Степень сжатия

Отношение объема камеры сгорания от ее наибольшего объема к ее наименьшему объему

Статическая степень сжатия определяется с использованием объема цилиндра, когда поршень находится в верхней и нижней точке своего хода.

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

Фундаментальная спецификация для таких двигателей, ее можно измерить двумя разными способами. Более простой способ — статическая степень сжатия : отношение объема цилиндра, когда поршень находится в нижней точке своего хода, к этому объему, когда поршень находится в верхней точке своего хода . ^[1] Динамическая степень 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 воздушно-топливной смеси из-за более высокой тепловой эффективности . Это происходит потому, что двигатели внутреннего сгорания являются тепловыми двигателями , и более высокая степень сжатия позволяет 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 составляла от 8:1 до 12:1. Несколько серийных двигателей использовали более высокую степень сжатия, в том числе:

• Автомобили, выпущенные с 1955 по 1972 год и рассчитанные на высокооктановый этилированный бензин , что позволяло достигать степени сжатия до 13:1.
• Некоторые двигатели Mazda SkyActiv , выпущенные с 2012 года, имеют степень сжатия до 16:1. ^{[2] [3] [4]} Двигатель SkyActiv достигает этой степени сжатия при использовании обычного неэтилированного бензина (95 RON в Великобритании) за счет улучшенной продувки выхлопных газов (что обеспечивает максимально низкую температуру цилиндра перед тактом впуска) в дополнение к непосредственному впрыску.
• 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 у двигателей с естественным впрыском . Это происходит из-за того, что турбокомпрессор или нагнетатель уже сжали воздух до того, как он попал в цилиндры. Двигатели, использующие впрыск топлива во впускные каналы, обычно работают с более низким давлением наддува и/или степенью сжатия, чем двигатели с прямым впрыском , поскольку впрыск топлива во впускные каналы приводит к одновременному нагреванию воздушно-топливной смеси, что приводит к детонации. И наоборот, двигатели с прямым впрыском могут работать с более высоким наддувом, поскольку нагретый воздух не будет детонировать без топлива.

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

Дизельные двигатели

Дизельные двигатели используют более высокие степени сжатия, чем бензиновые, поскольку отсутствие свечи зажигания означает, что степень сжатия должна увеличить температуру воздуха в цилиндре в достаточной степени, чтобы воспламенить дизельное топливо с помощью воспламенения от сжатия . Степень сжатия часто составляет от 14:1 до 23:1 для дизельных двигателей с прямым впрыском и от 18:1 до 23:1 для дизельных двигателей с непрямым впрыском .

При нижнем значении 14:1 выбросы NOx снижаются за счет более сложного холодного запуска. ^[6] Skyactiv-D от Mazda , первый коммерческий двигатель такого типа с 2013 года, использовал адаптивные топливные форсунки среди других технологий для облегчения холодного запуска. ^[7]

Другие виды топлива

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. Версия бензиново-парафинового двигателя трактора Ferguson TE20 имела степень сжатия 4,5:1 для работы на тракторном испаряющемся масле с октановым числом от 55 до 70. ^[8]

Двигатели для автоспорта

Двигатели для автоспорта часто работают на высокооктановом бензине и, следовательно, могут использовать более высокие степени сжатия. Например, двигатели для гоночных мотоциклов могут использовать степени сжатия до 14,7:1, и часто можно встретить мотоциклы со степенью сжатия выше 12,0:1, рассчитанные на 95-е или более высокооктановое топливо.

Этанол и метанол могут выдерживать значительно более высокие степени сжатия, чем бензин. Гоночные двигатели, работающие на метаноле и этаноле, часто имеют степень сжатия от 14:1 до 16:1.

Математическая формула

В поршневом двигателе статическая степень сжатия ( ) представляет собой отношение объема цилиндра и камеры сгорания, когда поршень находится в нижней точке своего хода , к объему камеры сгорания, когда поршень находится в верхней точке своего хода . ^[9] Поэтому она рассчитывается по формуле ^[10] ${\displaystyle \mathrm {CR} }$ $${\displaystyle \mathrm {CR} ={\frac {V_{d}+V_{c}}{V_{c}}}}$$

где

• ${\displaystyle V_{d}}$объем вытеснения. Это объем внутри цилиндра, вытесняемый поршнем от начала такта сжатия до конца такта.
• ${\displaystyle V_{c}}$объем зазора. Это объем пространства в цилиндре, остающийся 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 переменной степенью сжатия был представлен в 2019 году.

Изменяемая степень сжатия — это технология регулировки степени сжатия двигателя внутреннего сгорания во время его работы. Это делается для повышения топливной экономичности при изменяющихся 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, в то время как более низкие нагрузки требуют более высоких передаточных чисел для увеличения эффективности, т. е. для снижения расхода топлива. Для автомобильного использования это необходимо сделать, поскольку двигатель работает в ответ на нагрузку и требования вождения.

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

Динамическая степень сжатия

Статическая степень сжатия, обсуждаемая выше — рассчитанная исключительно на основе объемов цилиндра и камеры сгорания — не учитывает никаких газов, входящих или выходящих 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 тому, что часть газов будет вытолкнута обратно через впускной клапан. С другой стороны, настройка впускного отверстия и продувка могут привести к тому, что в цилиндре останется больше газа, чем предполагает статический объем. Динамическая степень сжатия учитывает эти факторы.

Динамическая степень сжатия выше при более консервативной синхронизации впускного распредвала (т.е. вскоре после НМТ) и ниже при более радикальной синхронизации впускного распредвала (т.е. позже после НМТ). ^[12] Независимо от этого, динамическая степень сжатия всегда ниже статической степени сжатия.

Абсолютное давление в цилиндре используется для расчета динамической степени сжатия по следующей формуле: где — политропное значение для отношения удельных теплоемкостей газообразных продуктов сгорания при текущих температурах (это компенсирует повышение температуры, вызванное сжатием, а также потери тепла в цилиндре). $${\displaystyle P_{\text{cylinder}}=P_{\text{atmospheric}}\times {\text{CR}}^{\gamma }}$$ ${\displaystyle \gamma }$

В идеальных (адиабатических) условиях отношение удельных теплоемкостей будет 1,4, но используется меньшее значение, обычно между 1,2 и 1,3, поскольку количество потерянного тепла будет варьироваться в зависимости от конструкции, размера и используемых материалов двигателей. Например, если статическая степень сжатия составляет 10:1, а динамическая степень сжатия составляет 7,5:1, полезное значение для давления в цилиндре будет 7,5 ^1,3 × атмосферное давление или 13,7  бар (относительно атмосферного давления).

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

Смотрите также

• Среднее эффективное давление

Ссылки

1. Энциклопедия Британника, Степень сжатия
2. "2012 Mazda 3 получает опцию двигателя SkyActiv с расходом 40 миль на галлон; дизель ожидается в 2014 году". Autoweek . 2011-04-22. Архивировано из оригинала 2012-02-29 . Получено 2012-05-29 .
3. [1] Архивировано 12 марта 2012 г. на Wayback Machine.
4. Вандерверп, Дэйв (август 2010 г.). «Новости о двигателях Mazda: подробности о бензиновых и дизельных двигателях Mazda Sky». Car and Driver . Получено 29.05.2012 .
5. "High Compression!". Popular Science . 154. Bonnier Corporation: 166–172. Январь 1949. ISSN  0161-7370 . Получено 14 июля 2019 .
6. Пако, П.; Перрен, Х.; Лаже, О. (2009). «Холодный запуск дизельного двигателя: совместима ли низкая степень сжатия с требованиями холодного запуска?». SAE International Journal of Engines . 1 (1): 831–849. ISSN  1946-3936. JSTOR  26308324.
7. "Difference Engine: Born again". The Economist . 2013-07-08. ISSN  0013-0613 . Получено 2019-05-02 .
8. "Tractor Vaporising Oil". 2005-04-18. Архивировано из оригинала 12 октября 2007 года . Получено 2014-08-10 .{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
9. Encyclopaedia Britannica, Коэффициент сжатия , получено 21 июля 2009 г.
10. "Расчетные коэффициенты сжатия". SQ Engineering . Архивировано из оригинала 7 сентября 2009 г.
11. "Variable Compression Engine". fs.isy.liu.se . Архивировано из оригинала 11 марта 2005 г.
12. "Cam Timing vs. Compression Analysis". victorylibrary.com . Получено 14 июля 2019 г. .