Как рассчитать степень сжатия двигателя
Расчет Динамической степени сжатия (DCR)
Введение
Как всегда, для рассмотрения какого-либо вопроса, вспомним уже известную нам информацию по теме степени сжатия. Преобладающее количество людей, конечно, скажут, что степень сжатия – это безразмерная величина, отображающая отношение объема цилиндра к объему камеры сгорания. Также известно, что для современного атмосферного бензинового двигателя она равняется примерно 9-11, для турбированных моторов 7-8. Но каков ее физический смысл? Какое влияние она оказывает на процессы, происходящие в двигателе, рассмотрим этот вопрос более детально.
Теоретическое пояснение
Итак, рассмотрим, что же такое с физической точки зрения Степень сжатия, в классическом ее понимании. Как мы уже знаем, это отношение объема цилиндра к объему камеры сгорания, т.е. другими словами, мы понимаем под этим, что объем воздуха поступившее в цилиндр на такте впуска равняется объему цилиндра… Но так ли это на самом деле?
Нам известно, например, что для двигателей с 2-мя клапанами на цилиндр Эффективное наполнение (volumetric efficiency) составляет для гражданских двигателей 75-80%, для 16-ти клапанных этот показатель немного выше – 80-85%. Таким образом, получается, что в двигатель, в лучшем случае, попадет воздуха около 85% от объема цилиндра. А также, забегая немного вперед, надо отметить, что произойдет это в режиме максимального наполнения. Как мы видим, реальная степень сжатия уже будет отличаться.
Также, мы должны понимать, что степень сжатия будет равняться расчетной, если уменьшение объема (сжатие) ТВС будет происходить в замкнутом пространстве от Объема V1 к V2. Грубо говоря, сжатие начнется при положении поршня в НМТ и закончится тогда, когда поршень достигнет ВМТ. Но опять же по факту, в реальном двигателе этого не происходит, потому что впускной клапан закрывается с определенным запаздыванием после НМТ, и по сути само сжатие ТВС начинается с запаздыванием относительно НМТ.
Что же мы видим? Получается, что объем воздуха в реальном двигателе, участвующий в сжатии и физический объем, намного меньше, соответственно и степень сжатия, рассчитанная нами ранее, является не корректной, или скажем так, мало информативной. Ведь помимо физического объем цилиндра, разные конструкции двигателей имеют абсолютно разные и другие геометрические параметры, начиная от диаметра цилиндра, хода поршня и заканчивая различными распределительными вала, а также различными системами изменения фаз газораспределения.
Таким образом, является целесообразным ввести некую величину, которая позволит нам учитывать все параметры, влияющие на реальную степень сжатия – назовем эту величину Динамическая степень сжатия (DCR).
Понятие DCR
Динамическая степень сжатия (DCR) – величина, которая позволяет нам учитывать различные аспекты конструкции ДВС влияющие в процессе работы на конечное давление в конце такта сжатия, именно конечное давление и будет являться бенефициаром нашего расчета. Также, нам необходимо систематизировать полученные данные по соответствию значения DCR — конкретному октановому числу топлива.
Итак, какие параметры оказывают влияние на конечно давление в цилиндре? Основными параметрами будут являться диаметр поршня, ход поршня, длина шатуна и угол закрытия ВК после НМТ, также необходимо будет учитывать и физические размеры камеры сгорания, прокладки ГБЦ и объема выемки (или вытеснителя) в поршне.
Обзор конструкций
Для лучшего осмысления, физического смысла DCR, рассмотри конструкции некоторых моделей двигателей, на примере, посмотрим, какие значения DCR они имеют, а также чем это обусловлено. Для простоты, сравним всем известные двигатели семейства ВАЗ и проследим их эволюцию в разрезе введенного нами параметра.
Итак, первый двигатель, который мы рассмотрим — это ВАЗ 2106, основные параметры, такие как диаметр цилиндра, ход поршня и остальные можно легко найти в интернете, я уже произвел все необходимые расчеты, и для простоты, буду указывать уже сокращенные данные. Этот двигатель имеет геометрическую степень сжатия – 8,5 и угол закрытия ВК равным 55°, на основе всех данных, значение DCR для этого двигателя будет равно 7,5. Сравним со значением из таблицы, получаем, что для данного типа двигателя допустимо применение 92 бензина, причем с небольшим запасом. В принципе, для того времени, когда разрабатывался этот двигатель октановое число топливо применялось со значение 91, а системы управления двигателем не позволяли достаточно точно производить настройку, поэтому некий запас конечно был необходим.
Теперь рассмотри другой двигатель из этого семейства – ВАЗ 21213. Этот двигатель имеет больший объем по отношению к двигателю 2106, а также он устанавливался на автомобиль, которому предъявлялись повышенные требования к проходимости, соответственно двигатель должен был бесперебойно работать при продолжительных нагрузках, при этом не иметь детонации. Так как объем цилиндра увеличился, а конструкция ГБЦ осталась практически без изменения – это неминуемо привело к тому, что этот двигатель имеет геометрическую степень сжатия равную 9,3. Получается, что значение степени сжатия увеличилось почти на единицу по отношению к предыдущему двигателю, но применяемое топливо осталось на прежнем уровне, и нагрузки на низких оборотах не уменьшились, а даже возросли, так в чем же дело? По логике вещей нужно было бы использовать топливо с большим октановым числом и иметь более точные настройки системы зажигания и топливоподачи. Конечно, еще одним вариантом могло бы быть изменение конструкции ГБЦ (увеличение камеры сгорания), но это не рентабельно, в масштабах массового производства, практически идентичного мотора изготавливать отдельные узлы. Поэтому, конструкторы пошли другим путем, а именно, они изменили параметры распределительного вала, и даже только той части, которая касается впускного кулачка – они сделали угол закрытие ВК равным 73° в отличии от 55° на 2106, что на 18° позже. Таким образом, значение DCR составило 7,45 – что является нормальным для применения 92 бензина.
На примере этих моторов, мы наглядно убедились в том, что значение геометрической степени сжатия по факту ни дает нам практически, ни какой информации, о тех процессах, которые реально происходят в двигателе.
Также интересно проследить развитие двигателей семейства переднеприводных машин ВАЗ. Например, в силу опять же не достаточно современных систем управления, двигатель 21083, имея, казалось бы для того времени довольно высокую геометрическую степень сжатия – 9,8 имеет DCR равным 7,4 — что также вписывается в концепцию применения 92 бензина. В дальнейшем на двигателе 2110 стала устанавливаться электронная система управления двигателем, что привело к ряду изменений и в конструкцию самого двигателя – стал применяться распредвал с более ранним закрытием ВК 51,5° против 80° нежели на предыдущей модели, что в свою очередь при геометрической степени сжатия равной также 9,8 позволило поднять DCR до значения 8,8 – что также позволяло использовать 92 бензин, но при этом процессы горения происходили более качественно. И, в конце концов, на автомобиле Лада-Гранта установлен двигатель 21116 с геометрической степенью сжатия – 10,5, а значение DCR составляет 9,4, что стало возможно благодаря применению электронной дроссельной заслонки и применению бензина с октановым числом не ниже 95.
Степень сжатия и компрессия в ДВС
Так как я уйму народа замучил вопросом о своей компрессии, нагло копирую и выкладываю информацию о сжатии (поможет мне модернизировать ДВС под газ) и компрессии (спать спокойно)
Суть такая: формула не 1,2-1,3 х ст.сжатия, а ст.сжатия возводится в степень 1,2!
Ну это 1,2 — для ДВС с отличным состоянием и высокого уровня исполнения или плотного конструктивного исполнения. Например для ВАЗа этот к-т от 1,12 идёт (но вспоминаем, что в некторые машины можно лить синтетику 5W20, а в некторые не меньше 5w40 и то полусинтетику) + влияет горячий был ДВС или нет)
А вот доказательство человека у которого (да простит меня он) дублировал эту запись и спасибо ему за вывод формулы!))) Lifehack
Для начала рассмотрим Степень Сжатия, и о том как и почему изменение толищны прокладки на пол миллиметра, может влиять на Степень Сжатия.
Многие вообще не понимают, что такое степень сжатия, и как ее рассчитать (да, да — помоему редята из мазды и форда не понимают, говоря мне про компрессию в районе 8=)).
Степень сжатия — это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.
Полный объем цилиндра — это сумма рабочего объема и объема камеры сгорания
Объем камеры сгорания — надпоршневое пространство при нахождении поршня в ВМТ. Объем ограниченный поршнем и головкой блока.
Объем камеры сгорания трудно вычислить, обычно ее измеряют.
Тогда Степень сжатия можно записать следующим образом
Таким образом, мы вычислили заводской объем камеры сгорания нашего мотора.
при увеличении толщины прокладки на 0.5 мм, мы просто добавляем к объему камеры сгорания, объем цилиндра с высотой 0.5, ну или математическим языком?
Таким образом «плюс полмиллиметра» уменьшили степень сжатия на 0.6 единиц.
Компрессия. В заводском исполнение вышеописанный двигатель обладает достаточно высокой степенью сжатия CR = 11.5
Очень часто встречаюсь с напуганными людьми, выходящими из сервиса с шарообразными глазами… С диагнозом механика
«Ваш 2ZZ скорее мертв, чем жив»
«Компрессия у него 17 атмосфер… Нормальная должна быть 12…»
И выглядишь ты перед этим механиком с 20 летним стажем, как неуч… И никакие потрясания мануалом с записью
«Давление конца такта сжатия НЕ НИЖЕ 14» вам не помогут. Так как гуру здесь только один… у него за плечами опыт.
Компрессия в двигателе — это процесс сжатия газа, поршнем при его движении из НМТ в ВМТ (такт сжатия), сопровождающийся при этом движении повышением давления и температуры газа.
С давлением все понятно — это как раз и будет искомая нами величина компрессии или давление конца такта сжатия
Но если компрессия измеряется на заглушенном двигателе, причем здесь изменение температуры?
Все дело в том, что при измерении компрессии, происходит сжатие не топливной смеси, а обычного воздуха… И двигатель, вращаемый стартером, превращается в простой поршневой насос, в котором протекает процесс с газом неизменной массы… Сжатие в таком процессе, называется адиабатическим и описывается уравнением Пуассона.
Конечно это уравнение термодинамического процесса для идеального газа, в изолированной системе, с множеством упрощений, но для показательного описания, я могу спокойно допустить эти упрощения.
И так… В конце такта сжатия, процесс можно описать, следующим уравнением
P — давление
V — объем сжатого газа, то есть над поршневое пространство, при занятии поршнем Верхней Мертвой Точки
y — показатель адиабаты
Так же рассмотрим начало такта сжатия
Чтобы делать формулы а затем из них картинки, занимает время, поэтому я опустил несколько шагов, в частности
V = Vр + Vc = Это объем занимаемый газом в начале такта сжатия, логично предположить, что это надпоршневое пространство, при занятии поршнем НМТ. И состоит, оно из рабочего объема цилиндра, и объема камеры сгорания.
Предположив, что адиабатический процесс происходит в изолированной системе, следующее равенство, должно быть справедливым
Выполнив простые математические действия, приведем равенство к такому виду
Пытливый ум должен был уже увидеть знакомую формулу из рассмотрения Степени Сжатия
Дальнейшие преобразования уже не нужны
P0 — давление воздуха в начале такта сжатия, равно атмосферному
показатель адиабаты, для двухатомного газа, а воздух, которым дышим мы и мотор — является смесью 2ухатомных газов, равен
Но система ДВС не является полностью изолированной, в процессе сжатия происходит теплообмен со стенками цилиндров, утечки и т.д.
показатель адиабаты принято считать 1.2
Нетрудно вычислить, что для мотора 2ZZ-GE, со степенью сжатия 11.5, НОРМАЛЬНАЯ компрессия в лучшем случае, может быть 18.7 атмосфер.
Но моторы у нас не новые… соответственно и потери больше.
P.S. ещё раз спасибо огромное Lifehack, за эту ценнейшую для меня запись! Напомню, расчёты не мои!
А теперь что касаемо моего ДВС Duratec 2.0 почти он же MZR LF.
Pсж=10.8, следовательно 10,8^1,2=17.382 как раз то, что пишет в своих руководствах более адеватная Мазда в сравнении с Фордом!
Всем спасибо за внимание, за копирование не пинать!)))) Запись должна быть у меня на виду!
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
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:
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.
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