Как измерить степень сжатия двигателя?

Степень сжатия двигателей: величина, измерение, повышение мощности

Читатели журнала Биргалеев из г. Салавата и Филичев из г. Удомля Калининской обл. спрашивают, что такое степень сжатия, как ее замерить на двухтактном моторе, какова величина степени сжатия современных двигателей и как рассчитать, насколько нужно подрезать головку блока для повышения мощности мотора? Аналогичные вопросы задают и другие читатели.

Эффективная мощность реального двигателя кроме других параметров определяется величиной термического КПД η_t, который находится в прямой зависимости от степени сжатия ε. Как видно из графика, с повышением ε растет и η_t, а следовательно, и мощность на валу двигателя.

Степень сжатия (ее называют также геометрической) — это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.

где ε — степень сжатия; V_a — полный объем цилиндра, см 3 ; V_h — рабочий объем цилиндра, см 3 ; V_c — объем камеры сгорания, см 3 .

В литературе по ДВС для двухтактных двигателей кроме геометрической степени сжатия (или просто степени сжатия), определяемой по вышеприведенной формуле, введено понятие действительной (фактической, истинной) степени сжатия ε_д. При ее определении учитывается, что сжатие не начинается до тех пор; пока поршень не перекроет выпускное окно. Следовательно, действительная степень сжатия всегда меньше геометрической.

Действительная степень сжатия определяется по формуле:

где А — высота выпускного окна, см; D — диаметр цилиндра, см; S — ход поршня, см.

D = 50 мм = 5 см; S = 44 мм = 4,4 см; ε = 6,0; V_c = 17,2 см 3 ; А = 23 мм = 2,3 см.

Необходимо отметить, что для четырехтактных двигателей при определении действительной степени сжатия можно было бы считать потерянным объем, описываемый поршнем за время, в течение которого открыт выпускной клапан при рабочем ходе плюс объем, описываемый поршнем при закрытом впускном клапане при сжатии. Однако для упрощения оценки и расчетов как двухтактных, так и четырехтактных двигателей принято рассматривать геометрическую степень сжатия, т. е. отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.

При пользовании технической литературой по двухтактным ДВС (книги, журналы, каталоги и проспекты) необходимо учитывать, что в Японии принято приводить действительную степень сжатия, а в Европе — геометрическую.

Отечественные серийные двигатели имеют, как правило, низкую степень сжатия (ε = 6,0÷7,0 для двухтактных и 6,0÷6,5 для четырехтактных). Это объясняется тем, что большинство подвесных моторов создавалось много лет назад и рассчитано на использование бензинов с низким октановым числом.

Современные двухтактные двигатели имеют ε = 7,0÷12,0 (меньшие значения ε у двигателей с объемом одного цилиндра 350 см 3 , а большие — с объемом около 50 см 3 ).

Для современных четырехтактных двигателей ε = 8,0÷10,5 (при цилиндровом объеме 600÷50 см 3 соответственно). Применение высокой степени сжатия требует топлива с октановым числом, равным 88—98 единицам.

Степень сжатия повышают для увеличения мощности и уменьшения расхода топлива. Однако увеличивать ее можно только до определенного предела, который ограничивается появлением детонации — чрезвычайно быстрого, в виде взрыва, сгорания рабочей смеси со скоростью распространения пламени 2000÷2500 м/с (при нормальном сгорании эта скорость составляет всего 20÷40 м/с). Детонация сопровождается резким (ударным) повышением давления, передающимся на все детали кривошипно-шатунного механизма, перегревом поршня и клапанов, потерей мощности и появлением черного дыма из выхлопной системы. Сильная детонация приводит к разрушению поршня.

Чем выше степень сжатия и ниже октановое число применяемого бензина, тем более вероятна детонация при прочих равных условиях. Детонации подвержены высокооборотные двигатели с большим диаметром цилиндров, с большим коэффициентом избытка воздуха а в рабочей смеси (наиболее склонна к детонации смесь при α = 0,85÷0,95; увеличение остаточных газов снижает склонность к детонации). Детонация возможна при большом давлении смеси в начале сжатия, поэтому при использовании наддува степень сжатия обычно снижают. На антидетонационные свойства двигателя влияют форма камеры сгорания и расположение свечи зажигания — чем меньше путь пламени от электродов свечи до самой удаленной точки камеры сгорания, тем меньше склонность двигателя к детонации. Поэтому для форсировки путем повышения степени сжатия наиболее подходят двигатели с полусферической камерой сгорания и со свечой, расположенной в ее центре.

У двухтактного двигателя сжатие рабочей смеси происходит не только в надпоршневом пространстве, но и в картере при движении поршня от ВМТ к НМТ. Обычно давление в картере не превышает 1,5 кгс/см 2 . Оно зависит от степени сжатия в картере ε_к, т. е. от отношения полного объема картера V_к при нахождении поршня в ВМТ к объему картера при положении поршня в НМТ.

где V_h — рабочий объем цилиндра, см 3 .

Величина εк обычно находится в пределах 1,29÷1,40 (меньшее значение относится к гоночным двигателям, а большее — к серийным, коммерческим).

При работе с конкретным двигателем рабочий объем определяют расчетным способом по формуле:

Объем камеры сгорания, ввиду ее сложной формы, быстрее и точнее определяется следующим способом. Поршень устанавливается в ВМТ. Из мензурки (или другой емкости с делениями) в цилиндр заливается через свечное отверстие (до середины его высоты) моторное масло, слегка разведенное бензином. Количество вылитого масла и будет равно объему камеры сгорания.

Степень сжатия двухтактного двигателя с полусферической камерой сгорания можно повысить до 8,5÷9,0, но при этом придется применять топливо с октановым числом 93 и выше. При форсировке методом повышения сжатия неизбежно возрастают среднее эффективное давление в цилиндрах и соответственно силы, действующие на все детали цилиндро-поршневой группы и кривошипно-шатунного механизма. Возрастает частота вращения коленвала. Эти причины неизбежно вызывают уменьшение моторесурса и снижение надежности двигателя.

Пример расчета для определения величины подрезки головки блока. Имеется двигатель с параметрами D = 5 см; S = 4,4 см; V_c = 17,2 см 3 ; ε = 6,5 (первоначальная степень сжатия). Требуется увеличить ее до ε_t = 8,5.

Рабочий объем цилиндра:

Определим, какой объем камеры сгорания необходимо обеспечить:

Разница объемов камер сгорания серийного и форсированного двигателей составит:

Определим толщину слоя металла, снимаемого с торца головки блока цилиндров:

Что такое степень сжатия двигателя

Силовые агрегаты современных легковых автомобилей представляют собой сложные технические конструкции, и их работа определяется множеством различных параметров. Начинающим автолюбителям бывает очень непросто разобраться с тем, что же именно под каждым из них подразумевается. К примеру, о том, что такое степень сжатия двигателя в действительности не знают даже опытные автолюбители. Вернее, они считают, что им эти известно, но на самом деле очень часто путают этот параметр с компрессией.

Что такое степень сжатия и чем она отличается от компрессии

Иллюстрация степени сжатия 10:1

Каждый двигатель внутреннего сгорания функционирует за счет того, что в его цилиндрах при сжигании топливной смеси образуются газы, которые приводят в движение поршни, а они, в свою очередь — коленчатый вал. Таким образом, происходит преобразование энергии горения в энергию механическую, возникает крутящий момент, благодаря чему автомобиль движется.

Сгорание топливной смеси происходит в цилиндрах, причем перед воспламенением поршни сжимают ее до определенного объема. Именно отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания и называется степенью сжатия ДВС. Эта величина не имеет размерности и выражается простым соотношением. Для большинства современных бензиновых двигателей внутреннего сгорания она составляет от 8:1 до 12:1, а для дизельных моторов — от 11:1 до 14:1.

Под компрессией понимается максимальное значение давления, которое возникает в камере сгорания в самом конце такта сжатия топливной смеси. Таким образом, эта величина является не относительной, а абсолютной величиной. Для ее измерения используются такие единицы, как атмосферы, кг/см 2 , а также килопаскали или бары. Компрессия тесно связана со степенью сжатия, однако совсем не идентична ей. На ее значение оказывает влияние не только объем, до которого сжимается топливная смесь перед воспламенением, но и такие факторы, как ее состав, текущая температура двигателя, наличие зазоров в приводах клапанов и некоторые другие.

На что влияет степень сжатия двигателя

Нормальное сгорание смеси (вверху) и детонация (внизу)

Степень сжатия двигателя напрямую влияет на то количество работы, которое производит силовой агрегат. Чем она выше, тем больше энергии выделяется при сжигании топливной смеси, и, соответственно, тем большую мощность демонстрирует силовой агрегат. Именно по этой причине в конце прошлого века производители двигателей внутреннего сгорания старались делать свою продукцию мощнее именно за счет увеличения степени сжатия, а не за счет увеличения объемов цилиндров и камер сгорания. Следует заметить, что при форсировании моторов таким способом достигается существенный прирост мощности без дополнительного потребления топлива. Таким образом, моторы в итоге получаются не только мощными, но еще и экономичными.

У такого метода есть, однако, и свои ограничения, причем довольно существенные. Дело в том, что при сжатии до определенной величины топливная смесь детонирует, то есть происходит ее самопроизвольный взрыв. Это, правда, касается только бензиновых двигателей: в дизельных моторах детонации не происходит, и во многом именно поэтому они в среднем имеют более высокую степень сжатия.

Для того чтобы серьезно увеличить значение давления детонации, повышают октановое число бензина, что существенно удорожает топливо. Кроме того, многие химические добавки, которые для этой цели используются, ухудшают экологические параметры двигателей внутреннего сгорания. Некоторые не очень опытные автомобилисты считают, что чем выше октановое число бензина, тем больше энергии он выделяет при сгорании, однако на самом деле это совсем не так: эта характеристика не оказывает никакого влияния на теплотворную способность топлива.

Читайте также: Какая компрессия должна быть в двигателе.

Как рассчитывают степень сжатия двигателя

Поскольку очень желательно, чтобы двигатель внутреннего сгорания, установленный на автомобиле, имел максимально возможную степень сжатия, то необходимо уметь ее определять. Важно это еще и для того, чтобы при регулировке силового агрегата, направленной на его форсирование, избежать опасности детонации, которая может просто разрушить мотор.

Стандартная формула, по которой рассчитывается степень сжатия двигателя внутреннего сгорания, имеет следующий вид:

• CR=(V+C)/C,
• где CR — степень сжатия двигателя, V — рабочий объем цилиндра, C — объем камеры сгорания.

Для того чтобы определить значение этой величины для одного цилиндра, нужно сначала разделить общий рабочий объем силового агрегата на их количество. Таким образом определяется значение параметра V из приведенной выше формулы. Определить объем камеры сгорания (то есть значение величины С) несколько сложнее, но вполне возможно. Для этого опытные автомобилисты и механики, специализирующиеся на ремонте и наладке двигателей внутреннего сгорания, используют бюретку, которая проградуирована в кубических сантиметрах. Наиболее простой способ заключается в том, чтобы залить в камеру сгорания жидкость (например, бензин), а после этого измерить с помощью бюретки ее объем. Полученные данные нужно подставить в формулу расчета.

На практике значение степени сжатия двигателя обычно определяется в следующих случаях:

• При форсировании силового агрегата;
• При его приспособлении для функционирования с топливом другого октанового числа;
• После проведения такого ремонта ДВС, когда требуется корректировка степени сжатия.

Как изменить степень сжатия двигателя

У современных двигателей внутреннего сгорания меняют степень сжатия как в сторону увеличения, так и в строну уменьшения. Если ее необходимо увеличить, то растачивают цилиндры и устанавливают поршни большего диаметра. Еще один достаточно распространенный способ — это уменьшение объема камер сгорания. Для этого там, где головка цилиндров сопрягается с блоком, удаляется слой металла. Эту операцию производят на строгальном или фрезерном станке.

Если по тем или иным причинам нужно снизить степень сжатия двигателя внутреннего сгорания, то проще всего для этого между блоком цилиндров и головкой установить дополнительную прокладку из дюралюминия. Еще один, более сложный способ состоит в том, что на токарном станке с днища поршня удаляется слой металла.

Видео на тему

Разложим по полочкам — Компрессия, Степень сжатия, Давление конца такта сжатия

Судя по комментариям, от которых у меня поначалу прилично бомбануло, у людей в голове полный технический хаос. И, несмотря на то, что абсолютное большинство из них это устраивает, я все-таки продолжу писать для тех немногих, кто все же чему-то хочет научиться.

Итак. Начнем, пожалуй, с простейших базовых вещей, таких как компрессия, степень сжатия и давление в ВМТ.

Эти три понятия люди почему то постоянно путают и часто я вижу ситуацию когда мужики сравнивают показания своего компрессометра, снятые на холодном моторе с подсаженным АКБ и закрытой дроссельной с графой «степень сжатия» в мануале к своей машине. И, представьте себе, даже умудряются сделать какие то далеко идущие выводы.

Компрессия — максимально достигаемое давление в цилиндре. Измеряется на прогретом двигателе с полностью открытой дроссельной заслонкой, всеми вывернутыми свечами и полностью заряженным аккумулятором. В идеале — аккумулятор должен быть подключен к пускозарядному устройству, находящемуся в режиме поддержки. Единица измерения — атмосферы, бары, PSI либо любые другие единицы измерения давления. Так как давление именно максимально достижимое, то перед измерением нужно создать все условия для его достижения — прогреть двигатель для минимизации утечек через поршневые кольца и максимально открыть дроссельную заслонку для обеспечения полного наполнения цилиндра. Так как если у вас воздух будет уходить через кольца то давление уже не будет максимальным, на которое способен мотор. Точно также и с открытым дросселем — если заслонкой перекрыть поток воздуха в цилиндр, то поршню нечего будет сжимать и, соответственно, опять не будет максимально достижимым.

Степень сжатия. Исключительно геометрическая величина. Не имеет единицы измерения. Обозначает отношение объема цилиндра с поршнем в нижней мертвой точке к объему цилиндра с поршнем в верхней мертвой точке. Иными словами — это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Еще проще — степень сжатия показывает во сколько раз сжимается горючая смесь в цилиндре.

Давление в ВМТ такта сжатия — измеряется компрессометром без ниппеля на заведенном моторе, либо при помощи датчика давления и мотортестера. Измеряется в любых единицах измерения давления и напрямую зависит от наполнения цилиндра. То есть от того насколько сильно открыта дроссельная заслонка. Для диагностики представляет интерес анализ этого параметра только на холостом ходе.

С терминологией вроде разобрались. Теперь перейдем к тому, что со всем этим багажом знаний и цифр делать.

Компрессия. Испокон веков для ее измерения применяется простейший прибор — компрессометр.

Для диагноста наибольшее значение имеет не столько абсолютное значение компрессии, которым так любят меряться соседи по гаражам, сколько динамика его нарастания и разница значений между цилиндрами испытываемого мотора.

Почему не очень интересно абсолютное давление?

Одна из причин — это то что несмотря на то, что компрессией принято называть максимально достигаемое давление в цилиндре, при классическом способе измерения на стартерной прокрутке оно таковым не является. Если завести двигатель со вкрученным компрессометром и резко полностью открыть дроссель, то намерянные «максимальные» 10-12 бар при стартерной прокрутке внезапно превратятся в 15-18, а иногда и больше бар. Я видел и разорванные давлением компрессометры, которые забыли выкрутить и завели мотор. Ни о каком воспламенении в цилиндре речь не идет — свечей то выкручены.

Почему так происходит? Вроде все то же самое, мотор крутится, дроссель открыт а показания иногда и в два раза отличаются. Все дело в том что если в цилиндре есть гипотетическое отверстие сечением 1кв.мм, то при заданном перепаде давлений между цилиндром и атмосферой за единицу времени может пройти четко определенное количество воздуха. Это принцип работы жиклера во всем известном карбюраторе. Если мы уменьшаем время существования перепада давлений (увеличиваем обороты двигателя) то времени становится меньше, соответственно и воздуха из цилиндра через эту неплотность уйдет меньше, а результирующее давление увеличится.

Именно по этой причине (ну есть еще несколько, описанных в предыдущих статьях) «подсевшие» двигатели отвратительно работают на холостом ходе и малых оборотах, но на «тапке в пол» после того как раскрутятся, все еще неплохо едут.

Вторая причина — моторное масло, а точнее его количество на стенка цилиндра. При износе колец логично предположить что компрессия упадет. Но это не так до определенного предела.

Дело в том, что изношенные кольца оставляют больше масла на стенке цилиндра, которое, за счет своей вязкости и скоротечности протекающих процессов, выполняет роль прекрасного уплотнителя. Мотор будет пожирать масло, дыметь-коптить, но при том иметь очень неплохую динамику. Опять таки до определенных пределов.

Существует даже методика определения виновника потери компрессии. Обычно подозревают цлиндро-поршневую группу, прокладку ГБЦ либо клапанную группу. Так вот, для того чтобы быстро исключить цилиндропоршневую группу достаточно в подозреваемый цилиндр налить через свечное отверстие несколько миллилитров моторного масла. Помните о том, что масло несжимаемо, то есть ведрами его туда лить не рекомендуется, иначе неизбежен гидроудар.

Так вот, если после добавления масла компрессия увеличивается — это практически стопроцентный приговор цилиндропоршневой группе.

С быстрой диагностикой клапанной группы без некоторого специализированного оборудования могут возникнуть проблемы.

Таким образом мы видим, что компрессия — сильно неоднозначный параметр. Как и любой параметр — его важно не только правильно измерить, но еще и правильно интерпретировать.

Давление ВМТ такта сжатия.

Анализ этого параметра и его динамики в последнее время набирает заслуженную популярность в связи с появлением у диагностов мотортестеров со специализированными датчиками.

Что может дать такой анализ? Очень много для диагноста, а для клиента — подробный осмотр мотора за очень небольшое время, и, что важно, наглядно. По времени это занимает — выкрутить свечу, закрутить датчик, 30 секунд замер ну и обратные операции. Примем условно — 5 минут с запасом, а вы теперь оцените сколько информации можно получить о моторе за это время: оценка наличия подсосов во впускном тракте, реальный угол опережения зажигания, пневматические потери в цилиндре (те самые утечки), корректность установки распредвалов, противодавление выхлопных газов (пора катализатор вырезать или еще нет). И это все за пять минут. Вот до чего техника дошла. И, как и в любой другой сфере — техники мало, нужно уметь интерпретировать полученные графики, что требует знаний конструкции двигателя и сути и взаимосвязей протекающих в нем процессов.

Именно для того чтобы вы понимали что происходит в вашем моторе я и пишу эти статьи, начиная от элементарных базовых понятий, до более глубоких исследований реальных моторов в будущем.

Что такое степень сжатия двигателя

Степень сжатия является величиной, которая характерна для двигателей внутреннего сгорания. Степень сжатия двигателя является отношением полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Другими словами, это отношение объема пространства над поршнем во время его нахождения в НМТ (нижняя мертвая точка) к объему такого же пространства над поршнем при его нахождении в ВМТ (верхняя мертвая точка).

Стоит отметить, что понятие степени сжатия двигателя зачастую ошибочно принимается за показатель компрессии. Компрессия представляет собой максимальный уровень давления в цилиндре, которое создается в результате движения поршня из НМТ в ВМТ. Показатель компрессии принято измерять в атмосферах, тогда как степень сжатия выражается математически в виде определенного отношения. В качестве примера можно указать степень сжатия 11:1.

На самом деле показатель степени сжатия условно является разницей давлений в камере сгорания между моментом подачи топливно-воздушной смеси (или только дизтоплива для дизельных ДВС) в цилиндр и тем моментом, когда происходит воспламенение топливного заряда. Различные двигатели могут иметь разный параметр степени сжатия, что зависит от типа мотора и его конструктивных особенностей. Принято выделять низкую или высокую степень сжатия.

Читайте в этой статье

Увеличение степени сжатия: плюсы и минусы

Любой ДВС в основе имеет принцип воспламенения смеси воздуха и распыленного топлива в камере сгорания. Результатом сгорания смеси становится тепловое расширение газов, которые толкают поршень. Такая энергия толчка от поршня передается на коленчатый вал двигателя посредством работы КШМ, что означает преобразование сгорания топлива в полезную механическую работу.

Чем большим оказывается показатель степени сжатия двигателя, тем сильнее итоговое давление газов на поршень. Увеличение давления будет означать, что за один такт силовая установка способна выполнить больше механической работы. Если проще, то мощность и отдача от двигателей с большей степенью сжатия выше сравнительно с аналогами, которые имеют меньший показатель. Также необходимо добавить, что количество самого подаваемого топлива в моторах с большей степенью сжатия не увеличивается, при этом такой двигатель имеет больший КПД. Бензиновые двигатели могут демонстрировать показатель степени сжатия от 8 до 12. Что касается дизельных моторов и особенностей воспламенения смеси в таких агрегатах, степень сжатия дизеля выше и находится в рамках от 14 до 18 единиц.

Большинство современных моторов легковых автомобилей имеют высокую степень сжатия, так как двигатель становится мощнее и экономичнее. Топливно-воздушная смесь в таких ДВС сгорает более полноценно и равномерно, позволяя улучшить ряд характеристик двигателя во всем диапазоне оборотов. Главной особенностью моторов с высокой степенью сжатия является повышенная требовательность к качеству топлива. Для таких силовых агрегатов обязательно использование дорогих марок бензина с высоким октановым числом и солярки с необходимым цетановым числом. Большинство современных бензиновых ДВС предполагают использование топлива с октановым числом не ниже АИ-95 или АИ-98.

Доработка двигателя: изменение степени сжатия

Среди распространенных решений для форсирования двигателя или езды на более дешевом бензине является самостоятельное изменение объема камеры сгорания. Далее мы рассмотрим, как увеличить или уменьшить степень сжатия своими руками.

Если вы планируете форсировать двигатель, тогда степень сжатия нужно увеличить. Следует помнить, что увеличение закономерно приводит к тому, что детонационный порог будет снижен. Слишком высокая степень сжатия для двигателя будет означать, что устранить детонацию при помощи высокооктанового бензина, настройки УОЗ и других манипуляций не получится.

Стоит добавить, что более ощутимый прирост мощности способен обеспечить такой двигатель, который изначально был рассчитан на меньшую степень сжатия. Другими словами, больше мощности после тюнинга выдаст агрегат, штатно имеющий показатель 9:1 и доработанный до 10:1 сравнительно с мотором, который в стоке имел 12:1 и был форсирован путем увеличения показателя степени сжатия до 13:1.

Для прибавки мощности существуют такие способы:

• доработка ГБЦ и/или установка тонкой прокладки ГБЦ;
• расточка цилиндров и общее увеличение объема ДВС;

Необходимо учитывать, что при таком тюнинге существует риск встречи клапанов с поршнем. Перед началом работ необходимы детальные расчеты. В ряде случаев требуется замена поршней на такие, которые имеют увеличенные выемки под клапан. Фазы газораспределения также сбиваются, что потребует их последующей настройки.

Что касается расточки блока цилиндров, данный способ также требует замены поршней. Результатом становится увеличение рабочего объема ДВС и более высокая степень сжатия, так как объем камеры сгорания по отношению к увеличенному объему цилиндра не меняется.

Дефорсирование ДВС

Вполне очевидно, что после понижения степени сжатия двигатель будет дефорсирован. Делается такая доработка в том случае, если мощность двигателя отодвигается на второй план. Уменьшение степени сжатия позволяет эксплуатировать мотор на низкооктановом бензине без риска появления детонации, что и обеспечивает определенную экономию на разнице стоимости горючего.

Необходимо добавить, что подобное решение зачастую применяется на старых карбюраторных автомобилях. Что касается инжекторных авто с электронным блоком управления, в этом случае данный способ доработки настоятельно не рекомендуется.