Что такое компрессия и степень сжатия

• Главная
• Статьи
• Что такое компрессия и степень сжатия и чем они отличаются

Автор:
Алексей Кокорин

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.

популярные вопросы

Новые статьи

Статьи / Интервью

Проект АТОМ: что это будет за автомобиль, кто его разрабатывает и когда он появится

Новый отечественный проект АТОМ – один из самых свежих на современной сцене, и при этом один из самых непрозрачных. Имеет ли он отношение к Кама-1 и будет ли ее прямым развитием? Что за авто…

119

0

0

16.04.2023

Статьи / Тесты

Последний настоящий: проверь, что ты знаешь и помнишь об АЗЛК-2141

АЗЛК-2141 стал первым и последним переднеприводным Москвичом. Эта модель очень долго и непросто рождалась, обещала быть очень перспективной и впоследствии стала этаким символом развала СССР…

823

1

0

15.04.2023

Статьи / Интересно

Гранит: раритетная мелкосерийная автосигнализация, которую сможет установить даже ребенок

В лабораторию «Колес» попала редкая российская автосигнализация, выпущенная экспериментальным тиражом и так и не пошедшая в серию. У гаджета необычный формат и необычный функционал – он мог…

733

0

0

13.04.2023

Популярные тест-драйвы

Тест-драйвы / Тест-драйв

30 лет рабства: тест-драйв ГАЗ-53

Точнее было бы написать «тест-драйв ГАЗ-САЗ-3507 на шасси ГАЗ-53-14», но это слишком сложно. А вот просто ГАЗ-53 узнает каждый, кто успел выпить стакан  газировки за одну копейку (с сиропом…

9361

9

784

09.12.2022

Тест-драйвы / Тест-драйв

Любителям Volvo, по цене Volvo: тест-драйв обновленной Geely Tugella

Впервые с Geely Tugella мы познакомились ровно два года назад, в ноябре 2020. За эти два года флагманский кроссовер нашел свою, пусть и небольшую, аудиторию, заработал определенную репутацию…

8213

3

864

29.11.2022

Тест-драйвы / Тест-драйв

Тест-драйв Geely Monjaro: лучше, чем Volvo?

В Китае этот полноразмерный кроссовер дебютировал еще два года назад под неблагозвучным для нашего уха именем Xingyue L и заводским индексом KX11. В России машину сертифицировали в 2022, и в…

6615

8

9

07.04.2023

Вот что на самом деле означает ‘степень сжатия’, и почему это имеет значение

Почему для двигателей так важна степень сжатия, и на что она влияет.

Вы наверняка слышали термин «степень сжатия» в двигателях внутреннего сгорания. Но вы когда-нибудь задумывались, что он означает? Итак, пришло время точно объяснить, что же такое коэффициент сжатия (степень) в двигателях автомобиля и почему сегодня все автопроизводители одержимы этим показателем, как будто этот параметр представляет собой Святой Грааль для будущих продаж автоновинок. 

Сразу хотим отметить, что разобраться в том, что такое степень сжатия двигателя, не так просто, как кажется на первый взгляд. Вы наверняка заметили в различных рекламных проспектах и каталогах, а также в описании на сайтах автопроизводителей, что автобренды пытаются привлечь наше внимание такой характеристикой, как степень сжатия двигателей. Особенно стараются нам рассказать о степени сжатия менеджеры автосалонов. Мы обычно делаем вид, что понимаем, о чем идет речь, пропуская мимо ушей эту информацию. И причина такого поведения в том, что многие автолюбители просто не представляют, что такое степень сжатия двигателей, равно как и на что она влияет. Но тем не менее мы считаем, что все автолюбители должны знать, что же это за показатель двигателей внутреннего сгорания, о котором недавно вспомнили многие автопроизводители. 

Мы знаем, что высокое сжатие двигателя – это хорошо, а низкое – плохо. Мы также знаем, что новый мотор Mazda Skyactiv-X имеет высокую степень сжатия. Не отстает от Mazda и Toyota со своими моторами «Dynamic Force», которые имеют высокую степень сжатия. Эти компании рекламируют новые двигатели с большим коэффициентом сжатия, заявляя, что они не только стали мощнее, но и получили большую экономичность. Но при чем здесь высокая степень сжатия и увеличение мощности с уменьшением расхода топлива? Сейчас объясним.

Двигатель Toyota «Dynamic Force»

Мы живем в эпоху, когда инженеры не могут просто дать двигателю больше энергии за счет укрупнения, как, например, это было раньше, когда автопроизводители на многие свои автоновинки устанавливали моторы с увеличенным объемом. К тому же это приводило к неминуемому увеличению расхода топлива и росту уровня вредных выбросов в выхлопе автомобиля. Сегодня в связи с дороговизной топлива по всему миру и сложной экологической обстановкой подобный способ увеличения мощности мотора не подходит. Особенно если учитывать жесткие экологические нормы, предъявляемые автопроизводителям рядом развитых западных стран. 

В итоге автопроизводители стали улучшать эффективность нынешних моторов за счет применения турбин и увеличения степени сжатия современных двигателей. 

Как определяется степень сжатия, и что это такое?

Степень сжатия – это показатель, при котором устанавливается, какой максимальный объем цилиндра двигателя может быть сжат в минимальный объем цилиндра. Этот показатель степени сжатия определяется как соотношение. 

Например, обычно степень сжатия записывают вот таким образом: 9:1 (коэффициент сжатия двигателя «девять к одному»).  

Теперь представьте цилиндр двигателя. Внутри цилиндра двигателя, как вы знаете, перемещается поршень: вверх и вниз. Когда поршень находится в самой нижней точке цилиндра двигателя, это называется «нижней мертвой точкой». Именно в этом положении поршня сверху него находится наибольший объем цилиндра. Когда поршень находится в самой высокой точке внутри цилиндра двигателя, это положение поршня называется «верхней мертвой точкой». В этом положении объем цилиндра находится в наименьшем значении. Вот сравнение этих двух объемов цилиндров над поршнями двигателя и образует соотношение степени сжатия. Обратите внимание, что когда поршень находится в верхней мертвой точке, все-таки над ним есть объемное пространство, где и происходит сжатие топливно-воздушной смеси.

Для тех, кто любит больше смотреть, чем читать, внизу мы публикуем GIF-картинку, на которой демонстрируется, как работает четырехтактный двигатель. Обратите внимание, как поршень движется вверх во время такта сжатия топливной смести (топливо + кислород), которая подается клапанами головки блока двигателя. Напомним, что воздух и топливо, поступаемые в цилиндр двигателя, сжимаются поршнем, чтобы затем воспламенить эту смесь с помощью свечи зажигания (в бензиновых моторах) или за счет сильного сжатия (в дизельных моторах). 

Если двигатель имеет высокую степень сжатия, это означает, что заданный объем воздуха и топлива в цилиндре сжимается в гораздо меньшем пространстве, чем в двигателях с небольшой степенью сжатия. 

А теперь математический пример соотношения степени сжатия в ДВС. 

Предположим, что у нас есть двигатель, объем цилиндра и камер сгорания которого в момент нахождения поршня в нижней мертвой точке составляет 10 куб. см. После того как впускной клапан головки блока двигателя закрывается и поршень поднимается вверх, начав такт сжатия, он сжимает воздух и топливную смесь в пространство 1 куб. см. Этот двигатель имеет коэффициент сжатия (степень) 10:1. 

Также часто производители любят вычислять итоговую степень сжатия, деля большее значение объема цилиндра над поршнем на меньший объем цилиндра. В итоге во многих технических характеристиках автомобилей вместо соотношения производители указывают результат деления этих значений. 

Таким образом вычисляется, во сколько раз сжимается топливно-воздушная смесь при движении из нижней мертвой точки поршня в верхнюю мертвую точку. Разделив большее значение на меньшее, мы и получим итоговое значение степени сжатия без соотношения большего объема к меньшему.

Почему производители стараются увеличить степень сжатия?

Но не все так просто со степенью сжатия. Одно дело – понимать, что такое степень сжатия. И это не менее важно по сравнению с пониманием, почему так важна высокая степень сжатия для современных двигателей. К сожалению, объяснить простыми словами, почему высокая степень сжатия в двигателях современных автомобилей – это отличное решение на ближайшие годы, не получится. Тем не менее мы попытаемся.

Вы знаете, что мощность двигателя появляется в тот момент, когда сгорание топливной смеси оказывает силу на поршень внутри цилиндра двигателя. Эта сила толкает поршень вниз по цилиндру. И чем выше поршень находится в цилиндре в момент сжигания топливно-воздушной смеси, тем больше сил будет приложено на поршень. 

Как мы уже сказали, чем больше степень сжатия, тем выше находится поршень в верхней мертвой точке. В итоге это позволяет вырабатывать больше мощности в момент сгорания топлива. Также помимо увеличения мощности для вырабатывания силы, толкающей поршень вниз по цилиндру двигателя, необходимо меньше топлива, что в конечном итоге влияет на топливную эффективность мотора. Это простое объяснение. Но оно неполное, поскольку при увеличении степени сжатия двигателей возникает ряд проблем, для решения которых необходимо в идеале знать термодинамику.

Итак, мы знаем, что высокая степень сжатия означает, что двигатель получает больше силы и мощности из того же количества топлива по сравнению с мотором с меньшим коэффициентом сжатия. Как мы выяснили, это хорошо для динамики автомобиля, а также для достижения хороших показателей его экономичности.

Чтобы объяснить вам точнее, почему более высокая степень сжатия дает больше экономии топлива, мы не будем погружаться слишком глубоко в науку о термодинамике. Тем не менее без нее нам также не объяснить вам в деталях, почему моторы с большой степенью сжатия более экономичные. Да, это нелегко понять. Но все же этот раздел термодинамики очень и очень интересен.

Более высокое сжатие в двигателе означает больше мощности, но больше давления

На приведенном выше рисунке показана диаграмма PV давления – объема для идеального типичного бензинового двигателя. Этот график наглядно демонстрирует, что происходит в двигателе, когда он сжигает воздушно-топливную смесь (в нашем примере бензин + кислород). 

На приведенном выше графике кривая 1-2 показывает ход сжатия. 

Линия 2-3 показывает сгорание топлива. 

Верхняя кривая 3-4 показывает ход расширения.

И линия 4-1 показывает отвод тепла, когда открывается выпускной клапан в головке блока цилиндров двигателя.  

Если описать все более техническим языком, то эту диаграмму следует понимать так:

На диаграмме кривая 1-2 показывает ход сжатия, при котором давление (ось Y) возрастает, а объем (ось Х) падает, когда поршень сжимает воздушно-топливную смесь внутри цилиндра, приближаясь к верхней мертвой точке. 

Линия 2-3 показывает тепло, выделяемое во время горения топливной смеси. Эта линия показывает, как быстро увеличивается давление и температура сгораемого топлива. 

Кривая 3-4 показывает увеличение объема цилиндра двигателя и падение давления, когда газ, полученный в процессе сгорания топливной смеси, оказывает силу на поршень, который начинает свое движение вниз по цилиндру двигателя (такт расширения). 

Линия 4-1 показывает отвод тепла от газов, образованных в процессе сгорания топлива. Когда давление внутри цилиндра возвращается к давлению окружающей среды, открывается выпускной клапан.  

Наконец, линия 1-5 демонстрирует нам ход выхлопа (выхлопной цикл мотора), в процессе которого поршень снова движется внутри цилиндра вверх (к верхней мертвой точке), чтобы снова сжать топливно-воздушную смесь для повторения цикла. 

Область в пределах линий 1-2-3-4 показывает нам, сколько работы было проделано двигателем в рамках одного лишь только цикла. Более высокая степень сжатия двигателя означает, что две вертикальные линии на графике выше будут двигаться влево и вверх, оставляя больший диапазон хода поршня, что влияет на получение большей мощности по сравнению с двигателем, имеющим низкий коэффициент сжатия. То есть двигатель с высокой степенью сжатия сделает больше работы за один цикл, чем мотор с небольшой степенью сжатия. 

И все дело в том, что в двигателях с высокой степенью сжатия в процессе сгорания топлива образуется больше давления, которое с большей силой двигает поршень вниз по цилиндру. Правда, в этом случае внутри двигателя выделяется больше тепла.  

Более высокое сжатие в двигателе также означает более высокую тепловую эффективность

Важно отметить, что образование тепла и потеря тепла в течение цикла работы двигателя напрямую связаны с его эффективностью (речь идет о коэффициенте полезного действия – КПД). Причем на КПД главное влияние оказывает степень сжатия двигателя. Все дело в двух идеях. Во-первых, любая тепловая энергия, поступающая в систему, должна быть преобразована в механическую или отработанную. Во-вторых, тепловая эффективность – это просто результат работы двигателя (мощность и сила), разделенный на теплопередачу.

Таким образом, с помощью уравнения можно вычислять взаимосвязь между тепловым КПД и степенью сжатия. 

Вот как выглядит уравнение этой взаимосвязи (n – тепловой КПД, r – степень сжатия, а γ (гамма) – свойство жидкости):

Теперь вернемся к нашей диаграмме выше. Когда вы обеспечиваете больший ход поршня между верхней и нижней мертвой точкой, вы увеличиваете степень сжатия. За счет этого вы смещаете на диаграмме PV вверх и влево и увеличиваете температуру (Qh на графике выше). Причем увеличение температуры будет больше, чем потери тепла (Ql). 

Иными словами, вы добываете в процессе сгорания топливной смеси больше энергии за один цикл работы двигателя. Кстати, вот один интересный ролик видеоблогера Джейсона Фенске, который рассказывает более простыми словами о взаимосвязи между степенью сжатия, теплопередачей и эффективностью (экономичностью двигателя):

 Для тех, кто не знает английский, включите субтитры и их машинный перевод на русский язык.

Так что, как вы, наверное, уже поняли, тепловая эффективность двигателя возрастает по мере увеличения степени сжатия двигателя. Таковы законы физики, а именно законы термодинамики. Особенно это становится ясно из уравнения, приведенного выше. 

Соответственно, чем выше степень сжатия мотора, тем больше он выдает лошадиных сил и меньше потребляет топлива. Для нас это означает более тяжелый кошелек за счет сэкономленных денег на заправке и больше адреналина при разгоне.

Чтобы это понять, вам нужно взять на прокат какой-нибудь старый американский неэффективный автомобиль с бензиновым V8 атмосферным двигателем, который имеет низкую степень сжатия. Поездив на таком автомобиле несколько дней, вы поймете, что автомобиль «жрет», как слон, но взамен не выдает хорошую мощность, которую сегодня показывают современные четырехцилиндровые и даже трехцилиндровые моторы. 

Например, знаменитый двигатель Skyactiv-G от Mazda является очень эффективным в плане не только мощности, но и хорошей экономичности. Во многом это благодаря большой степени сжатия. Также ряд и других производителей стали выпускать современные моторы с высоким коэффициентом сжатия. Так, сегодня компании Mazda, Nissan / Infiniti и Toyota и другие начали выпускать двигатели с очень высокой степенью сжатия – 14:1. 

Вы не поверите, но двигатели с такой степенью сжатия еще недавно казались фантастикой. Кстати, благодаря такой степени сжатия автопроизводителям нет необходимости оснащать двигатели турбинами, для того чтобы добиться соответствия современным стандартам экономичности, экологическим нормам, а также требованиям к мощности. 

Почему более высокая степень сжатия означает, что автомобиль должен заправляться топливом с высоким октановым числом

Но почему большинство автопроизводителей сегодня не перешли на выпуск двигателей с высокой степенью сжатия, если такие силовые агрегаты позволяют без турбокомпрессоров добиваться таких выдающихся результатов эффективности силовых агрегатов? Все дело в законах физики.

Многие двигатели с высоким коэффициентом сжатия нуждаются в премиальном топливе или в высокооктановом бензине. 

Тем, кто не знает или не помнит, что такое октан бензина и как он помогает избежать детонации в двигателе, советуем почитать наши следующие материалы:

Какой бензин лучше?

Почему премиум бензин является пустой тратой денег для большинства автомобилей

Сколько энергии в различных видах топлива

Топливо с низким октановым числом по сравнению с топливом с высоким октаном, скорее всего, будет самопроизвольно воспламеняться из-за более высоких температур и давления воздуха в двигателях с высокой степенью сжатия. Мы знаем, что воспламенение топливно-воздушной смеси должно происходить, когда это действительно нужно, а не наоборот. Такое неконтролируемое воспламенение топлива называется детонацией. Это очень вредно для любых двигателей внутреннего сгорания. Дело в том, что излишняя детонация уменьшает крутящий момент и может нанести непоправимый урон двигателю автомобиля. 

Высокая степень сжатия увеличивает риск сильной детонации двигателя. Вот почему моторы с большим коэффициентом сжатия, как правило, работают на высококачественном или высокооктановом бензине. 

Главная причина риска самовоспламенения топливно-воздушной смеси в двигателях с высокой степенью сжатия – это превышение допустимого давления, которое приводит к резкому нагреву топливной смеси. В итоге это вызывает преждевременное сжигание топлива еще до того, как свеча зажигания с помощью искры зажжет его. Повторяем, преждевременное воспламенение топлива – это очень плохо для любого двигателя. 

Для того чтобы снизить риск преждевременного воспламенения топлива, компания Mazda много работала над поршневыми и выпускными конструкциями бензиновых двигателей с высокой степенью сжатия (соотношение степени сжатия в цилиндрах двигателя 14:1). Например, мотор Skyactiv-X оснастили специальными поршнями, имеющими полость посередине, которая позволила предотвращать всплеск богатого кислородом топлива вокруг области воспламенения топливной смеси от свечи зажигания.

Именно проблема самовоспламенения топлива в двигателях с высокой степенью сжатия и препятствует сегодня массовому распространению данного типа моторов во всей автопромышленности. Подробнее об двигателе Mazda можно почитать здесь

Существуют ли ограничения по увеличению степени сжатия в двигателях

Интересно, почему автопроизводители не стараются сделать степень сжатия своих двигателей еще больше? Почему сегодня коэффициент сжатия 14:1 уже считается много? Неужели нельзя сделать двигатель с еще большим коэффициентом сжатия? Ведь в таком случае автомобили получили бы еще больше мощности и одновременно стали бы еще экономичней.

Например, почему бы не сделать двигатель со степенью сжатия 60:1? Но на самом деле это невозможно в сегодняшнем мире.  

Такую степень сжатия не выдержит ни один металл внутри двигателя. Да дело даже не в металле. Даже если бы у нас был такой крепкий дешевый металл, способный выдержать степень сжатия 60:1, все равно бы мы не смогли построить подобный рабочий мотор. Просто такая степень сжатия привела бы к чрезмерно высокой температуре внутри двигателя. В итоге мотор стал бы настолько горячим, что это вызвало бы его самоуничтожение (двигатель взорвался бы от высоких температур). 

Также, в принципе, нас не должна так сильно заботить высокая степень сжатия в современных автомобилях, если речь идет, конечно, не о спортивных мощных автомобилях, где каждая лишняя лошадиная сила на вес золота. Сегодня в рамках массового рынка нас больше волнует не мощность, а экономичность обычных повседневных автомобилей. Особенно во времена немалой стоимости топлива, где вопрос экономии топлива напрямую влияет на наши кошельки. Также сегодня более остро стоит вопрос экологии. А мы знаем, что чем менее экономичен автомобиль, тем меньше он загрязняет окружающую среду выхлопными газами. Так что, в принципе, увеличение степени сжатия в современных двигателях необходимо в первую очередь для улучшения экологической обстановки на всей планете. Но для того чтобы этого добиться, нет смысла существенно увеличивать в современных моторах степень сжатия. 

Вот мы и подошли к концу темы о степени сжатия двигателей внутреннего сгорания. Надеемся, что теперь вы не просто знаете, что такое степень сжатия силовых агрегатов, но и понимаете, какую важную роль она играет в современных двигателях. 

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

Вы уже слышали термин «степень сжатия», но задумывались ли вы когда-нибудь, что он означает? Что ж, пришло время объяснить, что такое степень сжатия и почему каждый автопроизводитель теперь одержим ею, как Святым Граалем.

Степень сжатия, надо признать, сложнее, чем кажется на первый взгляд. Не помогает и то, что это один из тех терминов, которые вы слышите на автомобильных встречах и в пресс-релизах без особых объяснений. Это одна из тех вещей, которые вы в основном делаете вид, что понимаете, пытаясь произвести впечатление на того артиста на воздушном шаре, которого вы встретили в цирке на прошлых выходных.

Мы знаем, что высокая степень сжатия — это хорошо, а низкая — плохо. Мы знаем, что новый двигатель Skyactiv-X «Святой Грааль» от Mazda имеет высокую степень сжатия, наряду с «дизельным убийцей» от Infiniti и серией «Dynamic Force» от Toyota, которые рекламируют большую мощность вместе с большей эффективностью.

Мы живем в эпоху, когда инженеры не могут просто увеличить мощность двигателя, сделав его больше. Изменение степени сжатия двигателя становится тем, как это делается.

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

Определить степень сжатия очень просто

Степень сжатия — это именно то, на что это похоже, — степень, при которой максимальный объем цилиндра сжимается до минимального объема цилиндра. Это объем цилиндра, когда поршень полностью опущен вниз по сравнению с полным подъемом. Это написано и сказано как отношение. Например, для двигателя со степенью сжатия 9:1 вы бы сказали, что это «девять к одному».

Теперь представьте цилиндр в своей голове. Поршень движется вверх и вниз внутри этого цилиндра. Когда поршень находится в нижней точке, это называется нижней мертвой точкой. Вот где объем цилиндра самый большой. Когда поршень находится в самой высокой точке внутри цилиндра, это называется верхней мертвой точкой, и именно здесь объем цилиндра наименьший. Сравнение этих двух томов — вот откуда исходит ваше соотношение.

Если вы визуал, как и я, вам понравится этот GIF-файл, который я сделал, показывающий, как работает четырехтактный двигатель. Видите, как поршень движется вверх во время такта сжатия? Вот и 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, моей любимой.

Представьте, что у вас есть двигатель, в котором объем цилиндра и камеры сгорания составляет 10 см³, когда поршень находится в нижней мертвой точке. После закрытия впускного клапана и подъема поршня вверх во время такта сжатия он выдавливает воздушно-топливную смесь в пространство одного кубического сантиметра. Этот двигатель имеет степень сжатия 10:1.

Вот оно! Это степень сжатия. Общий рабочий объем плюс сжатый объем (включая объем головки блока цилиндров и все, что выше, куда «заметает» поршень) на только сжатый том .

Почему это лучше, если это сложно

Но понимание того, что такое степень сжатия , менее важно, чем понимание , почему нас волнует, или почему высокое сжатие является таким стремлением.

Лучшее объяснение, которое я получил, дал мой коллега и инженер Дэвид Трейси, который затем обратился за помощью к другим инженерам и профессорам. Лучший ответ из них дал доктор Энди Рэндольф, технический директор ECR Engines. Он занимается исследованиями силовых агрегатов для NASCAR, и его объяснение предельно ясно:

С точки зрения непрофессионала, мощность двигателя вырабатывается, когда сгорание воздействует на поршень и толкает поршень вниз по цилиндру во время такта расширения.

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

По мере увеличения степени сжатия поршень перемещается выше в отверстии в верхней мертвой точке, следовательно, возникает дополнительная сила для такта расширения (дополнительная сила для того же количества топлива означает более высокий КПД).

Теперь мы действительно должны больше узнать о , почему , в дополнение к , как , а это значит, что нам придется углубиться в область термодинамики.

Суть всего этого в том, что более высокая степень сжатия означает, что двигатель получает больше работы при том же количестве топлива. Это хорошо для мощности, а также миль на галлон.

Чтобы объяснить, почему более высокая степень сжатия обеспечивает лучшую эффективность, мы не будем слишком глубоко погружаться в термодинамику, но, черт возьми, давайте просто окунемся в нее на цыпочках. Это здорово и хорошо для души.

Более высокая степень сжатия означает больше работы, но большее давление

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

На приведенной выше диаграмме нижняя кривая 1-2 показывает такт 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 такт сжатия, при котором давление (ось Y) увеличивается, а объем (ось X) падает, когда поршень работает над газом, сжимая его. Линия 2-3 показывает теплоту, выделяющуюся при сгорании, быстром увеличении давления и температуры газа. Кривая 3-4 показывает увеличение объема и падение давления, когда газ воздействует на поршень во время такта расширения. Линия 4-1 показывает отвод тепла от газа в окружающую среду по мере того, как давление возвращается к атмосферному при открытии выпускного клапана. Наконец, плоская линия 1-5 внизу представляет такт выпуска и возврат поршня в верхнюю мертвую точку в конце.

Площадь в этих строках 1-2-3-4 показывает, какую работу выполняет двигатель. Более высокая степень сжатия означает, что две вертикальные линии на графике будут двигаться влево и вверх, оставляя больше области в пределах границ, чем при более низкой степени сжатия, и, таким образом, работа будет выполнена. Но, как вы можете видеть на этой диаграмме, вы столкнетесь с более высоким давлением. Другими словами, вы получите больше механической работы от вашего двигателя с высокой степенью сжатия. Вы получите больше давления в цилиндре и на поршне из-за подводимого тепла от сгорания.

Более высокая степень сжатия также означает большую тепловую эффективность

Также важно отметить, что подводимое тепло и потери тепла во время рабочего цикла вашего двигателя связаны с эффективностью как функцией степени сжатия. Все это работает на двух идеях. Во-первых, любая тепловая энергия, поступающая в систему, должна быть преобразована либо в механическую работу, либо в отработанное тепло. Во-вторых, тепловой КПД — это просто выходная мощность, деленная на подводимое тепло. Таким образом, вы можете вывести соотношение между тепловой эффективностью и степенью сжатия, как показано на веб-странице MIT и показано выше. Уравнение здесь (nu — тепловой КПД, r — степень сжатия, а gamma — свойство жидкости) :  

Когда вы увеличиваете степень сжатия двигателя определенного рабочего объема, вы эффективно сдвигаете P-V диаграмму вверх. и влево, и увеличить тепловложение (Qh на диаграмме) в большей степени, чем теплоотдачу (Ql). Иными словами, вы превращаете большую часть своей входной энергии в работу. Вот Джейсон Фенске из Инженерное объяснение , разбивающее эту взаимосвязь между степенью сжатия, теплопередачей и эффективностью:

В любом случае, дело в том, что термодинамика диктует, что термическая эффективность увеличивается с увеличением степени сжатия, как вы можете видеть на этом графике и уравнении выше. А это означает больше лошадиных сил, лучшую экономию топлива, более тяжелые кошельки и более широкие улыбки. Покатайтесь на любом вялом, хрипящем, поглощающем бензин старом американском V8 с низкой степенью сжатия, и вы поймете, о чем я.

Степень сжатия также делает такие двигатели, как двигатель Mazda Skyactiv-G, такими эффективными. Первая из серии новых двигателей с высокой и переменной степенью сжатия от Mazda, Nissan/Infiniti и Toyota, Mazda имеет на данный момент самую высокую степень сжатия в бизнесе, 14:1, поэтому она может работать с большим расходом топлива. показатели экономичности и мощности даже без турбокомпрессора.

Почему более высокая степень сжатия означает более высокое октановое число

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

По сравнению с бензином с высоким октановым числом, бензин с низким октановым числом более склонен к самовоспламенению из-за высоких температур и давлений наддувочного воздуха. По сути, вам нужен газ, который воспламеняется, когда вы этого хотите, а не тот, который воспламеняется, когда вы этого не хотите. Такое неконтролируемое сгорание называется детонацией. Стучать плохо; это снижает крутящий момент и может привести к непоправимому повреждению вашего двигателя.

Высокая степень сжатия увеличивает риск детонации, поэтому двигатели с очень высокой степенью сжатия используют высокооктановый гоночный бензин или (сейчас чаще) E85. Газы имеют тенденцию нагреваться при сжатии, поэтому повышенная тепловая плотность может привести к преждевременному воспламенению топлива до того, как оно воспламенится от свечи зажигания. Повторюсь: это плохо.

Mazda пришлось проделать большую работу над конструкцией поршня и выхлопной системы, чтобы уменьшить стук в двигателе 14:1, работающем на насосном газе. Поршни в двигателе Skyactiv-X, например, имеют полость посередине, чтобы Mazda могла выстрелить богатым топливом вокруг свечи зажигания в бедной смеси, и, да, есть причина, по которой это было не так. ‘не легкая технология для разработки.

Что еще интересно, так это то, что вы не можете просто сделать двигатель с такой высокой степенью сжатия, как вы хотите. Я связался с Джоном Хойенгой, владельцем магазина выхлопных газов и ралли Nameless Performance, чтобы поговорить о рисках и преимуществах высокой степени сжатия.

Джон строит раллийный автомобиль Nissan 240SX, в который он заменяет четырехцилиндровый двигатель SR20VE, который в настоящее время развивает мощность около 250 лошадиных сил на колесах всего из 2,0 литров. Удивительно, но без турбо. Все, что Джон должен поблагодарить, это очень высокая степень сжатия 14,5: 1. «При сжатии выполняется больше работы, — объяснил он, — поэтому тем больше мощности [двигатель] будет производить без наддува».

При этом, поскольку это гоночный двигатель, он использует для этого гоночный бензин или чрезвычайно высокооктановый бензин E85. Джон сказал, что все, что имеет степень сжатия выше 14,5: 1, подвергается риску самовоспламенения и может выбить шток или прокрутить подшипник. Это то, что небрежно называют «взрывом».

Есть предел тому, как высоко вы можете подняться

Я спросил, не поэтому ли мы видим, что люди не ездят с двигателями, которые имеют значительно более высокую степень сжатия, чем все, что мы видим сегодня. Неприлично высокие соотношения, вроде 60:1. Джон рассмеялся. Он объяснил, что металл просто не может выдерживать такие высокие уровни нагрузки, а такая степень сжатия может разогреть все до такой степени, что любой современный двигатель взорвется.

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

А теперь иди и найди этого акробата и скажи ему, что ты чувствуешь!

Что такое коэффициент сжатия и как он рассчитывается

Что такое коэффициент сжатия и как он рассчитывается

3

АКЦИИ

Чем важна степень сжатия? Чтобы узнать, в том числе понять, как именно он рассчитывается, следуйте приведенному ниже полезному руководству.

Вот все, что вам нужно знать о степени сжатия и о том, как ее рассчитать в дизельном или газовом двигателе.

Ваша способность определить это соотношение означает, что это не остается только инженеру с профессиональными знаниями, чтобы вычислить его. А для непосвященных, коэффициент сжатия относится к двигателю автомобиля и к тому, как он помогает в его движении.

С другой стороны, мы описали влияние высокой степени сжатия на газовый и дизельный двигатели.

Если для одного из двигателей требуется высокое передаточное число, то для другого нет из-за того, что это может привести к проблемам. Это включает детонацию и дальнейшее повреждение двигателя.

В этом случае можно сказать, что высокая степень сжатия имеет свои преимущества и недостатки в зависимости от рассматриваемого двигателя.

Что такое степень сжатия?

Степень сжатия показывает, сколько смеси воздуха и топлива может вместить камера сгорания двигателя внутреннего сгорания.

В частности, это количество смеси, удерживаемой камерой, когда она пуста и имеет наибольший размер. Это количество сравнивается с объемом, который может содержать камера, когда воздушно-топливная смесь сжата до наименьшего размера.

Соответственно, степень сжатия можно определить как расчет, основанный на относительных объемах цилиндра и камеры сгорания.

С другой стороны, соотношение применимо к двигателям внутреннего сгорания (включая те, которые используются в современных автомобилях) и двигателям внешнего сгорания.

В сочетании с этим степень сжатия очевидна в дизельных и газовых двигателях, хотя конструкция дизельного двигателя способствует более высокой степени сжатия.

Для двигателя полезно иметь более высокую степень сжатия, учитывая, что эти двигатели считаются лучшими. Причина в том, что эти двигатели способны генерировать больше мощности и в то же время сохранять эффективность.

Как рассчитать степень сжатия

Стоит знать, как рассчитать степень сжатия двигателя. Шаги, описанные ниже, помогут вам.

1. Расчет объема, поддерживаемого цилиндром

Первым шагом к определению степени сжатия двигателя является расчет объема, который может содержаться в цилиндре двигателя. Это объем, который может поддерживаться, когда поршень находится в нижней части цилиндра.

И при каждом такте двигателя происходит движение поршня снизу вверх. Это приводит к сжатию топливовоздушной смеси.

Следовательно, это расчет объема цилиндра при опущенном поршне. Здесь смесь не сжимается.

2. Расчет объема при поднятом поршне

Следующим шагом является определение объема при поднятом поршне. При этом воздушно-топливная смесь была сжата.

Если у вас передаточное число 13:1, это означает, что объем двигателя в 13 раз больше. Эта величина поддержки возникает, когда поршень опущен вниз, в отличие от случая, когда топливовоздушная смесь сжата (в случае, когда поршень находится вверху).

С другой стороны, стоит отметить, что топливно-воздушная смесь остается прежней. Тем не менее, он сжимается в маленькое пространство, чтобы создать большой взрыв.

Высокая степень сжатия

Дизельные двигатели полагаются на сжатие, чтобы создать температуру, при которой дизель воспламеняет воздушно-топливную смесь. Эта смесь создаст мощность, необходимую для движения автомобиля вперед.

Несмотря на это, высокая степень сжатия может вызвать проблемы. Например, такое высокое соотношение может привести к детонации или стуку двигателя.

Таким образом, более высокая степень сжатия в газовом двигателе является недостатком.

Стук или звон могут возникнуть в результате более сильного взрыва, чем требуется. Этот взрыв приводит к быстрому движению поршня вверх или вниз.

В результате слышен громкий стук, который необходимо устранить.

И если этот шум не устранить, он может привести к постоянному стуку двигателя и, возможно, к необратимому повреждению.

Кроме того, более высокие степени сжатия могут использоваться в автомобилях, которые работают на газе с датчиком детонации или с более высоким октановым числом, но не могут соответствовать высокой степени сжатия, характерной для дизельного двигателя.

Влияние высокой степени сжатия

Как уже говорилось, дизельные двигатели полагаются на высокую степень сжатия, чтобы обеспечить их функциональность.