Степень сжатия и компрессия —- в чем разница?
Если коротко, то —- во всем! Это абсолютно разные понятия.
Начнем с цитирования профессора Шабанова: компрессия — это вульгаризм. Правильный термин — «давление конца сжатия». Это давление, которое создается в цилиндре при выключенном зажигании (или без подачи топлива — для дизеля) при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ). А вот степень сжатия — безразмерный параметр, описывающий геометрические параметры цилиндра: конкретно —- отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия. Компрессия от степени сжатия зависит, а степень сжатия от компрессии — нет!
И еще. В каждом втором материале, где упоминается степень сжатия, ее очень любят обозначать примерно так — 10:1 или,скажем, 14:1. Это неграмотно: нужно писать 10 или, соответственно, 14. Безо всяких числителей и знаменателей.
Степень сжатия и Компрессия
Степень сжатия — расчетная величина, показывает соотношение объемов до сжатия и после.
Степень сжатия — расчетная величина, показывает соотношение объемов до сжатия и после.
Компрессия — реально измеряемая величина, в процессе сжатия меняется не только объем и давление, но и температура, поэтому компрессия (в исправном двигателе) обычно на несколько единиц больше степени сжатия. Hа компрессию влияют также негерметичность клапанов, колец, прокладки и т.п. В руководстве по ремонту обычно указано минимальное значение компрессии, при котором еще можно ездить.
Что такое степень сжатия?
Какая степень сжатия лучше всего для вашего двигателя? Вопрос на засыпку, ведь конструкторы моторов с искровым зажиганием1 всячески стремятся повысить степень сжатия. А создатели двигателей с воспламенением от сжатия, наоборот, стараются ее понизить… По поводу этой загадочной характеристики двигателя внутреннего сгорания бытует немало ошибочных мнений.
Одно из наиболее распространенных заблуждений — от степени сжатия зависит многое. На самом деле все очень просто: этот показатель отражает отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания, или, другими словами, равен частному от деления объема надпоршневого пространства в нижней мертвой точке (н. м. т.) на его объем в верхней мертвой точке (в. м. т.). То есть геометрическая степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается топливовоздушная смесь в цилиндрах двигателя при движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. Но в жизни, естественно, получается не всегда так, как в теории…
На заре автомобилизма степень сжатия двигателей Отто (а других 100 лет назад и не существовало) делали невысокой — 4 5, чтобы при работе на низкооктановом бензине (гнали, как умели) не возникала детонация2.
Допустим, при рабочем объеме цилиндра 400 «кубиков» объем камеры сгорания равен 100 мл. То есть геометрическая степень сжатия у такого двигателя составляет:
е = (400 + 100) : 100 = 5.
Если же объем камеры сгорания уменьшить до 40 см3 (технически несложно), то степень сжатия повысится:
е = (400 + 40) : 40 = 11.
И что же это дает? А то, что термический КПД двигателя увеличится почти в 1,3 раза. И если 6 цилиндровый 2,4 литровый мотор со степенью сжатия 5 развивает мощность в 100 л.с., то при степени сжатия 11 она повысится почти до 130. Причем при неизменном расходе горючего! Иными словами, расход топлива в расчете на 1 л.с. в час сократится на 22,7 %.
Поразительный результат, достигнутый 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 е = 11 мы попросту заметно меньше обогреваем атмосферу, чем при е = 5, вот и все.
Автомобильные двигатели — разновидность тепловых машин, которые подчиняются законам термодинамики. Еще в первой половине XIX века замечательный французский физик Сади Карно заложил основы теории тепловых машин, в том числе и двигателей внутреннего сгорания.
По Карно, КПД двигателя внутреннего сгорания тем выше, чем больше разница между температурой газов (рабочего тела) к концу горения топливовоздушной смеси и их температурой на выпуске. Эта разница зависит от е, а вернее, от степени расширения рабочих газов в цилиндрах. Да, тут есть нюанс: по Карно, для термического КПД важна не степень сжатия, а именно степень расширения. Чем сильнее расширяются горячие газы на рабочем ходу, тем ниже падает их температура, что естественно. Просто в двигателях обычных конструкций степень расширения геометрически совпадает со степенью сжатия. Вот мы и привыкли не разделять эти понятия. К тому же детонация зависит как раз от е, то есть от компрессии. Чем сильнее сжимается топливовоздушная смесь в цилиндрах двигателя Отто3, чем выше давление и температура к моменту искрообразования, тем вероятнее возникновение ударных волн в камере сгорания и детонации. Она-то и ограничивает степень сжатия, но степень расширения рабочих газов здесь ни при чем. Вот если бы каким-то образом отделить одну степень от другой — чтобы при умеренной компрессии добиться сильного расширения рабочих газов…
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 градусах после нижней мертвой точки (по углу поворота коленчатого вала), а очень поздно — на 81 градусе. То есть при 3 тыс. оборотов поршень на своем ходу к верхней мертвой точке 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 градусах после нижней мертвой точки, а до того имеет место своеобразный такт вытеснения смеси. Тактов теперь не 4, а 5: впуск, обратное вытеснение, сжатие, рабочий ход, выпуск. На первый взгляд, идиотская схема: зачем гонять смесь туда-сюда? Допустим, обратно вытесняется 20 % топливовоздушной смеси, уже попавшей в цилиндр, и сжимается только 80 %. И пусть геометрическая е равна 13 — исключительно высокая для Отто. Однако реальная степень сжатия гораздо ниже — всего 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 КПД двигателя по факту в 1,0518 раза выше, чем по его степени сжатия. Не так много, но моторостроители годами бьются ради 5 процентной экономии горючего. Двигатели пассажирских автомобилей уже вовсю работают по 5 тактному циклу. В качестве примера можно привести 1,5 литровую тойотовскую «четверку» 1NZ-FXE (для Prius) или фордовскую 2,26 литровую (для Escape Hybrid).
Вроде бы блестящее решение, однако у медали есть и обратная сторона. Геометрическая е (степень расширения рабочих газов) у 1NZ-FXE — 13, реальная степень сжатия — около 10,5. В результате из-за обратного вытеснения смеси 1,5 литровый мотор по крутящему моменту и мощности, к сожалению, опускается примерно до 1,2 литрового. Итог — выигрываем в термическом КПД ценой потери реального литража. 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 принимает на себя нагрузку при самых низких оборотах. Потом в работу вступает двигатель внутреннего сгорания. Так или иначе 5 тактный цикл позволяет повысить степень расширения рабочих газов и термический КПД двигателя.
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 е. Приходится отступать. Отсюда снижение термического КПД и повышенный расход бензина у двигателей с наддувом, если не применять спецгорючее.
Чем больше октановое число бензина, тем выше возможная (по условиям детонации) степень сжатия, тем эффективнее работает мотор. Исключительно высокую е допускает используемый в качестве горючего газ (нефтяной или природный): без наддува — 13 14, с компрессором — 10 11. Водород тоже отличается стойкостью против детонации. Потрясающие антидетонационные качества у спирта — метилового или этилового. Вдобавок у него 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 существенно больше — реальный коэффициент наполнения оказывается выше и, как следствие, возрастают крутящий момент и мощность. Кроме того, этиловый (питьевой!) спирт экологичен. Правда, расход спиртового топлива в литрах гораздо больше, чем бензина, поскольку теплотворная способность метанола и этанола незначительная. А вот в энергетическом эквиваленте спирт заметно эффективнее бензина — благодаря высокой степени сжатия (расширения). У такого топлива есть перспектива. На сегодняшний день в некоторых странах широкое распространение получила смесь E85: 85 % этанола и 15 % бензина.
Пока что повысить степень сжатия вазовского 16 клапанника с 10,5 до 11,5 на 92 м бензине от местной АЗС — ой как непросто. Можно 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 двухискровое зажигание — с двумя свечами на цилиндр. А также поставить выпускные клапаны с внутренним (натриевым) охлаждением — раскаленные тарелки провоцируют детонацию. И еще — очистить поверхность камеры сгорания от нагара и отполировать ее.
Влияют на степень сжатия и конфигурация камеры сгорания и скорость вихревого движения топливовоздушной смеси. Есть много способов борьбы с детонацией, хороших и разных. Так до какого уровня есть смысл поднимать е двигателя Отто? Здесь вот что важно учитывать: термический КПД нарастает с повышением степени сжатия (расширения), но не линейно, а с постепенным замедлением. Если при увеличении степени сжатия 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. Вперед и с песней!
1 Мы обычно говорим «бензиновый», хотя знаем, что автомобильные двигатели прекрасно работают и на газе. А также на спирте — метиловом или этиловом… Так что лучше называть их двигателями с искровым зажиганием или двигателями Отто (по имени создателя такой конструкции Николауса Отто) — по аналогии с дизелями.
2 Кто не слышал детонационные звуки в цилиндрах? Это когда говорят: «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, способные вызвать поломку мотора.
3 Именно двигатели Отто; дизели детонации не знают. Почему — отдельный разговор.
Степень сжатия и компрессия в ДВС.
Не стану рассуждать о разницы степени сжатия и компрессии. Об этом и так уже много написано.
Просто расскажу об этих 2ух определениях.
Для начала рассмотрим Степень Сжатия, и о том как и почему изменение толищны прокладки на пол миллиметра, может влиять на Степень Сжатия.
Многие вообще не понимают, что такое степень сжатия, и как ее рассчитать.
Степень сжатия — это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.
Полный объем цилиндра — это сумма рабочего объема и объема камеры сгорания
Рабочий объем — это объем цилиндра ограниченный ходом поршня, то есть объем между НМТ (Нижняя Мертвая точка — точка ниже, которой поршень не может опуститься, из за конструкционных особенностей кривошипа) и ВМТ (Верхняя Мертвая Точка) .
Как известно из математики, Объем цилиндра равен произведению площади сечения на высоту цилиндра.
Объем камеры сгорания — надпоршневое пространство при нахождении поршня в ВМТ. Объем ограниченный поршнем и головкой блока.
Объем камеры сгорания трудно вычислить, обычно ее измеряют.
Тогда Степень сжатия можно записать следующим образом
Для чего нужны эти формулы?
Но допустим мы имеем мотор 2ZZ-GE
Диаметр цилиндра = 82мм
Ход поршня = 85 мм
Степень сжатия = 11.5
И хотим уменьшить СЖ, для того чтобы немного вдуть. Технология проста. Допустим измерив толщину заводской прокладки, мы получили значение в 0.5мм.
Как изменится степень сжатия, при установки 2ух таких прокладок вместо одной?
Как сильно влияют эти несчастные полмиллиметра на СЖ ?
По выше приведенным формулам может записать следующие равенства:
Таким образом, мы вычислили заводской объем камеры сгорания нашего мотора.
при увеличении толщины прокладки на 0.5 мм, мы просто добавляем к объему камеры сгорания, объем цилиндра с высотой 0.5, ну или математическим языком?
Таким образом "плюс полмиллиметра" уменьшили степень сжатия на 0.6 единиц.
Компрессия. В заводском исполнение вышеописанный двигатель обладает достаточно высокой степенью сжатия CR = 11.5
Очень часто встречаюсь с напуганными людьми, выходящими из сервиса с шарообразными глазами… С диагнозом механика
"Ваш 2ZZ скорее мертв, чем жив"
"Компрессия у него 17 атмосфер… Нормальная должна быть 12…"
И выглядишь ты перед этим механиком с 20 летним стажем, как неуч… И никакие потрясания мануалом с записью
"Давление конца такта сжатия НЕ НИЖЕ 14" вам не помогут. Так как гуру здесь только один… у него за плечами опыт.
Компрессия в двигателе — это процесс сжатия газа, поршнем при его движении из НМТ в ВМТ (такт сжатия), сопровождающийся при этом движении повышением давления и температуры газа.
С давлением все понятно — это как раз и будет искомая нами величина компрессии или давление конца такта сжатия
Но если компрессия измеряется на заглушенном двигателе, причем здесь изменение температуры?
Все дело в том, что при измерении компрессии, происходит сжатие не топливной смеси, а обычного воздуха… И двигатель, вращаемый стартером, превращается в простой поршневой насос, в котором протекает процесс с газом неизменной массы… Сжатие в таком процессе, называется адиабатическим и описывается уравнением Пуассона.
Конечно это уравнение термодинамического процесса для идеального газа, в изолированной системе, с множеством упрощений, но для показательного описания, я могу спокойно допустить эти упрощения.
И так… В конце такта сжатия, процесс можно описать, следующим уравнением
P — давление
V — объем сжатого газа, то есть над поршневое пространство, при занятии поршнем Верхней Мертвой Точки
y — показатель адиабаты
Так же рассмотрим начало такта сжатия
Чтобы делать формулы а затем из них картинки, занимает время, поэтому я опустил несколько шагов, в частности
V = Vр + Vc = Это объем занимаемый газом в начале такта сжатия, логично предположить, что это надпоршневое пространство, при занятии поршнем НМТ. И состоит, оно из рабочего объема цилиндра, и объема камеры сгорания.
Предположив, что адиабатический процесс происходит в изолированной системе, следующее равенство, должно быть справедливым
Выполнив простые математические действия, приведем равенство к такому виду
Пытливый ум должен был уже увидеть знакомую формулу из рассмотрения Степени Сжатия
Дальнейшие преобразования уже не нужны
P0 — давление воздуха в начале такта сжатия, равно атмосферному
показатель адиабаты, для двухатомного газа, а воздух, которым дышим мы и мотор — является смесью 2ухатомных газов, равен
Но система ДВС не является полностью изолированной, в процессе сжатия происходит теплообмен со стенками цилиндров, утечки и т.д.
показатель адиабаты принято считать 1.2
Применив современный калькулятор
Нетрудно вычислить, что для мотора 2ZZ-GE, со степенью сжатия 11.5, НОРМАЛЬНАЯ компрессия в лучшем случае, может быть 18.7 атмосфер.
Но моторы у нас не новые… соответственно и потери больше.