Содержание

Степень сжатия двигателя, формула, повышение, бензин

Всем известно, что в бензиновых поршневых двигателях внутреннего сгорания топливовоздушная смесь перед воспламенением сжимается. Аналогичный такт работы дизелей отличаются лишь тем, что сжимается воздух без топлива. Одной из важнейших характеристик обоих ДВС является степень сжатия. Она показывает, во сколько раз изменяется объем пространства над днищем поршня при прохождении его от нижней мертвой точки до верхней.

Иногда этот показатель путают с компрессией, несмотря на то что разница между ними огромна. Ведь упомянутые выше характеристики, хоть и связаны между собой, по сути, совершенно различны. На что указывает даже их размерность. Степень сжатия – это соотношение, например, 10:1 или просто 10 и не имеет единиц измерения. То есть измеряется в «разах». Компрессия же показывает максимальное давление смеси в цилиндре перед воспламенением и измеряется в кг/см2. Так, компрессия ДВС, имеющего степень сжатия 10:1, должна быть не более 15,8 кг/см2. Сказать, что такое степень сжатия, можно и иначе. Это отношение объема над поршнем, находящимся в нижней мертвой точке к объему камеры сгорания. Камерой сгорания называется пространство над поршнем, достигшим верхней мертвой точки.

Расчет коэффициента сжатия

Вычислить степень сжатия ДВС можно, если выполнить расчет по формуле ξ = (Vр + Vс)/ Vс; где Vр – рабочий объем цилиндра, Vс – объем камеры сгорания. Из формулы видно, что степень сжатия можно сделать больше, уменьшив, объем камеры сгорания. Или увеличив, рабочий объем цилиндра, не изменяя камеры сгорания. Vр намного больше чем Vс. Поэтому можно считать, что ξ прямо пропорционален рабочему объему и находится в обратной зависимости от объема камеры сгорания.

Рабочий объем цилиндра можно посчитать, зная диаметр цилиндра – D и ход поршня – S. Формула для его вычисления выглядит так: Vр = (π*D2/4)* S.

Объем камеры сгорания из-за ее сложной формы обычно не вычисляют, а измеряют. Сделать это можно залив в нее жидкость. Определить объем, поместившийся в камеру жидкости, можно при помощи мерной посуды или весов. Для взвешивания удобно использовать воду, так как ее удельный вес 1г на см3. Значит, ее вес в граммах покажет и объем в куб. см.

Влияние коэффициента сжатия на характеристики мотора

Чем выше степень сжатия, тем больше компрессия ДВС и его мощность (при прочих равных условиях). Повышая степень сжатия, мы также способствуем увеличению КПД двигателя за счет снижения удельного расхода топлива. Степень сжатия ДВС, определяет октановое число используемого для работы мотора бензина. Так, низкооктановое топливо станет причиной детонации мотора с большим значением этого коэффициента. Чрезмерно высокое октановое число топлива не позволит силовому агрегату, компрессия которого невысока, развивать полную мощность.

Исходные данные

Октановое число топлива, используемого для бензиновых двигателей с различной степенью сжатия.

  • 7,0–7,5 октановое число 72–76.
  • 7,5–8,5 октановое число 76–85.
  • 5,5–7 октановое число 66–72.
  • 10:1 октановое число 92.
  • От 10,5 до 12,5 октановое число 95.
  • От 12 до 14,5 октановое число 98.

Выравнивание плоскости сопряжения головки с блоком срезанием слоя металла приводит к уменьшению камеры сгорания мотора. От этого показатель сжатия увеличивается в среднем на 0,1 при уменьшении толщины головки на 0,25 мм. Имея в своем распоряжении эти данные, можно определить, не превысит ли он после ремонта головки блока допустимые пределы. И не следует ли принять меры для его снижения. Опыт показывает, что при удалении слоя менее 0,3 мм последствия можно не компенсировать.

Для чего бывает нужно изменить коэффициент сжатия

Необходимость изменения этого параметра ДВС возникает довольно редко. Можно перечислить всего несколько причин, побуждающих сделать такое.

  • Форсирование двигателя.
  • Желание приспособить мотор для работы на бензине с другим октановым числом. Было время, когда газовое оборудование для авто не встречалось в продаже. Не было и газа на заправках. Поэтому советские автовладельцы часто переделывали двигатели для работы на более дешевом низкооктановом бензине.
  • Неудачный ремонт мотора, для ликвидации последствий которого требуется корректировка коэффициента сжатия. К примеру, фрезеровка головки блока после слишком сильной тепловой деформации. Когда выровнять сопрягаемую с блоком цилиндров поверхность удается ценой снятия слоя металла чрезмерно большой толщины. От этого значение коэффициента увеличивается столь сильно, что работа на бензине, для которого был рассчитан мотор, становится невозможной.
  • Как можно изменить показатель сжатия

    Методы увеличения:

    • Расточка цилиндров и установка поршней большего размера.
    • Уменьшение объема камер сгорания. Выполняется за счет удаления слоя металла со стороны плоскости сопряжения головки с блоком. Эту операцию из-за мягкости алюминия лучше делать на фрезерном или на строгальном станке. Шлифовальный станок использовать не следует, так как его камень будет постоянно забиваться пластичным металлом.

    Способы снижения:

    • Снятие слоя металла с днища поршня (делается это обычно на токарном станке).
    • Установка между головкой и блоком цилиндров дюралюминиевой проставки между двумя прокладками.

    Взаимосвязь коэффициента сжатия и компрессии

    Зная значение коэффициента сжатия, можно рассчитать какая компрессия должна быть в двигателе. Однако, обратная оценка не будет соответствовать действительности. Так как компрессия зависит еще и от изношенности деталей цилиндр-поршневой группы и газораспределительного механизма. Низкая компрессия двигателя часто говорит о значительном износе мотора и необходимости его ремонта, а не о малом коэффициенте сжатия.

    Турбированные моторы

    В цилиндры двигателя, имеющего турбонаддув, воздух нагнетается компрессором под давлением несколько больше атмосферного. Значит, для определения показателя сжатия такого мотора нужно значение, которое вы получите в результате расчета по формуле, умножить на коэффициент турбокомпрессора. Бензиновые двигатели с турбонаддувом работают на топливе с октановым числом выше, чем у бензина, который потребляют такие же моторы без турбин, именно потому, что их коэффициент ξ больше.

    Поделиться «Степень сжатия двигателя, формула, повышение, бензин»

    Что такое степень сжатия? — Автомобильный журнал «Турбо»

    Скажете ли вы на память, какая степень сжатия у двигателя вашего авто? Допустим, 9,8; не слишком ли много? А может, наоборот, – мало?

    Непростой вопрос, ведь конструкторы моторов с искровым зажиганием [Мы обычно говорим бензиновый, хотя знаем, что автомобильные двигатели прекрасно работают и на газе. А также на спирте – метиловом или этиловом… Так что лучше выражаться: с искровым зажиганием. Или Отто (по имени создателя такой конструкции Николауса Отто) – в отличие от Дизеля. Хоть и странновато звучит, но точнее.] всячески стремятся повысить степень сжатия. А создатели двигателей с воспламенением от сжатия наоборот – стараются ее понизить…

    Своеобразная характеристика д.в.с., вокруг которой бытует немало недоразумений. Причем одна из ключевых – от степени сжатия зависит многое. Хотя, на первый взгляд, нет ничего проще: отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Или иначе: частное от деления объема надпоршневого пространства в н.м.т. на него же – в.м.т. То есть, геометрическая степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается топливовоздушная смесь (воздух в цилиндрах дизеля) при движении поршня от н.м.т. к в.м.т. Геометрическая; а в жизни, естественно, получается не всегда так, как в геометрии…

    Объемы 4-тактного поршневого двигателя: Vk – объем камеры сгорания; Vp – рабочий объем цилиндра; Vo – полный объем цилиндра; ВМТ – верхняя мертвая точка; НМТ – нижняя мертвая точка.

    Вперед и выше

    На заре автомобилизма степень сжатия двигателей Отто (а собственно, других 100 лет назад и не знали) делали невысокой – 4-5. Чтобы при работе на низкооктановом бензине (гнали как умели) не возникала детонация [Кто не слышал детонационные звуки в цилиндрах? Как говорится, «пальцы стучат». При слишком высокой (по качеству горючего) степени сжатия, горение топливовоздушной смеси после ее воспламенения от искры нарушается. Оно приобретает взрывной характер, в камере сгорания возникают ударные волны, от которых мотору не поздоровится.]. Скажем, при рабочем объеме цилиндра в 400 «кубиков» объем камеры сгорания – 100 миллилитров. То есть, геометрическая степень сжатия у нашего двигателя

    e = (400+100)/100 = 5.

    Если же объем камеры сгорания уменьшить – при прочих равных – до 40 см3 (технически несложно), то степень сжатия повысится до

    e = (400+40)/40 = 11.

    Замечательно – и что? А то, что термический к.п.д. двигателя увеличится почти в 1,3 раза. И если 6-цилиндровый 2,4-литровый мотор развивает со степенью сжатия 5 мощность в 100 л.с., то со степенью сжатия 11 она повысится до без малого 130. Причем при неизменном расходе горючего! Иными словами, расход топлива в расчете на 1 л.с. в час сокращается на 22,7%.

    Короткоходный 3,8-литровый двигатель Porsche 911 со степенью сжатия 11,8! Объем камеры сгорания настолько мал (59 см3), что трудно устроить углубления в днище поршня под головки клапанов

    Поразительный результат – самыми простыми средствами. Не слишком ли хорошо, чтобы быть правдой? Никакой мистики: чем выше степень сжатия, тем ниже температура отработанных газов, идущих на выхлоп. При e = 11 мы попросту заметно меньше обогреваем атмосферу, чем при степени 5; вот и все.

    Азы теплотехники

    Автомобильные двигатели – разновидность тепловых машин, которые подчиняются законам термодинамики. Еще в 1-й половине XIX в. замечательный французский физик и инженер Сади Карно заложил основы теории тепловых машин – в том числе и д.в.с. Так вот, по Карно, к.п.д. двигателя внутреннего сгорания тем выше, чем больше разница между температурой газов (рабочего тела) к концу горения топливовоздушной смеси – и их температурой на выпуске. А разница температур зависит от

    e – вернее, от степени расширения рабочих газов в цилиндрах.

    Sadi Carnot (1796-1832)

    Да, тут есть нюанс: по Карно, для термического к.п.д. важна не степень сжатия, а именно степень расширения. Чем сильнее расширяются горячие газы на рабочем ходу, тем ниже падает их температура – естественно. Просто в обычных конструкциях д.в.с. степень расширения геометрически совпадает со степенью сжатия; вот мы и привыкли говорить. Тем более что детонация зависит как раз от e – то есть от компрессии. Чем сильнее сжимается топливовоздушная смесь в цилиндрах двигателя Отто [Именно Отто, дизели детонации не знают. Почему – отдельный разговор.], чем выше давление и температура к моменту искрообразования, тем вероятнее возникновение ударных волн в камере сгорания.

    Взрывное горение, детонация. Она-то и ограничивает степень сжатия, но степень расширения рабочих газов здесь ни при чем. Вот если каким-то образом отделить одну степень от другой – чтобы при умеренной компрессии добиться сильного расширения рабочих газов…

    Пятитактный цикл

    Pourquoi бы и не pas; ведь уже полвека с лишним известен так называемый 5-тактный цикл Atkinson’а/Miller’а. Он как раз и разводит степень сжатия и степень расширения по разные стороны.

    Представьте, что у вашего 1,5-литрового 16-клапанника ВАЗ-2112 впуск заканчивается не на 36° после н.м.т. (по углу поворота коленчатого вала), а очень поздно – на 81°. То есть, при 3 тыс. оборотов поршень на своем ходе к в.м.т. вытесняет часть топливовоздушной смеси через открытые клапаны обратно во впускной коллектор (не беспокойтесь, она там не пропадет). Иными словами, такт сжатия начинается только где-то на 75° после н.м.т., а до того имеет место своеобразный такт обратного вытеснения смеси.

    Тактов теперь не 4, а 5: впуск, обратное вытеснение, сжатие, рабочий ход, выпуск. На первый взгляд, идиотская схема: зачем гонять смесь туда-обратно? На первый взгляд и Солнце обращается вокруг Земли… Следите за моими руками: допустим, обратно вытесняется 20% топливовоздушной смеси, уже попавшей в цилиндр, и сжимается только 80%. И пусть геометрическая e равна 13 – исключительно высокая для Отто. Однако реальная степень сжатия, компрессия гораздо ниже: при 20-процентном обратном вытеснении смеси она равна 10,6. Что и требовалось доказать.

    У конструкции с реальной степенью сжатия 10,6 (вполне допустимо для товарного бензина) степень расширения рабочих газов – 13. Термический к.п.д. двигателя по факту в 1,0518 раза выше, чем по его реальной степени сжатия; не так много, но моторостроители годами бьются ради 5-процентной экономии горючего. Двигатели пассажирских автомобилей уже вовсю работают по 5-тактному циклу. Возьмите 1,5-литровую тойотовскую «четверку» 1NZ-FXE (для Prius) или фордовскую 2,26-литровую (для Escape hybrid). Вроде блестящее решение, однако у медали есть и оборотная сторона.

    Тойотовская «четверка» 1NZ-FXE: тоже 5-тактный цикл. На глаз заметно, насколько профиль впускного кулачка шире выпускного: крайне позднее закрытие впускных клапанов

    Геометрическая e (степень расширения рабочих газов) у 1NZ-FXE – 13, реальная степень сжатия – около 10,5. Печаль в том, что из-за обратного вытеснения смеси 1,5-литровый мотор по крутящему моменту и мощности опускается примерно до 1,2-литрового; выигрываем в термическом к.п.д. – ценой потери реального литража. Так что с одной стороны – с другой стороны.

    Мало того, двигатель с поздним закрытием впускных клапанов совсем не тянет «на низах». Поэтому 5-тактный цикл годится в «гибридных» силовых агрегатах, где тяговый электромотор как раз и принимает на себя нагрузку при самых низких оборотах. А потом подхватывает д.в.с.; так или иначе, 5-тактный цикл позволяет повысить степень расширения рабочих газов и термический к.п.д. двигателя.

    У двигателя Honda, работающего по 5-тактному циклу, часть топливовоздушной смеси вытесняется поршнем обратно во впускные каналы 1 – впуск; 2 – обратный выброс топливовоздушной смеси; 3 – пятый такт: сжатие.

    А вот наддув – наоборот – вынуждает понижать степень сжатия. При подаче топливовоздушной смеси под избыточным давлением, реальная компрессия в цилиндрах оказывается слишком высокой – даже при умеренной геометрической e. Приходится отступать; отсюда снижение термического к.п.д. и повышенный расход бензина у двигателей с наддувом, если не применять спецгорючее.

    На спирту

    Чем больше октановое число бензина, тем выше допустимая (по условиям детонации) степень сжатия, тем эффективнее работает мотор. Так ведь не бензином единым… Исключительно высокую e допускает в роли горючего газ – нефтяной или природный. Без наддува 13-14 не вопрос, с компрессором – 10-11. Водород тоже отличается стойкостью против детонации. И еще спирт – метиловый или этиловый: потрясающие антидетонационные качества. Вдобавок у спирта высокая теплота испарения; испаряясь, он сильно охлаждает топливовоздушную смесь (а заодно и поверхность камеры сгорания). Холодная смесь плотнее, и в цилиндр ее – по весу – входит заметно больше; реальный коэффициент наполнения оказывается выше. Крутящий момент, мощность. Так и говорят: «компрессорный» эффект спиртового горючего.

    Мощность, термический к.п.д. – все удовольствия сразу. Кроме того, этиловый (питьевой!) спирт еще и экологичен; что еще пожелать? Правда, расход спиртового топлива в литрах оказывается гораздо выше, чем бензина, поскольку теплотворная способность метанола и этанола невысока. Как водка и «сушняк»; равнять литр на литр тут бессмысленно. А вот в энергетическом эквиваленте спирт заметно эффективнее бензина – благодаря высокой степени сжатия (расширения). Так что в перспективе – спиртовое топливо, чистое или в смеси с бензином. Скажем, E85: на 85% этанол и на 15% бензин. И лет через 25 нефть потеряет свое значение в мире…

    Истина в мере

    В перспективе, а пока повысить степень сжатия ВАЗовского 16-клапанника с 10,5 до 11,5 – на 92-м бензине от местной АЗС – ой как непросто. Скажем, применить впрыск бензина непосредственно в камеры сгорания – вместо впускных каналов. Испарение бензина не на впуске, а в цилиндрах – тот же самый «компрессорный» эффект. Или организовать 2-искровое зажигание – с 2 свечами на цилиндр; кое-что дает. А также поставить выпускные клапаны с внутренним (натриевым) охлаждением; раскаленные тарелки провоцируют детонацию. Очистить поверхность камеры сгорания от нагара – и отполировать ее.

    Влияет конфигурация камеры сгорания – и скорость вихревого движения топливовоздушной смеси. Есть много способов борьбы с детонацией – хороших и разных.

    А до какого уровня есть смысл поднимать e двигателя Отто? Тут вот что: термический к.п.д. нарастает с повышением степени сжатия (расширения!), но не линейно. То есть, рост к.п.д. замедляется: если от 5 до 10 он повышается в 1,265 раза, то от 10 до 20 – только в 1,157 раза. Зато быстро накапливаются побочные заморочки, которых лучше избегать. Поэтому степень сжатия 13-14 – разумный компромисс, к которому и следует стремиться. Только оставьте окончательное решение за инженерами-конструкторами; они знают лучше.

    Двигатель с воспламенением однородной горючей смеси от сжатия — Википедия

    Двигатель с воспламенением однородной горючей смеси от сжатия (HCCI, от англ. Homogeneous charge compression ignition) — двигатель внутреннего сгорания, в котором хорошо смешанное топливо и окислитель (обычно воздух) сжимаются до точки самовоспламенения. Как и при других видах сгорания, эта экзотермическая реакция выделяет энергию, которая может быть преобразована двигателем в тепло и полезную работу.

    Такой двигатель сочетает в себе характеристики обычных бензинового и дизельного двигателей. Бензиновые двигатели используют однородную смесь и искровое зажигание. Современные дизельные двигатели используют стратифицированную смесь и зажигание от сжатия.

    Также как в бензиновом двигателе, в HCCI впрыск топлива происходит на такте впуска. Однако вместо использования электрической искры для зажигания небольшой части топливной смеси, HCCI увеличивает плотность и температуру смеси до тех пор, пока по всему объёму не начнётся спонтанная реакция сгорания.

    Таким же образом работают современные дизельные двигатели, однако в них впрыск происходит позже, во время цикла сжатия. Сгорание происходит на границе воздуха и топлива, создавая больше выбросов, позволяя как более обедненную смесь так и высокую температуру сгорания, что приводит к более высокому КПД.

    Управление HCCI двигателем требует применения микропроцессорной системы управления и понимание физики воспламенения. Такие двигатели могут достигать сравнительно низких выбросов как бензиновые и такого же высокого КПД как дизельные.

    Также HCCI двигатели достигают чрезвычайно низких выбросов оксидов азота NOx даже без применения каталитического нейтрализатора. Тем не менее для соответствия экологическим стандартам требуется нейтрализация несгоревших углеводородов и угарного газа.

    Последние исследования показали что использование гибридного топлива(например смеси дизтоплива и бензина)помогает лучше контролировать процессы зажигания и сгорания в HCCI двигателях.

    HCCI двигатели имеют долгую историю, хотя и не получили столь широкого распространения как бензиновые и дизельные. Такие двигатели были популярны до появления электрического искрового зажигания. Одним из таких двигателей является нефтяной(калоризаторный) двигатель в котором использовалась горячая испарительная камера для смешивания топлива с воздухом. Дополнительный нагрев совместно со сжатием создает условия для сгорания. Другим примером является компрессионный карбюраторный двигатель широко используемый в авиамоделизме.

    Принцип[править | править код]

    Смесь воздуха и топлива воспламеняется когда температура и давление смеси достаточно высоки. Концентрация и/или температура могут быть увеличены одним из следующих способов:

    • Увеличение степени сжатия
    • Предварительный нагрев газов наддува
    • Наддув
    • Увеличение или снижение рециркуляциии выхлопных газов

    Сразу после воспламенения начинается сгорание, которое протекает очень быстро. При слишком раннем самовоспламенении или выделении чрезмерно большого количества энергии, высокое давление в цилиндрах может привести к разрушению двигателя. Поэтому при работе двигателя как правило используется обедненная смесь.

    Преимущества[править | править код]

    • Так как HCCI двигатель работает в режиме обедненной смеси, он может работать с высокой степенью сжатия(>15) как у дизеля и имеют до 30% более высокую топливную чем обычные бензиновые двигатели.
    • Однородная топливная смесь позволяет более полное сгорание с меньшими выбросами. Так как максимальные температуры ниже чем в двигателях с искровым зажиганием, то количество образующихся оксидов азота NOx минимально. Также такой двигатель не выбрасывает сажу.
    • Двигатель может работать как на бензине, так и на дизеле и на большинстве альтернативных видов топлива.
    • Также HCCI позволяет избежать потерь на дросселирование, что дополнительно увеличивает эффективность.

    Недостатки[править | править код]

    • Сложности с холодным пуском.
    • Высокие температура и скорость нарастания давления приводят к повышенному износу.
    • Самовоспламенение трудно контролировать, в отличие от традиционных двигателей, контролируемых с помощью свечей зажигания и топливных форсунок (у дизеля).
    • HCCI двигатели имеют малых диапазон мощности ограниченный при малых нагрузках условиями воспламенения обедненной смеси и при высоких нагрузках пределом давления в цилиндрах.
    • Выбросы угарного газа и несгоревших углеводородов выше чем у обычных бензиновых двигателей из-за неполного окисления (из-за низкой температуры и высокой скорости сгорания).

    Способы управления[править | править код]

    Двигатель с воспламенением однородной горючей смеси от сжатия сложнее в управлении чем другие ДВС. В бензиновых двигателях используются свечи зажигания для воспламенения топливной смеси. В дизельных двигателях сгорание начинается когда топливо впрыскивается в предварительно сжатый воздух. И в том и в другом случае зажигание происходит в определенный момент времени. В HCCI двигателях же, сжимается однородная смесь топлива и воздуха и сгорание начинается в произвольный момент когда температура и давление становятся достаточными для самовоспламенения. Это означает отсутствие какого-либо определенного инициатора зажигания который бы можно было контролировать. Двигатель должен быть спроектирован таким образом, чтобы условия самовоспламенения достигались своевременно. Для стабильной работы система управления двигателем должна управлять условиями которые инициируют сгорание. Такими способами могут быть: степень сжатия, температура и давление наддува, изменение процента рециркуляции выхлопных газов.

    Степень сжатия[править | править код]

    Имеют значения две степени сжатия. Геометрическая степень сжатия может изменяться с помощью подвижного поршня в верхней части ГБЦ. Такая система используется в авиамодельных компрессионных карбюраторных двигателях. Эффективная степень сжатия может быть уменьшена относительно геометрической закрытием впускного клапана либо слишком рано, либо слишком поздно с помощью системы изменения фаз газораспределения(VVT). Оба способа требуют энергозатрат для достижения нужного быстродействия. Также они являются дорогостоящими, но эффективными. Влияние степени сжатия на процесс сгорания в HCCI двигателе является предметом исследований.

    Температура наддува[править | править код]

    Самовоспламенение в HCCI весьма чувствительно к температуре. Простейшим способом используемым для контроля температуры является использование резистивных нагревателей на впуске, однако быстродействие такого подхода недостаточно для изменения температуры в ходе одного такта. Другим способом является быстрое управление температурой(FTM), он реализуется путём смешивания горячего и холодного воздуха на впуске. Этот способ обладает необходимым быстродействием, но дорог и имеет ограничения по производительности.

    Процент рециркуляции выхлопных газов[править | править код]

    Выхлопные газы могут быть очень горячими если подаются обратно в цилиндры непосредственно из выпускного тракта, либо холодными если они прошли рециркуляцию через впуск как это делается в системах рециркуляции выхлопных газов(EGR). Выхлопные газы влияют на процесс сгорания в HCCI двояким образом. Они разбавляют свежий заряд, отсрочивая воспламенение и уменьшая выделение энергии и соответственно результирующую мощность. Горячие же продукты сгорания напротив увеличивают температуру в цилиндре и ускоряют начало зажигания. Управление HCCI двигателями с помощью EGR было продемонстрировано экспериментально.

    Изменяемые фазы газораспределения[править | править код]

    Изменяемые фазы газораспределения(VVA) расширяют рабочий диапазон HCCI двигателя позволяя более точно контролировать совокупность параметров температура-давление-время в камере сгорания. Это может быть достигнуто следующими способами:

    • Управлением эффективной степенью сжатия: VVA на впуске может регулировать момент в который закрывается клапан впуска. Если это сделать после прохождения нижней мертвой точки, степень сжатия изменится за счет изменения давления.
    • Регулируя количество возвращённых в камеру сгорания горячих выхлопных газов: VVA может регулировать это либо повторным открытием клапанов, либо временем одновременного открытия впуска и выпуска. Изменение баланса поступающих холодных и горячих выхлопных газов позволяет контролировать температуру внутри цилиндра.

    Электрогидравлические и бесклапанные системы изменения фаз газораспределения хотя и дают контроль над работой двигателя чрезмерно сложны и дороги, в то время как широко распространённые механические системы могут быть настроены для достижения необходимых режимов работы двигателя.

    Смесь различных видов топлива[править | править код]

    Другим способом увеличения рабочего диапазона двигателя является контроль за началом самовоспламенения и тепловыделением с помощью изменения самого состава топлива. Обычно это достигается за счёт смешивания нескольких топлив «на лету» в одном двигателе. Примером являются доступные на рынке двигатели использующие природный газ и этанол совместно с бензином/дизелем. Достичь этого можно различными способами:

    • Смешивание на входе: различные виды топлива смешиваются в жидкой фазе, одно с высокой воспламеняемостью(дизель) и другое с низкой(бензин). Момент зажигания в этом случае определяется составом смеси.
    • Смешивание в камере сгорания: одно топливо может впрыскиваться во впускной тракт, а другое непосредственно в цилиндр.
    Непосредственный впрыск: PCCI или PPCI Сгорание[править | править код]

    Непосредственный впрыск с воспламенением от сжатия(CIDI) — отработанная технология контроля момента самовоспламенения и тепловыделения использующаяся в дизельных двигателях. Двигатель с воспламенением предварительно смешанной(частично) горючей смеси от сжатия(PPCI или PCCI) это компромисс между простыми в управлении CIDI двигателями и более экологически чистыми HCCI двигателями, в частности с малым образованием сажи. Тепловыделение контролируется созданием горючей смеси которая дольше горит и менее склонна к детонации. Это делается путём впрыскивания смеси в такой момент, чтобы к началу воспламенения в цилиндре образовывались участки с различным соотношением топлива и воздуха. Сгорание начинается в разных точках камеры сгорания в различный момент времени там самым замедляя тепловыделение. Смесь формируется таким образом чтобы избежать обогащённых участков смеси приводящих к образованию сажи. Применение EGR и дизтоплива с высокой устойчивостью к воспламенению даёт больше времени на смешивание до воспламенения снижая число обогащённых участков смеси.

    Предельное давление и скорость выделения тепла[править | править код]

    В обычном ДВС сгорание происходит в режиме горения. Таким образом в каждый конкретный момент времени горит лишь некоторая часть топлива. Результатом этого являются сравнительно низкие давление и выделение энергии. В HCCI двигателях же вся топливовоздушная смесь воспламеняется одновременно и сгорает за меньшее время, при этом давление и выделение энергии значительно выше. Это повышает требования к прочности деталей двигателя.

    Мощность[править | править код]

    В ДВС изменение(увеличение) мощности происходит простым введением большего количества топлива в цилиндры. Так как скорость выделения тепла в таких двигателях сравнительно невелика, они могут выдерживать подобное увеличение мощности. Однако, в HCCI двигателях увеличение соотношения топливо/воздух приводит к росту давления и тепловыделения. К тому же многие способы управления HCCI двигателями подразумевают предварительный нагрев топлива, что приводит к уменьшению плотности, а следовательно и массы топливовоздушной смеси в камере сгорания снижая мощность. Из-за этого регулирование мощности HCCI двигателя является сложной задачей. Одним из способов является использование смешение топлив с различной стойкостью к самовоспламенению. Это уменьшает пиковое давление и тепловыделение и позволяет снизить коэффициент избытка воздуха. Другим способом является термическая стратификация топливовоздушной смеси таким образом, чтобы в разных точках сжимаемая смесь имела различную температуру и скорость горения. Третьим способом является ограничение работы двигателя в HCCI режиме только до при частичных нагрузках, переводя его в режим обычного сгорания(дизельного/бензинового) при полной мощности.

    Выхлоп[править | править код]

    Отличия от детонации[править | править код]

    Моделирование HCCI двигателей[править | править код]

    На 2019 год до стадии серийного производства доведены только двигатели Mazda SkyActive-G второго поколения(Skyactive-X), устанавливающиеся на Mazda 3. Двухлитровый двигатель оснащён турбонаддувом и имеет степень сжатия 18:1.

    Также были продемонстрированы:

    • В 1994 году Honda представила мотоцикл EXP-2. Для имитации HCCI в двухтактном двигателе использовался выпускной клапан.
    • В 2007-2009 General Motors демонстрировала модифицированный 2.2L двигатель Ecotec. Двигатель работал в HCCI режиме при спокойной езде и переходил в обычный режим(цикл Отто, искровое зажигание) при максимальной мощности.
    • Mercedes-Benz создал прототип двигателя DiesOtto с управляемым самовоспламенением. Он был подемонстрирован в 2007 на Франкфуртском автошоу в составе прототипа F700.
    • Volkswagen разработал 2 прототипа на основе дизельного и бензинового двигателей соответственно.
    • В ноябре 2011 Hyundai представила GDCI двигатель работающие без свечей зажигания и использующий одновременно турбину и компрессор для контроля за самовоспламенением.
    • Британская компания Oxy-Gen Combustion в партнерстве с Michelin и Shell создала прототип HCCI двигателя работающего на максимальной мощности.

    Степень сжатия двигателя — подробное пояснение характеристики

    Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется
    степенью сжатия — Е.

    (Степень сжатия двигателя Lada Niva 4×4 — 9.3. (см. здесь) )

    Всё коротко и ясно. Но вот достаточно ли? Конструкция силовой установки — это только способ или система, которая тепловую энергию сгоревшего топлива превращает в механическую энергию вращающихся частей двигателя. Понятия «сжатие”, «расширение», «рабочее тело» обязывают ещё рассматривать физико-химические процессы, происходящие в цилиндрах двигателя. А эти процессы невозможны без температуры, которая, в свою очередь, задаётся степенью сжатия. Эффективность использования расширяющихся газов зависит от степени расширения. И вот, при рассмотрении этих процессов в самом общем виде можно и нужно кое-что уяснить. Всё по порядку.

    Степень сжатия является одной из характеристик двигателя. Она показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси или воздуха при перемещении поршня из НМТ в ВМТ. По этой характеристике можно определить вид топлива, применяемый в двигателе; устаревшая модель двигателя или совершенная; это дизельный двигатель с раздельными камерами сгорания или дизельный двигатель с непосредственным впрыском.

    Повышение степени сжатия позволяет увеличить мощность двигателя и улучшить его экономичность. Возможность увеличения степени сжатия определяется главным образом свойствами топлив, токсичностью отработанных газов и нагрузкой на детали двигателя; для бензиновых автомобильных двигателей Е= 6,5 -14, а для дизеля Е = 15-24.

    В дизельных двигателях с увеличением степени сжатия Е повышаются температура и давление воздуха в момент начала впрыска. В результате этого задержки воспламенения уменьшаются, снижается скорость нарастания давления, и работа двигателя становится более мягкой. Однако при больших Е (вследствие более высоких давлений в цилиндре) необходимо увеличивать массу деталей кривошипно-шатунного механизма для повышения прочности. Это приводит к возрастанию механических потерь. Нужно помнить о том, что в результате сгорания топливовоздушной смеси объём цилиндра заполняется смесью азота, углекислого газа и водяных паров, и что при высокой температуре (свыше 2000°С) в камере сгорания происходит диссоциация воды на водород и кислород, а углекислого газа — на окись углерода и кислород. На это затрачивается значительное количество теплоты — рост температуры рабочего тела тормозится.

    Увеличение степени сжатия в бензиновых двигателях ограничено в связи с возможностью возникновения детонации. Детонационное сгорание, продолжающееся некоторое время, может привести к повреждению двигателя.

    Степень сжатия — характеристика двигателя, заданная конструктором. Проверять её нет необходимости, и только при ремонте двигателя нужно строго выполнять технические условия сборки конкретного двигателя.

    Является ли степень сжатия величиной постоянной? Или степень сжатия — величина переменная?

    Если допустить, что степень сжатия — величина постоянная, то мы получим две другие постоянные величины — температуру и давление. Но такого произойти не может. Нельзя рассматривать работу двигателя, принимая во внимание только его конструкцию.

    Для того чтобы появились температура и давление, нужно что-то сжимать (степень сжатия). Это что-то -воздух или топливовоздушная смесь (рабочее тело).

    Нагрузка двигателя регулируется путём дросселирования воздуха, что является непременным условием сохранения примерно постоянного состава топливовоздушной смеси в бензиновом двигателе. В дизельном двигателе нагрузка регулируется изменением количества топлива, подаваемого в камеру сгорания.

    Другими словами, мы управляем мощностью двигателя путём изменения количества рабочего тела в его цилиндрах.

    На современных автомобилях применяются электронные системы управления, способные быстро и точно рассчитать состав и количество рабочего тела, своевременно и в нужном количестве подать его в цилиндры двигателя с учётом многих факторов, влияющих на работу силовой установки в целом.

    Вспомним некоторые режимы работы двигателя — холостой ход, частичная нагрузка и максимальная нагрузка. Для каждого из этих режимов работы двигателя необходимо определённое количество рабочего тела в соответствии с положением педали подачи топлива.

    Для режима холостого хода необходимо минимальное количество рабочего тела, для режима максимальной нагрузки — максимальное.

    Если заполнить максимальным количеством рабочего тела объём между поршнем, находящимся в НМТ, и головкой блока (максимальная нагрузка), а затем переместить поршень в ВМТ, то рабочее тело сожмётся до какой-то плотности. После проведённых расчётов мы получим реальную степень сжатия рабочего тела. Эта реальная степень сжатия не может быть выше (для атмосферных двигателей) степени сжатия, предусмотренной при конструировании конкретного двигателя.

    Это обусловлено рядом факторов, влияющих на количество свежего заряда, поступившего в цилиндр двигателя, — гидравлического сопротивления впускной системы, наличие в цилиндре остаточных газов, подогревом заряда от стенок впускной системы и пр.

    Если частично заполнить рабочим телом тот же объём между поршнем, находящимся в НМТ, и головкой блока (холостой ход), а затем переместить поршень в ВМТ, то рабочее тело сожмётся до меньшей плотности. После проведённых расчётов мы получим реальную степень сжатия рабочего тела для режима холостого хода. Проводя подобные расчёты для каждого положения педали подачи топлива, мы можем рассчитать реальную степень сжатия в цилиндрах в каждый из моментов работы двигателя.

    Верхний предел степени сжатия ограничен конструктивными особенностями двигателя (прочностью), свойствами топлива и т.д.

    Нижний предел степени сжатия ограничен способностью топлива к воспламенению. На изменение реальной степени сжатия, в основном, влияет «насосная» характеристика цилиндров (исправная цилиндропоршневая группа -больше рабочего тела, неисправная — меньше).

    Реальную степень сжатия рассчитывать не надо. Достаточно иметь возможность проверить компрессию в цилиндрах двигателя, сравнить результаты измерения с техническими данными производителя конкретного двигателя. Также необходимо проверить герметичность (производитель указывает допустимые нормы потерь — некоторые называют это проверкой на «утечки») камеры сгорания цилиндра. Если полученные данные соответствуют характеристикам, указанным производителем этого двигателя, то с реальной степенью сжатия все в порядке.

    Чем выше давление (компрессия) в цилиндрах двигателя и лучше герметичность камеры сгорания -тем выше реальная степень сжатия, температура рабочего тела, и тем лучше условия для воспламенения топлива.

    Любая электронная система управления двигателем учитывает изменение реальной степени сжатия и реагирует на её изменение путём своевременной коррекции состава топливовоздушной смеси и изменением времени подвода тепла.

    Для двигателей с различными системами наддува количество рабочего тела в его цилиндрах будет большим, и реальная степень сжатия, соответственно, выше. Большими являются при этом температурные и механические нагрузки. Двигатели с системами наддува отличаются от атмосферных двигателей большей мощностью и конструктивно.

    На рисунке 1 (а) показано поле реальных степеней сжатия, полученное путём измерения давлений конца сжатия в бензиновом двигателе с геометрической степенью сжатия Е = 8,5. Верхняя граничная кривая показывает реальную степень сжатия при полностью открытой дроссельной заслонке в зависимости от частоты вращения двигателя п. Ниже этой кривой показано всё поле реальных степеней сжатия при различных открытиях дроссельной заслонки.

    На рисунке 1(6) показано поле реальных степеней сжатия двигателя с геометрической степенью сжатия Е = 12,5

    Реальная степень сжатия зависит от технического состояния цилиндров двигателя, а также устройств, призванных изменять в этих цилиндрах количество рабочего тела (различные системы наддува).

    С геометрической степенью сжатия всё понятно. С реальной степенью сжатия, я надеюсь, тоже всё будет в порядке. Во всяком случае, я старался.

    На этом можно было бы и заканчивать, но есть ещё кое-что. На это «кое-что» мы иногда не обращаем внимание. Точнее, мы знаем об особенностях газообмена, но забываем о них, когда речь идёт об определении «степень сжатия».

    Рис. 2. Индикаторная диаграмма четырёхтактного дизельного двигателя без наддува в координатах Р — V: а) — цикл; б) — процесс газообмена

    Если внимательно посмотреть на индикаторную диаграмму (рис. 2) четырёхтактного дизельного двигателя без наддува (да и бензинового тоже), то мы увидим, что при впуске впускной клапан закрывается после того, как поршень уже начал движение от НМТ к ВМТ и даже прошёл какое-то расстояние (точка 2). То есть процесс сжатия начался несколько позже. Нечто подобное происходит и в такте расширения — выпускной клапан открывается раньше, чем поршень дошел до НМТ (точка 4).

    То есть фактически степени сжатия и расширения отличаются от заданных по характеристике параметров (отношение объёмов двух геометрических фигур). И у нас есть основание назвать такие степени сжатия и расширения фактическими. А степени сжатия и расширения, соответствующие характеристике рассматриваемого двигателя — геометрическими.

    Поршневой двигатель с простым кривошипношатунным механизмом имеет равные между собой геометрические степень сжатия и степень расширения.

    На протяжении длительного времени (практически с момента появления двигателя внутреннего сгорания) создатели двигателей стремились максимально использовать давление расширяющихся газов. С этой целью создавались сложные системы кривошипов, способные повысить степень расширения. Но такие двигатели имели низкий механический КПД и были неработоспособны при высоких частотах вращения.

    Различных степеней сжатия и расширения можно частично добиться регулированием моментов открытия и закрытия клапанов.

    Для диагностов очень важно, на мой взгляд, понимание того, что сказано выше. Проблема диагностирования и ремонта двигателей с изменяемыми фазами газораспределения не рассматривалась нами на Слётах диагностов. Это говорит о том, что существующую проблему пока ещё не решали. А может быть это только моя проблема?

    Мне кажется, в самый раз сейчас вспомнить пятитактный цикл Аткинсона/Мил-лера. Представьте себе двигатель, у которого геометрическая степень сжатия — 13 (для двигателя ОТТО это достаточно высокая степень сжатия), объём — 1.51, впускной клапан которого закрывается не 36 градусов после НМТ по углу поворота коленчатого вала, а 81 градус. Естественно, часть рабочего тела будет вытеснена во впускной коллектор. Вот вам и пятый цикл — вытеснение. Если допустить, что вытеснено 20% рабочего тела, то фактическая степень сжатия этого двигателя будет 10,6. Рабочий объём такого двигателя, если брать во внимание только фактическую степень сжатия, будет близок к двигателю объёмом 1.21. А фактическая степень расширения будет соответствовать нашему двигателю объёмом 1.51. Расход топлива, экологические показатели, мощность, крутящий момент… Интересно? Мне тоже интересно. Но это не тема сегодняшнего разговора.

    Я взял этот пример из Интернета и не ручаюсь за точность всех данных, но он наглядно показывает суть цикла.

    По циклу Аткинсона/Миллера на сегодняшний день работают двигатели TOYOTA Prius, 1,51 1NZ-FXE, 2,26l FORD Escap Hibrid.

    Таким образом, необходимо различать:

    А. Степень сжатия как одна из технических характеристик двигателя (геометрическая), она неизменна.

    B. Степень сжатия фактическая — также является технической характеристикой двигателя, характеризуется фазами газораспределения, она неизменна.

    В двигателях с регулируемыми фазами газораспределения степени сжатия и расширения также являются характеристикой двигателя, и их следует считать фактическими.

    C. Степень сжатия реальная, меняющаяся в зависимости от:

    — количества поступившего в цилиндры двигателя рабочего тела;

    — частоты вращения коленчатого вала;

    — технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя и т.д.

    Владимир Белоносов
    АвтоМастер


    Ответы@Mail.Ru: У какого двигателя степень сжатия выше? Варианты: 1)Карбюраторного. 2)Дизеля. 3)Одинаковая.

    Дизель уж у него топливо впрыскивается в момент такта сжатия и искры у него нету он воспоминается за счет сжатия

    Разумеется, у дизеля. А вот максимальное давление можно наблюдать при использовании импульсного ядерного ракетного двигателя. Точно говорю.

    вобще то степень сжатия и компрессия это разные вещи




    Отправить ответ

    avatar
      Подписаться  
    Уведомление о