Ось що насправді означає 'ступінь стиснення', і чому це має значення

1. Чому для двигунів так важлива ступінь стиснення, і на що вона впливає. Ви напевно чули термін «ступінь...
2. Чому виробники намагаються збільшити ступінь стиснення?
3. Більш високий стиск в двигуні означає більше потужності, але більше тиску
4. Більш високий стиск в двигуні також означає більш високу теплову ефективність
5. Чи існують обмеження щодо збільшення ступеня стиснення в двигунах

Чому для двигунів так важлива ступінь стиснення, і на що вона впливає.

Наши партнеры ArtmMisto

Ви напевно чули термін «ступінь стиснення» в двигунах внутрішнього згоряння. Але ви коли-небудь замислювалися, що він означає? Отже, прийшов час точно пояснити, що ж таке коефіцієнт стиснення (ступінь) в двигунах автомобіля і чому сьогодні всі автовиробники одержимі цим показником, як ніби цей параметр являє собою Святий Грааль для майбутніх продажів автоновинок.

Відразу хочемо відзначити, що розібратися в тому, що таке ступінь стиснення двигуна, не так просто, як здається на перший погляд . Ви напевно помітили в різних рекламних проспектах і каталогах, а також в описі на сайтах автовиробників, що автобренди намагаються привернути нашу увагу такою характеристикою, як ступінь стиснення двигунів. Особливо стараються нам розповісти про ступінь стиснення менеджери автосалонів. Ми зазвичай робимо вигляд, що розуміємо, про що йде мова, пропускаючи мимо вух цю інформацію. І причина такої поведінки в тому, що багато автолюбителів просто не уявляють, що таке ступінь стиснення двигунів, так само як і на що вона впливає. Але тим не менше ми вважаємо, що все автолюбителі повинні знати, що ж це за показник двигунів внутрішнього згоряння, про який недавно згадали багато автовиробників.

Ми знаємо, що високий стиск двигуна - це добре, а низька - погано. Ми також знаємо, що новий мотор Mazda Skyactiv-X має високу ступінь стиснення. Не відстає від Mazda і Toyota зі своїми моторами «Dynamic Force», які мають високий ступінь стиснення . Ці компанії рекламують нові двигуни з великим коефіцієнтом стиснення, заявляючи, що вони не тільки стали потужнішими, а й отримали велику економічність. Але при чому тут високий ступінь стиснення і збільшення потужності зі зменшенням витрат палива? Зараз пояснимо.

двигун Toyota «Dynamic Force»

Ми живемо в епоху, коли інженери не можуть просто дати двигуну більше енергії за рахунок укрупнення, як, наприклад, це було раніше, коли автовиробники на багато свої автоновинки встановлювали мотори зі збільшеним об'ємом. До того ж це призводило до неминучого збільшення витрат палива і зростання рівня шкідливих викидів в вихлопі автомобіля. Сьогодні у зв'язку з дорожнечею палива по всьому світу і складною екологічною обстановкою подібний спосіб збільшення потужності мотора не підходить. Особливо якщо враховувати жорсткі екологічні норми, що пред'являються автовиробникам поруч розвинених західних країн.

В результаті автовиробники стали покращувати ефективність нинішніх моторів за рахунок застосування турбін і збільшення ступеня стиснення сучасних двигунів.

Як визначається ступінь стиснення, і що це таке?

Ступінь стиснення - це показник, при якому встановлюється, який максимальний обсяг циліндра двигуна може бути стиснутий в мінімальний обсяг циліндра. Цей показник ступеня стиснення визначається як співвідношення.

Наприклад, зазвичай ступінь стиснення записують ось таким чином: 9: 1 (коефіцієнт стиснення двигуна «дев'ять до одного»).

Тепер уявіть циліндр двигуна. Усередині циліндра двигуна, як ви знаєте, переміщається поршень: вгору і вниз. Коли поршень знаходиться в найнижчій точці циліндра двигуна, це називається «нижньої мертвої точкою». Саме в цьому положенні поршня зверху нього знаходиться найбільший обсяг циліндра. Коли поршень знаходиться в найвищій точці всередині циліндра двигуна, це положення поршня називається «верхньою мертвою точкою». У цьому положенні обсяг циліндра знаходиться в найменшому значенні. Ось порівняння цих двох об'ємів циліндрів над поршнями двигуна і утворює співвідношення ступеня стиснення. Зверніть увагу, що коли поршень знаходиться у верхній мертвій точці, все-таки над ним є об'ємний простір, де і відбувається стиснення паливно-повітряної суміші.

Для тих, хто любить більше дивитися, ніж читати, внизу ми публікуємо GIF-картинку, на якій демонструється, як працює чотиритактний двигун. Зверніть увагу, як поршень рухається вгору під час такту стиснення паливної змести (паливо + кисень), яка подається клапанами головки блоку двигуна. Нагадаємо, що повітря і паливо, що надходять в циліндр двигуна, стискаються поршнем, щоб потім запалити цю суміш за допомогою свічки запалювання (в бензинових моторах) або за рахунок сильного стиснення (в дизельних моторах).

Якщо двигун має високу ступінь стиснення, це означає, що заданий обсяг повітря і палива в циліндрі стискається в набагато меншому просторі, ніж в двигунах з невеликим ступенем стиснення.

А тепер математичний приклад співвідношення ступеня стиснення в ДВС.

Припустимо, що у нас є двигун, обсяг циліндра і камер згоряння якого в момент знаходження поршня в нижній мертвій точці становить 10 куб. см. Після того як впускний клапан головки блоку двигуна закривається і поршень піднімається вгору, почавши такт стиснення, він стискає повітря і паливну суміш в простір 1 куб. см. Цей двигун має коефіцієнт стиснення (ступінь) 10: 1.

Також часто виробники люблять обчислювати підсумкову ступінь стиснення, ділячи більшого значення обсягу циліндра над поршнем на менший обсяг циліндра. В результаті у багатьох технічних характеристиках автомобілів замість співвідношення виробники вказують результат ділення цих значень.

Таким чином обчислюється, у скільки разів стискається паливно-повітряна суміш при русі з нижньої мертвої точки поршня у верхню мертву точку. Розділивши більшого значення на меншу, ми і отримаємо підсумкове значення ступеня стиснення без співвідношення більшого обсягу до меншого.

Чому виробники намагаються збільшити ступінь стиснення?

Але не все так просто зі ступенем стиснення. Одна справа - розуміти, що таке ступінь стиснення. І це не менш важливо в порівнянні з розумінням, чому так важлива висока ступінь стиснення для сучасних двигунів. На жаль, пояснити простими словами, чому висока ступінь стиснення в двигунах сучасних автомобілів - це відмінне рішення на найближчі роки, не вийде. Проте ми спробуємо.

Ви знаєте, що потужність двигуна з'являється в той момент, коли згорання паливної суміші надає силу на поршень усередині циліндра двигуна. Ця сила штовхає поршень вниз по циліндру. І чим вище поршень знаходиться в циліндрі в момент спалювання паливно-повітряної суміші, тим більше сил буде докладено на поршень.

Як ми вже сказали, чим більше ступінь стиснення, тим вище знаходиться поршень у верхній мертвій точці. У підсумку це дозволяє виробляти більше потужності в момент згоряння палива. Також крім збільшення потужності для вироблення сили, що штовхає поршень вниз по циліндру двигуна, необхідно менше палива, що в кінцевому результаті впливає на паливну ефективність мотора. Це просте пояснення. Але воно неповне, оскільки при збільшенні ступеня стиснення двигунів виникає ряд проблем, для вирішення яких необхідно в ідеалі знати термодинаміку.

Отже, ми знаємо, що високий ступінь стиснення означає, що двигун отримує більше сили і потужності з того ж кількості палива в порівнянні з мотором з меншим коефіцієнтом стиснення. Як ми з'ясували, це добре для динаміки автомобіля, а також для досягнення хороших показників його економічності.

Щоб пояснити вам точніше, чому більш високий ступінь стиснення дає більше економії палива, ми не будемо занурюватися надто глибоко в науку про термодинаміки. Проте без неї нам також не пояснити вам в деталях, чому мотори з великим ступенем стиснення економічніші. Так, це нелегко зрозуміти. Але все ж цей розділ термодинаміки дуже і дуже цікавий.

Більш високий стиск в двигуні означає більше потужності, але більше тиску

На наведеному вище малюнку показана діаграма PV тиску - обсягу для ідеального типового бензинового двигуна. Цей графік наочно демонструє, що відбувається в двигуні, коли він спалює повітряно-паливну суміш (в нашому прикладі бензин + кисень).

На наведеному вище графіку крива 1-2 показує хід стиснення.

Лінія 2-3 показує згоряння палива.

Верхня крива 3-4 показує хід розширення.

І лінія 4-1 показує відведення тепла, коли відкривається випускний клапан в головці блоку циліндрів двигуна.

Якщо описати все більш технічною мовою, то цю діаграму слід розуміти так:

На діаграмі крива 1-2 показує хід стиснення, при якому тиск (вісь Y) зростає, а обсяг (вісь Х) падає, коли поршень стискає повітряно-паливну суміш всередині циліндра, наближаючись до верхньої мертвої точки.

Лінія 2-3 показує тепло, що виділяється під час горіння паливної суміші. Ця лінія показує, як швидко збільшується тиск і температура сгораемого палива.

Крива 3-4 показує збільшення обсягу циліндра двигуна і падіння тиску, коли газ, отриманий в процесі згоряння паливної суміші, надає силу на поршень, який починає свій рух вниз по циліндру двигуна (такт розширення).

Лінія 4-1 показує відведення тепла від газів, утворених в процесі згоряння палива. Коли тиск усередині циліндра повертається до тиску навколишнього середовища, відкривається випускний клапан.

Нарешті, лінія 1-5 демонструє нам хід вихлопу (вихлопної цикл мотора), в процесі якого поршень знову рухається всередині циліндра вгору (до верхньої мертвої точки), щоб знову стиснути паливно-повітряну суміш для повторення циклу.

Область в межах ліній 1-2-3-4 показує нам, скільки роботи було зроблено двигуном в рамках одного лише тільки циклу. Більш висока ступінь стиснення двигуна означає, що дві вертикальні лінії на графіку вище будуть рухатися вліво і вгору, залишаючи більший діапазон ходу поршня, що впливає на отримання більшої потужності в порівнянні з двигуном, що має низький коефіцієнт стиснення. Тобто двигун з високим ступенем стиснення зробить більше роботи за один цикл, ніж мотор з невеликим ступенем стиснення.

І вся справа в тому, що в двигунах з високим ступенем стиснення в процесі згоряння палива утворюється більше тиску, яке з більшою силою рухає поршень вниз по циліндру. Правда, в цьому випадку всередині двигуна виділяється більше тепла.

Більш високий стиск в двигуні також означає більш високу теплову ефективність

Важливо відзначити, що освіта тепла і втрата тепла протягом циклу роботи двигуна безпосередньо пов'язані з його ефективністю (мова йде про коефіцієнт корисної дії - ККД). Причому на ККД головне вплив робить ступінь стиснення двигуна. Вся справа в двох ідеях. По-перше, будь-яка теплова енергія, що надходить в систему, повинна бути перетворена в механічну або відпрацьовану. По-друге, теплова ефективність - це просто результат роботи двигуна (потужність і сила), розділений на теплопередачу.

Таким чином, за допомогою рівняння можна обчислювати взаємозв'язок між тепловим ККД і ступенем стиснення.

Ось як виглядає рівняння цього взаємозв'язку (n - тепловий ККД, r - ступінь стиснення, а γ (гамма) - властивість рідини):

Тепер повернемося до нашої діаграмі вище. Коли ви забезпечуєте більший хід поршня між верхньою і нижньою мертвою точкою, ви збільшуєте ступінь стиснення. За рахунок цього ви зміщуєте на діаграмі PV вгору і вліво і збільшуєте температуру (Qh на графіку вище). Причому збільшення температури буде більше, ніж втрати тепла (Ql).

Іншими словами, ви здобуваєте в процесі згоряння паливної суміші більше енергії за один цикл роботи двигуна. До речі, ось один цікавий ролик відеоблогера Джейсона Фенске, який розповідає простішими словами про взаємозв'язок між ступенем стиснення, теплопередачей і ефективністю (економічністю двигуна):

Для тих, хто не знає англійську, включите субтитри і їх машинний переклад на російську мову.

Так що, як ви, напевно, вже зрозуміли, теплова ефективність двигуна зростає в міру збільшення ступеня стиснення двигуна. Такі закони фізики, а саме закони термодинаміки. Особливо це стає зрозуміло з рівняння, наведеного вище.

Відповідно, чим вище ступінь стиснення мотора, тим більше він видає кінських сил і менше споживає палива. Для нас це означає більш важкий гаманець за рахунок зекономлених грошей на заправці і більше адреналіну при розгоні.

Щоб це зрозуміти, вам потрібно взяти на прокат якийсь старий американський неефективний автомобіль з бензиновим V8 атмосферним двигуном, який має низький ступінь стиснення. Поїздивши на такому автомобілі кілька днів, ви зрозумієте, що автомобіль «жере», як слон, але натомість не видає гарну потужність, яку сьогодні показують сучасні чотирициліндрові і навіть трьохциліндровий мотори.

Наприклад, знаменитий двигун Skyactiv-G від Mazda є дуже ефективним в плані не тільки потужності, але і хорошою економічності. Багато в чому це завдяки великій мірі стиснення. Також ряд і інших виробників стали випускати сучасні мотори з високим коефіцієнтом стиснення. Так, сьогодні компанії Mazda, Nissan / Infiniti і Toyota та інші почали випускати двигуни з дуже високим ступенем стиснення - 14: 1.

Ви не повірите, але двигуни з таким ступенем стиснення ще недавно здавалися фантастикою. До речі, завдяки такій ступені стиснення автовиробникам немає необхідності оснащувати двигуни турбінами, для того щоб домогтися відповідності сучасним стандартам економічності, екологічним нормам, а також вимогам до потужності.

Чому більш високий ступінь стиснення означає, що автомобіль повинен заправлятися паливом з високим октановим числом

Але чому більшість автовиробників сьогодні не перейшло на випуск двигунів з високим ступенем стиснення, якщо такі силові агрегати дозволяють без турбокомпресорів домагатися таких видатних результатів ефективності силових агрегатів? Вся справа в законах фізики.

Багато двигуни з високим коефіцієнтом стиснення потребують преміальному паливі або в високооктановому бензині.

Тим, хто не знає або не пам'ятає, що таке октан бензину і як він допомагає уникнути детонації в двигуні, радимо почитати наші наступні матеріали:

Який бензин краще?

Чому преміум бензин є марною тратою грошей для більшості автомобілів

Скільки енергії в різних видах палива

паливо з низьким октановим числом в порівнянні з паливом з високим октаном , Швидше за все, буде мимовільно запалюватися через більш високих температур і тиску повітря в двигунах з високим ступенем стиснення. Ми знаємо, що займання паливно-повітряної суміші повинно відбуватися, коли це дійсно потрібно, а не навпаки. Таке неконтрольоване займання палива називається детонацією. Це дуже шкідливо для будь-яких двигунів внутрішнього згоряння. Справа в тому, що зайва детонація зменшує крутний момент і може завдати непоправної шкоди двигуну автомобіля.

Високий ступінь стиснення збільшує ризик сильною детонації двигуна . Ось чому мотори з великим коефіцієнтом стиснення, як правило, працюють на високоякісному або високооктановому бензині.

Головна причина ризику самозаймання паливно-повітряної суміші в двигунах з високим ступенем стиснення - це перевищення допустимого тиску, яке призводить до різкого нагріву паливної суміші. У підсумку це викликає передчасне спалювання палива ще до того, як свічка запалювання за допомогою іскри запалить його. Повторюємо, передчасне займання палива - це дуже погано для будь-якого двигуна.

Для того щоб знизити ризик передчасного займання палива, компанія Mazda багато працювала над поршневими і випускними конструкціями бензинових двигунів з високим ступенем стиснення (співвідношення ступеня стиснення в циліндрах двигуна 14: 1). Наприклад, мотор Skyactiv-X оснастили спеціальними поршнями , Що мають порожнину посередині, яка дозволила запобігати сплеск багатого киснем палива навколо області займання паливної суміші від свічки запалювання.

Саме проблема самозаймання палива в двигунах з високим ступенем стиснення і перешкоджає сьогодні масовому поширенню даного типу моторів у всій автопромисловості. Детальніше про двигуні Mazda можна почитати тут

Чи існують обмеження щодо збільшення ступеня стиснення в двигунах

Цікаво, чому автовиробники не намагаються зробити ступінь стиснення своїх двигунів ще більше? Чому сьогодні коефіцієнт стиснення 14: 1 вже вважається багато? Невже не можна зробити двигун з ще більшим коефіцієнтом стиснення? Адже в такому випадку автомобілі отримали б ще більше потужності і одночасно стали б ще економічніше.

Наприклад, чому б не зробити двигун зі ступенем стиснення 60: 1? Але насправді це неможливо в сьогоднішньому світі.

Таку степень стисненого НЕ вітрімає жоден метал Всередині двигуна. Та справа даже не в металі. Навіть якби у нас був такий міцний дешевий метал, здатний витримати ступінь стиснення 60: 1, все одно б ми не змогли побудувати подібний робочий мотор. Просто такий ступінь стиснення привела б до надмірно високій температурі всередині двигуна. В результаті мотор став би настільки гарячим, що це викликало б його самознищення (двигун вибухнув би від високих температур).

Також, в принципі, нас не повинна так сильно турбувати високий ступінь стиснення в сучасних автомобілях, якщо мова йде, звичайно, не про спортивні потужних автомобілях, де кожна зайва кінська сила на вагу золота. Сьогодні в рамках масового ринку нас більше хвилює не потужність, а економічність звичайних повсякденних автомобілів. Особливо за часів чималу вартість палива, де питання економії палива безпосередньо впливає на наші гаманці. Також сьогодні гостріше стоїть питання екології. А ми знаємо, що чим менш економічний автомобіль, тим менше він забруднює навколишнє середовище вихлопними газами. Так що, в принципі, збільшення ступеня стиснення в сучасних двигунах необхідно в першу чергу для поліпшення екологічної обстановки на всій планеті. Але для того щоб цього домогтися, немає сенсу істотно збільшувати в сучасних моторах ступінь стиснення.

Ось ми і підійшли до кінця теми про ступінь стиснення двигунів внутрішнього згоряння. Сподіваємося, що тепер ви не просто знаєте, що таке ступінь стиснення силових агрегатів, а й розумієте, яку важливу роль вона відіграє в сучасних двигунах.