Степень сжатия двигателя, компрессия и октановое число
Ноя 1 2014
Понятие «степень сжатия» относится к поршневым двигателям, у которых есть камера сгорания. Под этим термином понимают отношение объема пространства над поршнем в момент, когда он находится в нижней мертвой точке к объему надпоршневого пространства в верхней мертвой точке.
Иными словами, это выраженная математически разница в давлении внутри камеры сгорания на момент подачи горючей смеси в цилиндр, и на момент ее воспламенения.
Вокруг этого термина очень много недоразумений и мифов. Чтобы понять, что истина, и что ложь, стоит разобраться, почему у разных двигателей этот параметр отличается, и какие преимущества дает низкая или высокая степень сжатия.
Преимущества высокой степени сжатия
Двигатель внутреннего сгорания работает за счет воспламенения смеси воздуха и паров топлива. При воспламенении смесь расширяется и толкает поршень, который вращает коленвал. При большей степени сжатия интенсивность давления на поршень увеличивается, и зак один такт двигатель совершает больше полезной работы.
Отсутствие детонации в дизельных двигателях объясняется просто: в камере сгорания сначала сжимается чистый воздух, а топливо впрыскивается позже.
При этом подразумевается, что количество бензина в топливо-воздушной смеси остается неизменным, и за счет большего количества воздуха оно сгорает с более высоким КПД.
На современном этапе конструирования легковых автомобилей применение двигателей с низкой степенью сжатия практически прекратилось. Несмотря на то, что в них допустимо использовать низкооктановый и недорогой бензин А-80, их популярность равна нулю.
Дело в том, что современные потребители стремятся приобретать автомобили с большим количеством «лошадей под капотом», а с двигателей, рассчитанных на низкооктановый бензин (например, двигателя УАЗ 469, (который, правда, с измененной степенью сжатия и рядом модернизаций устанавливается в УАЗ Hunter), снять большую мощность невозможно по конструктивным причинам.
Можно ли изменить степень сжатия?
Увеличить степень сжатия можно, уменьшив объем камеры сгорания, но при модернизации уже имеющегося двигателя инженерам приходится постоянно искать компромисс между эффективностью и безопасностью.
Дело в том, что, увеличение степени сжатия ведет к понижению детонационного порога.
Если увеличить степень сжатия слишком сильно, можно столкнуться с тем, что имеющимися средствами предотвратить возникновение детонации не получится. Иными словами, порой разработать (или поставить от другого, более мощного автомобиля) новый двигатель легче, чем модернизировать старый.
Для современных двигателей характерна высокая степен сжатия. В подавляющем большинстве случаев в них используется бензин с октановым числом не ниже 95 или даже 98.
Один из вариантов изменения степени сжатия, доступный частным тюнерам – фрезеровка головки блока цилиндров. После «укорачивания» ГБЦ объем камеры сгорания уменьшается.
Степень сжатия в этом случае увеличится. Есть и обратная сторона такой манипуляции (кстати, официально ее называют форсированием) уменьшится общий объем горючей смеси, сгорающей в цилиндре за один цикл.
Степень сжатия или компрессия?
Степень сжатия часто путают с понятием «компрессия».
Это не одно и то же. Компрессией называют максимальное давление в цилиндре при движении поршня от нижней мертвой точки к верхней.
Компрессия измеряется в атмосферах, а степень сжатия имеет вид математического отношения, например, 10:1 (десять к одному).
Преждевременное воспламенение и детонация
Смесь, поступающая в камеру сгорания, должна не взрываться, а гореть, причем, равномерно, и на протяжении всего отрезка времени, пока поршень движется вниз.
При этом условии энергия расходуется максимально эффективно, а детали поршневой группы изнашиваются равномерно и не перегреваются. Сложность заключается в том, что скорость горения смеси обычно гораздо быстрее скорости движения поршня.
В связи с этим и возникает основная проблема, встающая на пути тех, кто задался целью увеличить степень сжатия. При увеличении давления смесь самопроизвольно возгорается.
Это явление называется преждевременным воспламенением. Более того, возгорание смеси происходит, когда поршень еще только завершает фазу сжатия.
Вторая проблема: выделение чрезмерного количества энергии. Проще говоря – взрыв. Явление это в теории двигателестроения называется детонацей и имеет крайне негативные последствия.
Таким образом, увеличение степени сжатия может сыграть с владельцем двигателя злую шутку. Чтобы избежать неприятных последствий, стоит ознакомиться с таким понятием, как октановое число.
Что такое октановое число и на что оно влияет?
Бензин, который используется для работы ДВС, отличается стойкостью к детонации и самовоспламенению. Для обозначения уровня этой стойкости вводится понятие «октановое число».
Детонация возникает только в камере сгорания бензинового двигателя. Сжигание дизельного топлива требует большей степени сжатия, и воспламеняется оно «само собой» разогреваясь под воздействием давления и соприкасаясь с раскаленными металлическими деталями.
Казалось бы, все условия для возникновения созданы, но благодаря некоторым особенностям дизельного двигателя он полностью защищен от этого вредного явления.
Важный факт – октановое число бензина не влияет на количество энергии, которое выделяет топливо при сгорании. Иными словами, думать, что заливая в двигатель бензин с более высоким октановым числом, вы повышаете его мощность, ошибочно.
Все очень просто: при высоком значении степени сжатия необходимо использовать топливо с большим октановым числом.
Последствия использования топлива с несоответствующим октановым числом
Стоит обратить внимание, что при несоответствии используемого топлива требованиям завода-изготовителя, могут возникнуть следующие проблемы:
— При использовании топлива с большим октановым числом возможно прогорание выпускных клапанов. Происходит это потому, что бензин с большим октановым числом горит с меньшей температурой и медленнее. Соответственно, при его использовании, на фазе выпуска вместо отработанных газов через выпускные клапана вылетает горящая смесь.
— При использовании топлива с высоким октановым числом на свечах возможно образование нагара. Причины все те же: скорость горения может не совпадать с циклами хода поршня.
— При использовании топлива с низким октановым числом блок управления двигателем (или октан-корректор распределителя) не сможет установить угол опережения зажигания, исключающий детонацию.
Альтернативный способ изменения степени сжатия
В современной практике разработки двигателей активно применяется альтернативный способ динамического изменения степени сжатия – установка турбонагнетателя.
Он помогает увеличить давление в камере сгорания, не изменяя при этом ее физического объема. Принцип работы нагнетателя заключается в том, что в камеру сгорания под давлением поступает больше воздуха за единицу времени.
В результате степень сжатия меняется постоянно, реагируя на увеличение и уменьшение нагрузки на двигатель. Этот процесс происходит под контролем электроники, которая оперативно изменяет условия воспламенения топливо-воздушной смеси.
В результате всех перечисленных выше негативных факторов, связанных с изменением давления в камере сгорания, удается избежать.
В Объединенных Арабских Эмиратах крайней популярностью пользуются гонки на дизельных внедорожниках. Для увеличения степени сжатия и мощности используются турбины максимальной производительности
Поклонники тюнинга восприняли применение турбонагнетателей как более гибкий и управляемый способ увеличения мощности двигателя.
Можно сказать, что приобретение турбо-кита (набора деталей, предназначенных для установки турбонаддува на конкретный двигатель), гораздо более распространена по сравнению с форсированием. Нагнетатели разных типов успешно используются и при необходимости увеличить эффективность работы дизельного двигателя.
Степень сжатия и октановое число бензина. Таблица
Главная / Топливо / Степень сжатия и октановое число бензина
Александр 03.10.2018 Топливо Комментировать 26,605 Просмотров
Автомобильное топливо — легкокипящая углеводородная фракция (33–205°C) прямой нефтеперегонки.
Ключевые параметры бензина — степень сжатия и октановое число. Современные автомобильные бензины маркируются обозначениями «АИ» и цифровыми индексами 80–98. В зависимости от конкретного типа двигателя используется бензин определённой марки. Разберём основные характеристики автомобильного жидкого топлива подробнее.
Степень сжатия — устойчивость к самовоспламенению
Физическое отношение суммарного объёма цилиндра в момент нахождения поршня в мёртвой точке к рабочему объёму камеры внутреннего сгорания характеризуется степенью сжатия (СЖ). Показатель описывается безразмерной величиной. Для бензиновых приводов она составляет 8–12, для дизельных — 14–18. Увеличение параметра повышает мощность, КПД мотора, а также снижает расход топлива. Однако высокие значения СЖ повышают риск самовоспламенения горючей смеси при высоком давлении. По этой причине бензин с большим показателем СЖ также должен обладать высокой детонационной стойкостью — октановым числом (ОЧ).
Октановое число — детонационная стойкость
Преждевременное сгорание бензина сопровождается характерным стуком, вызванным детонационными волнами внутри цилиндра.
Подобный эффект обусловлен низким сопротивлением жидкого горючего к самовоспламенению в момент компрессии. Детонационная стойкость характеризуется октановым числом, а в качестве эталона выбрана смесь из н-гептана и изооктана. Товарные марки бензина имеют показатель ОЧ в районе 70–98, что соответствует процентному содержанию изооктана в смеси. Для повышения этого параметра в смесь вводят специальные октан-корректирующие присадки — сложные эфиры, спирты и реже этилаты тяжёлых металлов. Существует взаимосвязь между степенью сжатия и маркой бензина:
- В случае СЖ меньше 10 используют АИ-92.
- При СЖ 10–12 необходим АИ-95.
- Если СЖ равен 12–14 — АИ-98.
- При СЖ равном 14 понадобится АИ-98.
Для стандартного карбюраторного двигателя СЖ равен приблизительно 11,1. В таком случае оптимальный показатель ОЧ равен 95. Однако в некоторых гоночных типах авто используются метанол. СЖ в подобном примере достигает 15, а ОЧ варьируется от 109 до 140.
Использование низкооктанового бензина
В автомобильной инструкции указан тип двигателя и рекомендуемое горючее. Использование горючей смеси с низким ОЧ приводит к преждевременному выгоранию горючего и иногда разрушению конструкционных элементов мотора.
Важно также понимать, какая система подачи топлива применяется. Для механического (карбюраторного) типа соблюдение требований по ОЧ и СЖ обязательно. В случае автоматической, или инжекторной системы топливно-воздушная смесь корректируется электроникой. Бензиновая смесь насыщается либо обедняется до необходимых значений ОЧ, а двигатель работает нормально.
Высокое октановое число топлива
АИ-92, а также АИ-95 — наиболее применяемые марки. Если в бак залить, к примеру, 95-ый вместо рекомендуемого 92-го, серьёзных поломок не будет. Возрастёт лишь мощность в пределах 2–3%. Если же заправить авто 92-ым вместо 95-го или 98-го, то увеличится расход топлива, а мощность снизится. Современные автомобили с электронным впрыском контролируют подачу горючей смеси и кислорода и тем самым защищают двигатель от нежелательных эффектов.
Таблица зависимости степени сжатия и октанового числа
Детонационная стойкость автомобильного горючего имеет прямую взаимосвязь со степенью сжатия, которая представлена в таблице ниже.
| ОЧ | СЖ |
| 72 | 6,8–7,0 |
| 76 | 7,2–7,5 |
| 80 | 8,0–9,0 |
| 91 | 9,0 |
| 92 | 9,1–9,2 |
| 93 | 9,3 |
| 95 | 10,5–12 |
| 98 | 12–14 |
| 100 | Более 14 |
Заключение
Автомобильные бензины характеризуются двумя основными характеристиками — детонационной стойкостью и степенью сжатия. Чем выше СЖ, тем больше требуется ОЧ. Использование горючего с меньшим либо большим значением детонационной стойкости в современных авто не навредит двигателю, но повлияет на мощность и расход топлива.
Похожие статьи
Предыдущий Базовые основы моторных масел.
Виды и производители
След. Рейтинг лучших автошампуней для бесконтактной мойки
Примеры степеней сжатия — бензин по сравнению с дизельным двигателем
- Степень сжатия в бензиновом двигателе обычно не намного выше 10:1 из-за потенциальной детонации двигателя (самозажигание) и не ниже 6:1 .
- Турбированный Subaru Impreza WRX имеет степень сжатия 8,0:1 . Как правило, двигатели с турбонаддувом или наддувом уже имеют сжатый воздух на впуске воздуха. Поэтому они обычно строятся с более низкой степенью сжатия.
- Стандартный двигатель Honda S2000 (F22C1) имеет степень сжатия 11,1:1 .
- Некоторые атмосферные двигатели спортивных автомобилей могут иметь степень сжатия до 12,5 : 1 (например, Ferrari 458 Italia).
- В 2012 году Mazda выпустила новые бензиновые двигатели под торговой маркой SkyActiv со степенью сжатия 14:1 . Остаточный газ снижается за счет использования выхлопных систем двигателя 4-2-1, внедрения поршневой полости и оптимизации впрыска топлива для снижения риска детонации двигателя.
- Дизельные двигатели имеют степень сжатия, которая обычно превышает 14:1, а также распространены степени выше 22:1.
Самовоспламенение – предел степени сжатия
В обычном бензиновом двигателе степень сжатия имеет свои пределы. Степень сжатия в бензиновом двигателе обычно будет не намного выше 10:1 из-за потенциальной детонации двигателя ( самовоспламенение ) и не ниже 6:1 . При более высоких степенях сжатия бензиновые двигатели будут подвержены детонации, вызванной самовоспламенение несгоревшей смеси при использовании топлива с более низким октановым числом. Несгоревшая смесь может самовозгораться, детонируя только от давления и тепла, а не от воспламенения свечи зажигания в нужный момент. Детонацию двигателя можно уменьшить за счет использования высокооктанового топлива , повышающего устойчивость бензина к самовоспламенению .
Чем выше октановое число, тем большее сжатие может выдержать топливо перед детонацией (воспламенением). Поскольку температура, достигаемая топливно-воздушной смесью во время сжатия, увеличивается с увеличением степени сжатия, вероятность самовоспламенения увеличивается с увеличением степени сжатия. Самовоспламенение может снизить эффективность или повредить двигатель, если нет датчиков детонации для изменения момента зажигания.
Более высокая степень сжатия может быть достигнута в дизельных двигателях (также называемых двигателями с воспламенением от сжатия ), поскольку они не сжимают топливо, а сжимают только воздух, а затем впрыскивают топливо в воздух, нагретый за счет сжатия. Степень сжатия в диапазоне от 12 до 20 типична для дизельных двигателей. Большее расширение в дизельных двигателях означает, что они выделяют меньше тепла в своих более холодных выхлопных газах. Более высокая степень сжатия (большее расширение) и более высокая пиковая температура приводят к тому, что дизельные двигатели достигают более высокого теплового КПД.
Ссылки:
Ядерная и реакторная физика:
- Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
- Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную технику, 3-е изд., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
- WM Stacey, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
- Гласстоун, Сезонске. Разработка ядерных реакторов: разработка реакторных систем, Springer; 4-й выпуск, 1994, ISBN: 978-0412985317
- W.S.C. Уильямс. Ядерная физика и физика элементарных частиц. Кларендон Пресс; 1 издание, 1991 г., ISBN: 978-0198520467
- Кеннет С. Крейн. Введение в ядерную физику, 3-е издание, Wiley, 1987, ISBN: 978-0471805533
- Г. Р. Кипин. Физика ядерной кинетики. Паб Эддисон-Уэсли. Ко; 1-е издание, 1965 г.
- Роберт Рид Берн, Введение в работу ядерных реакторов, 1988 г.
- Министерство энергетики, ядерной физики и теории реакторов США. Справочник по основам Министерства энергетики, том 1 и 2, 19 января.93.
Advanced Reactor Physics:
- KO Ott, WA Bezella, Introductory Nuclear Reactor Static, American Nuclear Society, Revised edition (1989), 1989, ISBN: 0-894-48033.
- К. О. Отт, Р. Дж. Нойхольд, Введение в динамику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
- Д. Л. Хетрик, Динамика ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.
- Э. Э. Льюис, В. Ф. Миллер, Вычислительные методы переноса нейтронов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48452-4.
См. выше:
Цикл Отто
Дизельные двигатели — Mypdh.engineer
Дизельный двигатель аналогичен бензиновому двигателю, используемому в большинстве автомобилей. Оба двигателя являются двигателями внутреннего сгорания, то есть они сжигают топливно-воздушную смесь внутри цилиндров.
Более высокое давление сгорания является результатом более высокой степени сжатия, используемой в дизельных двигателях. Степень сжатия является мерой того, насколько двигатель сжимает газы в цилиндре двигателя. В бензиновом двигателе степень сжатия (контролирующая температуру сжатия) ограничена топливно-воздушной смесью, поступающей в цилиндры. Более низкая температура воспламенения бензина приведет к его воспламенению (сгоранию) при степени сжатия менее 10:1. Средний автомобиль имеет степень сжатия 7:1.
Еще одно различие между бензиновым двигателем и дизельным двигателем заключается в способе управления частотой вращения двигателя. В любом двигателе скорость (или мощность) напрямую зависит от количества топлива, сжигаемого в цилиндрах. Бензиновые двигатели самоограничивают скорость из-за метода, который двигатель использует для контроля количества воздуха, поступающего в двигатель. Скорость двигателя косвенно контролируется дроссельной заслонкой в карбюраторе. Дроссельная заслонка в карбюраторе ограничивает количество воздуха, поступающего в двигатель. В карбюраторе скорость потока воздуха определяет количество бензина, которое будет смешиваться с воздухом.
Дизельные двигатели не имеют самоограничения скорости, поскольку количество воздуха (кислорода), поступающего в двигатель, всегда максимальное. Поэтому частота вращения двигателя ограничивается исключительно количеством топлива, впрыскиваемого в цилиндры двигателя. Таким образом, в двигателе всегда достаточно кислорода для сгорания, и двигатель будет пытаться разогнаться, чтобы соответствовать новой скорости впрыска топлива. Из-за этого ручное управление подачей топлива невозможно, поскольку эти двигатели в ненагруженном состоянии могут разгоняться со скоростью более 2000 оборотов в секунду. Дизельным двигателям требуется ограничитель скорости, обычно называемый регулятором, для контроля количества топлива, впрыскиваемого в двигатель.