Что такое степень сжатия и компрессия: Компрессия и степень сжатия двигателя автомобиля
Компрессия и степень сжатия двигателя автомобиля
Кто изучает устройство автомобиля, встречает непонятные термины из теории. Расскажем что такое компрессия и степень сжатия двигателя. Основные определения. Работа мотора с изменяемой степенью сжатия.
Что такое степень сжатия
Это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. На бензиновом моторе, в зависимости от конкретной задачи, степень сжатия может серьезно варьироваться, достигая величин в 8 до 12. На дизельных двигателях из-за их конструктивных особенностей она намного больше и оставляет от 14 до 18 единиц. Для бензиновых двигателей авто, чем выше степень сжатия — тем выше удельная мощность. Но если её сильно увеличить, то может снизится ресурс и возрастает риск проблем с мотором при заправке некачественным топливом.Что такое компрессия двигателя
Это величина максимального давления воздуха в цилиндре в конце такта сжатия, создаваемого при холостой прокрутке двигателя стартером (например, при отключении свечи зажигания).
Компрессию двигателя не стоит путать со степенью сжатия, т.к. это разные понятия.Компрессия зависит от степени сжатия. Величина давления в меньшем объеме всегда будет больше, т.е. при увеличении степень сжатия компрессия растет. По величине компрессии можно предварительно судить о состоянии двигателя. При этом важно правильно провести процедуру замера компрессии.
При снижении уровня компрессии необходимо выяснить причину. Это могут быть поршневые кольца или проблемы в клапанном механизме, выяснить это можно так. В проблемные цилиндры с помощью шприца вводят 15-20 грамм моторного масла. Процедуру замера повторяют. Если показания манометра выросли — причина падения в поршневых кольцах, если остались на прежнем уровне — в клапанах.
Двигатели с изменяемой степенью сжатия
Японские производители авто улучшили эффективность традиционного двигателя за счет поднятия степени сжатия до 14:1, что ранее было просто невозможно. Они заявляют, что с данной степенью сжатия могут работать, как бензиновый, так и дизельный двигатели, причем на обычном 95-ом бензине.
Как это возможно? Один из недостатков бензиновых моторов с искровым зажиганием — относительно невысокая степень сжатия. Если ее поднять с нынешних 10:1 до 12,5:1, то эффективность использования теплоты сгоревшего топлива возрастет процентов на шесть. Но чем сильнее сжимаем поршнем воздух с парами бензина, тем выше риск взрывного неконтролируемого самовоспламенения смеси — это детонация, страшный враг двигателя автомобиля: ударные нагрузки, перегрев, разрушение поршней и колец. Не зря степень сжатия бензиновых агрегатов редко поднимается выше 11:1.
На самом деле все дело в снижении средней температуры цикла. Чем «холоднее» горючая смесь в камере сгорания, тем сильнее ее можно сжать без риска возникновения детонации. Думаете, японцы решили охлаждать всасываемый воздух? Нет, они занялись системой выпуска.
Этот прием давно известен по гоночным моторам — «настроенные» выпускные каналы по схеме 4-2-1, в которых порции выхлопных газов из всех четырех цилиндров не «толкаются» друг с другом, а строго поочередно вылетают в атмосферу.
Как уверяют, если долю выхлопа снизить с обычных 8% до 4%, то степень сжатия можно безболезненно поднять на три единицы. А за счет охлаждения воздуха при распыле бензина прямо в цилиндр — сжатие можно увеличить еще на единичку.
Чтобы реализовать продвинутый газообмен, пришлось раскошелиться на фазовращатели на обоих распредвалах — и впускном, и выпускном. А вдобавок с помощью компьютерного моделирования придумать еще кучу всяких ухищрений. К примеру, чтобы улучшить «термоизоляцию» камеры сгорания, диаметр цилиндра пришлось уменьшить с нынешних 87,5 мм до 83,5 мм, соответственно увеличив ход поршня.
- Как уменьшить степени сжатия двигателя
Длинноходность способствует увеличению крутящего момента на низких оборотах, а тяга «на низах» улучшает непосредственный впрыск и увеличение степени сжатия — и возникает эффект downspeeding.
Мотор автомобиля настолько хорошо тянет «внизу», что средние обороты при езде снижаются на 15% — это дает эффект снижения расхода бензина и выбросов СО2 по сравнению с турбомотором рабочим объемом 1,4 л.
Степень сжатия и компрессия
Степень сжатия — величина определяемая геометрическими параметрами двигателя:
1. Объем камеры сгорания — Объем образующийся над поршнем, когда он находится в ВМТ
2. Полный объем цилиндра — Это объем камеры сгорания, когда поршень
находится в НМТ, он равен сумме рабочего объема и объема камеры сгорания.
Степень сжатия = полный объем цилиндра/объем камеры сгорания.
Для движков классики составляет 8.5.
Изменяется при помощи изменения объема камеры сгорания (например прокладкой).
Повышение степени сжатия в карбюраторном двигателе ограничено стойкостью топлива к детонации.
Под компрессией понимают давление в конце такта сжатия. Эта величина и измеряется манометром (компрессиометром).
Как соотносятся степень сжатия и компресия?
Немного теории. Компрессия обычно больше, чем степень сжатия (12 у нового приработанного 2103 двигателя), поскольку сжатие происходит практически адиабатически, и, соответственно, сопровождается изменением (увеличением) температуры смеси. Эта величина была бы равна степени сжатия, если бы сжатие происходило изотермически в герметически замкнутом объеме.
В случае адиабатическиго сжатия максимальное возможное давление в конце такта сжатия («компрессия») оценивается согласно уравнению Пуассона
PVx=const
показатель степени для идеального двухатомного газа составляет x=cp/cv =7/5. Таким образом, для
«классического» движка со степенью сжатия 8.5 максимальное давление составляет примерно 20
атм. Кстати, очень похожая цифра (16-17 атм) получается у двигателя с идеально притертыми
клапанами при измерении компрессии «с маслом», когда кольца (и замки колец) герметизированы
залитым в цилиндр моторным маслом.
Недостающие 3-4 атм получаются, например, за счет того,
что начальное давление меньше 1 атм. При измерении компрессии без масла давление составляет 12 атм, за счет вытекания горючей смеси из цилиндра при сжатии через замки колец и в зазор между кольцами и цилиндром, который имеется в силу конструктивных особенностей (например сетка Хона). Поэтому обычно говорят, что «компрессия у исправного двигателя в 1.2 -1.3 раза больше степени сжатия».
Измеряется компрессия следующим образом. На прогретом двигателе выкручиваются все свечи,
обычно одна из свечей устанавливается с центральным электродом на массу, нажимается «газ в пол» и двигатель прокручивается стартером, пока значение на установленном в свечном отверстии
компрессиометре не стабилизируется.
Следует отметить, что «бытовые» компрессиометры, особенно с резиновым наконечником могут иметь значительную погрешность, и, в случае получения низких значений, желательно проверить
результаты измерений другим компрессиометром.
Кроме того, стартер должен обеспечивать
достаточную частоту вращения коленчатого вала, для чего двигатель должен быть прогретым, а
аккумуляторная батарея нормально заряжена.
По компрессии можно судить о степени износа цилидро-поршневой группы. Согласно
компрессия ниже 10 атм или отличие компрессии в различных цилиндрах более 1 атм.
Для того, чтобы определить, в чем проблема, в негреметичности колец или клапанов, компрессию
измеряют повторно, залив в цилиндр 10-30 г моторного масла. Если компрессия останется такой же — то проблема в клапанах, если повысится — то в кольцах.
Желаю всем хорошей компрессии и исправных компрессиометров.
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 соотношение. 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 на объем в один кубический сантиметр. 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, где «заметает» поршень) на только сжатый том .
Почему это лучше, если это сложно
Но понимание того, что такое коэффициент 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 неспециалиста, 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 лучше понять 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 перемещаться влево и вверх, оставляя в границах больше площади, 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 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 — это 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, суть в том, что термодинамика диктует, что термическая эффективность увеличивается с увеличением степени сжатия, как вы можете видеть на 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 степенью сжатия и переменной степенью сжатия от Mazda, Nissan/Infiniti и Toyota, Mazda на данный момент имеет самую высокую степень сжатия в бизнесе, 14:1, поэтому она может справляться с высоким 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 с большей вероятностью самовоспламеняется 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 обедненной смеси, и, да, есть причина, по которой это было не так. ‘не простая 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 собирает раллийный автомобиль Nissan 240SX, в который он заменяет четырехцилиндровый двигатель SR20VE, который в настоящее время развивает мощность около 250 лошадиных сил на колесах из всего лишь 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!
Почему важна степень сжатия | Насосы и системы
Одним из критических параметров при проектировании и выборе компрессора является степень сжатия, часто обозначаемая как r. Степень сжатия — это просто отношение абсолютного давления нагнетания ступени к абсолютному давлению всасывания ступени.
Поскольку температура большинства газов повышается при сжатии, конечная температура на выходе из компрессора всегда вызывает беспокойство. Высокая температура нагнетания может привести к выходу из строя внутренних компонентов из-за разрушения материала или чрезмерного теплового расширения.
Степень сжатия также важна для определения требуемой мощности; чем выше соотношение, тем больше мощность, необходимая для этой ступени.
Вот простой пример расчета степени сжатия. Например, мы будем сжимать газ с отношением удельных теплоемкостей 1,3 (см. отношение удельных теплоемкостей вставка) от давления всасывания -0,5 фунтов на квадратный дюйм до давления нагнетания 35 фунтов на квадратный дюйм. Чтобы рассчитать степень сжатия, сначала преобразуйте оба этих давления в абсолютное давление, добавив 14,7 к каждому члену, а затем разделив абсолютное давление нагнетания на абсолютное давление всасывания:
Уравнение 1
Зная степень сжатия (при условии отсутствия внутренних потерь), мы можем определить теоретическую температуру нагнетания, используя уравнение 2, основанное на адиабатическом сжатии.
Уравнение 2
Где:
T = град R
k = Коэффициент удельной теплоемкости
r = коэффициент сжатия, рассчитанный по уравнению 1.
Предполагая температуру всасывания 60 градусов по Фаренгейту, мы получаем теоретическую температуру нагнетания (T d ) 234 градуса по Фаренгейту. фунтов на квадратный дюйм, чтобы увидеть, что происходит с температурой нагнетания. Таблица 1 суммирует результаты. По мере увеличения давления нагнетания повышается степень сжатия и соответственно увеличивается температура нагнетания (T d ). В этом примере Т d увеличивается с 234,3°F при степени сжатия 3,5 до 335,7°F при степени сжатия 6,32. Таблица 1. Влияние давления нагнетания на теоретическую температуру нагнетания 50 фунтов на квадратный дюйм. Соотношение между теоретической температурой нагнетания и расчетной предельной температурой можно увидеть на рисунке 1. Рекомендуется выбрать консервативный предел расчетной температуры на этапе выбора проекта, чтобы обеспечить безопасный рабочий запас для неизвестного или неожиданного внутреннего цилиндра. с учетом потерь.
Например, потенциальный компрессор имеет рекомендуемый порог аварийной сигнализации по температуре нагнетания 325°F и автоматическое отключение при 350°F.
Если фактическое давление нагнетания составляет 60 фунтов на кв. дюйм, ожидайте минимальное значение Td около 303°F. значения температуры нагнетания в таблице 1 являются теоретическими значениями.) В действительности она будет выше из-за внутренних потерь, поскольку компрессор подвергается нормальному износу. Если фактическая Td больше похожа на 318 градусов по Фаренгейту, запас будет составлять всего 7 градусов по Фаренгейту, что приведет к бесчисленным тревогам и телефонным звонкам в полночь.
Чтобы избежать этой ситуации, используйте консервативную расчетную спецификацию температуры нагнетания и используйте больше ступеней сжатия, чтобы обеспечить меньшую степень сжатия на ступень. В Таблице 1 показано, что для этого примера расчетная степень сжатия не должна превышать 4,5 на ступень, чтобы поддерживать приемлемый запас между рабочей температурой и пределом аварийной сигнализации.
Предостережение: Эти примеры основаны на теоретических расчетах адиабатического сжатия.
Формулы адиабатического сжатия используются для аппроксимации производительности поршневых компрессоров. Читатели должны работать с производителями компрессоров, чтобы определить фактическую степень сжатия и пределы температуры нагнетания для конкретных конструкций компрессоров. Теоретические расчеты, использованные в этой колонке, были использованы для демонстрации общей тенденции, ожидаемой от все более и более высоких степеней сжатия.
Для центробежных компрессоров обычно используется следующее теоретическое уравнение повышения температуры, основанное на политропическом сжатии: , где p — политропический КПД компрессора
Уравнение 3 следует использовать только для оценки теоретической температуры нагнетания в динамических компрессорах.
Конструктивные компромиссы Всегда существует компромисс между количеством ступеней сжатия и температурой нагнетания компрессора на каждой ступени. Чем больше ступеней, тем дороже будет компрессор из-за сложности и тем больше требуется охлаждения на каждой ступени.
Однако, чем больше ступеней сжатия установлено, тем меньше повышение температуры будет на каждой ступени, что позволяет компонентам компрессора работать с меньшим нагревом и более надежно. Это компромисс, на который должны пойти все профессионалы в области компрессоров, начиная процесс выбора.
Общая степень сжатия является произведением всех индивидуальных степеней сжатия, т. е. r o = r 1 x r 2 x r 3 x и т. д. Предполагая, что все ступени имеют одинаковую степень сжатия, мы можем написать :
Уравнение 4
Где:
n = количество ступеней
900 11 r s = Степень сжатия на ступень.
Из этого соотношения мы можем сделать вывод, что количество ступеней, необходимых для достижения требуемого общего соотношения, составляет:
Уравнение 5
Например, если требуемое r o равно 20, а рекомендуемое максимальное r s равно 4,5, то:
900 02Уравнение 6
или два этапа сжатие.