Коэффициент сжатия

Отношение объема камеры сгорания от наибольшего объема к наименьшему.

Статическая степень сжатия определяется по объему цилиндра, когда поршень находится в верхней и нижней части своего хода.

Степень сжатия – это соотношение объема цилиндра и камеры сгорания в двигателе внутреннего сгорания при их максимальном и минимальном значениях.

Фундаментальная характеристика таких двигателей: она измеряется двумя способами: статическая степень сжатия , рассчитываемая на основе относительных объемов камеры сгорания и цилиндра, когда поршень находится в нижней части своего хода , и объема камеры сгорания, когда поршень находится в верхней точке своего хода . ^[1]

Степень динамического сжатия — это более сложный расчет, который также учитывает газы, входящие и выходящие из цилиндра во время фазы сжатия.

Эффект и типичные соотношения

Высокая степень сжатия желательна, поскольку она позволяет двигателю извлекать больше механической энергии из заданной массы топливовоздушной смеси благодаря более высокому термическому КПД . Это происходит потому, что двигатели внутреннего сгорания являются тепловыми двигателями , а более высокие степени сжатия позволяют достичь той же температуры сгорания с меньшим количеством топлива, обеспечивая при этом более длительный цикл расширения, создавая большую выходную механическую мощность и снижая температуру выхлопных газов.

Бензиновые двигатели

В бензиновых двигателях, используемых в легковых автомобилях в течение последних 20 лет, степень сжатия обычно находится в диапазоне от 8:1 до 12:1. В нескольких серийных двигателях использовались более высокие степени сжатия, в том числе:

• Автомобили 1955–1972 годов выпуска, рассчитанные на высокооктановый этилированный бензин , допускавший степень сжатия до 13:1.
• Некоторые двигатели Mazda SkyActiv , выпущенные с 2012 года, имеют степень сжатия до 16:1. ^{[2] [3] [4]} Двигатель SkyActiv достигает такой степени сжатия при использовании обычного неэтилированного бензина (с октановым числом 95 в Великобритании) за счет улучшенной очистки выхлопных газов (что обеспечивает максимально низкую температуру в цилиндре перед тактом впуска), помимо прямого впрыска.
• Двигатель Toyota Dynamic Force имеет степень сжатия до 14:1.
• Ferrari 458 Speciale 2014 года также имеет степень сжатия 14:1.

При использовании принудительной индукции (например, турбокомпрессора или нагнетателя ) степень сжатия часто ниже, чем в двигателях без наддува . Это происходит из-за того, что турбокомпрессор/нагнетатель уже сжал воздух до того, как он попадет в цилиндры. Двигатели, использующие впрыск топлива в порт, обычно имеют более низкое давление наддува и / или степень сжатия, чем двигатели с прямым впрыском , поскольку впрыск топлива в порт вызывает совместный нагрев воздушно-топливной смеси, что приводит к детонации. И наоборот, двигатели с непосредственным впрыском могут работать с более высоким наддувом, поскольку нагретый воздух не будет детонировать без присутствия топлива.

Более высокие степени сжатия могут привести к детонации бензиновых (бензиновых) двигателей (также известной как «детонация», «раннее зажигание» или «звон»), если используется топливо с более низким октановым числом. ^[5] Это может снизить эффективность или повредить двигатель, если датчики детонации отсутствуют для изменения угла опережения зажигания.

Дизельные двигатели

В дизельных двигателях используется более высокая степень сжатия, чем в бензиновых двигателях, поскольку отсутствие свечи зажигания означает, что степень сжатия должна повысить температуру воздуха в цилиндре настолько, чтобы воспламенить дизельное топливо с помощью воспламенения от сжатия . Степень сжатия часто составляет от 14:1 до 23:1 для дизельных двигателей с непосредственным впрыском и от 18:1 до 23:1 для дизельных двигателей с непрямым впрыском .

При нижнем пределе соотношения 14:1 выбросы NOx снижаются за счет более сложного холодного запуска. ^[6] В Mazda Skyactiv-D , первом подобном коммерческом двигателе 2013 года, помимо других технологий для облегчения холодного запуска использовались адаптивные топливные форсунки. ^[7]

Другое топливо

Степень сжатия может быть выше в двигателях, работающих исключительно на сжиженном нефтяном газе (СНГ или «пропан-автогаз») или сжатом природном газе из-за более высокого октанового числа этих видов топлива.

Керосиновые двигатели обычно используют степень сжатия 6,5 или ниже. Бензо -парафиновый двигатель трактора Ferguson TE20 имел степень сжатия 4,5:1 для работы на испаряющем тракторном масле с октановым числом от 55 до 70. ^[8]

Двигатели для автоспорта

Двигатели автоспорта часто работают на высокооктановом бензине и поэтому могут использовать более высокие степени сжатия. Например, в двигателях для гонок на мотоциклах степень сжатия может достигать 14,7:1, а мотоциклы со степенью сжатия выше 12,0:1 обычно предназначены для топлива с октановым числом 95 или выше.

Этанол и метанол могут иметь значительно более высокие степени сжатия, чем бензин. Гоночные двигатели, сжигающие метанол и этанол, часто имеют степень сжатия от 14:1 до 16:1.

Математическая формула

В поршневом двигателе степень статического сжатия ( ) представляет собой соотношение между объемом цилиндра и камеры сгорания, когда поршень находится в нижней части своего хода , и объемом камеры сгорания, когда поршень находится в верхней части своего хода. гладить . ^[9] Поэтому он рассчитывается по формуле ^[10] ${\displaystyle CR}$

${\displaystyle {CR}={\frac {V_{d}+V_{c}}{V_{c}}}}$

Где:

${\displaystyle V_{d}}$= объем смещения. Это объем внутри цилиндра, перемещаемый поршнем от начала такта сжатия до конца такта.

${\displaystyle V_{c}}$= объем клиренса. Это объем пространства в цилиндре, оставшийся в конце такта сжатия.

${\displaystyle V_{d}}$можно оценить по формуле объема цилиндра

${\displaystyle V_{d}={\tfrac {\pi }{4}}b^{2}s}$

Где:

${\displaystyle b}$= диаметр цилиндра (диаметр)

${\displaystyle s}$= длина хода поршня

Из-за сложной формы его обычно измеряют напрямую. Часто это делается путем заполнения цилиндра жидкостью и последующего измерения объема использованной жидкости. ${\displaystyle V_{c}}$

Двигатели с переменной степенью сжатия

Большинство двигателей используют фиксированную степень сжатия, однако двигатель с переменной степенью сжатия может регулировать степень сжатия во время работы двигателя. Первый серийный двигатель с изменяемой степенью сжатия был представлен в 2019 году.

Переменная степень сжатия — это технология регулирования степени сжатия двигателя внутреннего сгорания во время работы двигателя. Это сделано для повышения эффективности использования топлива при различных нагрузках. Двигатели с переменной степенью сжатия позволяют изменять объем над поршнем в верхней мертвой точке. ^[11]

Более высокие нагрузки требуют более низких передаточных чисел для увеличения мощности, тогда как более низкие нагрузки требуют более высоких передаточных чисел для повышения эффективности, то есть для снижения расхода топлива. При использовании в автомобилях это необходимо делать, когда двигатель работает в зависимости от нагрузки и требований вождения.

Infiniti QX50 2019 года — первый коммерчески доступный автомобиль, в котором используется двигатель с переменной степенью сжатия.

Динамическая степень сжатия

Обсуждаемая выше статическая степень сжатия , рассчитанная исключительно на основе объемов цилиндра и камеры сгорания, не учитывает какие-либо газы, входящие или выходящие из цилиндра во время фазы сжатия. В большинстве автомобильных двигателей закрытие впускного клапана (герметизирующего цилиндр) происходит во время фазы сжатия (т. е. после нижней мертвой точки , НМТ), что может привести к выталкиванию некоторых газов обратно через впускной клапан. С другой стороны, настройка впускного отверстия и продувка могут привести к тому, что в цилиндре окажется большее количество газа, чем можно предположить по статическому объему. Коэффициент динамического сжатия учитывает эти факторы.

Степень динамического сжатия выше при более консервативном моменте впускного распредвала (т.е. вскоре после НМТ) и ниже при более радикальном моменте впускного распредвала (т.е. позже после НМТ). ^[12] Несмотря на это, степень динамического сжатия всегда ниже, чем степень статического сжатия.

Абсолютное давление в цилиндре используется для расчета степени динамического сжатия по следующей формуле:

${\displaystyle P_{\text{cylinder}}=P_{\text{atmospheric}}\times {\text{CR}}^{\gamma }}$

где - значение политропы отношения теплоемкостей продуктов сгорания при имеющихся температурах (это компенсирует повышение температуры, вызванное сжатием, а также потери тепла в цилиндре) ${\displaystyle \gamma }$

В идеальных (адиабатических) условиях коэффициент теплоемкости будет равен 1,4, но используется более низкое значение, обычно от 1,2 до 1,3, поскольку количество потерь тепла будет варьироваться в зависимости от двигателя в зависимости от конструкции, размера и используемых материалов. Например, если степень статического сжатия составляет 10:1, а степень динамического сжатия — 7,5:1, полезное значение давления в цилиндре будет 7,5 ^1,3 × атмосферное давление, или 13,7  бар (относительно атмосферного давления).

Две поправки на степень динамического сжатия влияют на давление в цилиндре в противоположных направлениях, но не с одинаковой силой. Двигатель с высокой статической степенью сжатия и поздним закрытием впускного клапана будет иметь степень динамического сжатия, аналогичную двигателю с более низкой степенью сжатия, но более ранним закрытием впускного клапана.

Смотрите также

• Среднее эффективное давление

Рекомендации

1. Британская энциклопедия, Степень сжатия , получено 21 июля 2009 г.
2. «Mazda 3 2012 года получит вариант двигателя SkyActiv на 40 миль на галлон; дизель ожидается в 2014 году» . Автонеделя . 22 апреля 2011 г. Архивировано из оригинала 29 февраля 2012 г. Проверено 29 мая 2012 г.
3. [1] Архивировано 12 марта 2012 г., в Wayback Machine.
4. ВАНДЕВЕРП, ДЭЙВ (август 2010 г.). «Новости двигателей Mazda: подробности о бензине и дизельном топливе Mazda Sky» . Автомобиль и водитель . Проверено 29 мая 2012 г.
5. «Высокая степень сжатия!». Популярная наука . Компания Бонньер. 154 : 166–172. Январь 1949 г. ISSN  0161-7370 . Проверено 14 июля 2019 г.
6. Пако, П.; Перрин, Х.; Лаже, О. (2009). «Холодный запуск дизельного двигателя: совместима ли низкая степень сжатия с требованиями холодного запуска?». Международный журнал двигателей SAE . 1 (1): 831–849. ISSN  1946-3936. JSTOR  26308324.
7. «Разностная машина: Рождение заново». Экономист . 08.07.2013. ISSN  0013-0613 . Проверено 2 мая 2019 г.
8. "Тракторное испаряющееся масло" . 18 апреля 2005 г. Архивировано из оригинала 12 октября 2007 года . Проверено 10 августа 2014 г.
9. Британская энциклопедия, Степень сжатия , получено 21 июля 2009 г.
10. «Расчетная степень сжатия». www.s-86.com . Архивировано из оригинала 7 сентября 2009 года.
11. «Двигатель с переменной степенью сжатия» . www.fs.isy.liu.se.​ Архивировано из оригинала 11 марта 2005 года.
12. «Время кулачка против анализа сжатия» . www.victorylibrary.com . Проверено 14 июля 2019 г.