Степень сжатия двигателя внутреннего сгорания¶

Степень сжатия — это геометрический параметр двигателя внутреннего сгорания, равный отношению объёма цилиндра при положении поршня в нижней мёртвой точке (НМТ) к объёму камеры сгорания при положении поршня в верхней мёртвой точке (ВМТ). Именно этот параметр определяет, с какой интенсивностью сжимается рабочая смесь перед воспламенением, и во многом задаёт мощностные и экономические характеристики мотора. Степень сжатия закладывается конструктором при проектировании и не регулируется в ходе эксплуатации, однако её фактическое значение может снижаться по мере износа цилиндропоршневой группы.

¶Физический смысл параметра

При такте сжатия поршень поднимается от НМТ к ВМТ, уменьшая объём над поршнем. Если объём камеры сгорания составляет, например, 50 см³, а полный объём цилиндра (рабочий ход поршня плюс объём камеры) — 500 см³, то степень сжатия равна 10:1. Чем выше степень сжатия, тем сильнее сжимается топливовоздушная смесь перед воспламенением, тем выше её конечное давление и тем больше работы совершает газ при расширении. В результате растёт термодинамический КПД цикла.

Важно различать степень сжатия и степень повышения давления (степень нагнетания). Первая — геометрическая величина, вторая — измеряемая, зависящая от тепловых потерь, кривизны характеристики сжатия, фаз газораспределения и других факторов.

¶Типичные значения для разных типов двигателей

Степень сжатия подбирается под вид топлива и тип смесеобразования:

Для бензиновых двигателей главным ограничением выступает детонация — самопроизвольное воспламенение смеси, сопровождающееся резким ростом давления и опасным для конструкции ударом. Именно поэтому для бензина с октановым числом 92–95 обычно закладывают степень сжатия не выше 11–12:1. Для дизельных двигателей ограничение иное — слишком высокая степень сжатия приводит к чрезмерным нагрузкам на детали и росту токсичности.

¶Что происходит при отклонении от расчётного значения

При износе цилиндропоршневой группы зазор между поршнем и стенкой цилиндра увеличивается, утечки газов растут, и фактическая степень сжатия падает. Проявляется это в затруднённом пуске, потере мощности, росте расхода топлива, неустойчивой работе на холостом ходу. Снижение компрессии ниже 10–11 бар для бензинового мотора и ниже 18–20 бар для дизельного обычно рассматривается как признак необходимости ремонта.

Повысить степень сжатия в уже собранном двигателе можно несколькими способами: установкой более тонкой прокладки головки блока цилиндров, фрезеровкой плоскости головки, шлифовкой камеры сгорания, применением поршней с выпуклым днищем. Однако каждый из этих методов приближает рабочий процесс к детонационному режиму, поэтому требует согласованного подбора топлива с более высоким октановым числом и корректировки угла опережения зажигания.

¶Влияние на мощность и расход топлива

Рост степени сжатия на единицу даёт прирост термодинамического КПД примерно на 3–5 %. Практически это означает, что двигатель с большей степенью сжатия при тех же оборотах и объёме выдаёт больше мощности и расходует меньше топлива. Именно поэтому производители постоянно увеличивают этот параметр: если в 1980-е годы нормой для бензинового мотора считались 8,5–9:1, то в 2020-е годы двигатели с непосредственным впрыском достигают 13–14:1.

Реализовать высокую степень сжатия в бензиновом двигателе помогают современные технологии: систематическое изменение фаз газораспределения, регулируемый ход впускных клапанов (система Valvetic, Valvelift и аналоги), многоступенчатое впрыскивание топлива, датчики детонации с замкнутым контуром управления зажиганием. Отдельного внимания заслуживает цикл Аткинсона (Миллера), при котором эффективная степень сжатия оказывается ниже геометрической за счёт позднего закрытия впускного клапана — это позволяет применять высокую геометрическую степень сжатия без детонации.

¶Измерение компрессии

Фактическое состояние цилиндров проверяют компрессометром — прибором, фиксирующим максимальное давление, создаваемое поршнем при прокрутке стартером. Замер выполняется на прогретом двигателе с отключённым зажиганием и полностью открытыми дроссельной заслонкой. Допустимое расхождение между цилиндрами — не более 10–15 % от максимального значения. Для более точной диагностики применяют метод сжатым воздухом с одновременным контролем утечек (утечкомер).

¶Историческая справка

Первые двигатели Отто имели степень сжатия около 3:1. Постепенный рост этого параметра шёл параллельно совершенствованию топлив: введение тетраэтилсвинца в 1920-е годы, разработка каталитических крекинг-процессов, переход на синтетические присадки после запрета свинцовых антидетонационных добавок позволили поднять степень сжатия бензиновых моторов почти втрое.

¶Источники

• Хутский И. Ф. «Конструкция и расчёт автомобильных двигателей»
• Вахламов В. К. «Конструкция и расчёт автомобильных двигателей»
• Кулешов В. Н. «Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессов»
• Руководства по эксплуатации автомобильных двигателей ведущих производителей