантом. Для уличного применения или применения в схемах наиболее идеальным может быть увеличение мощности без наддува и с низким наддувом за счет более высокой степени сжатия.

Детонационная стойкость и коэффициент охлаждения топлива будут влиять на диапазон степеней сжатия, которые могут быть использованы. Если двигатель будет работать исключительно на гоночном газе, степень сжатия может быть выше, чем у насосного газа.

Задолго до того, как принудительная индукция стала применяться в заводских двигателях, поршни с высокой степенью сжатия были одной из первых модернизированных моделей. Если у вас полностью двигательная установка, обычно лучше всего использовать максимально возможную степень сжатия для используемого топлива. Однако есть исключение. Если средства, используемые для достижения этой сверхвысокой степени сжатия, уменьшают эффективность сгорания (процент топливовоздушной смеси, сжигаемой в цилиндре), немного более низкая степень сжатия, не оказывающая такого воздействия, будет идеальной.

Увеличение степени сжатия двигателя без наддува увеличивает его тепловой КПД. Это означает, что в процессе сгорания извлекается больше энергии и меньше тратится на систему охлаждения и выхлопную систему. На каждую генерируемую мощность требуется меньше топлива. Повышается экономия топлива. Поскольку меньше энергии расходуется на систему охлаждения, величина повышения температуры в системе охлаждения во время полного открытия дроссельной заслонки будет меньше на двигателе с более высокой степенью сжатия, чем на двигателе с более низкой степенью сжатия.Поскольку скорость горения топливовоздушного заряда увеличивается при более высоких степенях сжатия, идеальная синхронизация зажигания для двигателя с более высокой степенью сжатия будет иметь меньшее опережение, чем для двигателя с более низкой степенью сжатия. Для степеней сжатия от 8,0 к 1 до 12,0: 1 двигатель с более высокой степенью сжатия будет производить больше мощности, когда наддув составляет от нуля до 20 фунтов на квадратный дюйм. Поскольку принудительная индукция не была распространена до начала 90-х годов и в основном использовалась на импортных двигателях, многие старожилы никогда не сталкивались с негативными компромиссами в производительности, связанными с увеличением степени сжатия на форсированных двигателях.

Что плохого в повышении степени сжатия на двигателе с ультра-наддувом? Основная проблема с более высокими степенями сжатия — это повышенная вероятность детонации. Поскольку температура топливовоздушной смеси во время воспламенения повышается с увеличением степени сжатия, повышение степени сжатия увеличивает вероятность самовоспламенения (воспламенение из-за тепла и давления до фактического возникновения искры) и детонации (неконтролируемый взрыв топливовоздушной смеси).Эти опасения исчезают, если в качестве топлива для двигателя будут использоваться бензин с более высоким октановым числом и / или E85. Хотя повышение степени сжатия имеет положительный эффект увеличения теплового КПД двигателя, оно также имеет отрицательный эффект снижения объемного КПД двигателя. Это снижение объемной эффективности является результатом меньшего объема непрометенного материала, который можно было бы заполнить. По мере того, как давление наддува становится выше, количество энергии, теряемой из-за уменьшения объема без очистки, умножается.Также наблюдается небольшое снижение энергии выхлопа при более высокой степени сжатия. Это означает, что для питания турбокомпрессора требуется меньше энергии, поэтому турбонагнетатель может достичь пикового наддува при немного более высоких оборотах двигателя на двигателе с более высокой степенью сжатия. Однако этот недостаток производительности часто компенсируется тем фактом, что более высокая степень сжатия позволяет двигателю развивать большую мощность, когда он не находится в режиме наддува. Это может означать, что двигатель уже разгоняется быстрее, прежде чем «сработает» наддув.

Снижение степени сжатия потенциально увеличивает объемный КПД двигателя при одновременном снижении теплового КПД.

На этой диаграмме показано, что именно происходит, когда вы меняете степень сжатия двигателя. Серебряная линия представляет исходную степень сжатия 9,5: 1. Темно-синяя линия показывает эффект резкого снижения степени сжатия до 7,5: 1. Есть выигрыш в мощности при высоком ускорении и потери мощности ниже 20 фунтов на квадратный дюйм. Обратное происходит, когда степень сжатия увеличивается до 10,5 или 11,5 к 1.

Понижение степени сжатия двигателя имеет прямо противоположный эффект повышения степени сжатия.Преимущества снижения степени сжатия двигателя заключаются в увеличении объемного КПД, более низких температурах топливовоздушной смеси во время воспламенения и снижении вероятности детонации. Улучшения объемного КПД действительно не начинают перевешивать снижение теплового КПД до тех пор, пока давление наддува не превысит примерно 20 фунтов на квадратный дюйм. Чем выше давление наддува выше этой точки кроссовера, тем выше выигрыш по мощности при более низкой степени сжатия. С другой стороны, снижение степени сжатия снижает топливную экономичность двигателя.Двигатель с более низким уровнем сжатия также будет вырабатывать меньше мощности ниже отметки давления наддува 20 фунтов на квадратный дюйм. Мы включили диаграмму, показывающую ожидаемое изменение мощности, если вы начали с двигателя с соотношением сторон 9.0 к 1 и рассматривали возможность перехода на двигатель с соотношением 10.0 к 1 или 11.0 к 1 или понижение степени сжатия до Двигатель 8,0 к 1 и 7,0 к 1.

Если принять во внимание только разницу, которую изменение степени сжатия оказывает на тепловой КПД двигателя, это будет следующее влияние на экономию топлива.При рассмотрении влияния на выходную мощность необходимо учитывать влияние изменения объемного КПД двигателя.

Если у вас полностью моторная установка, вы можете использовать следующую диаграмму, чтобы оценить влияние изменения степени сжатия. Обратите внимание: чем больше увеличивается степень сжатия, тем выше выигрыш в производительности для всех двигателей.

Используя диаграммы, представленные в этой статье, вы получите хорошее представление о том, как два двигателя с разными степенями сжатия будут работать при разных уровнях наддува. Если ваше приложение требует большей мощности без наддува и примерно до 20 фунтов на квадратный дюйм, следует рассмотреть вопрос о повышении степени сжатия, если используемое топливо имеет требуемую стойкость к детонации. Если вашему приложению требуется большая мощность от наддува 20 фунтов на квадратный дюйм до бесконечности, следует рассмотреть возможность уменьшения степени сжатия двигателя. Просто помните, что резкое снижение действительно повредит выходной мощности и мощности без повышения давления, пока вы не преодолеете отметку в 15 фунтов на квадратный дюйм.

Для приложений с низким наддувом эта диаграмма показывает влияние изменения степени сжатия при наддуве 15 фунтов на квадратный дюйм.Обратите внимание: чем выше увеличивается степень сжатия, тем выше прирост производительности при этих низких уровнях усиления.

Для приложений с умеренным наддувом увеличение степени сжатия фактически снижает пиковую выходную мощность при 29,4 фунта на квадратный дюйм. Точка кроссовера, в которой степень сжатия увеличивает пиковую мощность, обычно составляет около 20 фунтов на квадратный дюйм.

Для приложений с высоким наддувом увеличение степени сжатия снижает пиковую выходную мощность при 44,1 фунт / кв.дюйм, в то время как мощность будет соответственно уменьшаться при высоких уровнях наддува, при выключенном наддуве и при более низких уровнях наддува.

Хотя графики могут помочь определить направление, ничто не сравнится с реальным тестированием. Если у вас есть программа двигателей для вашей гоночной команды, которая позволяет разрабатывать двигатели, попробуйте построить два одинаковых двигателя с немного разными степенями сжатия (возможно, на пол-балла). Сравните и оцените два двигателя, чтобы увидеть, какой из них дает лучшие результаты. Промойте и повторите несколько раз, и в конечном итоге вы найдете идеальную степень сжатия для вашей установки. Конечно, этот процесс предполагает, что метод, используемый для получения различной степени сжатия на каждом двигателе, имеет наименьшее влияние на изменение эффективности сгорания. В третьей части мы рассмотрим лучшие способы достижения идеального числа сжатия, которое приведет к максимальной эффективности сгорания. Быть в курсе.

#TechTip: Степень сжатия

«Степень сжатия» — это термин, который часто используют, когда вы говорите о характеристиках двигателя, но что он означает на самом деле?

По большей части, когда люди говорят о степени сжатия двигателя, они имеют в виду так называемую статическую степень сжатия , которую гораздо проще вычислить, чем степень динамического сжатия .

Проще говоря, статическая степень сжатия (обычно называемая степенью сжатия) составляет отношение максимального объема к минимальному объему в цилиндре при движении поршня (объем, когда поршень полностью вниз по сравнению с тем, когда он полностью вверх).

Что означает степень сжатия?

CR в основном сообщают вам, насколько сильно сжимается топливно-воздушная смесь в цилиндре. перед тем, как свеча зажигания воспламенит ее.Таким образом, если у вас есть 10 единиц объема, когда цилиндр находится в нижней части своего хода, и 1 единица, когда цилиндр находится в верхней части своего хода, сжатие будет рассматриваться как 10: 1. Для двигателей без наддува более высокая степень сжатия обычно означает более высокую мощность.

Каковы последствия более высокой степени сжатия?

Чем выше степень сжатия, тем выше вероятность предвзрывания (также известного как гудение).Предварительная детонация происходит, когда воздушно-топливная смесь воспламеняется из-за избыточного давления (а не из-за искры). Это имеет смысл, так как большее сжатие = большее давление = большая вероятность взрыва. Для борьбы со звоном часто используется топливо с более высоким октановым числом. Чем выше октановое число топлива, тем оно устойчивее к преддетонации.

Также важно отметить, что тепло играет роль в пинге. Чем выше температура, тем больше вероятность взрыва. Поскольку алюминий лучше рассеивает тепло, чем чугун, двигатели с алюминиевыми головками часто могут работать с более высокими степенями сжатия, чем их чугунные аналоги, без звона.

Зачем вам нужна более низкая степень сжатия?

Более низкая степень сжатия полезна для двигателей, которые используют принудительную индукцию или двигателей, которые хотят использовать топливо с более низким октановым числом. Например, вы можете обнаружить, что конструкции с очень высокой мощностью, в которых используются турбокомпрессоры или нагнетатели, на самом деле имеют очень низкую степень статического сжатия. Низкое сжатие в основном использовалось в американских автомобилях 70-х и 80-х годов в результате попыток сокращения выбросов.

Как изменить степень сжатия:

Степень сжатия можно изменить, заменив такие компоненты двигателя, как поршни и головки.Когда поршни имеют больший рельеф (или тарелку), они приводят к более низким степеням сжатия, чем поршни, которые имеют плоскую или куполообразную форму, которые обычно имеют повышенную степень сжатия.

Головки

— еще один популярный вариант для изменения степени сжатия. Головки, которые имеют камеры сгорания меньшего размера, увеличивают степень сжатия, а головки с большими камерами приводят к более низкому сжатию.

Каковы преимущества / недостатки высокой степени сжатия?

Рассказ, выделенный жирным шрифтом (Skyactiv-X):

Преимущество более высокой степени сжатия лучше всего отражено в SKYACTIV-X Mazda Engine. Двигатель, который фактически использует детонационный механизм в целом для создания сгорания при очень бедной работе.

Поскольку мы знаем, что и SI, и дизельный двигатель представляют собой ступенчатое сгорание на основе:

A. Начало

B. Развитие

C. Распространение

D. Завершение

Так же, как свободнорадикальная реакция в химии, сгорание в двигателе также преобладает свободнорадикальная реакция. Но проблема с поэтапным сжиганием часто связана с границей между областями несгоревшей и сгоревшей смеси, что приводит к нежелательным выбросам.Неравномерность между несгоревшим и сгоревшим компонентом создает выбросы, например, горячие точки в двигателе SI создают NOx, в то время как реально более низкая температурная зона в дизельном топливе вызывает выбросы несгоревшего углерода.

Чтобы иметь дело со ступенчатым сжиганием, был разработан усовершенствованный метод одновременного горения за счет инициирования горения в нескольких точках, а не в одной точке, режим HCCI (Homogenous Charge Compression Ignition), позволяющий создавать зажигание предварительно смешанной бедной смеси с помощью коэффициент сжатия. Но HCCI никогда не мог работать во всех диапазонах нагрузок при работе двигателя.

Теперь SKYACTIV-X — это наиболее инновационный метод сгорания, который использует более высокую степень сжатия для сжатия воздушно-топливной смеси (предварительно смешанной) до температуры, близкой к температуре самовоспламенения, а затем с использованием искры для инициирования горения. Само по себе сжатие имеет непредсказуемые характеристики сгорания, такие как CA10, CA50 и CA90. Искра используется, чтобы сделать горение предсказуемым, так как искра возникает, несмотря на работу по сжатию смеси.Более высокая степень сжатия приводит к состоянию, близкому к HCCI, затем в искровой сфере пламени сгорание воздуха около свечи зажигания приводит к расширению смеси (сгоревшей смеси), которая сжимает дальнейшее окружение (несгоревшую смесь), поскольку мы знаем, что сгорание создает продукты большего объема, поскольку выше нет. количество молей продуктов создается по сравнению с молями израсходованного реагента. Расширяющаяся сгоревшая смесь заставляет остаточную смесь сгорать в режиме HCCI, следовательно, лучше выбросы и более бедная работа.

Когда вторичная волна сгорания создается в двигателе SI из-за сжатия от сгоревшей смеси, это классифицируется как детонация в двигателе SI.Здесь мы используем эффект детонации, чтобы сжигать бедную смесь с большей эффективностью.

Проблема сгорания, основанная только на высоком сжатии, возникает из-за неопределенных характеристик потерь тепла стенкой цилиндра, которые влияют на давление и температуру в цилиндре (поэтому HCCI не работает).

Здесь нам действительно нужно рассчитать давление и температуру в цилиндре для определения момента зажигания, но мы не стремимся к точному состоянию самовоспламенения, вместо этого мы ориентируемся на термодинамическое условие перед самовоспламенением, которое фактически устраняет циклическую неточность расчета, так как Искровая сфера компенсирует это, при одновременном и объемном режимах горения (не ступенчатых). Следовательно, более высокая стабильность при большем диапазоне нагрузок.

В простом смысле, со ссылкой на Heywood, Unburnt and Burnt Temperature,

для двигателя с искровым зажиганием

Tcylinder = Tu * (Xu) + (Xb) * Tb,

где

Tu = температура несгоревшего материала, Xu = массовая доля несгоревшего материала

Tb = температура сгоревшего материала, Xb = массовая доля сгоревшего материала

Xb + Xu = 1.

в результате высокая несгоревшая температура.

Детонация — это случай резкого повышения температуры несгоревшей смеси, в результате чего возникает вторичная волна воспламенения и возгорание несгоревшей до того, как сферическая сфера воспламенения могла ее сжечь.

«Теперь в SKYACTIV-X у нас очень высокая степень сжатия и бедная смесь, что означает, что перед зажиганием у нас уже есть очень плотно упакованная смесь, которая на самой начальной стадии воспламенения с помощью сжатия Волна сферической сферы воспламенения создает очень высокую несгоревшую температуру, т.