Увеличение степени сжатия двигателя что дает
Уменьшение и увеличение степени сжатия
У каждого автолюбителя свои задачи. Кто-то хочет больше мощности от двигателя и тогда задумывается над увеличением степени сжатия. Другие, желают дефорсировать мотор и уменьшить степень сжатия, чтобы заправлять дешевый низкооктановый бензин.
В данной статье поговорим про уменьшение и увеличение степени сжатия, зачем это делают и какой результат.
Увеличение степени сжатия двигателя
Увеличение степени сжатия является одной из основных методик поднятия мощности двигателя. Тем самым можно получить больше отдачи с того же объема двигателя. Одним словом мощность повысится, а расход останется на прежнем уровне.
Возникает вопрос, а почему с завода не поднимают степень сжатия до максимально возможного уровня?
Дело в характеристиках бензина не позволяющим поднимать степень сжатия больше определенного уровня, без образования детонации. Если мы значительно повысим степень сжатия, то мощность повысится, но придется заправляться более высокооктановым топливом. С другой стороны, двигатель теперь работает более эффективно и на той мощности на которой вы ездили раньше, он будет потреблять меньше топлива и разность в цене будет несущественна.
Как увеличить степень сжатия? Два лучших способа:
1. Установка более тонкой прокладки двигателя. При таком варианте, клапана могут столкнуться с поршнями и нужно все тщательно рассчитывать. Как вариант, это установка новых поршней двигателя с более глубокими выемки под клапана. Также изменятся фазы газораспределения двигателя и нужно будет их заново настраивать.
2. Растачивание цилиндров двигатель. Такая процедура требует замены поршней, но этот метод увеличивает рабочий объем двигателя и одновременно повышает степень сжатия, так как камера сгорания остается прежней но объем цилиндра увеличивается. Отношение объема возросшего цилиндра к прежнему объему камеры сгорания покажет большую величину степени сжатия.
Прибавка мощности за счет степени сжатия тем выше, чем под более низкую степень сжатия изначально настроен двигатель. Простыми словами, повышение мощности более эффективно при поднятии степени сжатия с 8 до 9, чем с 13 до 14.
Уменьшение степени сжатия двигателя
Для чего производиться уменьшение степени сжатия двигателя? Если при увеличении — мы добивались повышения мощности двигателя, то тут ситуация противоположная — уменьшение степени сжатия производиться с целью перевести автомобиль на более дешевый бензин.
Так, в старые времена поступали владельцы «Жигулей» и «Москвичей», когда переводили свои машины с дорогого 92-ого бензина на более дешевый и доступный 76-ой. Для этих целей используется аналогичный способ, только придется увеличить высоту прокладки под головку двигателя. Берем две обычные прокладки и между ними вставляем алюминиевую нужной толщины. Прокладки, если нужно, вырезались самостоятельно в гараже с помощью подручных средств.
После вышеописанной процедуры уменьшиться степень сжатия за счет увеличения камеры сгорания двигателя и можно заливать дешевый бензин. Не рекомендуем делать эту операцию на современном авто, оборудованным большим количеством электроники, во избежании неприятностей.
Увеличение степени сжатия
Объем камеры сгорания влияет на конечную степень сжатия двигателя.
Камера сгорания, это объем образуемый головкой блока и поршнем в момент нахождения поршня в верхней мертвой точке. Степень сжатия, это отношение объемов цилиндров от максимального до минимального. Максимальный объем камеры сгорания получается, когда поршень находится в нижней мертвой точке. Минимальный при нахождении поршня в верхней мертвой точке цилиндра.
Объем цилиндра без учета камеры сгорания можно узнать, поделив паспортный рабочий объем двигателя на количество цилиндров.
Объем камеры сгорания состоит из суммы 3 объемов:
1 Объем камеры сгорания на головке блока
2 Объем, образуемый толщиной прокладки головки блока
3 Объем вогнутого пространства в днище поршня.
Справедливости ради стоит сказать, что существует масса вариантов когда поршни выпуклые и при вычислениях они не добавляют, а наоборот уменьшают пространство камеры сгорания. И это нужно учитывать при расчетах.
Степень сжатия и компрессия, это не одно и тоже и различается тем, что степень сжатия это геометрическая величина, а компрессия динамическая. Так как двигатель при вращении обладает некоторыми насосными свойствами, плюс воздух при сжатии нагревается, то величина компрессии будет отличаться от степени сжатия в большую сторону. Компрессия обычно больше в 1.4 раза чем степень сжатия.
Увеличение степени сжатия является одной из основных методик поднятия мощности двигателя, так как чем больше сжать топливовоздушную смесь, тем больше она сможет расшириться относительно сжатого объема при сгорании. Тем самым можно получить больше мощности с того же объема сгоревшего топлива. Одним словом мощность повысится, а расход останется на прежнем уровне. Возникает вопрос, а почему с завода не поднимают степень сжатия до максимально возможного уровня? Дело все в характеристиках бензина не позволяющим поднимать степень сжатия больше определенного уровня, без образования аномальных, нежелательных процессов горения (детонация и др). Октановое число как раз и является основным показателем величины детонационной стойкости топлива и чем это число выше, тем большую степень сжатия можно использовать в двигателе, без образования детонации.
То есть проще говоря, если мы значительно повысим степень сжатия то мощность у нас повысится, но придется заправляться более высокооктановым топливом, а оно стоит дороже. Но с другой стороны, двигатель теперь работает более эффективно и на той мощности на которой вы ездили раньше, он будет потреблять меньше топлива и разность в цене как бы нивелируется! Но правда все же такова, что вы не будете ездить на малой мощности. Иначе зачем нужно было все это затевать?
Степень сжатия можно повысить двумя самыми эффективными способами:
1 установка более тонкой прокладки головки блока, либо спиливание нижней части головки блока. При таком варианте, клапана приближаются к поршню и необходимо делать или увеличивать выборки под них. Изменяются фазы работы ГРМ так как высота цепи или ремня, ответственная за синхронизацию распредвала изменяется на величину, уменьшения высоты позиционирования головки блока. При верхневальном двигателе (распределительный вал находится в головке блока). Настроить работу распределительного вала можно с помощью резрезной шестерни, либо шестерни с несколькими позициями под шпонку. При нижневальном, когда распредвал стоит внизу (в блоке цилиндров) и связь с клапанами происходит посредством толкателей также изменяется кинематика клапанного механизма без гидроусилителей, а с гидроусилителями может не хватить их хода и придется ставить меньшие по длине толкатели. При использовании метода на V образном двигателе при спиливании головок изменится расстояние между посадочными отверстиями впускного коллектора, что потребует его подгонки.
2 Растачивание цилиндров под больший по диаметру поршень. Такая процедура требует замены поршней, но этот метод увеличивает рабочий объем двигателя и одновременно повышает степень сжатия, так как камера сгорания остается прежней но объем цилиндра увеличивается. Отношение возросшего цилиндра к прежней камере сгорания покажет большую величину степени сжатия. Метод кроме замены поршней и расточки цилиндра не требует больше каких либо переделок и более предпочтителен для увеличения степени сжатия.
Прибавка мощности за счет степени сжатия тем выше, чем под более низкую степень сжатия изначально настроен двигатель. Простыми словами, повышение мощности более эффективно при поднятии степени сжатия с 8 до 9 чем с 13 до 14.
Примеры прибавок в процентах:
с 8 до 9 = 2.0 % прибавка мощности
с 9 до 10 = 1.7 % прибавка мощности
с 10 до 11 = 1.5 % прибавка мощности
с 11 до 12 = 1.3 % прибавка мощности
с 12 до 13 = 1.2 % прибавка мощности
с 13 до 14 = 1.1 % прибавка мощности
с 14 до 15 = 1.0 % прибавка мощности
с 15 до 16 = 0.9 % прибавка мощности
с 16 до 17 = 0.8 % прибавка мощности
Промежуточные результаты суммируются, например поднятие степени сжатия с 8 до 14 даст прибавку 8.7 %
Примеры перехода на более высокооктановое топливо при повышении (СС)
Повышение степени сжатия
Термический КПД двигателя ηt в значительной степени зависит от величины степени сжатия ε. Чем выше степень сжатия, тем меньше топлива используется для получения той же самой мощности, поэтому повышение степени сжатия — один из основных методов увеличения мощности двигателя. Термический КПД двигателя при увеличении степени сжатия увеличивается сначала быстро, а после значений степени сжатия 12-13 — несколько медленнее.
Увеличение степени сжатия ограничивается появлением детонации вследствие роста температуры рабочей смеси в конце хода сжатия, в результате чего двигатель перегревается, наполнение цилиндров бензовоздушной смесью ухудшается, износ основных деталей двигателя повышается в 2-3 раза. Сильная детонация может привести к прогоранию днища поршня. Практически предельное значение степени сжатия ограничивается октановым числом применяемого моторного топлива. Наиболее рациональным является форсировка двигателя до степени сжатия 9,8 — 10, что подтверждается опытом участия в спортивных соревнованиях в нашей стране и за рубежом. Указанные значения также типичны для двигателей, использующих распределительные валы с относительно коротким периодом впуска, подобные валам многих форсированных двигателей. При увеличении продолжительности такта впуска посредством установки распределительного вала с более длительным периодом впуска прирост мощности от степени сжатия становится еще более значительным.
Прирост мощности при увеличении степени сжатия можно определить по приведенной ниже таблице, показывающей приращение мощности двигателя от исходной величины при изменении степени сжатия. Для этого находят в таблице столбец с исходной степенью сжатия и колонку с новой предполагаемой степенью сжатия. Прочитанное значение в элементе таблицы покажет увеличение мощности в процентах.
исходная степень сжатия
новая степень сжатия
Данные таблицы базируются на механических степенях сжатия, определенных путем математических расчетов из фиксированного объема, а не на динамических степенях сжатия, которые будут увеличиваться при увеличении эффективности впуска. При улучшении наполнения цилиндра динамическая степень сжатия увеличивается подобно увеличению объема цилиндра, т.к. в цилиндр будет поступать больше воздуха и топлива.
Практически увеличение степени сжатия не всегда приводит к увеличению мощности. Если статическая (подсчитанная ) степень сжатия уже находится около предела детонации для используемого топлива, ее дальнейшее увеличение может ухудшить мощность и/или надежность двигателя. Это особенно справедливо, когда достигнут коэффициент наполнения цилиндра больше 1. К тому же, когда коэффициент наполнения цилиндра больше 1, поступившая смесь находится под небольшим положительным давлением, однако, она может заполнить только пространство в цилиндре плюс пространство в камере сгорания. Однако если мы увеличиваем степень сжатия путем уменьшения объема камеры сгорания или путем увеличения выпуклости поршня, то общее количество бензовоздушной смеси, которую может принять цилиндр, уменьшится на эту величину, и, как следствие, при увеличении степени сжатия ухудшается наполнение цилиндров. Чем лучше наполнение цилиндров (полученное турбиной, насосом, полировкой каналов, изменением фаз газораспределения и т.д.), тем меньше будет требуемая степень сжатия.
Практически степень сжатия двигателя зависит от объема камеры сгорания, размера и формы поршня и его хода. Так, для двигателей УЗАМ 3313 и 3318, имеющих одинаковый диаметр цилиндра и ход поршня и одинаковую головку блока цилиндров, за счет изменения формы поршня степень сжатия изменяется с 7.6 в двигателе УЗАМ-3313 до 9.2 в двигателе УЗАМ-3318, что приводит к увеличению максимальной мощности с 85 до 90 л.с., а максимального крутящего момента с 135 н/м до 145 н/м.
Ниже в таблице показана зависимость степени сжатия двигателя УЗАМ-412 от глубины фрезерования головки блока цилиндров:
Увеличение степени сжатия
Объем камеры сгорания влияет на конечную степень сжатия двигателя.
Камера сгорания, это объем образуемый головкой блока и поршнем в момент нахождения поршня в верхней мертвой точке. Степень сжатия, это отношение объемов цилиндров от максимального до минимального. Максимальный объем камеры сгорания получается, когда поршень находится в нижней мертвой точке. Минимальный при нахождении поршня в верхней мертвой точке цилиндра.
Объем цилиндра без учета камеры сгорания можно узнать, поделив паспортный рабочий объем двигателя на количество цилиндров.
Объем камеры сгорания состоит из суммы 3 объемов:
1 Объем камеры сгорания на головке блока
2 Объем, образуемый толщиной прокладки головки блока
3 Объем вогнутого пространства в днище поршня.
Справедливости ради стоит сказать, что существует масса вариантов когда поршни выпуклые и при вычислениях они не добавляют, а наоборот уменьшают пространство камеры сгорания. И это нужно учитывать при расчетах.
объем камеры сгорания степень сжатия
Степень сжатия и компрессия, это не одно и тоже и различается тем, что степень сжатия это геометрическая величина, а компрессия динамическая. Так как двигатель при вращении обладает некоторыми насосными свойствами, плюс воздух при сжатии нагревается, то величина компрессии будет отличаться от степени сжатия в большую сторону. Компрессия обычно больше в 1.4 раза чем степень сжатия.
Увеличение степени сжатия является одной из основных методик поднятия мощности двигателя, так как чем больше сжать топливовоздушную смесь, тем больше она сможет расшириться относительно сжатого объема при сгорании. Тем самым можно получить больше мощности с того же объема сгоревшего топлива. Одним словом мощность повысится, а расход останется на прежнем уровне. Возникает вопрос, а почему с завода не поднимают степень сжатия до максимально возможного уровня? Дело все в характеристиках бензина не позволяющим поднимать степень сжатия больше определенного уровня, без образования аномальных, нежелательных процессов горения (детонация и др). Октановое число как раз и является основным показателем величины детонационной стойкости топлива и чем это число выше, тем большую степень сжатия можно использовать в двигателе, без образования детонации.
То есть проще говоря, если мы значительно повысим степень сжатия то мощность у нас повысится, но придется заправляться более высокооктановым топливом, а оно стоит дороже. Но с другой стороны, двигатель теперь работает более эффективно и на той мощности на которой вы ездили раньше, он будет потреблять меньше топлива и разность в цене как бы нивелируется! Но правда все же такова, что вы не будете ездить на малой мощности. Иначе зачем нужно было все это затевать?
Степень сжатия можно повысить двумя самыми эффективными способами:
1 установка более тонкой прокладки головки блока, либо спиливание нижней части головки блока. При таком варианте, клапана приближаются к поршню и необходимо делать или увеличивать выборки под них. Изменяются фазы работы ГРМ так как высота цепи или ремня, ответственная за синхронизацию распредвала изменяется на величину, уменьшения высоты позиционирования головки блока. При верхневальном двигателе (распределительный вал находится в головке блока). Настроить работу распределительного вала можно с помощью резрезной шестерни, либо шестерни с несколькими позициями под шпонку. При нижневальном, когда распредвал стоит внизу (в блоке цилиндров) и связь с клапанами происходит посредством толкателей также изменяется кинематика клапанного механизма без гидроусилителей, а с гидроусилителями может не хватить их хода и придется ставить меньшие по длине толкатели. При использовании метода на V образном двигателе при спиливании головок изменится расстояние между посадочными отверстиями впускного коллектора, что потребует его подгонки.
2 Растачивание цилиндров под больший по диаметру поршень. Такая процедура требует замены поршней, но этот метод увеличивает рабочий объем двигателя и одновременно повышает степень сжатия, так как камера сгорания остается прежней но объем цилиндра увеличивается. Отношение возросшего цилиндра к прежней камере сгорания покажет большую величину степени сжатия. Метод кроме замены поршней и расточки цилиндра не требует больше каких либо переделок и более предпочтителен для увеличения степени сжатия.
Прибавка мощности за счет степени сжатия тем выше, чем под более низкую степень сжатия изначально настроен двигатель. Простыми словами, повышение мощности более эффективно при поднятии степени сжатия с 8 до 9 чем с 13 до 14.
Примеры прибавок в процентах:
с 8 до 9 = 2.0 % прибавка мощности
с 9 до 10 = 1.7 % прибавка мощности
с 10 до 11 = 1.5 % прибавка мощности
с 11 до 12 = 1.3 % прибавка мощности
с 12 до 13 = 1.2 % прибавка мощности
с 13 до 14 = 1.1 % прибавка мощности
с 14 до 15 = 1.0 % прибавка мощности
с 15 до 16 = 0.9 % прибавка мощности
с 16 до 17 = 0.8 % прибавка мощности
Промежуточные результаты суммируются, например поднятие степени сжатия с 8 до 14 даст прибавку 8.7 %
Примеры перехода на более высокооктановое топливо при повышении (СС)
менее 8 — 76 бензин
от 8 до 9 — 80 бензин
от 9 до 10.5 — 92 бензин
от 10 до 12.5 — 95 бензин
от 12 до 14.5 — 98 бензин
от 13.5 до 16 — 102 бензин
от 15.5 до 18 — 109 бензин
Минимальное октановое число топлива применяемое в каждом конкретном двигателе зависит не только от степени сжатия но и в некоторой степени от конструкции формы камеры сгорания, алгоритма работы клапанного механизма, системы зажигания итд. Поэтому более совершенные двигатели могут работать с большими величинами степени сжатия без повышения качества топлива.
Разрушители легенд. Двигатель внутреннего сгорания. Часть №4. Опять степень сжатия.
Давайте ещё раз посмотрим на процесс сгорания топлива в обычной «бензинке»:
Если выбросить из головы привычные сказки на эту тему и посмотреть трезвым взглядом — то ВСЁ в «обычном» двигателе организовано через задницу:
1). Воспламенение топлива производится до ВМТ в довольно холодной и разряжённой атмосфере.
Да, разумеется, сжатие повышает и температуру и давление — потому условия воспламенения топлива, без спору, становятся намного более благоприятными, чем вообще без сжатия. Но оптимальными назвать их — язык не поворачивается.
Именно поэтому топливо даже при принудительном зажигании так медленно и неохотно воспламеняется — посмотрите, сколько по времени длится одно только образование очага горения…
А распространение фронта пламени?!
ПОЛОВИНУ времени «сгорания» на самом деле занимает ВОСПЛАМЕНЕНИЕ!
Зажигание и вынесли ПЕРЕД ВМТ с единственной целью — дать время топливу разгореться в неблагоприятных условиях, чтобы после ВМТ оно уже горело более-менее активно. Если воспламенять топливо ПОСЛЕ ВМТ — оно не то что сгореть не успеет, оно ВОСПЛАМЕНИТЬСЯ полностью не сможет.
2). Поскольку часть сгорания топлива происходит ДО ВМТ и ТОРМОЗИТ коленвал — нам в обязательном порядке придётся компенсировать это сгорание после ВМТ, что увеличивает расход топлива…
Ну или снижает КПД — если так понятнее.
3). Приблизительно до 10 градусов после ВМТ поршень еле движется вниз — потому энергия сгорающего топлива преобразуется не столько в работу, сколько в дальнейшее лавинообразное повышение температуры и давления в «камере сгорания» — что приводит к появлению детонации…
Высокая плотность сгорающих газов при высокой их температуре вызывает колоссальные теплопотери в стенки «камеры сгорания» — до 90-95(!)% всего тепла передаётся двигателю именно в зоне ВМТ.
Пик прорыва газов в картер через компрессионные кольца опять таки расположен в зоне ВМТ…
4). Пик сгорания приходится на 15 градусов после ВМТ — при этом положении коленвала все детали двигателя испытывают максимальные механические и термические нагрузки. Но кривошипно-шатунный механизм в этом положении передаёт на коленвал только четверть давления газов. Полезной работы всё ещё выполняется мизер. Если бы двигатель мог запасать энергию сгорания в давлении газов, чтобы отдать эту энергию коленвалу позже, когда тот займёт более выгодное с точки передачи момента, положение — это было бы не страшно. Но объём «камеры сгорания» начинает стремительно увеличиваться и по факту повышается только температура газов, а давление уже начинает падать. Передаточный коэффициент КШМ увеличивается, но давление падает всё стремительнее на фоне всё быстрее опускающегося поршня и стремительно увеличивающегося объёма «камеры сгорания».
5). На 30 градусах после ВМТ КШМ передаёт уже около 50% давления газов, но и объём камеры сгорания к этому моменту удваивается — давление и температура газов стремительно уменьшаются, нарастает концентрация продуктов сгорания, а концентрация топлива и кислорода стремительно падает.
Сгорание замедляется…
6). К 35-40 градусам после ВМТ активное догорание топлива прекращается. В этом положении КШМ передаёт уже больше половины давления газов в работу, но выделение тепла уже не происходит — генерация давления прекращается полностью. С этого момента давление газов в «камере сгорания» начинает снижаться прямо пропорционально увеличению объёма камеры сгорания и кривопропорционально снижению температуры.
7). К 80 градусам после ВМТ КШМ передаёт почти 100% давления, но объём «камеры сгорания» к этому моменту увеличивается уже в 5 РАЗ(!) и продолжает стремительно расти. Давление газов катастрофически снижается и работы опять производится мизер.
В итоге — КПД современной бензинки по оценкам официальной науки не превышает 30%.
Наука неофициальная иногда рожает несколько странные на первый взгляд цифры, имеющие на мой взгляд больше отношения к реальности. После начала эксплуатации первого серийного электромобиля EV1 были получены удивительные результаты, оставленные официальной наукой без должного внимания. Было подсчитано, что количество электроэнергии, затраченной EV1 с массой около 1,5 тонн на преодолении пути в 100 км — эквивалентно энергии, заключенной менее чем в одном литре бензина. Этот результат вызвал огромное недоумение у американских специалистов, ведь аналогичный автомобиль на 100 км тратит в среднем около 10 литров бензина. Действительно эти цифры невозможно объяснить, если за основу брать КПД двигателя в районе 30…40%. Однако, если реальный КПД равен 7% — то эти цифры прекрасно объясняются.
Получается — при расходе автомобиля 10 литров на сто километров на движение АВТОМОБИЛЯ тратится около одного литра бензина, остальные 9 литров своим сгоранием тупо греют атмосфэру.
Если же задуматься — а сколько тратится топлива на перемещение непосредственно ГРУЗА или ПАССАЖИРОВ — то картина получится совсем удручающая…
У «дизельного» двигателя всё тоже самое, что и у «бензинового» — с небольшими отличиями в лучшую сторону, но сама концепция — как под копирку:
1). Сжать рабочее тело в несокрушимом замкнутом объёме для обеспечения приемлемой скорости ВОСПЛАМЕНЕНИЯ топлива.
2). Спалить топливо в этом практически неменяющемся объёме и НАКОПИТЬ к концу сгорания «максимальное давление цикла», балансируя на грани взрыва и механического разрушения двигателя.
3). На этапе рабочего хода начать сливать всё накопленное давление в ненасытную утробу стремительно расширяющейся «камеры сгорания», судорожно тщась преобразовать стремительно падающее давление в момент на коленвалу с помощью кривошипа, который работает почти в противофазе и потому теряет в среднем около половины передаваемого давления.
ОСНОВНОЕ узкое место этой модели — выделяющаяся энергия преобразуется в работу не НЕМЕДЛЕННО по мере сгорания топлива, а только СПУСТЯ некоторое время, уже ПОСЛЕ фактического завершения сгорания.
Именно это и обуславливает колоссальные потери энергии.
Высокие максимальные температуры цикла вызывают ускоренную теплопередачу в стенки «камеры сгорания». Высокое максимальное давление цикла — чрезмерные потери через малейшие неплотности «камеры сгорания».
Что делать с этим безобразием умные головы придумали уже давно.
Нужно ходить пешком!
Нужно СИНХРОНИЗИРОВАТЬ два важнейших «механизма» ДВС таким образом, чтобы вырабатываемая при сгорании топлива энергия совершала работу НЕМЕДЛЕННО.
Тогда максимальная отдача от одного «механизма» будет оптимальным образом приумножать отдачу другого.
А добиться этого можно только повышая степень сжатия.
Повышая не на проценты, а в разы.
Давайте прикинем:
У двигателя температура смеси в конце такта всасывания достигает +65С.
При прокручивании стартером у «бензинки» со СС=9 температура в ВМТ поднимается до +380С, а давление — до 19 атмосфер. Это очень мало. Чтобы топливо успело сгореть — воспламенять смесь приходится за 15 градусов до ВМТ. Тогда в зоне ВМТ температура поднимается до +800С, а давление — до 33 атмосфер.
Получается, что дополнительное увеличение температуры на +420С и давления на 14 атмосфер на такте сжатия получено за счет топлива, сгорающего до ВМТ.
Грубо говоря — сжатие смеси поршневой группой в привычном двигателе обеспечивает только ПОЛОВИНУ давления и температуры, требуемых для нормального сгорания воздушно-топливной смеси.
Если прикинуть — при какой геометрической степени сжатия в «камере сгорания» создаются подобные «климатические» условия в ВМТ без подвода тепла до ВМТ — то окажется, что фактическая степень сжатия обычной «бензинки» при полностью открытом дросселе равна 12.
При полностью закрытом дросселе — 4… 🙁
Но давайте на минутку отвлечёмся.
В ДВС есть два ключевых «механизма», на которых нам есть смысл концентрироваться — это КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ и «МЕХАНИЗМ» СГОРАНИЯ.
Всё остальное вторично.
У КШМ на рабочем ходу есть две «мёртвые» точки и одна «живая». В «мёртвых» точках преобразование давления газов на днище поршня не происходит вообще. Приблизительно посередине(75-80 градусов после ВМТ) между «мёртвыми» точками расположена «живая», в которой преобразование наиболее эффективно и составляет почти 100%.
Кривая эффективности преобразования давления газов на поршень в момент на коленвалу с помощью КШМ выглядит как-то так:
В переводе на человеческий язык — чем ближе к середине хода поршня мы обеспечим сгорание(выделение ДАВЛЕНИЯ газов), тем больше момента мы получим на коленвалу!
У КШМ есть ещё одина важнейшая характеристика, про которую почему-то ВООБЩЕ никто не заикается.
Я даже не слышал никогда про неё явно, при том что именно она НАПРЯМУЮ определяет функционирование второго важнейшего «механизма» ДВС.
Эта характеристика — СКОРОСТЬ изменения ОБЪЁМА «камеры сгорания».
Именно эволюция объёма «камеры сгорания» в ходе РАБОЧЕГО ЦИКЛА определяет протекание процессов СГОРАНИЯ топлива.
Подробнее на эту тему поговорим ниже.
В принципе, больше ничего про КШМ знать и не нужно.
Графическое представление «механизма» сгорания смесей топлива с окислителем в замкнутом объёме очень похоже по форме на предыдущий график.
У «механизма» сгорания так же есть две «мёртвые» точки и одна «живая».
В «мёртвых» точках преобразование энергии топлива в давление не происходит вообще.
В начале — смесь ещё не горит.
В конце — смесь уже не горит.
Между двумя «мёртвыми» точками расположена «живая», в которой преобразование наиболее эффективно — именно в области этой точки ДАВЛЕНИЕ сгорающих газов максимально.
Процесс сгорания очень сильно зависит от исходных параметров смеси. Этих параметров довольно много, но нам наиболее важны такие как стехиометрия, температура и давление. Я не буду углубляться в теорию горения, нам важно только одно — чем выше температура и давление на момент воспламенения и чем оптимальнее соотношение топлива и окислителя — тем выше скорость протекающих процессов. А поскольку реакции горения развиваются с прогрессирующим самоускорением — то и кривые сгорания во времени выглядят как-то так:
В двигателе(где часть давления в цилиндре создаётся цилиндро-поршневой группой) кривые сгорания выглядят несколько по другому, но тенденция сохраняется. Чем раньше мы запалим топливо — тем выше будет температура в ВМТ — тем круче и выше будет график — тем меньше будет время сгорания, но площадь кривых опять-таки изменится слабо:
Для ДВС плохо и первое и второе.
Хотя первое хуже — ведь часть энергии сгорания теряется БЕЗВОЗВРАТНО прямо на этапе тепловыделения.
Нам нужна золотая середина.
Оптимально — когда процесс сгорания топлива протекает таким образом, чтобы выделяющееся от сгорания газов ДАВЛЕНИЕ максимально полно преобразовывалось в РАБОТУ кривошипно-шатунным механизмом двигателя НЕМЕДЛЕННО.
Если СИНХРОНИЗИРОВАТЬ между собой кривые вышеописанных процессов определённым образом — то КПД ДВС будет максимален. Люди не забывшие со школы всякие производные и интегралы могут легко рассчитать оптимальную форму процесса сгорания для идеальной синхронизации с КШМ.
Как человек малоэрудированный и дремучий, я про интегралы помню только что они есть, теплотехнике как науке — не доверяю, и потому ничего рассчитывать не буду. Я пойду другим, более простым и наглядным путём — методом сопоставления и сравнения.
Для этого я соорудил сводную таблицу 5 гипотетических двигателей с разной степенью сжатия и разложил в ней по полочкам все важнейшие на МОЙ взгляд параметры:
В этой таблице нет ни давлений, ни температур — в ней одна галимая геометрия КШМ…
Почему так?
Для оптимального сгорания ОПРЕДЕЛЁННОГО ВИДА ТОПЛИВА нужно создавать вполне однозначные «климатические» условия. КОГДА и КАК эти условия возникают в «камере сгорания» ДВС — процессу сгорания совершенно не важно. Зато ему важно чтобы «климатические » условия в «камере сгорания» поддерживались в определённых рамках. Эти рамки определяет ОБЪЁМ «камеры сгорания».
Если объём «камеры сгорания» уменьшается в ходе развития сгорания, не меняется или увеличивается медленно — мы получаем:
1). Со стороны «механизма» сгорания — лавинообразное ускорение ВОСПЛАМЕНЕНИЯ вплоть до детонации.
2). Со стороны кривошипно-шатунного механизма — отрицательную или очень незначительную положительную работу.
Если объём «камеры сгорания» увеличивается в ходе развития сгорания чрезмерно быстро — мы получаем:
1). Со стороны «механизма» сгорания — торможение вплоть до полной остановки(прекращение горения).
2). Со стороны кривошипно-шатунного механизма — незначительную положительную работу.
Нужна идеальная синхронизация обоих «механизмов» — тогда их совместная работа будет максимально эффективна! Синергетический эффект, мать его…
Зелёная горизонтальная область в районе 90 градусов после ВМТ(в середине рабочего хода поршня) отмечает область эффективного преобразования давления газов в момент на коленвалу с помощью КШМ. Чем ближе к 90 градусам после ВМТ происходит сгорание — тем больше будет момент на коленвалу при том же самом давлении газов в цилиндре.
Красным цветом шрифта выделены области фактической(МГНОВЕННОЙ если хотите) степени сжатия, соответствующие области реального сгорания воздушно-бензиновой смеси в обычной «бензинке».
Чем больше у двигателя геометрическая степень сжатия — тем дальше от ВМТ находится такая область.
С точки зрения геометрии, это видно сразу — максимальная передача момента КШМ получается при геометрической степени сжатия в районе 50-70 и выше. При такой степени сжатия в ВМТ самовоспламеняться будут практически все известные виды топлива — потому двигатель с такой степенью сжатия может быть только с внутренним смесеобразованием. Ему в плане сгорания совершенно всё равно на каком углеводородном топливе работать — будет требоваться только незначительная коррекция угла начала подачи топлива…
Заранее прошу прощения у читателей — я не полезу в дебри СВЕРХВЫСОКОГО(30-50-70) сжатия.
Как я уже упоминал не раз — вся моя писанина носит чисто прикладной характер.
Потому я намерен писать только о том, что интересно МНЕ как должен работать «бензиновый» двигатель со «степенью сжатия» в районе 20-25. Потому как приблизительно такая степень сжатия у обычного прямовпрыскового «дизеля». Потому как именно из своего прямовпрыскового ZD30DDTI я намерен соорудить турбогазодизель с применением некоторых принципов работы «бензинового» двигателя с высокой(20-25) степенью сжатия.
Но об этом — в следующей статье…
Думается, самые проницательные читатели уже поняли, что ФАКТИЧЕСКАЯ степень сжатия смеси НА ПЕРИОД СГОРАНИЯ у всех 5 двигателей из таблицы так и остаётся на уровне, характерном для обычного «бензинового» двигателя — меняется только угол начала тепловыделения. Ну так я сразу предупреждал, что термин «СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ» несколько… бестолковый.
Вот приблизительно такая картина творится в цилиндрах этих 5 двигателей:
Чем выше степень сжатия — тем дальше от верхней МЁРТВОЙ точки можно сорганизовать сгорание топлива. Интересно что в таком двигателе лучше всего использовать НИЗКОоктановые бензины — ведь такой бензин для эффективного сгорания требует более низких первоначальных давления и температуры — потому процесс сгорания можно сдвинуть ещё дальше от ВМТ…
Главное — чтобы топливо-воздушная смесь не самовоспламенялась в ВМТ. Потому при ВНЕШНЕМ смесеобразовании есть предел как по максимальной «степени сжатия», так и по минимальному октановому числу топлива.
Не обращайте внимание на заоблачность пика давления в ВМТ — почти вся энергия, запасённая в сжатом воздухе на такте сжатия будет высвобождена на такте расширения. Как-то так это выглядит в более понятном виде:
Воздух мало похож на пружину — понятно, что с ростом степени сжатия в ВМТ потери энергии на такое сжатие воздуха всё сильнее растут, но до определённого предела суммарный выигрыш намного больше затрат.
Фактическая степень сжатия(а также объём «камеры сгорания») у двигателя с повышенной степенью сжатия регулируется моментом зажигания. Чем позже будет зажигание — тем больше получается фактический объём «камеры сгорания» — тем ниже будут первоначальные температура и давление смеси — тем медленнее смесь будет гореть. И наоборот, чем раньше будет зажигание — тем меньше будет объём «камеры сгорания» — тем выше будут температура и давление — тем быстрее будет гореть смесь.
Отличие от обычной «бензинки» одно, но очень важное.
Топливо-воздушная смесь в обычной «бензинке» на момент поджига(ячейки, выделенные в таблице красной рамкой) довольно холодная и разряжённая, состоит из парОв и капелек топлива — поджечь такую смесь проблемно даже мощным электрическим разрядом.
В двигателе повышенной степени сжатия с ВНЕШНИМ смесеобразованием в зоне ВМТ «климатические» условия на протяжении градусов 30 по коленвалу таковы, что даже крупные капельки топлива гарантированно успевают полностью испариться.
Мало того — парЫ топлива, разогретые до очень высоких температур на довольно продолжительное время успевают разложиться на РАДИКАЛЫ углеводородов, которые воспламеняются очень легко и быстро. Замечу, что и однородность(гомогенность) смеси после цикла сжатия-расширения получается намного выше, чем в обычной «бензинке». А настолько однородные смеси даже бедные — и горят намного эффективнее и воспламеняются намного интенсивнее.
После ВМТ поршень начинает опускаться вниз и давление с температурой начинают СНИЖАТЬСЯ, но зажигание смеси в двигателе повышенной степени сжатия производится в условиях, когда размер «камеры сгорания» приблизительно в два раза меньше по размеру чем на обычной «бензинке» — в таких условиях плотность газов выше в два раза(количество молекул на единицу объёма выше в 4 раза), а температура выше раза в три — потому интенсивность воспламенения намного выше, чем в обычной «бензинке».
Может показаться, что такие условия неминуемо приведут к возникновению детонации.
На самом деле воспламенение смеси в двигателе повышенной степени сжатия развивается не в УМЕНЬШАЮЩЕЙСЯ по объёму «камере сгорания», где температура и давление лавинообразно нарастают(и ТОРМОЗЯТ коленвал) — а в уже довольно активно РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ «камере сгорания», где часть энергии сгорания СРАЗУ начинает выполнять ПОЛЕЗНУЮ РАБОТУ. Энергия изымается из системы — соответственно температура и давление газов ПРИ СГОРАНИИ нарастают гораздо медленнее — что с одной стороны подавляет развитие детонации, а с другой — расширяет зону эффективного сгорания в область ВМТ.
Это не значит, что детонация в таких условиях невозможна, но так же как и на обычной «бензинке» детонация давится либо позднением угла опережения зажигания, либо уменьшением наполнения цилиндров… либо беднением смеси.
Продолжительное тепловыделение, когда значительная часть энергии СРАЗУ преобразуется в механическую работу, приводит к эффекту компенсации увеличения объёма «камеры сгорания» — фактически тепловыделение происходит при относительно постоянном давлении.
Как видно из таблицы — скорость ПОРШНЯ увеличивается к середине его хода. Чем выше скорость поршня — тем больше РАБОТА, совершаемая сгорающими ГАЗАМИ при неизменном давлении. На коленвалу мы наблюдаем этот эффект в виде увеличения МОМЕНТА.
На всех пяти двигателях в таблице скорость поршня изменяется по синусоиде и практически не отличается.
А вот ОБЪЁМ «камеры сгорания» живёт гораздо более интересной жизнью.
Для пущей наглядности я сляпал график СКОРОСТИ изменения ОБЪЁМА «камеры сгорания» двигателей из вышеприведённой таблицы:
Тенденция однозначная.
Чем выше степень сжатия — тем пик скорости увеличения объёма «камеры сгорания» ВЫШЕ и БЛИЖЕ к ВМТ.
У обычной «бензинки» зажигание смеси ПРИ ПОЛНОСТЬЮ ОТКРЫТОМ ДРОССЕЛЕ производится за 15 градусов до ВМТ, а максимум давления цикла приходится на 15 градусов после ВМТ. Объём «камеры сгорания» к концу этого периода остаётся абсолютно таким же, каким был на момент подачи искры. Фициальная наука так нам и говорит — сгорание происходит при ПОСТОЯННОМ ОБЪЁМЕ.
На самом деле при «постоянном объёме» происходит только ВОСПЛАМЕНЕНИЕ, но пусть это будет на совести у «учёных». Они сами рисуют графики, на которых видно, что температура сгорающих газов продолжает расти ещё некоторое время после максимума давления в «камере сгорания»:
Раз температура растёт даже на фоне снижения давления — значит сгорание продолжается?
И заявления об окончании сгорания смеси выглядят несколько… странными…
Неважно…
За ВСЁ время тепловыделения объём «камеры сгорания» обычной «бензинки» увеличивается меньше чем в два раза! 🙁
Скорость увеличения объёма «камеры сгорания» обычной «бензинки» начинает заметно расти только после пика сгорания, когда это уже и поздно(с точки зрения подавления детонации) и даже вредно(с точки зрения эффективности использования созданного давления газов).
В двигателе повышенной степени сжатия высокая скорость увеличения объёма «камеры сгорания» эффективно подавляет детонационные процессы во время ВОСПЛАМЕНЕНИЯ смеси. С момента зажигания смеси до пика давления объём «камеры сгорания» увеличивается почти в два раза! А общее увеличение объёма «камеры сгорания» за время сгорания топлива составляет минимум три раза.
Падение скорости увеличения объёма «камеры сгорания» на этапе догорания позволяет растянуть процесс догорания и более эффективно использовать давление газов в зоне максимальной эффективности КШМ…
Идём дальше.
При дросселировании фактическая степень сжатия снижается.
У обычной «бензинки» это приводит к замедлению процессов сгорания, который компенсируют соответствующей коррекцией угла зажигания. Судя по всему диапазон корректировки превышает 25 градусов:
В итоге на холостом ходу у обычной «бензинки» УОЗ уже на уровне 40 градусов до ВМТ. Пик тепловыделения смещается вплотную к ВМТ и находится в области 5 градусов после ВМТ.
Разные клоуны пытались критиковать предыдущую мою статью и зело интересовались — с какого допотопного двигателя был снят приведённый мной график давления. Лучше бы они поинтересовались что происходит в цилиндрах обычной «бензинки» на холостом ходу. Ну да флаг им в руки и барабан на шею…
Получается что регулирование мощности обычной «бензинки» производится одновременно аж 3 процессами:
1). Количеством смеси.
Чем меньше смеси — тем меньше энергии выделяется, тем меньше создаётся давления в «камере сгорания», тем меньше сила давления на поршень.
2). Качеством смеси.
Чем меньше смеси подаётся в «камеру сгорания» — тем разряжённее и холоднее она будет на момент зажигания — тем медленнее она будет гореть. Чтобы смесь успела сгореть вся — зажигание приходится делать всё более ранним — всё больше смеси сгорает до ВМТ и ТОРМОЗИТ коленвал. Растянутое горение обуславливает и непропорционально высокую теплопередачу в стенки «камеры сгорания».
3). Коэффициентом передачи КШМ.
Чем дальше до ВМТ отодвигается начало тепловыделения — тем выше у нас отрицательная работа до ВМТ при том, что положительная работа после ВМТ стремительно уменьшается…
В итоге обычная «бензинка» при изменении мощности от максимальной до минимальной(это раз этак в 20-30) снижает ЦИКЛОВОЙ расход топлива не больше чем в 5 раз.
В двигателе повышенной степени сжатия дросселирование не приводит к настолько фатальным последствиям, как на обычной «бензинке»:
1-2). Количество смеси. Качество смеси.
Контроллер двигателя при увеличении дросселирования просто смещает зажигание в сторону ВМТ — соответственно «климатические» условия в «камере сгорания» на момент зажигания остаются по прежнему идеальными и сгорать топливо будет всё так же эффективно — ведь фактическая степень сжатия остаётся на постоянном уровне. Поскольку при этом фактический объём камеры сгорания уменьшается — то получается некая версия двигателя с переменной постоянной степенью сжатия и переменным объёмом «камеры сгорания», но без заумных механизмов.
3). Коэффициент передачи КШМ.
По мере прикрытия дросселя процесс сгорания смещается в зону ВМТ — потому передаточная характеристика КШМ стремительно ухудшается. Но поскольку зажигание осуществляется исключительно после ВМТ — отрицательной работы никогда не производится.
Чем выше степень сжатия двигателя — тем дальше от ВМТ осуществляется сгорание топлива на всех режимах — тем меньше дросселирование влияет на КПД.
А вот и у обычных «бензинок» и у «бензинок» с переменной степенью сжатия эта характеристика НАИХУДШАЯ всегда — потому как процесс сгорания всеми правдами-неправдами упорно загоняют в область верхней МЁРТВОЙ точки…
Вот график степени сжатия, который является оптимальным для «бензинки» с точки зрения производителей на разных режимах:
На самом деле УЖЕ существуют двигатели с изменяемой до 18 степенью сжатия — это косвенно говорит о том, что на холостом ходу при максимальном дросселировании желательна геометрическая степень сжатия в районе 20 и выше.
На самом деле в этих двигателях повышенная степень сжатия только нивелирует дросселирование — параметры сгорания остаются одинаковыми на всех режимах двигателя, но это приводит к улучшению характеристик двигателя максимально только на холостом ходу(до 30%) и незначительно — на частичных нагрузках. Чем выше нагрузка на такой двигатель — тем меньше толку от системы регулирования степени сжатия.
У двигателя повышенной степени сжатия КПД растёт не только за счёт оптимального сгорания топлива на всех режимах работы двигателя, но и за счёт более эффективного преобразования давления газов в момент на коленвалу за счёт смещения сгорания подальше от ВМТ. И чем выше степень сжатия — тем больше выигрыш.
Такие устройства как турбина увеличивают фактическую степень сжатия, но у двигателя повышенной степени сжатия это требует только дополнительной корректировки опережения зажигания в ещё более позднюю сторону — что ещё дополнительно улучшает эффективность КШМ. У такого двигателя наддув ограничивается совсем не детонацией…
За счёт того, что момент на коленвалу нарастает лавинообразно по мере уменьшения дросселирования — приспособляемость такого движка должна быть колоссально высокая. Как у парового двигателя, если Вы понимаете о чём я. Этому двигателю не нужно удваивать обороты, чтобы удвоить мощность — он просто сам будет проситься ездить «внатяг» с полностью открытым дросселем…
Справедливости ради хочу сразу сказать, что точность регулировки момента начала воспламенения нужна гораздо более высокая. У «обычного» двигателя зажигание осуществляется вблизи ВМТ — соответственно при смещении зажигания на 15 градусов фактическая степень сжатия изменится всего на 4-15%. В двигателе со СС=26 такая же ошибка в моменте зажигания при ПОЛНОСТЬЮ ОТКРЫТОМ ДРОССЕЛЕ приведёт к изменению фактической степени сжатия на 60-70%…
Что я ещё могу добавить из высшей математики?
Есть такая штука как закон сохранения энергии.
Согласно ему если мы значительно увеличиваем КПД двигателя — то помимо резкого увеличения вырабатываемой мощности мы также резко уменьшаем тепловыделение. Соответственно снижается теплонагруженность некоторых узлов дрыгателя, температура выхлопных газов, и вообще нагрузка на систему охлаждения в целом.
Думается всем понятно, что низкая температура выхлопных газов связана совсем не с высокой степенью сжатия подобного двигателя. Высокая степень расширения у двигателя с повышенной степенью сжатия — такая же дурь фикция, как и сама «степень сжатия». Ну не в степени сжатия(расширения) дело, а в том, какую часть энергии сгорания вы преобразуете в РАБОТУ!
Механические нагрузки на КШМ при повышении степени сжатия перераспределяются странным образом.
На холостом ходу нагрузки повышаются. Даже стартер такому двигателю нужен в разы более мощный. Но из-за дросселирования сами нагрузки на ХХ и близко не приближаются к максимально допустимым для КШМ обычной «бензинки».
На максимальной мощности ДВИГАТЕЛЯ пиковые МАКСИМАЛЬНЫЕ нагрузки на КШМ возрастают незначительно — ведь ДАВЛЕНИЕ сгорающих газов(как и расход топлива) абсолютно не меняется. При этом с КОЛЕНВАЛА момент пойдёт до двух раз выше и вот тут уже возможны узкие места…
В среднеэксплуатационном режиме при прежней нагрузке на ДВИГАТЕЛЬ нагрузки на КШМ значительно СНИЖАЮТСЯ и потому ресурс КШМ должен существенно возрасти.
Как вытянуть подобные характеристики с обычного, уже имеющегося двигателя ничего особо не пиля и не строгая — поговорим в следующей статье.