Двигатель с переменной степенью сжатия: особенности конструкции

Расчет степени сжатия

Для любого двигателя внутреннего сгорания важно, чтобы данный параметр обладал максимально возможной величиной. Однако при необходимости форсировать мотор следует знать, как эту характеристику можно вычислить

Это нужно для того, чтобы избежать детонации, из-за чего мотор может просто выйти из строя.

Формула, с помощью которой проводится вычисление, выглядит следующим образом:

CR=(V+C)/C,

где CR- степень сжатия, V – рабочий объем цилиндра, C – объем камеры сгорания.

Тому автолюбителю, который желает знать, какая между компрессией и степенью сжатия разница, будут интересны подобные вычисления. Возможно, это пригодится ему на практике.

Для определения этого параметра в отношении лишь одного цилиндра, следует общий рабочий объем двигателя разделить на количество «стаканов». В результате получаем значение V из формулы выше.

А вот определить показатель C заметно труднее, но тоже возможно. Для этого на примете у опытных автомобилистов и механиков, занимающихся ремонтом двигателей, имеется верное средство – бюретка. Она проградуирована в кубических сантиметрах. Самый простой способ – это залить в камеру сгорания бензин, после чего бюреткой измерить ее объем. Остается полученные данные занести в формулу.

Как происходит воздействие?

Так на что же оказывает влияние степень сжатия? Здесь стоит учитывать то количество работы, которое производит силовой агрегат. И чем выше этот параметр, тем больше энергии будет выделяться в ходе сгорания топливовоздушной смеси. Соответственно, повышается и мощность двигателя.

По этой причине большинство производителей старается увеличить силовые показатели мотора за счет одной эффективной методики. К ней стали прибегать еще с конца прошлого столетия. Вместо того чтобы двигаться в направлении увеличения объема цилиндров и камеры сгорания, специалисты, а они уж точно знают, какая разница между компрессией и степенью сжатия, стремятся повысить именно последний показатель.

Однако здесь имеются ограничения. Рабочую смесь нельзя сжимать бесконечно долго — по достижении определенной величины она детонирует, то есть взрывается. В то же время это касается только двигателей, работающих на бензине. Дизельные силовые агрегаты лишены риска детонации. Собственно, этим и объясняется их более высокая степень сжатия.

И, чтобы избежать столь разрушительного воздействия, ведь детонация для двигателя губительна, повышается октановое число бензина. А это, в свою очередь, увеличивает стоимость топлива. Ко всему прочему те добавки, которые служат этой цели, приводят к ухудшению экологических параметров мотора.

Некоторые интересные факты

Метанольные двигатели гоночных машин имеют сжатие более 15:1. Для сравнения, стандартных карбюраторный двигатель, потребляющий неэтилированный бензин, имеет сжатие максимум 1.1:1.

Из серийных образцов моторов на бензине со сжатием 14:1 на рынке присутствуют образцы от Mazda (серия Skyactiv-G), ставящиеся, например, на CX-5. Но их фактическая СЖ находится в пределах 12, поскольку в данных моторах задействован так называемый «цикл Аткинсона», когда смесь сжимается в 12 раз после позднего закрытия клапанов. Эффективность таких двигателей измеряется не по сжатию, а по степени расширения.

В середине XX века в мировом двигателестроении, особенно в США, наблюдалась тенденция к увеличению степени сжатия. Так, к 70-м основная масса образцов американского автопрома имела СЖ от 11 до 13:1. Но штатная работа таких ДВС требовала использования высокооктанового бензина, который в то время умели получать только процессом этилирования – добавлением тетраэтилсвинца, высокотоксичного компонента. Когда в 1970-х годах появились новые экологические стандарты, этилирование стали запрещать, и это привело к обратной тенденции – снижению СЖ в серийных образцах двигателей.

Современные двигатели имеют систему автоматической регуляции угла зажигания, которая позволяет ДВС работать на «неродном» топливе – например, 92 вместо 95, и наоборот. Система управления УОЗ помогает избежать детонации и других неприятных явлений. Если же ее нет, то, например, залив высокооктановый бензин двигатель, не рассчитанный на такое горючее, можно потерять в мощности и даже залить свечи, поскольку зажигание будет поздним. Ситуацию можно поправить ручным выставлением УОЗ по инструкции к конкретной модели автомобиля.

Что такое компрессия двигателя?

Compressio («компрессия») переводится с латинского языка как «сжатие». Этим термином обозначается предельный уровень давления воздуха в камере сгорания, создаваемый во время прокрутки стартером в момент достижения поршнем максимально высокой точки. Компрессия – это давление, которое измеряется в завершении такта сжатия. От её уровня зависит техническое состояние мотора и следующие процессы:

• расход масла;
• сгораемость бензинового или дизельного топлива;
• простота запуска.

Чем выше параметр компрессии, тем лучше сжимается рабочая смесь. В результате посторонние газы не попадают в картер мотора. Это увеличивает КПД силового агрегата. Компрессия, соответствующая показателю, установленному автопроизводителем, является гарантией оптимального режима работы ДВС.

О различиях между степенью сжатия и компрессией

Стоит различать понятия «компрессия» и «степень сжатия». Первая измеряется в определённых единицах (паскалях, атмосферах и т.д.), а вторая – нет. Степень сжатия показывает, во сколько раз размер камеры сгорания меньше, чем полный объём цилиндра. Это постоянная величина, которая указывается автопроизводителем в техдокументации.

Получается, что степень сжатия напрямую влияет на компрессию. Но не наоборот! Компрессия  изменяется из-за огромного количества рабочих параметров (регулировка фаз газораспределения и др.). На неё влияет и наличие или отсутствие протечек в камере сгорания, которые появляются из-за проблем с цилиндрами и кольцами.

Влияние компрессии на работоспособность силового агрегата

От этого показателя давления зависит запуск двигателя, особенно в зимний период эксплуатации автомобиля.

Компрессия должна обязательно интересовать владельцев машин с дизельной силовой установкой. В моторах, работающих на тяжёлом топливе, на процесс воспламенения горючего напрямую влияет и температура, и давление конца сжатия.

Бензиновые агрегаты лучше приспособлены к изменениям компрессии. Однако следить за ней всё равно необходимо. Главная причина заключается в том, что компрессия влияет на испаряемость горючего

Это очень важно при старте мотора «на холодную»

О сниженной и неравномерной компрессии по цилиндрам

Различные значения компрессии в топливных цилиндрах способствуют появлению вибраций и неприятных дёрганий на холостом ходу и невысоких оборотах. Такой режим работы ДВС негативно сказывается на техническом состоянии коробки передач и подвеске мотора. Более того, водителю и пассажирам становится менее комфортно во время поездки.

Сниженный показатель компрессии является причиной увеличенного давления отработавших газов. В результате повышается токсичность выхлопа, а камера сгорания быстрее загрязняется.

Какая компрессия считается оптимальной для дизельного и бензинового двигателя?

Чтобы определить оптимальное давление конца такта сжатия, необходимо использовать следующую формулу.

Компрессия = специальный коэффициент для ДВС х степень сжатия

Коэффициент указывается для каждого класса силовых установок. Для 4-тактных бензиновых моторов с инжекторной системой питания этот параметр равен 1,2-1,3. Таким образом, для силовых установок со степенью сжатия от 8 до 9 компрессия составляет от 10,4 до 11,7 атм.

С дизельными моторами иная ситуация. Компрессия в двигателе на соляре значительно выше по сравнению с бензиновыми двигателями. Чтобы горючее нагрелось до температуры, необходимой для воспламенения, потребуется давление от 25 до 33 кг/см2. Окончательное значение зависит от температуры на улице и технического состояния мотора.

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.

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.

На пальцах

Из теории тепловых машин, начало которой было положено в первой половине XIX века французским ученым и инженером Сади Карно, известно, что эффективность идеального термодинамического цикла (его термический КПД) увеличивается с ростом степени сжатия (в) рабочего тела. Влияние степени сжатия на эффективность реальных тепловых машин – автомобильных ДВС – не столь однозначное. Теоретически обоснованному, «беспредельному» повышению степени сжатия препятствуют одновременно растущие механические потери на трение и газообмен, тепловые и механические нагрузки на детали двигателя, особенности автомобильных топлив и ряд других. Поэтому применительно к ДВС (определенной конструкции) можно говорить об оптимальном значении степени сжатия, при которой достигается максимум эффективного КПД, отвечающего за топливную экономичность и высокие мощностные характеристики. Точнее, о диапазоне оптимальных величин в, поскольку на разных режимах работы двигателя степень воздействия ограничивающих факторов различна и наиболее эффективная работа может достигаться при разных степенях сжатия.

Возьмем, к примеру, атмосферные искровые двигатели с внешним смесеобразованием. Исследования показывают, что оптимальная степень сжатия для таких моторов лежит в пределах 13-15. Дальнейшее увеличение в не приводит к заметному улучшению показателей двигателя из-за роста механических потерь. В то же время этот параметр у современных бензиновых двигателей обычно составляет величину порядка 10, т.е. существенно меньше оптимальной. Причина –стремление избежать детонации, опасность которой возникает прежде всего на режимах полной нагрузки, при высоких значениях давления и температуры в камере сгорания. Известно, что двигатель городского автомобиля работает с полностью открытым дросселем не более 10% времени эксплуатации. Это означает, что большую его часть он не добирает в мощности и неэкономно расходует топливо. Будь степень сжатия регулируемой, на режимах холостого хода и частичных нагрузок двигатель мог бы работать с оптимальной в, и только на мощностных режимах она уменьшалась бы до безопасного уровня. Подсчитано, что эта мера позволила бы снизить потребление бензина примерно на 10%

Не очень много, но и не мало, если принять во внимание огромное количество эксплуатируемых «бензиномобилей». Суммарная экономия нефти и сокращение выбросов в атмосферу были бы весьма ощутимыми

Переменная степень сжатия сослужила бы добрую службу и дизельным двигателям. Современные дизели, большинство которых турбированные, также имеют степень сжатия, отличную от оптимальной. При конструировании дизелей ее выбирают из условия обеспечения устойчивого холодного пуска двигателя. В зависимости от конструкции мотора в может принимать значения от 16 до 24, что выше оптимума. Излишне высокая степень сжатия, обусловленная приемлемыми пусковыми характеристиками, препятствует увеличению давления наддува, т.е. повышению удельной мощности дизелей. Одно из следствий высокой степени сжатия – большое максимальное давление в камере сгорания. При наддуве оно еще больше возрастает, что грозит превышением допустимых нагрузок на детали двигателя, снижением его ресурса и даже разрушением. Возможность гибко регулировать степень сжатия турбодизелей позволила бы без проблем запускать двигатель при высокой в, а на мощностных режимах снижать ее вплоть до 10-11, одновременно увеличивая давление наддува. Так можно значительно повысить мощность, не опасаясь превысить предельное давление сгорания.

Отмеченные преимущества, которые сулят возможность регулирования степени сжатия, что называется, лежат на поверхности. Но все это цветочки, ягодки – впереди.

Зачем используется ПСС

Опытным автомобилистам наверняка знакомо понятие степени сжатия в двигателе. Но стоит уточнить, что это отношение объёма над рабочим поршнем двигателя, который опускается до своей нижней мёртвой точки, к объёму, когда этот поршень достигает уже верхней мёртвой точки.

Для бензиновых силовых установок стандартный показатель степени сжатия составляет от 8 до 14 единиц, а в случае с дизельными ДВС он увеличен до 18-23. Для каждого двигателя значение степени сжатия выступает как фиксированная величина, которую закладывают ещё на этапе создания и разработки мотора. В зависимости от того, какая степень сжатия характерна для того или иного силового агрегата, к двигателю будут предъявляться соответствующие требования по октановому или цетановому числу используемого топлива для бензиновых и дизельных двигателей соответственно. Дополнительно разработчики учитывают фактор наличия или отсутствия в моторе системы турбонаддува. То есть турбированный движок или просто атмосферный.

Если говорить простым языком, то степень сжатия определяет силу сжимания смеси топливо и воздуха в цилиндрах силового агрегата

И тут важно понимать, что при сильном сжатии топливовоздушная смесь способна лучше воспламеняться и полностью выгорать. Увеличивая этот параметр, коэффициент полезного действия ДВС будет расти, улучшится отдача движка, снизится расход топлива. Но у такого эффекта есть и обратная сторона

Она связана с возможным эффектом детонации. При нормальных условиях топливовоздушная смесь, сжимающаяся в цилиндрах, при воспламенении должна не взрываться, а именно гореть. Параллельно процесс воспламенения должен начинать и заканчиваться строго в определённые моменты времени

Но у такого эффекта есть и обратная сторона. Она связана с возможным эффектом детонации. При нормальных условиях топливовоздушная смесь, сжимающаяся в цилиндрах, при воспламенении должна не взрываться, а именно гореть. Параллельно процесс воспламенения должен начинать и заканчиваться строго в определённые моменты времени.

Топливо обладает особой характеристикой, которая называется детонационной устойчивостью. То есть это способность горючего сопротивляться эффекту детонации. Если степень сжатия чрезмерно повысить, бензин или дизель может сдетонировать, то есть взорваться, что происходит в условиях определённых режимов работы ДВС.

Результатом детонации становятся неконтролируемые процессы, при которых топливо в цилиндрах будет сгорать путём взрывов. Это приводит к ускоренному износу компонентов двигателя, создают ударных волн, существенному увеличению температуры ДВС со всеми вытекающими последствиями. В связи с этим создавать для мотора условия, при которых степень сжатия постоянно будет высокой, нельзя.

Единственным объективно эффективным решением сложившейся ситуации становится гибкое изменение параметров в зависимости от конкретного режима работы силовой установки. То есть изменение степени сжатия в тех или иных условиях. Это даёт реальную возможность повысить эффективность мотора, улучшить качество сжигания топливовоздушной смеси, повысить показатели экономичности и добиться лучшей эффективности. А поскольку повышение параметров сжатия происходит кратковременно и только в заданных режимах работы двигателя, никаких разрушительных последствий не наблюдается.

Преимущества моторов с изменяемой степенью сжатия выглядят очевидными. Но на практике создать подобный мотор было крайне сложно. Некоторым автокомпаниям в итоге это удалось. В их числе стоит отметить таких производителей как Infiniti, Peugeot, Saab, Volkswagen и пр.

Система от SAAB

Первыми воплотили мечту в жизнь инженеры фирмы SAAB и в 2000 году на выставке в Женеве выставили на всеобщее обозрение экспериментальный двигатель с системой Variable Compression.

Этот уникальный двигатель имел мощность в 225 л.с., при объеме 1,6 л., а расход топлива был в вдвое меньшим аналогичного объема. Но самое фантастичное, он мог работать и на бензине, и на спирте, и даже на дизельном топливе.

Изменение рабочего объема двигателя осуществлялось бесшагово. Степень сжатия изменялась при наклоне моноблока (совмещенная головка блока с блоком цилиндров) относительно блока-картера. Отклонение моноблока вверх приводило к уменьшению степени сжатия, отклонение вниз — к увеличению.

Смещение по вертикальной оси на 4 градуса, что позволило иметь сжатия от 8:1 до 14:1. Управление изменением степени сжатия, в зависимости от нагрузки, осуществлялось специальной электронной системой управления по средством гидропривода. При максимальной нагрузке СЖ 8:1, при минимальной 14:1.

Так же в нем применялся механический наддув воздуха, он подключался только при наименьших значениях степени сжатия.

Но не смотря на такие удивительные результаты, двигатель не пошел в серию, и работы по доводке на сегодняшний день свернуты по неизвестной нам причине.