| Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle) Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1] 28136 0
Г.Р. Рикардо рассчитал и проверил на экспериментальном двигателе зависимость индикаторного КПД от степени сжатия для чистого воздуха [2]. Результаты его опытов изображены на рис. 1. При этом делается допущение, что рабочее тело – чистый воздух и что при сгорании углеводородного топлива в среде чистого воздуха образуются только CO2 и H2O. Другое допущение предполагает, что в течение всего цикла отсутствует теплообмен со стенками цилиндра. При этих допущениях КПД такого теоретического цикла: η = 1 — (1/ε) где ε – степень сжатия; k – показатель адиабаты (отношение теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме), равный 1,4 для воздуха. Этот КПД можно использовать для сравнения, но он значительно отличается от реально достижимых, поскольку:
В двигателе идеальные условия не могут быть выдержаны и поэтому его КПД значительно ниже. Нижняя кривая д показывает результаты измерения индикаторного КПД на опытном двигателе при степени сжатия 4 – 7. Опыты проводились на смеси с недостатком 15 % топлива, поэтому их можно сравнить с расчетной кривой е при 20 %-ном недостатке топлива. Хорошо видна разница между кривыми в и д, характеризующая потери теплоты за счет излучения, теплопередачи через стенки цилиндра и неполноты процесса сгорания. Кривая д показывает зависимость индикаторного КПД от степени сжатия у реальных двигателей. Средняя теплоемкость газов увеличивается с ростом их температуры. Объём цилиндра после полного сгорания топлива заполнен смесью азота, углекислого газа и водяных паров. У азота, составляющего основную часть этой смеси, средняя теплоемкость увеличивается медленней, чем у других газов (таблица ниже). Быстрее всего она растет у водяного пара. Топливо, содержащее большой процент углерода, который сгорит до СО 2, выгоднее, чем топливо с большим процентом содержания водорода. Большее значение средней теплоёмкости газа, входящего в состав рабочего тела, способствует тому, что теплота, подводимая к нему, повысит его температуру в меньшей степени, поскольку значительная часть этой теплоты уйдет на нагрев газа. Меньшая же максимальная температура рабочего тела снижает его давление и индикаторный КПД.
При температуре выше 2000 °C начинается диссоциация водяного пара на H2 и O2, а углекислого газа – на CO и O2.
Зависимость КПД η теоретического цикла от соотношения долей топлива, сгоревшего при постоянном объёме V и давлении p, показана на рис. 3. Если сгорает 100 % топлива при постоянном объёме, то достигается максимальное значение КПД. Если 100 % топлива сгорает при постоянном давлении, то этот КПД минимален, так как топливо, которое догорает в процессе продолжительного расширения, для совершения работы имеет в своем распоряжении только малую часть пути, проходимого поршнем. Влияние степени сжатия на КПД и мощность двигателя весьма значительно. Вплоть до степени сжатия ε = 10 КПД увеличивается особенно быстро. Расчетные значения КПД хотя и служат только для сравнения, но наглядно показывают замедление роста КПД при высоких степенях сжатия. Дросселирование воздуха во впускном трубопроводе бензинового двигателя при частичной нагрузке приводит к тому, что давление конца сжатия в цилиндре значительно снижается. Так называемую реальную степень сжатия можно определить по величине давления в конце сжатия [3]. На рис. 4, а показано поле реальных степеней сжатия, полученное путем измерения давлений конца сжатия в карбюраторном двигателе с геометрической степенью сжатия ε = 8,5. Верхняя граничная кривая показывает реальную степень сжатия при полностью открытой дроссельной заслонке в зависимости от частоты вращения двигателя n. Ниже этой кривой показано все поле реальных степеней сжатия при различных открытиях дроссельной заслонки.
Дросселирование заряда или воздуха, являющееся в бензиновом двигателе способом регулирования его нагрузки, необходимо для сохранения примерно постоянного состава топливовоздушной смеси, что обеспечивает ее надежное зажигание. С другой стороны, желательное повышение степени сжатия ограничено опасностью возникновения детонации, зависящей от давления и температуры смеси в конце хода сжатия. На рис. 5 показано изменение температур сжатой смеси в цилиндре в зависимости от частоты вращения n и степени открытия дроссельной заслонки двигателя со степенью сжатия ε = 8,5.
Автомобильный двигатель работает большую часть времени при частичной нагрузке и поэтому очень важно улучшить расход топлива именно в этих условиях. На рис. 4, б показано поле реальных степеней сжатия при увеличении геометрической степени сжатия до ε = 12,5. При малой нагрузке реальная степень сжатия повышается на 2,5 единицы, что соответствует улучшению КПД на 10 %. Поршневой двигатель с простым кривошипным механизмом имеет равные между собой геометрические степень сжатия и степень расширения. Однако это свойство невыгодно при использовании энергии давления газов, которая в момент открытия выпускного клапана еще довольно высока. Поэтому еще на начальном этапе развития двигателей внутреннего сгорания искались пути использования давления газов в конце рабочего хода увеличением степени расширения. По этой причине более выгодно использовать повторное расширение газа после его выхода из цилиндра. В настоящее время повторное расширение проводится главным образом в турбине, работающей на отработавших газах. Различных степеней сжатия и расширения можно частично добиться регулированием моментов открытия и закрытия клапанов. Процесс сжатия начинается только после закрытия впускного клапана, поэтому большое запаздывание закрытия впускного клапана после НМТ вызывает снижение фактической степени сжатия. В то же время открытие выпускного клапана непосредственно перёд НМТ повышает степень расширения. Из этого примера видно, что таким способом нельзя достичь большой разности степеней сжатия и расширения. Если бы впускной клапан закрывался на половине хода поршня, то фактический рабочий объем двигателя (поступающее количество воздуха) снизился бы наполовину. Двигатель с объемом 2000 см3 имел бы мощность, равную двигателю с объемом 1000 см3, но его масса, размеры и стоимость остались бы неизменными. Уменьшилось бы только среднее потребление топлива автомобилем, на котором он установлен. Последнее обновление 02.03.2012Опубликовано 11.05.2011 Наверх Читайте такжеСноски
Комментарии | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
На рис. 2 кривой а обозначен КПД теоретического цикла с подводом теплоты при постоянном объёме согласно рис. 1. Кривая б показывает расчётный КПД этого же цикла для бензовоздушной смеси с 50 %-ным недостатком топлива, кривая в – с 20 %-ным недостатком топлива. Кривая г рассчитана для стехиометрической смеси бензин-воздух. Во всех расчётах циклы считались термодинамическими идеальными, т. е. принималось, что теплота подводится мгновенно в ВМТ, а теплообмен со стенками цилиндра отсутствует.
Для всех кривых расчетом или измерением был определен показатель k.
На этот процесс расходуется значительное количество теплоты, вследствие чего рост максимальной температуры рабочего тела тормозится. При охлаждении водород и кислород опять соединяются и образуют воду, а CO вновь превращается в CO2. Эти процессы протекают с выделением теплоты, однако полностью она не используется, так как возвращается в цикл в течение достаточно продолжительного процесса расширения.
Одно из таких решений было реализовано в виде специального кривошипного механизма с тремя шатунами и двумя коленчатыми валами. Однако такие сложные механизмы имеют низкий механический КПД из-за увеличения числа подшипников, вращающихся и колеблющихся масс. Кроме того, они неработоспособны при высоких частотах вращения, поэтому их использование не принесло ожидаемого улучшения КПД.
Однако его нужно открывать заранее с тем, чтобы давление газов в цилиндре успело снизиться и при последующем выталкивании газов поршнем при его ходе вверх от НМТ к ВМТ не оказывалось большого сопротивления движению поршня.
— М.: Машиностроение, 1987. — 320 с.: ил.//Стр. 105 — 110 (книга есть в библиотеке сайта). – Прим. icarbio.ru
Разбираемся. Что такое степень сжатия?
Каждый двигатель независимо от объема, типа топлива, мощности и крутящего момента обладает рядом технических характеристик, которые не меняются с течением времени.
Например, при износе двигатель развивает меньшую мощность, нежели новый крутящий момент. Кроме того, возрастает и расход топлива. Но есть и другие, такие как диаметр поршня, ход, рабочий объем. Так вот, среди таких величин можно встретить степень сжатия. Это расчетная величина.
Итак, требуется узнать, что же такое степень сжатия. Это соотношение рабочего объема одного цилиндра двигателя к объему камеры сгорания. Поэтому, если автовладелец хочет увеличить степень сжатия, для этого есть два пути: уменьшить вторую (то есть камеру сгорания) либо увеличить первый (то есть объем цилиндра). Второй путь гораздо сложнее, поэтому тюнеры предпочитают производить всяческие операции с головкой блока цилиндров. Это делается путем стачивания плиты, поскольку головка цельнолитая, и способ заполнения тут не подходит. Кроме того, в большинстве двигателей рассчитано распределение горючей смеси по цилиндру, поэтому нарушение внутренней геометрии чревато последствиями.
Степень сжатия двигателя влияет на множество его характеристик в повседневной эксплуатации.
Прежде всего, это его крутящий момент, поскольку чем выше давление над поршнем, тем большую энергию он получает в процессе рабочего хода. Как следствие, увеличивается давление на шейку коленчатого вала, а значит, увеличивается и кутящий момент двигателя.
Еще одна характеристика, на которую прямо влияет степень сжатия, – это расход топлива, и зависимость эта обратно пропорциональна, то есть чем больше первая, тем меньше второй. Но не всякое топливо способно быть использованным при высокой степени сжатия. Например, если степень превышает 9,0, то бензин должен быть с октановым числом не ниже 92 (АИ-92). Дело в том, что низкое октановое число бензина говорит о его неустойчивости к детонации, то есть преждевременному воспламенению от давления и температуры.
Это приводит к повышенному износу шатунно-поршневой группы, поскольку взрыв смеси происходит еще до того момента, как поршень дойдет до верхней мертвой точки. От этого снижается мощность двигателя.
Кроме того, увеличивается температурный режим, что чревато другими, еще более страшными последствиями вроде пригорания колец к цилиндрам.
Степень сжатия дизельного двигателя намного выше, бывает даже в два раза. Она достигает 16, поскольку воспламенение горючей смеси происходит не от искры зажигания, а от давления в камере сгорания. Поршни здесь имеют специальные гильзы в днище, которые служат для направления механизма прямо вниз.
В заключение стоит еще раз напомнить, что такое степень сжатия. Это характеристика двигателя, которая не меняется на протяжении всего времени эксплуатации, поскольку размеры остаются прежними. Многие путают степень сжатия с компрессией в двигателе. Не будем вдаваться в подробности, что такое компрессия, скажем только то, что это давление, которое измеряется с помощью манометра. Наша же степень сжатия может быть только рассчитана. Для того, чтобы сделать это, нужно измерить объем камеры сгорания. Это делается доливанием жидкости из мензурки с делением 1 мл.
Динамическая степень сжатия, объясненная Kennedy’s Dynotune
В нашей попытке помочь нашим клиентам понять производительность и то, что заставляет двигатель производить мощность, мы собираемся объяснить концепцию динамической степени сжатия (DCR). Несмотря на то, что это кажется эзотерическим, это важная концепция при разработке двигателя для повышения производительности.
Первое, что нужно понять, это то, что «степень сжатия» (CR), о которой обычно говорят, лучше всего называть «статической степенью сжатия». Это простая концепция, представляющая собой отношение рабочего объема цилиндра (рабочего объема) к объему над поршнем в верхней мертвой точке (ВМТ). Например, если гипотетический цилиндр имеет рабочий объем 450 куб. см и камеру сгорания 50 куб. см (плюс объем от днища поршня до головки), CR будет 500/50, или 10: 1. Если бы мы фрезеровали головку так, чтобы объем над днищем поршня был уменьшен до 40 куб. см, CR теперь был бы 49.0/40 или 12,25:1. И наоборот, если бы мы увеличили камеру до 60 куб.
См, CR теперь был бы 510/60 или 8,5: 1.
Всем известно, что высокопроизводительные двигатели обычно имеют более высокую степень сжатия. Проще говоря, более высокая степень сжатия дает больше лошадиных сил. Более высокий CR также улучшает топливную экономичность и приемистость. Так почему бы не увеличить CR еще больше? Как только CR превысит определенную точку, произойдет детонация. Детонация убивает мощность и убивает двигатель. Величина сжатия, которую может выдержать данный двигатель, определяется многими факторами. К ним относятся конструкция камеры сгорания, материал головки, использование покрытий камеры сгорания и т. д. После того, как эти механические аспекты двигателя были исправлены, основной переменной становится октановое число топлива. Более высокое октановое число = большая устойчивость к детонации и способность выдерживать большее сжатие.
Вышеизложенное поднимает вопрос, который часто возникает у энтузиастов производительности и производителей двигателей: насколько высоким должен быть мой CR? Даже если вы знаете все о своем двигателе и решили, какое топливо вы собираетесь использовать, на вопрос нельзя ответить в такой формулировке.
Почему? Потому что без привязки к характеристикам распредвала говорить о (статическом) CR рядом с бессмысленно!
Как это так? Что ж, подумайте о цикле Отто и о том, как работает четырехтактный двигатель. Рабочий такт завершен, и поршень движется вверх в отверстии. Впускной клапан закрыт, а выпускной клапан открыт. Когда поршень поднимается, он помогает выталкивать отработавшие газы сгорания через выпускное отверстие. Поршень достигает ВМТ и начинает опускаться. Выпускной клапан закрывается, а впускной открывается. Свежее топливо и воздух всасываются в цилиндр. Поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ) и начинает движение вверх. Это критический момент для понимания DCR. В БДЦ. впускной клапан все еще открыт. Следовательно, несмотря на то, что поршень поднимается вверх по отверстию, фактическое сжатие не происходит из-за открытого впускного клапана. Сжатие не начинается, пока не закроется впускной клапан (IVC). При достижении IVC топливовоздушная смесь начинает сжиматься.
Отношение объема цилиндра в IVC к объему над поршнем в ВМТ представляет собой динамическую степень сжатия. DCR — это то, что топливовоздушная смесь на самом деле «видит» и что «считает», а не статическая CR. Поскольку DCR зависит от IVC, характеристики кулачка так же сильно влияют на DCR, как и механические характеристики двигателя.
DCR намного ниже статического CR. Большинство высокопроизводительных уличных и дорожных/гусеничных двигателей имеют DCR в диапазоне 8-8,5:1. Для обычных кулачков это приводит к статической CR в диапазоне 10,0-12,0:1. Выше этого могут быть проблемы детонации с насосным газом. Двигатели с «маленькими» кулачками нуждаются в более низком статическом CR, чтобы избежать детонации. Двигатели с «большими» кулачками имеют более позднюю точку IVC и могут выдерживать более высокий статический CR. Когда используется гоночное топливо, может использоваться гораздо более высокий DCR (и статический CR) из-за сопротивления детонации топлива. Конечно, гоночные моторы также имеют гораздо большие распределительные валы, что является еще одной причиной, по которой им может сойти с рук такое высокое статическое CR, часто в диапазоне 13-15: 1.
Примечание: существует некоторая путаница в использовании термина «Коэффициент динамического сжатия». Некоторые люди используют его для обозначения характеристик двигателя, работающего на высокой скорости. В этом случае объемный КПД двигателя будет иметь большое влияние на давление в цилиндре. В этом случае больший кулачок будет увеличивать давление в цилиндре, когда он находится в диапазоне оборотов. Таким образом, будет создаваться большая мощность и большее давление в цилиндре. Мы предпочитаем думать об этом понятии как о «давлении в цилиндре», чтобы избежать путаницы.
PS: спасибо г-ну Брюсу Вольцу за указание на несоответствие в приведенном выше примере CR
Что такое степень сжатия в автомобильных двигателях?
Вы, наверное, слышали термин степень сжатия в разговорах, связанных с автомобильными двигателями. Однако не многие люди понимают, что означает этот термин. Как правило, люди примерно имеют представление о том, что это такое, но затрудняются объяснить, когда кто-то спрашивает их в упор: « Что такое степень сжатия 9».
0010 ?’
Чаще всего люди притворяются, что понимают термин, когда он используется в разговоре, хотя лишь немногие знают его истинное значение. Да, это соотношение, но оно сложнее. Однако наиболее важно знать, что высокая степень сжатия желательна, а низкая степень сжатия — нет.
Вам не нужно подробно разбираться в технических аспектах сжатия в двигателях, чтобы получить ответы на практические вопросы. В этой статье мы рассмотрим, что степень сжатия это и множество сопутствующих вопросов, которые задают автовладельцы. Узнайте больше из этой статьи.
Что такое степень сжатия?Степень сжатия (CR) в двигателе относится к отношению общего объема цилиндра, когда поршень находится в нижней мертвой точке (НМТ), к объему цилиндра зазора, когда поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ). ). CR — степень сжатия топливно-воздушной смеси перед воспламенением.
Представьте себе цилиндр двигателя, общий объем которого, скажем, 7 куб.
см, когда поршень находится в НМТ (обратите внимание, что в этот момент объем несжатой газовой смеси также равен 7 куб. см). Поршень движется вверх, сжимая при этом газовую смесь, пока не достигнет ВМТ. В этот момент воздух сжимается до 1 куб. см, что является наименьшим объемом (называемым зазором) цилиндра. Этот двигатель имеет степень сжатия 7:1, что означает, что он может сжимать топливно-воздушную смесь до одной седьмой ее первоначального объема.
Дизельные двигатели обычно имеют более высокую степень сжатия, чем бензиновые, и на это есть причина. Читайте в нашей статье о разнице степени сжатия дизельных и бензиновых двигателей. Высокопроизводительные спортивные автомобили имеют высокую степень сжатия . Например, у Ferrari 458 степень сжатия 14:1. Автомобили Формулы-1 обычно имеют степень сжатия 17:1.
Почему в автомобилях важна степень сжатия? Понимание степени сжатия — это только первый шаг. Более важно понять, почему это важно и почему автопроизводители заботятся об этом.
Как упоминалось ранее, 9В двигателях 0009 желательна высокая степень сжатия . Вы, наверное, спросите, почему так.
Что ж, высокий CR дает двигателю возможность генерировать больше энергии от сгорания из-за лучшего теплового КПД, чем двигатель с низким CR, использующий то же количество топлива. Это приводит к более длительному циклу расширения, то есть к более низкой температуре выхлопных газов и большей выходной механической мощности.
При увеличении степени сжатия поршень перемещается выше в цилиндре. Чем выше находится поршень, тем большая сила прикладывается во время расширения, чтобы толкнуть поршень вниз, что приводит к гораздо большей мощности. Другими словами, двигатель, который сжимает газовую смесь до одной семнадцатой части ее первоначального объема, будет производить большую мощность при расширении, чем другой двигатель, способный сжимать газ только до одной седьмой.
Статическая и динамическая степень сжатия Степень сжатия может считаться статической или динамической.
Статическая степень сжатия в двигателе внутреннего сгорания рассчитывается на основе объемов цилиндра и камеры сгорания.
Динамическая степень сжатия, с другой стороны, несколько улучшена и учитывает количество газов, поступающих в цилиндр и выходящих из него во время фазы сжатия.
Что произойдет, если степень сжатия слишком высока?Вы, наверное, думаете, что раз желателен более высокий CR, то почему бы не производить все двигатели с CR, скажем, 50:1 или выше. К сожалению, это неосуществимо, потому что металл не выдерживает такого уровня нагрузки от такого двигателя.
Это тот случай, когда слишком много хорошего — это плохо. В то время как высокая степень сжатия повышает эффективность, это также может привести к детонации двигателя.
Когда дело доходит до моторного топлива, вам нужно топливо, которое воспламеняется именно в тот момент, когда вы этого хотите, а не в любой другой момент. Неконтролируемое сгорание называется детонацией.
Детонация снижает крутящий момент автомобиля и может привести к серьезным повреждениям двигателя.
Чем выше степень сжатия, тем выше вероятность детонации двигателя.
Какое октановое число необходимо для высокой степени сжатия?Высокая степень сжатия требует высокооктанового топлива. Октановые числа используются в качестве эталона способности бензина сопротивляться самовоспламенению. При сжатии газы нагреваются. Так как низкооктановое топливо самопроизвольно воспламеняется под давлением, его не рекомендуется использовать в автомобилях с высокой степенью сжатия. Вместо этого предпочтительнее топливо с более высоким октановым числом; или просто:
Более высокий CR = более высокое октановое число
Октановое число 93 идеально подходит для двигателей с степенью сжатия менее 8,5:1. Октановые числа 95 и 98 больше подходят для автомобилей с CR от 8,5:1 до 10:1. Гоночные автомобили используют гоночное топливо с гораздо более высоким октановым числом.