Исследования о компрессии

ОТЧЕТ ОБ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗАМЕРА КОМПРЕССИИ В ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

По роду работы мне ежедневно приходится сталкиваться с замерами компрессии на дизельных двигателях. Практические основы и нюансы этого процесса я знал и до этого. Но мне захотелось поглубже окунуться в теорию данного вопроса, а поскольку политех я окончил 20 лет назад, многое забылось. Недолго думая, в поисковых системах "Апорт" и "Рэмблер" набрал "степень сжатия компрессия". Но то, что было получено, крайне разочаровало. Примерно 40% отвечающих и задающих вопросы не видят особой разницы между этими параметрами, даже в техническим данных двигателей указываются одни и теже величины компрессии и степени сжатия. Около 40% хорошо понимают различие этих величин, однако не совсем осознают разницу в их численном соотношении. Из порядка двухсот сайтов только в одном я нашел теоретическое обоснование численных различий в соотношении этих двух параметров на основе законов термодинамики. Однако, в приведенном примере рассматривался бензиновый двигатель. За все время поиска не было найдено ни одного варианта рассмотрения этих соотношений для дизелей. Я признаю, что это не совсем объективный способ поиска информации, но с другой стороны это показывает уровень понимания данного вопроса подавляющим большинством автомобилистов. Ожесточенные споры в автомобильных конференциях в Интернете на эту-же тему, еще больше убедили в необходимости написания данной статьи.

Заранее прошу прощения за некоторую затянутость, однако мне не хотелось бы по десять раз в дальнейшем возвращаться к данной теме, отвечая на ваши вопросы. Поэтому, постараюсь наиболее подробно осветить ее. Специалистам, имеющим опыт измерения компрессии, ближайшие несколько глав можно просто пролистнуть.

II НЕМНОГО ТЕОРИИ

Под процессом измерения компрессии понимается диагностирование состояния цилиндро-поршневой группы, головки блока, прокладки и распределительного механизма при помощи специального прибора — компрессометра ( компрессиметра ) или компрессографа. Разница между ними состоит только в том, что показания компрессометра отражаются на манометре, а компрессограф в состоянии записывать эти данные и сохранять их на бумаге или другом носителе информации.

Операция довольно простая и казалась бы не требующая никаких особых знаний и опыта. Соответственно, относятся к ней как к процедуре рутинной, считая результаты ее окончательным диагнозом для заключения приговора о жизни или смерти двигателя. Однако опыт показывает, что не все так просто, как это видится с первого взгляда. Более того, кроме общих закономерностей, свойственных как бензиновым, так и дизельным двигателям, при измерении компрессии дизелей появляются нюансы, которые на бензиновых двигателях практически не видны. Соответственно, их не принимают в расчет, считая, что их влияние практически не играет роли. В дальнейшем, с такими же взглядами мы начинаем подходить и к измерению компрессии на дизелях, но в данном случае это уже не проходит, так как здесь эти же факторы начинают играть более важную роль.

Поэтому, чтобы не совершить подобных ошибок, нам придется начать наше исследование с самых основ.

Все отлично знают, что степень сжатия — это соотношение геометрических величин, то есть просто цифра, которая выражает отношение камеры сгорания между поршнем и головкой при его положении в нижней мертвой точке к камере сгорания при положении поршня в верхней мертвой точке. (рис. 1)

Это величина стабильная для каждого конкретного двигателя, она не изменяется в процессе эксплуатации, за исключением случая, если вы поставите прокладку головки блока другой толщины.

Для подавляющего большинства дизельных двигателей японского производства этот параметр составляет 19-23, если же рассматривать дизеля в целом, то он редко уходит за границы 16-25.

Для рядового владельца дизеля, да и автослесаря тоже, этот параметр не представляет особого интереса. Разве что кто-то обратит внимание, что эта величина значительно больше показателей бензинового двигателя.

Гораздо важнее такой показатель, как компрессия. В отличии от степени сжатия, этот показатель уже не геометрическая, а физическая величина. Ее размерность кг/см2, pci, бар и она характеризует давление, создаваемое в цилиндрах двигателя при вращении его стартером и отключенной системе питания.
Именно эта величина характеризует собой один из комплексных показателей технического состояния и работоспособности двигателя.
Величина компрессии всегда больше степени сжатия. Почему это происходит мы рассмотрим ниже.

III ЧУТЬ-ЧУТЬ ТЕРМОДИНАМИКИ

Не хочу вас переутомлять, но немного теории вам придется проглотить. Постараюсь представить все как можно доступнее.

Если бы процесс сжатия воздуха в цилиндре при такте сжатия продолжался бесконечно длительное время, а утечек воздуха из цилиндра не было бы, тогда величина степени сжатия равнялась бы компрессии. Говоря проще, в этом случае при сжатии воздуха в два раза мы получили бы компрессию две атмосферы. Сжав воздух в 20 раз — получили бы компрессию 20 атмосфер.

Однако, ситуация совершенно другая. При сжатии воздуха выделяется дополнительная энергия, которая нагревает сжимаемый воздух, который в свою очередь расширяется и соответственно давит на стенки цилиндров с большей силой. Если бы процесс сжатия продолжался достаточно длительное время, то энергия, выделяющаяся в газе, успела бы поглотиться стенками цилиндров, блока и головки. Температура воздуха практически бы не изменилась и, соответственно, компрессия равнялась бы степени сжатия.

Как вы знаете, времени на процесс сжатия отводится крайне мало. За это время энергия, или назовем просто тепло, не успевает поглотиться стенками. Оно просто идет на расширение газа или, другими словами, на дополнительное увеличение давления того же воздуха.

Таким образом, при реальном сжатии газа предположим в 10 раз, давление там будет значительно выше.

Попытаемся разобраться, на сколько же компрессия больше степени сжатия. (рис. 2)

Для большинства, прочитавших вышенаписанное, это что-то туманное и непереваримое. Попытаемся перевести эту галиматью на родной нам русский.
Дословно это звучит примерно так: в процессе сжатия газа, изменение его давления обратно пропорционально изменению его объема в степени 1,4. Уточним, что это применимо только для теоретического случая, когда нет утечек воздуха и практически не происходит теплоотдачи к окружающим стенкам.
Попробуем подсчитать, чему же тогда будет равна компрессия при разных значениях степени сжатия. Подставляя различные значения, мы можем получить график зависимости компрессии от степения сжатия. (рис.3)

Не нужно сильно удивляться полученным данным, так как это всего лишь теоретически возможные значения компрессии. В реальном же двигателе значения компрессии значительно ниже указанных, в следствии просачивания части газа между кольцами, поршнями и цилиндрами, а также клапанами и седлами клапанов.
Вторым фактором снижения компрессии являются тепловые потери через поршня, гильзы и головку блока. Причем на новом двигателе эта составляющая превалирует в численном значении над потерями из-за утечек газа.

IV АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА КОМПРЕССИЮ

Постараемся проанализировать от чего могут зависеть каждый из этих факторов уменьшения давления в цилиндрах и какие возможны пути снижения этих потерь.

1. Количество утечек воздуха, а соответственно и снижение компрессии, зависит от состояния цилиндро-поршневой группы и клапанов (качества их уплотнения) и времени этих утечек( в данном случае — скорости вращения коленчатого вала). Чем хуже состояние ЦПГ и клапанов и ниже скорость вращения двигателя, тем меньше будут показания компрессии.

2. Количество теплопотерь в двигателе на такте сжатия зависят от площади стенок, с которыми соприкасается воздух, коэффициента теплопередачи этих стенок, а также времени контактирования воздуха с этими стенками. Соответственно, чем меньше времени будет контактировать воздух со стенками (выше скорость коленчатого вала), меньше будет удельная камера сгорания (отношение объема сжимаемого воздуха к площади контактируемых стенок) и меньше коэффициент теплопередачи маетриалов, тем меньше энергии потеряет сжимаемый воздух. Уменьшение потерь энергии приведет к увеличению давления газа — то есть компрессии.

К сожалению, многие знают только про первый фактор, влияющий на компрессию (состояние цилиндро-поршневой группы и клапанов), забывая порой даже о скорости вращения коленчатого вала.

Перейдем к рассмотрению каждого элемента, влияющего на величину компрессии:

1.1. Состояние цилиндро-поршневой группы.

Это пожалуй один из самых важных факторов, влияющих на показатели компрессии. Чем выше качество обработки и сборки двигателя, тем меньше утечки через сопряжения. И если для новых двигателей разброс показателей герметичности как правило небольшой (всетаки при зоводской сборке контроль качества довольно жесткий), то в процессе эксплуатации показатели при одном и том же пробеге могут в несколько раз отличаться друг от друга.

Объясняется это многими факторами:

интенсивностью нагрузки ( Шумахер вы или спокойный отец семейства);
используемыми смазочным материалами ( что у вас в двигателе — синтетика или бурда);
условиями температурной напряженности ( запуск в -30С, постоянная эксплуатация в условиях перегрева, использование некачественных антифризов );
герметичностью впускного тракта ( подсос воздуха с механическими примесями);
качеством регулировочных работ;
а также множеством других факторов.
Эти причины, в своем большинстве, понятны и легко объяснимы.

Однако, есть один фактор, который знаком чаще всего специалистам, долгое время занимающимся ремонтом двигателей. Это размеры ЦПГ -цилиндро-поршневой группы.

В данном случае отслеживается явно выраженная закономерность увеличения максимального пробега двигателя с увеличением его объема, в частности диаметра цилиндров. То есть, чем больше двигатель, тем он долговечнее, в том числе и компрессия его падает значительно медленнее в процессе эксплуатации. Другими словами, несмотря на то, что при увеличении объема двигателя увеличивается количество газов, прорывающихся через сапун и клапана, однако, при пересчете на один литр объема, у больших двигателей этот показатель при равных пробегах, как правило, значительно меньше.

Это объясняется тем, что в небольших двигателях даже при незначительных износах поршневых колец, в них резко изменяются эпюры напряжений давления этих колец на гильзы. И если в новом двигателе их можно было скомпенсировать качественным изготовлением кольца, то по мере износа сделать это уже не возможно. Соответственно, кольца, а за ним и гильза интенсивно изнашиваются. Как правило, этот износ имеет выраженную форму эллипса. Конечно, эллипсность является не только следствием возникающих напряжений в кольцах, но и результатом увеличенной нагрузки поршней на гильзы именно в этом направлении. Однако, если рассматривать двигателями с большими диаметрами цилиндров, то вы заметите, что относительная величина эллипсности значительно меньше. А это влечет за собой меньший прорыв газов, да и дальнейшее падение компрессии не столь значительно, как в двигателях с меньшим диаметром цилиндров.

Практический вывод из этого — чем больше двигатель, тем он надежнее, а компрессия в нем падает значительно меньше при равных пробегах с маленькими двигателями. Это правило особенно актуально для дизелей, так как компрессия у них играет ведущую роль в процессе работы двигателя.

1.2. Скорость вращения коленчатого вала.

Как не покажется странным, но именно этот фактор является главной составляющей компрессии, так как она определяет не только утечки воздуха из цилиндров, но и степень отдачи энергии, образующейся при сжатии газа, окружающим стенкам.

Чем выше скорость вращения коленчатого вала, тем меньше утечки воздуха через неплотности, а, соответственно, выше давление сжимаемого воздуха — компрессии в цилиндрах.

В какой-то степени доказать, что скорость вращения играет более важную роль в создании компрессии в цилиндрах можно на двух примерах.
При снижении компрессии в дизельном форкамерном двигателе менее 18 атмосфер его практически невозможно завести стартером, при условии неприменения эфира или другой легковоспламеняющейся жидкости. Я не рассматриваю варианта заливки в цилиндры масла, так как это один из способов искусственного поднятия компрессии. Попытайтесь завести двигатель при компрессии 16 атмосфер!

(Не кидайте в меня раньше времени камни, утверждая, что спокойно заводили свой дизель при компрессии значительно меньшей 18. Я все объясню, когда дойду до главы, посвященной компрессиметрам).

Однако, если вы привяжете его на удавку к другому автомобилю и попытаетесь завести с толкача, то, возможно, вам удастся завести его и с компрессией 12. Вот только работать он будет лишь на повышенных оборотах, а при попытке убавления оборотов — заглохнет.

Все объясняется довольно просто.

Стартер вращает коленчатый вал с частотой 200-250 оборотов в минуту. Когда вы тащите автомобиль другой машиной, скорость вращения коленчатого вала по меньшей мере в несколько раз превышает эту частоту. Газы просто не успевают прорваться из камеры сжатия через неплотности, в результате, при таких оборотах давление газов в цилиндре значительно выше и двигатель способен завестись. То есть, даже при критическом износе цилиндро-поршневой группы, но при повышенных оборотах коленчатого вала давление газов в цилиндре можно значительно повысить вплоть до воспламенения топлива.

Пример другой.

Думаю, что большинство из вас не видели дизельного двигателя с так называемым " кривым стартером" — рукояткой для ручного запуска двигателя. Дело в том, что дизельный двигатель (я имею в виду автомобильный, а не вариант дизельэлектростанции мощностью 2-3 кВт) практически невозможно завести вручную. При хорошей компрессии дизеля требуется очень большой крутящий момент, чтобы провернуть с достаточной скоростью двигатель. При слабой компрессии вам также не хватит сил, чтобы вращать его с еще большей скоростью.

Я сознательно несколько преувеличил. В действительности есть такой автомобиль с "кривым стартером". Называется он "Робур", если не ошибаюсь, чешского производства. В конце 80-х — начале 90-х мне приходилось ремонтировать эти автомобили. Самым большим приколом для водителей в автобазе тогда была такая шутка. Новичку-шоферу, только что получившему "Робур", в случае если разрядился аккумулятор или был неисправен стартер, предлагали завести двигатель с ручки как все остальные автомобили, тем более, что она имелась в каждом таком автомобиле по штату. Новичок брался за работу, тут же собиралась толпа советующих. Одни объясняли как правильно держать рукоятку; другие, что крутить нужно резко; третьи, что нужно сначала покрутить плавно чтобы создать небольшое давление, а уж потом крутить что есть мочи. Через полчаса изнурительного кручения виновник торжества был весь в мыле, результата никакого, а все присутствующие потешались как могли. Вся изюминка заключалась в том, что рукоятка предназначалась не для заводки двигателя, а для проворачивания коленчатого вала при регулировке клапанов и ТНВД.

Все это повествование я привожу к тому, что когда вам порекомендуют замерить компрессию, вы не возмущались: "Да при чем здесь компрессия, когда у меня машина с удавки максимум через 15 метров заводится, а потом уже работает без проблем!" Потому и заводится, что при этом обороты как минимум в три раза больше. Почему он в дальнейшем работает без проблем и нормально заводится пока не постоит ночь на морозе, я объясню немного позднее.
Основной смысл процедуры замера компрессии в том и заключается, чтобы определить значение давления в конце такта сжатия при вращении его стартером. Еще раз повторяю — стартером с обычным аккумулятором, а не с пускозарядным устройством или другими вспомогательными средствами ускоряющими обороты вращения двигателя.

И вот здесь всплывает один очень важный нюанс, связанный со скоростью вращения коленчатого вала, на который я просто обязан обратить внимание.

Для чего же мы измеряем компрессию?

Однако, чтобы не разорвать логическую цепочку, мы вернемся к нему в следующей главе.

2.1.Площадь стенок, контактирующих с сжимаемым газом.

Этот фактор стабилен для каждого конкретного двигателя. Однако, если рассматривать общую закономерность, то чем меньше площадь контакта, тем меньше тепловые потери и выше создаваемое давление.

Именно этим фактором в основном и объясняется гораздо лучший запуск в холод двигателей с непосредственным впрыском топлива по сравнению с предкамерными двигателями. Наличие предкамеры значительно увеличивает площадь контакта, а, следовательно, снижает температуру газов — уменьшает давление.

Для компенсации этих потерь в предкамерные двигателя устанавливаются свечи накаливания. Если быть верным, то здесь логическая цепочка немного разорвана. Свечи нужны для компенсации тепловых потерь, а не для повышения давления в цилиндрах. Немного ниже я постараюсь вернуться к этому.

2.2. Коэффициент теплоотдачи материалов.

Этот показатель также практически стабилен для конкретного двигателя. Однако, если рассматривать конструкторские разработки в данном направлении, то наблюдаются интересные варианты попыток уменьшения коэффициента теплоотдачи за счет применения таких материалов, как сталь и керамика, при изготовлении поршней, и керамики — в гильзах. Сразу оговорюсь, что этим пытаются достичь не столько хороший запуск, сколько увеличить коэффициент полезного действия двигателя за счет уменьшения потерь тепловой и механической энергии.

V ДЛЯ ЧЕГО ИЗМЕРЯЮТ КОМПРЕССИЮ?

Каким бы странным не показался этот вопрос, но нам необходимо дать на него ответ.

Я заранее предугадываю ваш ответ: "А что здесь трепаться — компрессия позволяет определить состояние износа двигателя". Ответ правильный, но не полный. К сожалению, большинство рассматривают компрессию именно как параметр технического состояния цилиндро-поршневой группы и клапанов и только. Однако, компрессия является комплексного состояния всего двигателя, а также систем энергоснабжения и пуска.

В одной из интернетовских конференций по дизелям меня обсмеяли за данное высказывание, дополнительно приписав:"А при чем здесь провода от аккумулятора к стартеру?"

Постараюсь доказать правоту своей точки зрения, а заодно затронем и провода.

Так для чего же нужен замер компрессии?

1 Вариант. Чаще всего замер компрессии используется, как я уже говорил, для определения технического состояния цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) и клапанов. Однако, для этих целей данный параметр малоинформативен, так как на его показания влияют очень много факторов, не связанных с ЦПГ и клапанами:

скорость вращения коленчатого вала;
сопротивление движению воздуха во впускной системе;
сопротивление на выпуске;
соотношение фаз газораспределения;
наличие факторов, влияющих на изменение утечек воздуха в ЦПГ.
Причем, это укрупненные комплексные факторы, которые сами, в свою очередь, состоят из целого ряда мелких факторов, влияющих на величину измеренной компрессии.

Нам необходимо рассмотреть составляющие этих факторов, чтобы осознать их влияние, и, по возможности, определить пути по компенсации их влияния на результаты окончательных выводов о состоянии ЦПГ и клапанов.

1. Скорость вращения коленчатого вала.

Мы уже рассматривали ее влияние на величину компрессии, поэтому здесь не должно возникать вопросов. Нам достаточно рассмотреть факторы, влияющие на ее величину:

аккумулятор и его техническое состояние. Надеюсь, что вы признаете, что выбор емкости и стартерного тока аккумулятора, а также его техническое состояние будут значительно влиять на скорость вращения коленчатого вала двигателя, и особенно дизеля при -30С.
провода с аккумулятора на стартер и массу и качество их контакта. При кажущейся глупости данного пункта, их влияние в некоторых случаях существенно. Плохой контакт массового провода к блоку двигателя, а в некоторых случаях и его отсутствие ( так как при снятии-постановке двигателя забыли поставить провод, соединяющий кузов автомобиля и двигатель ), приводит к значительному падению напряжения в силовой цепи стартера, что в свою очередь уменьшает его обороты.
стартер и его техническое состояние. Пробой обмоток стартера, зависание щеток, неисправность обгонной муфты (бендекса) и другие неисправности могут вызывать снижение оборотов коленчатого вала.
неправильная сборка двигателя — малый тепловой зазор колец, неправильно подобранные вкладыши и так далее.
заливка несоответствующего масла в двигатель при низких температурах также может значительно снизить обороты при запуске.
2. Сопротивление воздушному потоку на впуске.

Увеличенное сопротивление на впуске влечет за собой снижение наполняемости цилиндров воздухом, и как следствие, — уменьшение максимально создаваемого давления.

Основными причинами повышения сопротивления являются:

засоренность или неправильная установка воздушного фильтра;
присутствие и неправильная работа заслонки во впускном коллекторе;
повышенное нагарообразование во впускном патрубке и каналах;
присутствие посторонних предметов.
3. Сопротивление на выпуске.

Этот фактор в меньшей мере влияет на уровень компрессии в цилиндрах, чем остальные. В основном он сказывается на заводку и работу двигателя и особенно при повышении оборотов.

Основными причинами могут быть заклинившие турбина, суперчаржер или забитая выхлопная труба.

4. Соотношение фаз газораспределения.

Этот фактор может выпить много крови не только у водителей, но и у подготовленных специалистов, так как в некоторых случаях диагностировать его очень проблематично.

Как правило, любое изменение (имеется в виду двигатель, в котором не производилось конструктивных изменений) этого параметра в процессе эксплуатации влечет ухудшение наполняемости цилиндров и, соответственно, — уменьшение компрессии.

Основными причинами изменения данного фактора являются:

неправильная установка ремня или цепи газораспределения ( хотя на дизельных двигателях изменение этого параметра возможно в крайне ограниченных пределах, так как это обычно влечет за собой загнутые клапана, поломанные коромысла и распредвалы );
неправильная регулировка клапанов;
износ распредвала;
неисправность гидрокомпенсаторов.
5. Факторы, влияющие на изменение утечек воздуха.

Под этим обычно понимается:

увеличение компрессии вследствии уплотнения сопряжений маслом, попадающим в цилиндры вследствии неисправности турбины, засасывания картерных газов с остатками масла или негерметичности маслосъемных колпачков и втулок клапанов;
уменьшение герметичности — вследствии закоксовывания поршневых колец, прогара поршней, клапанов, прокладки и головки блока.
Анализируя перечень факторов, влияющих на показания компрессии, однозначно приходишь к выводу, что невозможно просто по численному значению компрессии вынести заключение о состоянии цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) и клапанов. Необходимо ввести определенные ограничения или требования к методике проведения замера компрессии, чтобы ограничить количество факторов, дополнительно влияющих на результаты измерений.

Главное требование, предъявляемое к процедуре замера компрессии — частота вращения коленчатого вала должна составлять 200-250 об/мин. Но часто ли вы видели, чтобы при замере компрессии замеряли обороты двигателя? В основном все на глазок: крутит — не крутит.
Вторым условием является отсутствие сопротивления во впускном трубопроводе, то есть не должно быть закрытых заслонок и забитых воздушных фильтров, которые могут существенно снизить показания компрессии.

Третьим условием должно быть проведение измерений в условиях, приближенных к реальным. Все свечи и форсунки не выкручиваются — лишь по одной. Это объясняется тем, что если выкрутить свечи из всех цилиндров — значительно возрастет скорость вращения коленчатого вала, что в итоге приведет к завышенным показателям. Нельзя использовать пускозарядные устройства. Кроме того, для выноса окончательного диагноза необходимо проверять компрессию на холодном двигателе, так как на горячем возможны ошибки. Ошибки возникают вследствии того, что на сильно изношенном двигателе сразу после его остановки возможно уплотнение ЦПГ маслом, попадающим через трубку отсоса картерных газов во впускной трубопровод, а также при неисправности уплотнений турбины и сопряжения клапана-направляющие-маслосъемные колпачки. Данную перепроверку можно не проводить при условии, если расход масла в двигателе не превышает 100-200 грамм на 1000 километров.

Четвертое условие — чтобы снизить вероятность ошибки при диагностировании состояния ЦПГ и клапанов по результатам замера компрессии перепроверяют зазоры в клапанах и состояние кулачков распредвала.

Соблюдение всех этих условий в значительной степени снижает вероятность неправильных выводов о состоянии ЦПГ и клапанов по результатам замера компрессии. Однако, нужно помнить, что существуют факторы, значительно снижающие показания компрессии, которые невозможно выявить обычным компрессиметром и которые не связаны с состояние ЦПГ и клапанов. Они будут приведены ниже при анализе эффективности различных методов диагностирования состояния двигателя, где замер компрессии компрессиметром будет ра