Как найти степень сжатия горючей смеси

Автомобильное топливо — легкокипящая углеводородная фракция (33–205°C) прямой нефтеперегонки. Ключевые параметры бензина — степень сжатия и октановое число. Современные автомобильные бензины маркируются обозначениями «АИ» и цифровыми индексами 80–98. В зависимости от конкретного типа двигателя используется бензин определённой марки. Разберём основные характеристики автомобильного жидкого топлива подробнее.

Степень сжатия — устойчивость к самовоспламенению

Физическое отношение суммарного объёма цилиндра в момент нахождения поршня в мёртвой точке к рабочему объёму камеры внутреннего сгорания характеризуется степенью сжатия (СЖ). Показатель описывается безразмерной величиной. Для бензиновых приводов она составляет 8–12, для дизельных — 14–18. Увеличение параметра повышает мощность, КПД мотора, а также снижает расход топлива. Однако высокие значения СЖ повышают риск самовоспламенения горючей смеси при высоком давлении. По этой причине бензин с большим показателем СЖ также должен обладать высокой детонационной стойкостью — октановым числом (ОЧ).

Октановое число — детонационная стойкость

Преждевременное сгорание бензина сопровождается характерным стуком, вызванным детонационными волнами внутри цилиндра. Подобный эффект обусловлен низким сопротивлением жидкого горючего к самовоспламенению в момент компрессии. Детонационная стойкость характеризуется октановым числом, а в качестве эталона выбрана смесь из н-гептана и изооктана. Товарные марки бензина имеют показатель ОЧ в районе 70–98, что соответствует процентному содержанию изооктана в смеси. Для повышения этого параметра в смесь вводят специальные октан-корректирующие присадки — сложные эфиры, спирты и реже этилаты тяжёлых металлов. Существует взаимосвязь между степенью сжатия и маркой бензина:

• В случае СЖ меньше 10 используют АИ-92.
• При СЖ 10–12 необходим АИ-95.
• Если СЖ равен 12–14 — АИ-98.
• При СЖ равном 14 понадобится АИ-98.

Для стандартного карбюраторного двигателя СЖ равен приблизительно 11,1. В таком случае оптимальный показатель ОЧ равен 95. Однако в некоторых гоночных типах авто используются метанол. СЖ в подобном примере достигает 15, а ОЧ варьируется от 109 до 140.

Использование низкооктанового бензина

В автомобильной инструкции указан тип двигателя и рекомендуемое горючее. Использование горючей смеси с низким ОЧ приводит к преждевременному выгоранию горючего и иногда разрушению конструкционных элементов мотора.

Важно также понимать, какая система подачи топлива применяется. Для механического (карбюраторного) типа соблюдение требований по ОЧ и СЖ обязательно. В случае автоматической, или инжекторной системы топливно-воздушная смесь корректируется электроникой. Бензиновая смесь насыщается либо обедняется до необходимых значений ОЧ, а двигатель работает нормально.

Высокое октановое число топлива

АИ-92, а также АИ-95 — наиболее применяемые марки. Если в бак залить, к примеру, 95-ый вместо рекомендуемого 92-го, серьёзных поломок не будет. Возрастёт лишь мощность в пределах 2–3%. Если же заправить авто 92-ым вместо 95-го или 98-го, то увеличится расход топлива, а мощность снизится. Современные автомобили с электронным впрыском контролируют подачу горючей смеси и кислорода и тем самым защищают двигатель от нежелательных эффектов.

Таблица зависимости степени сжатия и октанового числа

Детонационная стойкость автомобильного горючего имеет прямую взаимосвязь со степенью сжатия, которая представлена в таблице ниже.

ОЧ	СЖ
72	6,8–7,0
76	7,2–7,5
80	8,0–9,0
91	9,0
92	9,1–9,2
93	9,3
95	10,5–12
98	12–14
100	Более 14

Заключение

Автомобильные бензины характеризуются двумя основными характеристиками — детонационной стойкостью и степенью сжатия. Чем выше СЖ, тем больше требуется ОЧ. Использование горючего с меньшим либо большим значением детонационной стойкости в современных авто не навредит двигателю, но повлияет на мощность и расход топлива.

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:

Важно понимать, что общее количество ЭНЕРГИИ(площадь графиков) при сгорании единицы топлива выделяется всегда ОДИНАКОВОЕ(!), но если процесс сгорания протекает медленно — то значительная часть энергии успевает рассеяться в окружающее пространство и не может влиять на дальнейшее протекание процесса сгорания — соответственно процесс сгорания растягивается во времени.
Если выделяющаяся энергия не успевает рассеиваться в окружающее пространство, то процесс сгорания самоускоряется лавинообразно и перерастает во взрыв.

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.

Для двигателей с ВНУТРЕННИМ смесеобразованием таких ограничений нет.
Для такого двигателя чем выше «степень сжатия» и чем ниже октановое число — тем лучше! Звучит неправдоподобно, но это так.
Боюсь мы ещё увидим на заправках пистолет с А-66.

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.

Степень — сжатие — горючая смесь

Cтраница 1

Степень сжатия горючей смеси ограничивается возможностью детонации горючей смеси, что приводит к разрушению цилиндра двигателя. Чем выше допустимая степень сжатия, тем более качественный ( с более высоким октановым числом), более дорогой требуется бензин.
 [1]

С повышением степени сжатия горючей смеси в цилиндрах двигателя Детонация усиливается.
 [2]

При увеличении степени сжатия горючих смесей сокращается расход бензина и повышается мощность двигателя.
 [3]

Повышение быстроходности и экономичности работы автомобилей требует увеличения мощностей и повышения степеней сжатия горючей смеси в цилиндрах двигателей. Это обусловливает дальнейшее повышение качеств топлива, особенно антидетонационных свойств его.
 [4]

Там же было указано, что склонность данного топлива к детонации растет со степенью сжатия горючей смеси в цилиндре двигателя и, кроме того, в высокой степени зависит от химического состава топлива. Эта последняя зависимость связана с глубоким различием углеводородов различного строения в их склонности к детонации при прочих равных условиях; в основном это различие может быть выражено следующим образом.
 [5]

Стремясь к максимальному повышению мощности двигателя при малых габаритах и массе, стараются увеличить степень сжатия горючей смеси в цилиндре. Однако в быстроходных четырехтактных двигателях, работающих с принудительным зажиганием, при этом иногда происходит преждевременное воспламенение смеси — детонация. Это снижает мощность мотора и ускоряет его износ. Это явление связано с составом жидкого топлива, так как углеводороды разного строения при использовании их в качестве моторного топлива ведут себя различно.
 [6]

Стремясь к максимальному повышению мощности двигателя при малых габаритах и весе, стараются по возможности увеличить степень сжатия горючей смеси в цилиндре. Однако в быстроходных четырехтактных двигателях, работающих с принудительным зажиганием, при этом иногда происходит преждевременное воспламенение смеси — детонация. Это снижает мощность мотора и приводит его к преждевременному износу.
 [7]

Стремясь к максимальному повышению мощности двигателя при малых габаритах и весе, стараются по возможности увеличить степень сжатия горючей смеси в цилиндре. Однако в быстроходных четырехтактных двигателях, работающих с принудительным зажиганием, при этом иногда наблюдается ненормальное ( детонационное) сгорание смеси. При этом мощность мотора снижается.
 [8]

Стремясь к максимальному повышению мощности двигателя при малых габаритах и весе, стараются по возможности увеличить степень сжатия горючей смеси в цилиндре. Однако в быстроходных четырехтактных двигателях, работающих с принудительным зажиганием, при этом иногда наблюдается ненормальное ( детонационное) сгорание смеси.
 [9]

Коэффициент полезного действия двигателя зависит от степени сжатия горючей смеси. Степень сжатия — отношение первоначального объема бензино-воздушной смеси, которая засасывается в цилиндр, к конечному объему после сжатия. Повышение степени сжатия дает возможность экономить топливо и увеличивать мощность двигателя. Увеличение же мощности двигателя, например, автомобиля, означает увеличение скорости и грузоподъемности, уменьшение расхода топлива. При нормальном сгорании топлива давление внутри цилиндра повышается непрерывно, скорость сгорания 20 — 25 м / сек. При неправильном сгорании происходит детонация — смесь бензина с воздухом вспыхивает мгновенно со взрывом, скорость сгорания 1500 — 2000 м / сек. При этом быстро выделяется огромное количество газов, что приводит к резкому повышению давления внутри цилиндра. Удар детонационной волны о стенки цилиндра и поршень создает стук мотора. Следствие детонации — неправильная работа мотора, снижение мощности двигателя, повышение расхода горючего, прогар и разрушение отдельных частей мотора.
 [10]

Коэффициент полезного действия двигателя зависит от степени сжатия горючей смеси. Степень сжатия — отношение первоначального объема бензино-воздушной смеси, которая засасывается в цилиндр, к конечному объему после сжатия. Повышение степени сжатия дает возможность экономить топливо и увеличивать мощность двигателя. Увеличение же мощности двигателя, например, автомобиля, означает увеличение скорости и грузоподъемности, уменьшение расхода топлива.
 [11]

Коэффициент полезного действия двигателя зависит от степени сжатия горючей смеси. Степень сжатия — отношение первоначального объема бензино-воздушной смеси, которая засасывается в цилиндр, к конечному объему после сжатия. Повышение степени сжатия дает возможность экономить топливо и увеличивать мощность двигателя. Увеличение же мощности двигателя, например автомобиля, означает увеличение скорости и грузоподъемности, уменьшение расхода топлива. При нормальном сгорании топлива давление внутри цилиндра повышается непрерывно, скорость сгорания 20 — 25 м / с. При неправильном сгорании происходит детонация-смесь бензина с воздухом вспыхивает мгновенно со взрывом, скорость сгорания 1500 — 2000 м / с. При этом быстро выделяется огромное количество газов, что приводит к резкому повышению давления внутри цилиндра. Удар детонационной волны о стенки цилиндра и поршень создает стук мотора.
 [12]

Автомобильный выхлоп, характерный металлический стук в двигателе внутреннего сгорания, зависит в первую очередь от качества топлива. Стремление увеличить мощность двигателя связано с необходимостью повышать степень сжатия горючей смеси. При этом скорость горения топлива возрастает во много десятков раз, приближая процесс горения к взрыву. Это явление называется детонацией моторного топлива. Дымный выхлоп, стук и другие неприятные явления — следствия детонации, резко снижающей мощность двигателя и часто являющейся причиной его выхода из строя.
 [13]

Бензины различного происхождения по-разному ведут себя в двигателях. Для того чтобы сделать двигатель мощным и вместе с тем не очень громоздким, необходимо, по возможности, увеличить степень сжатия горючей смеси в его цилиндре. В результате мотор начинает стучать, мощность его снижается.
 [14]

Развитие процессов получения моторных топлив тесно связано с путями дальнейшего развития, главным образом, авиации и автотранспорта и применением новых видов моторов. Не подлежит сомнению, что с внедрением в эти виды транспорта, например, дизельмоторов целый ряд сложных технологических процессов, проводимых в настоящее время для выработки высококачественного моторного топлива, в значительной степени потеряет свое значение, так как дизельмоторы могут работать и а более тяжелых видах топлива, чем бензин, — керосине, газойле и др. Будущее развитие карбюраторных двигателей для этих видов транспорта одновременно пойдет по пути дальнейшего повышения степени сжатия горючей смеси в цилиндре двигателя с целью повышения его мощности; это неминуемо ( вызовет появление новых технологических процессов, преследующих цель обеспечить требуемые качества будущего моторного топлива.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

Начнем со степени сжатия. Как мы помним, поршень в цилиндре при работе двигателя движется вверх-вниз, имея две так называемых мертвых точки, верхнюю и нижнюю. Так вот, степень сжатия – это отношение между двумя объемами: полным объемом цилиндра, когда поршень находится в нижней мертвой точке, и объемом камеры сжатия, когда поршень находится в верхней мертвой точке. То есть степень сжатия – это математическое отношение, которое показывает, во сколько раз топливовоздушная смесь (или воздух, если речь о дизеле) сжимается в цилиндре при работе мотора.

Степень сжатия – одна из базовых характеристик любого двигателя, и закладывается она на стадии проектирования. У бензиновых моторов она ниже, чем у дизельных: в среднем от 8:1 до 12:1 у первых и от 14:1 до 23:1 у вторых. Дело в том, что работа дизельного мотора предполагает самостоятельное воспламенение топливовоздушной смеси от сжатия, а в бензиновом моторе смесь в каждом такте поджигается свечой зажигания. Однако в целом по мере развития технологий двигателестроения степень сжатия в моторах росла. Причина проста: повышение степени сжатия позволяет увеличить КПД мотора, получая больше мощности при том же рабочем объеме и расходе топлива. Собственно, с ростом степени сжатия связано и применение более высокооктановых бензинов.

Таким образом, степень сжатия – это конструктивная характеристика двигателя, и она не меняется по мере его износа и старения. Степень сжатия не нужно «проверять» при покупке, а знать ее нужно в основном для того, чтобы знать, какой бензин лучше заливать в бак купленной машины.

Если степень сжатия – параметр математический и неизменный, то компрессия – характеристика изменяемая. Компрессия – это давление, создаваемое в цилиндре в конце такта сжатия, когда поршень идет от нижней мертвой точки к верхней, сжимая воздух или топливовоздушную смесь. Давление в цилиндре в момент, когда поршень достиг верхней мертвой точки – это и есть компрессия. Можно подумать, что компрессия фактически должна быть равна степени сжатия – ведь она тоже показывает разницу давления в цилиндре при двух положениях поршня – верхнем и нижнем. Однако на самом деле компрессия оказывается значительно выше. Ведь воздух при резком сжатии нагревается, что означает увеличение давления. А еще он нагревается от горячих стенок цилиндра, ведь рабочая температура двигателя гораздо выше температуры окружающей среды. Таким образом, компрессия, конечно, зависит от степени сжатия, но не равна ей. И именно компрессию замеряют при диагностике двигателя, чтобы оценить его техническое состояние.

Замер компрессии проводится с учетом перечисленных выше условий: на полностью прогретом двигателе и при полностью открытой дроссельной заслонке, отвечающей за подачу воздуха в цилиндр. Разумеется, горение топлива для замера компрессии не нужно, в цилиндре сжимается только воздух. Так что подачу топлива отключают, а свечу зажигания (или накаливания, если речь идет о дизеле) выкручивают, а на ее место вкручивают шлаг компрессометра. Компрессометр – это прибор для измерения компрессии. Он фактически представляет собой манометр, подключаемый трубкой к цилиндру и оснащенный обратным клапаном, чтобы не сбрасывать измеренное давление.

Замер компрессии позволяет оценить исправность и техническое состояние двигателя. Во-первых, после замера можно сравнить соответствие полученного результата заводским параметрам – то есть оценить компрессию в имеющемся двигателе по сравнению с новым. Во-вторых, низкий показатель компрессии означает наличие проблем с мотором, ведь он сигнализирует о том, что воздух «утекает» из камеры сгорания, а при работе мотора из нее будут прорываться раскаленные газы. Причин может быть довольно много: поршневые кольца, повреждения седел клапанов и самих клапанов, негерметичность прокладки ГБЦ и даже трещина в самом поршне. Ну а в-третьих, важна не только сама величина компрессии, но и ее равномерность во всех цилиндрах двигателя. Если компрессия в одном или нескольких цилиндрах ниже, чем в других, это говорит о неравномерном износе и наличии проблем.

Таким образом, замер компрессии – одна из простых, но эффективных методик оценки исправности и общего технического состояния двигателя. Он позволяет быстро отсеять заведомо «мертвые» моторы, имеющие проблемы с цилиндропоршевой группой, клапанами и так далее. Поэтому замер компрессии можно и нужно проводить при диагностике практически любого автомобиля перед покупкой.