Двигатель с переменной степенью сжатия: особенности конструкции

Изменение степени сжатия

Камера сгорания современного автомобиля спроектирована таким образом, что при достижении поршнем ВМТ топливо воздушная смесь вытесняется к центру камеры сгорания. Это пожалуй самая действенная разработка препятствующая детонации.

Самостоятельная доработка камеры в ГБЦ под силу далеко не многим.

Это обусловлено тем, что вопервых вы можите нарушить спроектированную форму камеры, так же при доработке могут «вскрыться» стенки т.к. не известна их толщина. Так же не рекомендуется «расжимать мотор» толстыми прокладками т.к. Это нарушит процессы вытеснения в камере сгорания. Наиболее простым и правельным способом считается установка новых поршней в которых задан необходимый объём камеры.

Для турбо-двигателя сферическая форма считается наиболее эффективной.

Лучше использовать для этих целей специально разработанные и изготовленные поршни.

Zhurikhin › Блог › Расчет Динамической степени сжатия (DCR)

Таким образом, получается, что в двигатель, в лучшем случае, попадет воздуха около 85% от объема цилиндра. А также, забегая немного вперед, надо отметить, что произойдет это в режиме максимального наполнения.

Как мы видим, реальная степень сжатия уже будет отличаться.Также, мы должны понимать, что степень сжатия будет равняться расчетной, если уменьшение объема (сжатие) ТВС будет происходить в замкнутом пространстве от Объема V1 к V2.

Грубо говоря, сжатие начнется при положении поршня в НМТ и закончится тогда, когда поршень достигнет ВМТ. Но опять же по факту, в реальном двигателе этого не происходит, потому что впускной клапан закрывается с определенным запаздыванием после НМТ, и по сути само сжатие ТВС начинается с запаздыванием относительно НМТ.Что же мы видим?

Что такое степень сжатия двигателя

Есть распространенное заблуждение, что степень сжатия — едва ли не самый главный параметр любого автомобильного двигателя. На самом деле, это не совсем так. Степень сжатия двигателя влияет на топливо, которое лучше использовать для мотора. Также от степени сжатия зависят параметры воспламенения. Если на автомобиле используется искровое зажигание (бензиновый двигатель), степень сжатия специалисты стремятся повысить, а если сгорание в цилиндрах происходит от сжатия (дизельный двигатель), то, наоборот, снизить.

Рассмотрим пример. Допустим, у нас бензиновый двигатель с объемом в 2,4 литра. Если в таком моторе степень сжатия равна 6 единицам, то мощность такого двигателя составит около 100 лошадиных сил. При этом, если оставить тот же мотор, но повысить степень сжатия в дважды — до 12 единиц, то мощность составит около 135-140 лошадиных сил. При этом в обоих рассмотренных случаях расход бензина будет одинаковый. Если сжатие выше, то ниже температура выхлопных газов, соответственно, больше высвободившейся энергии может быть преобразовано в механическую работу.


Если углубиться в физику процесса, можно вспомнить, что чем выше уровень расширения газов после произошедшего воспламенения, тем ниже температура этих газов. Соответственно, больше механической энергии в результате взрыва высвобождается. Поскольку в автомобильных двигателях степень сжатия и степень расширения газов в процессе взрыва практически идентичны (поскольку взрыв происходит в замкнутом цилиндре), отсюда следует, что с повышением степени сжатия удается повысить эффективность работы двигателя.

Само собой, повышать степень сжатия можно не до бесконечности — есть определенная граница. В зависимости от того, насколько высока температура и давление смеси в момент создания искры, определяется риск возникновения детонации. Если не просчитывать данный фактор, могут создаться серьезные проблемы в работе двигателя.

Обратите внимание: Чтобы нивелировать проблему с возникновением детонации в ходе повышения температуры, производители автомобилей ввели в двигателях пятый цикл. Смысл его в том, что закрытие впускных клапанов происходит позже, чем ранее. Соответственно, это позволяет лучше использовать топливо в цилиндрах, что снижает степень сжатия, но увеличивает уровень расширения

Такая схема используется на современных автомобильных моторах

Соответственно, это позволяет лучше использовать топливо в цилиндрах, что снижает степень сжатия, но увеличивает уровень расширения. Такая схема используется на современных автомобильных моторах.

Если ознакомиться с технической информацией по автомобилю, можно заметить, что степень сжатия фигурирует в документации в качестве одного из параметров. Данная степень сжатия является постоянной для двигателя, и изменить заложенные производителем значения практически невозможно.

Степень сжатия можно измерить самостоятельно. Чтобы это сделать, необходимо поделить общий объём двигателя на число цилиндров. В результате данных вычислений удастся узнать полный объем одного цилиндра. Далее потребуется один из поршней мотора перевести в верхнюю мертвую точку и залить в данный цилиндр масло, отмерив его объем. Полученный объем — это объем камеры сгорания. Далее остается разделить общий объём цилиндра на объем камеры сгорания и узнать степень сжатия двигателя.

Степень сжатия против наддува

Теперь давайте рассмотрим отношение степени сжатия и давления наддува. На протяжении многих лет специалисты предлагали различные математические формулы для расчета подходящего давления сжатия при определенном давлении наддува. Но они оказались не очень эффективными.

Во-первых, не учитывалась температура впускного заряда, которая может значительно варьироваться при одном и том же давлении наддува из-за широкого диапазона эффективности нагнетателей (45% для нагнетателей Рутс и до 80% для центробежных нагнетателей) и из-за эффективности промежуточного охладителя (0% без промежуточного охладителя и до 85% с очень эффективным промежуточным охладителем).

Во-вторых, в расчет не принималось то, что различные типы нагнетателей нагнетают давление в коллекторе при различной частоте вращения двигателя. Конечно же, даже незначительное давление наддува, скажем, в 0,3 бар при частоте вращения 1800 об/мин, при использовании нагнетателя Рутс потребует использования более низкой степени сжатия, чем двигатель с турбокомпрессором, в котором давление наддува поднимается до 0,3 бар только при частоте вращения 6000 об/мин.

В-третьих, не учитывался тот факт, что все двигатели разные. Головки блока цилиндров из различных сплавов, четырехклапанные камеры сгорания и кулачки с большими фазами открытия клапанов обычно указывают на то, что двигатель может выдержать более высокую степень сжатия. Чугунные головки блока цилиндров, двухклапанные камеры сгорания, кулачки с маленькими фазами открытия клапанов, карбюраторы или механический впрыск топлива и механический распределитель опережения зажигания указывают на то, что необходимо использовать более низкую степень сжатия.

В-четвертых, в этих формулах не брались в расчет такие переменные, как масса автомобиля, аэродинамические свойства, общее передаточное число, а также расстояние между передаточными числами. Тяжелый автомобиль в форме кирпича с малолитражным двигателем, «медленной» коробкой передач и растянутыми передачами требует более низкой степени сжатия. С другой стороны, легкий автомобиль или, скажем, мотоцикл сбольшим двигателем, с низкими передаточными числами, благодаря которым двигатель быстро разгоняется до максимальной частоты вращения, будет отлично работать при высокой степени сжатия.

Оставив в стороне все эти общие замечания, можно говорить более конкретно. Теперь необходимо определить назначение автомобиля – сферу его эксплуатации. Будет ли он ежедневно использоваться в условиях городского движения или на извилистых дорогах в деревне? Возможно, автомобиль будет часто двигаться по скоростным шоссе или по гоночным трассам в выходные? А может быть, этот автомобиль будет предназначен специально для соревнований?

Если это автомобиль общего назначения, следует учесть несколько факторов. Какой тип топлива наиболее доступен, а также топливо с каким октановым числом вы будете постоянно заливать в бак? Чаще всего выбор падает на топливо с октановым числом 95 по исследовательскому методу, но, если вы живете в регионе, где топливо с октановым числом 91 по исследовательскому методу намного дешевле и доступнее, вы можете остановить свой выбор на более экономном варианте.

Следующий фактор – расход топлива. Сейчас вы можете не отнестись к этому серьезно, но, если вы будете проезжать 100 км каждую неделю, вы захотите «выжать» больше километров пробега из каждого литра топлива. Более высокая степень сжатия означает сокращение расхода топлива. Например, снижение степени сжатия с 9:1 до 8:1 приведет к снижению расхода топлива на 4-5% при движении на крейсерской скорости.

Если вы решили использовать турбокомпрессор, не стоит забывать о технических характеристиках при движении автомобиля. Турбированный двигатель с низкой степенью сжатия не сделает регулярное вождение приятнее. Это приемлемо при движении по скоростным шоссе, но вгородских условиях вы получите больше удовольствия от вождения при более высокой степени сжатия, как минимум 8,5:1, при этом необходимо использовать топливо с октановым числом от 91 и выше.

ПРЕИМУЩЕСТВА

  • Снижение расхода топлива на 15%.
  • Уменьшение количества вредных выбросов на 15%.

Главное преимущество использования модифицированного цикла Аткинсона-Миллера – более эффективное преобразование энергии расширяющихся газов в цилиндре. За счет большей геометрической степени сжатия на такте рабочего хода поршень под действием выхлопных газов преодолевает большее расстояние, что и повышает тепловую эффективность мотора. Проблема ДВС цикла Отто в том, что увеличивая рабочий ход, мы увеличиваем и ход поршня на такте сжатия, что неминуемо приводит к чрезмерному повышению давления и возникновению детонации. Фактическая степень сжатия такого двигателя ограничивается детонационной стойкостью топлива.

В моторе Skyactiv-G эта проблема решается поздним закрытием выпускных клапанов. В итоге при одинаковой степени сжатия ТПВС мы имеем большую степень расширения (газы дольше толкают поршень к НМТ). Именно таким образом достигается повышение КПД.

НЕДОСТАТКИ

Побочный эффект такого принципа работы – потеря пиковой выходной мощности. Двигатель Skyactiv-G крайне экономичен, но из-за ухудшения наполняемости цилиндров в режиме средних и низки оборотов моторы имеют меньшую удельную мощность. Именно поэтому атмосферные двигатели Mazda при схожих мощностных характеристиках с турбированными ДВС цикла Отто имеют больший объем, что сказывается на размерах и массе блока цилиндров, ЦПГ, шатунов, коленчатого вала. Установка механического нагнетателя – один из способов решения данной проблемы.

ДИЗЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ MAZDA

Для современных ДВС цикла Дизеля характерна степень сжатия порядка 16-18:1. В силовых агрегатах Skyactiv-D конструкторы пошли путем уменьшения соотношения к 14:1. Снижение давление в цилиндре в конце такта сжатия позволило раньше впрыскивать топливо, что способствует лучшему перемешиванию дизеля с разогретым от сжатия воздухом. За счет раннего впрыска повышается степень расширения газов, что позволяет эффективней преобразовывать тепловую энергию в механическую.

Для повышения мощности и крутящего момента моторы Skyactiv-D, построенные на базе турбодизеля MZR-CD, оборудуются двойным турбонаддувом. Маленькая и большая турбины дают прибавку в тяге как на низких, так и на высоких оборотах. Увеличить мощность и снизить расход топливо удалось еще и за счет уменьшения механических и гидравлических потерь. Снижение степени сжатия заметно уменьшает нагрузку на детали двигателя. Благодаря эффективному сгоранию топливной смеси инженеры Мазда не спешат устанавливать каталитические нейтрализаторы, систему AdBlue.

Влияние на мощность

Чем сильнее сжимается рабочая смесь, тем более высокое давление образуется в камере сгорания. Следовательно, поршень получает значительно больше энергии, которая естественным образом переходит на коленвал.

Вывод очевиден: чем выше степень сжатия — тем мощнее мотор. Но данный показатель не может увеличиваться бесконечно: при создании чрезмерно высокого давления может происходить крайне нежелательное явление — преждевременное воспламенение, называемое детонацией. Из-за него давление на поршень начинает создаваться еще до того, как он достигнет верхней позиции. Это становится причиной:

  • мощных и резких ударных нагрузок;
  • постоянного перегрева даже после непродолжительной работы;
  • разрушения поршневых пальцев и колец;
  • ощутимой потери динамики и мощности.

Поэтому степень сжатия должна определяться с учетом других рабочих характеристик и конструктивных особенностей конкретного двигателя.

Факторы влияющие на уменьшение компрессии

Пробег двигателя — фактическое состояние ЦПГ двигателя, это один из самых существенных факторов, которые влияют на состояние компрессии

Чем лучше притирка деталей в двигателе, тем меньше происходит утечки газов через возникшие неплотности и чем больше двигатель находится в эксплуатации, тем больше увеличивается выработка сопряженных деталей уменьшая компрессию ( не считая обкатку нового ДВС).
Агрессивное вождение — резко изменяющееся амплитуда нагрузки и оборотов на двигателе, которая связана с резким торможением или перегазовкой, способствует более быстрому износу ЦПГ.
Исправность сцепления, коробки передач, которые влияют на плавность хода и динамическую нагрузку в двигателе.
Качество смазочных материалов и топлива – очень важно использовать качественные «фирменные» масла и качественное топливо.
Запуск при низкой температуре воздуха, без прогрева масла, Застывшее масло не проходит по каналам уменьшая смазку трущихся поверхностей, что увеличивает износ.
Качество регулировки зажигания и впрыска топлива.

Увеличение степени сжатия

Известно, что степень сжатия, помимо других факторов, напрямую влияет на мощность мотора. Если форсирование двигателя при помощи расточки цилиндров приводит к повышению расхода топлива, то данная процедура не влияет на эту характеристику. Причина тому – объем двигателя остается прежним (подробней о том, что это такое, читайте здесь), но при этом топлива расходуется немного меньше.

Некоторые автомобилисты задумываются о проведении этой процедуры, чтобы увеличить компрессию без изменения количества потребляемого топлива. Если расход увеличился, это в первую очередь свидетельствует о том, что в двигателе или системе подачи топлива происходят какие-то сбои. Повышение степени сжатия в этом случае может не только ничего не поменять, а наоборот – спровоцировать некоторые поломки.

Если упала компрессия, то эта неполадка может свидетельствовать о прогорании клапанов, поломке уплотнительных колец и др. Подробней о том, как замеры компрессии позволяют определить некоторые неисправности мотора, рассказывается в отдельной статье. По этой причине, прежде чем начинать форсирование мотора, нужно устранить возникшие неисправности.

Вот что дает увеличенное сжатие воздушно-топливной смеси в исправном двигателе:

  1. Повысить экономичность мотора (отдача двс повышается, но расход не меняется);
  2. Мощность силового агрегата увеличивается за счет более сильных толчков, которые провоцирует сгорание ВТС;
  3. Повышение компрессии.

Помимо плюсов у данной процедуры есть и свои побочные эффекты. Так, после форсирования нужно будет использовать топливо с повышенным октановым числом (подробно об этом значении читайте здесь). Если заливать в бак тот же бензин, что использовался ранее, существует риск образования детонации. Это когда горючая смесь не воспламеняется в момент подачи искры, а взрывается.

Бесконтрольное и резкое сгорание ВТС будет влиять на состояние поршней, клапанов и всего кривошипно-шатунного механизма. Из-за этого рабочий ресурс силового агрегата резко сокращается. Такой эффект критичен для любого двигателя, независимо от того, это двухтактный или четырехтактный агрегат.

Подобной «болячкой» страдает не только бензиновый двигатель, прошедший форсировку при помощи рассматриваемого метода, но также и дизельный агрегат. Чтобы повышение степени сжатия не сказывалось на работе мотора, помимо его переделки нужно будет впоследствии заливать в бак бензинового автомобиля топливо, скажем, не 92-й, а уже 95-й или даже 98-й марки.

Прежде чем приступать к модернизации агрегата, следует взвесить, действительно ли она будет экономически оправдана. Что касается машин, оснащенных газовыми установками (об особенностях установки ГБО читайте отдельно), то в них детонация практически никогда не происходит. Причиной тому – газ имеет высокое ОЧ. Этот показатель у такого топлива 108, благодаря чему в моторах, работающих на газу, можно без страха проводить повышения порога сжатия.

Просто было на бумаге…

Идея создания ДВС с изменяемой степенью сжатия овладела умами моторостроителей не вчера. Можно сказать, что в последнее время она лишь переживает свое второе рождение. Первое случилось еще на заре XX века, так что идея изменения неизменного ненамного моложе самих двигателей внутреннего сгорания. Примерно к середине прошлого столетия уже были разработаны и запатентованы (в виде схем или конструкций) практически все известные на сегодня способы, позволяющие варьировать степень сжатия в ДВС. Некоторые из предложенных решений в силу разных причин так и остались на бумаге, некоторые были воплощены в железе. Часть из созданных VCR-двигателей была доведена до уровня экспериментальной отработки, и лишь единицы выпускались мелкими сериями и устанавливались на автомобили. Существуют и такие «воплощения», которые уже почти сто лет применяются и будут применяться в ДВС, но не для транспортных целей. Подробнее об этом будет рассказано далее. Вначале посмотрим, в каких направлениях развивалась идея изменения неизменного.

Принципиально определить эти направления несложно. Для этого нужно припомнить, что геометрическая степень сжатия – это отношение максимального и минимального объема цилиндра, когда поршень находится в НМТ и ВМТ соответственно (см. шпаргалку 1). Из приведенного выражения для в видно, что воздействовать на степень сжатия можно путем изменения объема камеры сжатия (V), рабочего объема двигателя (Vh) или обоих параметров одновременно. Причем при постоянном рабочем объеме варьировать степень сжатия можно только за счет объема камеры сжатия. Анализ конструктивной схемы традиционного ДВС с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) дает основные способы воздействия на высоту камеры сжатия (hc):

1) изменение остова двигателя (расстояния от оси вращения коленвала до свода камеры сжатия);

2) изменение высоты поршня;

3) изменение длины шатуна;

4) изменение радиуса кривошипа.

Важно отметить, что в последнем случае – при изменении радиуса кривошипа – вместе со степенью сжатия будет меняться и рабочий объем двигателя (величина хода поршня). Возможность одновременного воздействия на оба геометрических параметра ДВС весьма заманчива. Особенно если они будут подчиняться обратной зависимости – с увеличением степени сжатия рабочий объем будет уменьшаться, и наоборот

Это позволит, например, уменьшить литраж двигателя на режимах пуска и частичных нагрузок и при этом работать с высоким индикаторным и механическим КПД за счет большой в и сокращения насосных потерь. С повышением нагрузки и ростом давления наддува двигатель будет «разжиматься» и одновременно «увеличиваться» в размерах. Так можно будет получить и высокую номинальную мощность, и максимальную топливную экономичность в каждой точке нагрузочной характеристики мотора

Особенно если они будут подчиняться обратной зависимости – с увеличением степени сжатия рабочий объем будет уменьшаться, и наоборот. Это позволит, например, уменьшить литраж двигателя на режимах пуска и частичных нагрузок и при этом работать с высоким индикаторным и механическим КПД за счет большой в и сокращения насосных потерь. С повышением нагрузки и ростом давления наддува двигатель будет «разжиматься» и одновременно «увеличиваться» в размерах. Так можно будет получить и высокую номинальную мощность, и максимальную топливную экономичность в каждой точке нагрузочной характеристики мотора.

Уменьшать или увеличивать объем камеры сжатия можно не только путем изменения ее высоты. Учтем прочие способы воздействия на величину У отдельным, пятым пунктом. Получившийся перечень также не будет полным без еще одного, шестого пункта. Дело в том, что приведенные выше соображения касались двигателей, в которых поступательное движение поршня преобразуется во вращение коленвала с помощью КШМ. В технике известно множество других преобразующих механизмов, в том числе и таких, которые позволяют управлять движением поршней и воздействовать на степень сжатия и рабочий объем. Их использование в конструкции VCR-двигателей также может быть весьма перспективным.

За почти вековой период, прошедший с момента зарождения идеи, инженеры-изобретатели не оставили без внимания ни одно из указанных направлений. Отметим некоторые из достигнутых ими результатов.

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.

Практический расчет методом проливки

Суть измерения заключается в поочередном заполнении жидкостью площади над поршнем, когда тот находится в верхней мертвой точке, и стенок камеры сгорания ГБЦ. Для измерения нам необходим кусок оргстекла, в котором будут пропилены отверстия для вкручивания болтов ГБЦ и отверстие для заливки жидкости. Между оргстеклом и блоком необходимо установить уже использованную (обжатую) прокладку. Стенки цилиндров для увеличения гидроплотности необходимо смазать густой консистентной смазкой (литиевой либо обычным солидолом).

Притянув оргстекло болтами, заполните образовавшейся объем жидкостью. Объем поместившейся воды будет соответствовать объему надпоршневого пространства. Аналогичный тест проводится и с головкой блока. При этом клапана должны быть притерты, между седлами и тарелками нанесена консистентная смазка. Сумма объема залитых жидкостей и будет объемом камеры сгорания.

Чтобы рассчитать степень сжатия на онлайн-калькуляторе, также будет необходимо измерить величину хода поршня и диаметр цилиндра. Все эти значения помогут вычислить объем двигателя, который изменяется при каждой фрезеровке плоскостей БЦ, ГБЦ, установке поршней иной геометрической формы, расточки цилиндров либо установке других шатунов, коленчатого вала.

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitterВКонтакте
Напишите комментарий