Степень сжатия

В любом отрегулированном двигателе одним из параметров, который без всякого сомнения следует изменить и обычно в сторону повышения, является степень сжатия. Поскольку повышение степени сжатия увеличивает отдаваемую эффективную мощность двигателя, поэтому желательно иметь степень сжатия как можно более высокой в определенных пределах. Верхний предел всегда определяется в зависимости от точки, в которой возникает детонация.

Поскольку детонация может очень быстро разрушить двигатель, поэтому будет лучше, если мы будем точно знать, какая степень сжатия есть или будет, чтобы можно было выдерживать разумное соотношение.

Степень сжатия определяется c помощью следующей формулы (V + C)/C = CR, где V это рабочий объем цилиндра, а С это объем камеры сгорания.

Определить рабочий объем или емкость одного цилиндра можно просто. Для этого вам нужно просто разделить рабочий объем (литраж) двигателя на число цилиндров, например, если литраж четырехцилиндрового двигателя 1100 куб. см, то емкость или рабочий объем одного цилиндра будет равняться 1100/4 = 275 куб. см. Найти значение объема камеры сгорания несколько сложнее. Для определения объема мы должны физически его измерить и для этого нам нужно иметь пипетку или бюретку, градуированные в куб. см.

Объем камеры сгорания это полный объем, который остается над поршнем, когда он находится в ВМТ. Он включает в себя объем полости в головке плюс объем, равный толщине прокладки, плюс объем между верхней частью поршня и верхней частью блока цилиндров в ВМТ и плюс объем выемки в днище поршня при использовании поршней с вогнутыми днищами или минус объем выпуклости на днище поршня при использовании поршней с выпуклыми днищами.

После того как это будет сделано, вы можете добавить объем, равный толщине прокладки. Если прокладка имеет круглое отверстие, то этот объем проще всего можно определить с помощью следующей формулы:

Vcc = [(p D2 ´ L)/4] ÷ 1,000, где

V = объем,

p = 3,142,

D = диам. отверстия в прокладке в мм,

L = толщина прокладки в зажатом состоянии в мм.

Если отверстие в прокладке некруглое, как это имеет место во многих случаях, то мы можем измерить нужный объем, воспользовавшись бюреткой. Для этого обжатую прокладку приклейте к листу стекла с помощью герметика, предназначенного для прокладок головок цилиндров, затем поместите стекло на горизонтальную поверхность и заполните отверстие в прокладке жидкостью с помощью бюретки.

Старайтесь это делать так, чтобы жидкость не выливалась из отверстия или покрывала полностью всю поверхность прокладки, поскольку в этом случае замеры будут неправильными. Заливать жидкость следует до тех пор, пока ее уровень не дойдет до края прокладки.

Если все отверстия круглые, то можно легко рассчитать объем между верхней поверхностью поршня и верхней частью блока. Это можно сделать с помощью указанной выше формулы, но при этом D будет равняться диам. отверстия цилиндра в мм, а L расстоянию от верхнего днища поршня до верхней части блока опять в мм.

На каких-то стадиях бывает необходимо определить, сколько нужно снять металла с торцевой поверхности головки цилиндров, чтобы получить требуемую степень сжатия. Для этого сначала нужно рассчитать требующийся полный объем камеры сгорания. Из полученного значения вы вычитаете объем, равный толщине прокладки, объем в блоке над поршнем, когда он находится в ВМТ и, если используется поршень с вогнутым днищем, объем выемки. Оставшееся значение теперь представляет собой объем, который должна иметь полость в головке для получения нужной нам степени сжатия. Чтобы было более понятно, рассмотрим следующий пример.

Предположим, что нам нужно иметь степень сжатия 10/1, а литраж двигателя равен 1000 см3 и он имеет четыре цилиндра.
СR = (V = C)/C, где
V- рабочий объем одного цилиндра, а С- полный объем камеры сгорания.

Поскольку мы знаем, что V (рабочий объем цилиндра) = 1000 см3 /4 = 250 см3 и знаем требуемую степень сжатия, поэтому преобразуем уравнение, чтобы получить полный объем камеры сгорания С. В результате вы получите следующее уравнение:

С = V/(CR-1).

Подставим в него указанные значения

С = 250/(10 – 1) = 27,7 см3.

Таким образом полный объем камеры сгорания равен 27,7 см3. Из этого значения вы вычитаете все составляющие объема камеры сгорания, которые не находятся в головке. Предположим, что поршень имеет вогнутое днище, объем полости в днище равен 6 см3 и что оставшийся объем над поршнем, когда он находится в ВМТ, до торцевой поверхности головки равен 1,5 см3. Кроме того объем, равный толщине прокладки, равен 3,5 см3. Сумма всех этих объемов, которые не входят в объем полости в головке равна 11 см3.

Для получения нужной нам степени сжатия 10/1 мы должны иметь объем полости в головке (27,7 – 11) = 16,7 см3. Чтобы определить, сколько металла нужно снять с торцевой поверхности головки, поместите ее на горизонтальную поверхность, или точнее поместите головку таким образом, чтобы торцевая ее поверхность была горизонтальной. После того как вы это сделаете, заполните камеру количеством жидкости, равным требующемуся окончательному объему. В этом примере этот объем равен 16,7 см3. Затем измерьте расстояние от торцевой поверхности головки до поверхности жидкости и оно будет определять то количество металла, которое нужно будет удалить. Имеется одна небольшая проблема при измерении расстояния от торца головки до уровня жидкости.

Как только наконечник глубиномера приближается к поверхности жидкости, она за счет капиллярного действия поднимается к наконечнику. Это капиллярное действия имеет место при использовании парафина в качестве жидкой среды для измерения объема, когда наконечник глубиномера находится на расстоянии от 0,008 до 0,012 дюйма от поверхности жидкости и поэтому нужно делать допуск на это явление.

Из-за небольших неточностей, имеющих место при шлифовании и фасонной обработке камеры сгорания, рекомендуем проверять объем каждой камеры точно также, как и других. Если все объемы не будут одинаковыми, то следует удалить металл с головок камер, имеющих меньший объем, чтобы их объемы стали такими же, как у камеры большим объемом. Главной причиной необходимости балансировки камер является то, что она обеспечивает более плавную работу двигателя, особенно на малых оборотах, и позволяет несколько уменьшить вибрации, возникающие за счет одинаковых пусковых импульсов.

Вторая причина заключается в том, что если мы используем максимально возможную степень сжатия и при проверке находим камеру с самым большим объемом, чтобы определить количество удаляемого металла, то степени сжатия у других камер могут быть выше этого предельного значения. В результате возникнет детонация, которая может быстро привести к разрушению двигателя.

При удалении металла из камер лучше всего снимать металл в верхней части камер или со стенок около свечи.

Точность балансировки камер составляет порядка 0,2 см3. Попытки получить меньшие значения не могут быть реализованы на практике, поскольку при таких крайних значениях возможности измерений с помощью используемых измерительных инструментов ограничены из-за их погрешностей. Помимо этого ошибка, равная 0,2 см3, даже для двигателей малого литража, составляет малый процент полного объема камеры в головке.

*****************************************************************
Изменение степени сжатия

После того как мы определились со степенью сжатия перед нами стоит вопрос как правильно добиться нужной нам степени сжатия. Для начала нужно рассчитать на сколько необходимо увеличить камеру сгорания. Это не сложно. Формула для вычисления степени сжатия имеет следующий вид:
Ɛ=(VP+VB)/VB
Где Ɛ— степень сжатия
VP — рабочий объём
VB — объём камеры сгорания

Преобразовав уравнение можно получить формулу для вычисления камеры сгорания при известной степени сжатия.
VB=VP1/Ɛ
Где VP1 — объём одного цилиндра

По этой формуле вычисляем объём имеющейся камеры сгорания и вычитаем из него объём желаемой (вычисленный по той же формуле), полученная разница и есть интересующее на значение на которое и нужно увеличить камеру сгорания.

Существуют разнообразнве способы увеличения камеры сгорания но далеко не все из них верные. Камера сгорания современного автомобиля спроектирована таким образом, что при достижении поршнем ВМТ топливо воздушная смесь вытесняется к центру камеры сгорания. Это пожалуй самая действенная разработка препятствующая детонации.

Самостоятельная доработка камеры в ГБЦ под силу далеко не многим. Это обусловлено тем, что вопервых вы можите нарушить спроектированную форму камеры, так же при доработке могут «вскрыться» стенки т.к. не известна их толщина. Так же не рекомендуется «расжимать мотор» толстыми прокладками т.к. Это нарушит процессы вытеснения в камере сгорания. Наиболее простым и правельным способом считается установка новых поршней в которых задан необходимый объём камеры. Для турбо-двигателя сферическая форма считается наиболее эффективной. Лучше использовать для этих целей специально разработанные и изготовленные поршни. Возможен вариант самостоятельной доработки стоковых поршней. Но сдесь нужно учесть что толщина дна поршня не должна быть меньше 6% от диаметра.
Степень сжатия в турбо двигателе

Одной из самых важных и пожалуй самой сложной задачей при проектировании турбодвигателя является принятие решения о степени сжатия. Этот параметр влияет на большое количество факторов в общей характеристике автомобиля. Мощность, экономичность, приёмистость, детонационная стойкость (параметр от которого сильно зависит эксплуатационная надёжность двигателя в целом), все эти факторы в значительной степени определяются степенью сжатия. Также это влияет на расход топлива и состав отработавших газов. В теории, степень сжатия для турбо-мотора рассчитать не составляет большого труда.

Сначала разберём понятие «Сжатие» или «Геометрическая степень сжатия». Оно представляет собой отношение полного объёма цилиндра (рабочий объём плюс пространство сжатия, остающееся над поршнем при положении в верхней мёртвой точки (ВМТ)), к чистому пространству сжатия. Формула имеет следующий вид: Ɛ=(VP+VB)/VB

Где Ɛ— степень сжатия
VP — рабочий объём
VB — объём камеры сгорания

Не нужно забывать о существенных расхождениях между геометрической и фактической степенью сжатия даже на атмосферных моторах. В турбодвигателях к этим же процессам добавляется и предварительно сжатая компрессором смесь. На сколько фактически от этого увеличиться степень сжатия, видно из следующей формулы:
Ɛeff=Egeom*k√(PL/PO)
Где Ɛeff — эффективное сжатие
Ɛgeom — геометрическая степень сжатия
Ɛ=(VP+VB)/VB, PL — Давление наддува (абсолютное значение),
PO — давление окружающей среды,
k — адиабатическая экспонента (числовое значение 1,4)

Эта упрощённая формула будет справедлива при условии, что температура в конце процесса сжатия для двигателей с наддувом и без наддува достигает одинакового значения. Иными словами, чем выше давление наддува, тем меньше возможное геометрическое сжатие. Итак, согласно нашей формуле для атмосферного двигателя со степенью сжатия 10:1 при давлении наддува 0.3 бара степень сжатия следует уменьшить до 8.3:1, при давлении 0.8 бара до 6.6:1. Но, слава богу, это теория. Все современные двигатели с турбонаддувом работают не с такими через мерно низкими значениями. Правильная степень сжатия для работы определяется сложными термодинамическими вычислениями и всесторонними испытаниями. Всё это из области высоких технологий и сложных расчётов, но много тюнинговых моторов собрано на основе некоторого опыта, как собственного, так и взятого за пример, от известных автомобильных производителей. Эти правила будут справедливы в большинстве случаев.

Есть несколько важных факторов влияющих на расчёт степени сжатия и их нужно принимать во внимание при проектировании. Я перечислю наиболее важные. Конечно, это желаемый наддув, октановое число топлива, форма камеры сгорания, эффективность промежуточного охладителя, и, безусловно те мероприятия которые вы в состоянии провести по снижению температурной напряжённости в камере сгорания. Углом опережения зажигания (УОЗ) так же можно частично компенсировать возросшие нагрузки. Но это темы для отдельной разговора, и мы безусловно затронем их позже в следующих статьях