Сжатие двигателя


Двигатель с изменяемой степенью сжатия: принцип работы и особенности

Как может показаться на первый взгляд, современный двигатель внутреннего сгорания достиг высшей ступени своей эволюции. На данный момент серийно выпускаются  различные бензиновые и дизельные моторы, появились гибридные установки, дополнительно реализована возможность перевести двигатель на газ.

В списке наиболее значимых наработок за последние годы можно выделить: внедрение систем высокоточного впрыска под управлением сложной электроники, получение большой мощности  без увеличения рабочего объема благодаря системам турбонаддува, увеличение количества клапанов на цилиндр, использование систем изменения фаз газораспределения и т.д.

Результатом стало заметное улучшение характеристик ДВС, а также снижение уровня токсичности отработавших газов. Однако это еще не все. Конструкторы и инженеры по всему миру продолжают не только активно работать над усовершенствованием уже имеющихся решений, но и пытаются создать абсолютно новую конструкцию.

Достаточно вспомнить попытки построить двигатель без коленвала и шатунов, избавиться от распредвала в устройстве ГРМ или динамично изменять степень сжатия двигателя. Сразу отметим, хотя одни проекты еще находятся в стадии разработки, другие уже стали реальностью. Например, двигатели с изменяемой степенью сжатия. Давайте рассмотрим особенности, преимущества и недостатки таких ДВС.

 Изменение степени сжатия: зачем это нужно

Многие опытные водители знакомы с такими понятиями, как степень сжатия двигателя и октановое число для бензиновых моторов, а также цетановое число для дизельных. Для менее осведомленных читателей напомним, что степень сжатия представляет собой отношение объема над поршнем, который опущен в НМТ (нижняя мертвая точка) к тому объему, когда поршень поднялся в ВМТ (верхняя мертвая точка).

Бензиновые агрегаты имеют, в среднем, показатель 8-14, дизели 18 -23. Степень сжатия является фиксированной величиной и конструктивно закладывается во время разработки того или иного двигателя. Также от степени сжатия будут зависеть и требования к использованию октанового числа бензина в том или ином моторе. Параллельно учитывается и то, атмосферный двигатель или с наддувом.

Если говорить о самой степени сжатия, фактически это показатель, который определяет, насколько сильно будет сжиматься топливно-воздушная смесь в цилиндрах двигателя. Если просто, хорошо сжатая смесь лучше воспламеняется и полноценнее сгорает. Получается, увеличение степени сжатия позволяет добиться роста КПД двигателя, получить улучшенную отдачу от мотора, снизить расход топлива и т.д.

Однако есть и нюансы. Прежде всего, это детонация двигателя. Опять же, если не вдаваться в подробности, в норме заряд топлива и воздуха в цилиндрах должен именно гореть, а не взрываться. Более того, воспламенение смеси должно начинаться и оканчиваться в строго заданные моменты.

При этом топливо имеет так называемую «детонационную стойкость», то есть способность противостоять детонации. Если же сильно увеличить степень сжатия, тогда горючее может начать детонировать в двигателе при определенных режимах работы ДВС.

Результат — неконтролируемый взрывной процесс сгорания в цилиндрах, быстрое разрушение деталей мотора ударной волной, значительный рост температуры в камере сгорания и т.д.  Как видно, сделать постоянной высокую степень сжатия нельзя именно по этим причинам. При этом единственным выходом в данной ситуации является возможность гибко изменять данный показатель применительно к разным режимам работы двигателя.

Такой «рабочий» мотор недавно предложили инженеры премиального бренда Infiniti (элитное подразделение Nissan). Также в аналогичные разработки были и остаются вовлечены другие автопроизводители (SAAB, Peugeot ,Volkswagen и т.д). Итак, давайте рассмотрим двигатель с изменяемой степенью сжатия.

Переменная степень сжатия двигателя: как это работает

Прежде всего,  доступная возможность изменять степень сжатия позволяет в значительной мере увеличить производительность турбомоторов с одновременным уменьшением расхода топлива. В двух словах, в зависимости от режима работы и нагрузок на ДВС топливный заряд сжимается и сгорает в самых оптимальных условиях.

Когда нагрузки на силовой агрегат минимальны, в цилиндры подается экономичная «бедная» смесь (много воздуха и мало топлива). Для такой смеси хорошо подходит высокая степень сжатия. Если же нагрузки на мотор растут (подается «богатая» смесь, в которой больше бензина), тогда закономерно возрастает риск возникновения детонации. Соответственно, чтобы этого не произошло, степень сжатия динамично уменьшается.

В двигателях, где степень сжатия постоянна, своеобразной защитой от детонации является изменение УОЗ (угол опережения зажигания). Данный угол сдвигается «назад». Естественно, такой сдвиг угла приводит к тому, что хотя детонации нет, но при этом теряется и мощность. Что касается мотора с изменяемой степенью сжатия, сдвигать УОЗ нет необходимости, то есть не происходит мощностных потерь.

Что касается самой реализации схемы, фактически задача сводится к тому, что происходит физическое уменьшение рабочего объема двигателя, однако сохраняются все характеристики (мощность, момент и т.д.)

Сразу отметим, над таким решением трудились разные компании. В результате появились разные способы управления степенью сжатия, например, изменяемый объем камеры сгорания, шатуны с возможностью подъема поршней и т.д.

  • Одной из самых ранних разработок стало внедрение дополнительного поршня в камеру сгорания. Указанный поршень имел возможность перемещаться, одновременно изменяя объем. Минусом всей конструкции стала необходимость устанавливать дополнительные детали в БЦ. Также сразу проявились изменения формы камеры сгорания, горючее сгорало неравномерно и неполноценно.

По указанным причинам данный проект так и не был завершен. Такая же участь постигла и разработку, которая имела поршни с возможностью изменения их высоты. Указанные поршни разрезного типа оказались тяжелыми, еще добавились трудности  касательно реализации управления высотой подъема крышки поршня и т.д.

  • Дальнейшие разработки уже не затрагивали поршни и камеру сгорания, максимум внимания был уделен вопросу подъема коленчатого вала. Другими словами, стояла задача реализовать управление высотой подъема коленвала.

Схема устройства такова, что опорные шейки вала расположены в специальных муфтах эксцентрикового типа. Указанные муфты приводятся в движение посредством шестерен, которые связаны с электрическим двигателем.

Проворот эксцентриков позволяет поднять или опустить коленчатый вал, что и приводит к изменению высоты подъема поршней по отношению к ГБЦ. В результате объем камеры сгорания увеличивается или уменьшается, одновременно меняется и степень сжатия.

Отметим, что было построено несколько прототипов на базе 1.8-литрового турбированного агрегата от Volkswagen, степень сжатия менялась от 8 до 16. Двигатель долго испытывали, но серийным агрегат так и не стал.

  • Еще одной попыткой найти решение стал двигатель, в котором степень сжатия менялась посредством подъема всего блока цилиндров. Разработка принадлежит бренду Saab, а сам агрегат чуть даже не попал в серию. Двигатель известен как SVC, объем 1.6 литра, агрегат с 5 цилиндрами, оснащен турбонаддувом.

Мощность составила около 220 л. с., крутящий момент чуть более 300 Нм. Примечательно то, что расход горючего в режиме средних нагрузок снизился почти на треть. Что касается самого топлива, появилась возможность заливать как АИ-76, так и 98-й.

Инженеры Saab разделили блок цилиндров, выделив две условные части. В верхней находились головки и гильзы цилиндров, тогда как в нижней части коленчатый вал. Своеобразным соединением этих частей блока с одной стороны был подвижный шарнир, а с другой  особый механизм, оснащенный электроприводом.

Так была реализована возможность немного поднять верхнюю часть под определенным углом. Такой угол подъема составил всего несколько градусов, при этом степень сжатия менялась от 8 до 14. При этом герметизировать «стык» должен был кожух из резины.

На практике сами детали для подъема верхней части блока, а также и сам защитный кожух оказались весьма слабыми элементами. Возможно, именно это помешало мотору попасть в серию и проект дальше закрыли.

  • Очередную разработку далее предложили инженеры из Франции. Турбомотор с рабочим объемом 1.5 литра получил возможность менять степень сжатия от 7 до 18 и выдавал мощность около 225 л.с. Моментная характеристика зафиксирована на отметке 420 Нм.

Конструктивно агрегат сложный, с разделенным шатуном. В той области, где шатун крепится к коленвалу, деталь оснастили особым зубчатым коромыслом. В месте соединения шатуна с поршнем также была внедрена планка-рейка зубчатого типа.

С другой стороной к коромыслу была прикреплена рейка поршня, который реализовывал управление. Система приводилась от системы смазки, рабочая жидкость проходила через сложную систему каналов, клапанов, а также имелся дополнительный электропривод.

Рекомендуем также прочитать статью о том, как форсировать двигатель. Из этой статьи вы узнаете о существующих доступных способах форсирования двигателя внутреннего сгорания для получения большей мощности, лучшего отклика на педаль газа, увеличения крутящего момента и т.д.

В двух словах, перемещение управляющего поршня оказывало воздействие на коромысло. В результате менялась и высота подъема основного поршня в цилиндре. Отметим, что двигатель также не стал серийным, а проект был заморожен.

  • Следующей попыткой создать двигатель с изменяемой степенью сжатия стало решение инженеров Infiniti, а именно двигатель VCT (от англ. Variable Compression Turbocharged). В этом моторе стало возможным менять степень сжатия от 8 до 14. Особенностью конструкции является уникальный траверсный механизм.

В основе лежит соединение шатуна с нижней шейкой, которое является подвижным. Также использована система рычагов, которые приводятся в действие от электродвигателя.

Управляет процессом контроллер, посылая сигналы на электродвигатель. Электромотор после получения команды от блока управления смещает тягу, а система рычагов реализует смену положения, что и позволяет менять высоту подъема поршня.

В результате агрегат Infiniti VCT с рабочим объемом 2.0 литра с мощностью около 265 л.с. позволил экономить почти 30%  горючего сравнительно с аналогичными ДВС, которые при этом имеют постоянную степень сжатия.

Если производителю удастся эффективно решить имеющиеся на данный момент проблемы (сложность конструкции, повышенные вибрации, надежность, высокая конечная стоимость производства агрегата и т.д.), тогда оптимистичные заявления представителей компании вполне могут воплотиться в реальность, а сам двигатель имеет все шансы стать серийным уже в 2018-2019 году.

Подведем итоги

С учетом приведенной выше информации становится понятно, что двигатели с переменной степенью сжатия способны обеспечить значительное снижение расхода топлива на бензиновых моторах с турбонаддувом.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое турбонаддув двигателя. Из этой статьи вы узнаете об особенностях конструкции турбины, принципах действия системы, а также о преимуществах и недостатках данного решения.

На фоне глобального топливного кризиса, а также постоянного ужесточения экологических норм эти моторы позволяют не только эффективно сжигать горючее, но и не ограничивать при этом мощность двигателя.

Другими словами, подобный ДВС вполне способен предложить все преимущества мощного бензинового высокооборотистого турбодвигателя. При этом по расходу топлива подобный агрегат может вплотную приблизиться к турбодизельным аналогам, которые сегодня популярны, в первую очередь, благодаря своей экономичности.

Похожие статьи

  • Турбонаддув: устройство и конструктивные особенности

    Неполадки и ремонт. Турбонаддув. Тюнинг двигателя. ... Турбонаддув: устройство турбокомпрессора. Постоянная гонка инженеров за увеличением мощности ДВС ... Для охлаждения после сжатия в турбокомпрессоре воздух попадает в интеркулер.
  • Можно ли поставить ГБО на турбированный двигатель

    Неполадки и ремонт. Турбонаддув. Тюнинг двигателя. ... Это стало возможным благодаря тому, что инженеры активно практикуют форсирование двигателя, увеличение степени сжатия и т.д ... Однако увеличение мощности, так или иначе...
  • Как форсировать двигатель

    Главные способы форсирования: тюнинг ГБЦ, коленвал, степень сжатия, впуск и выпуск. ... Доработка мотора посредством установки турбонаддува обеспечивает до 40% увеличения мощности.
  • Что такое степень сжатия

    Влияние степени сжатия на мощность и другие характеристики мотора. ... Эксплуатация и уход. Неполадки и ремонт. Турбонаддув. Тюнинг двигателя. Энциклопедия.
  • Как увеличить мощность двигателя: основные способы

    чип-тюнинг двигателя; установка турбонаддува ... Способ позволяет снизить потери при работе ДВС, поднять КПД, увеличить физический объем двигателя, повысить степень сжатия, улучшить наполняемость цилиндров и повлиять на...
  • Можно ли поставить турбину на карбюраторный двигатель

    Основные преимущества и недостатки турбонаддува на карбюраторном авто. ... Тюнинг двигателя. Энциклопедия. ... За счет того, что у турбодвигателей другая степень сжатия, чем у атмосферных, необходимо помнить о детонации и способах...

krutimotor.ru

Процесс сжатия в двигателе внутреннего сгорания

Характер теплообмена при сжатии

Сжатие свежего заряда в цилиндре дизеля — сложный политропный процесс, зависящий от многих факторов: параметров начального состояния заряда, температурного уровня цилиндра, конструкции двигателя, плотности поршневых колец и т.д. В начальный период сжатия, как правило, температура заряда более низкая, чем температура стенок рабочего цилиндра. Поэтому сжатие протекает с подводом тепла от стенок цилиндра к заряду. Этот участок линии сжатия на диаграмме P-V (см. рис. ниже) идет круче адиабаты, показатель политропы сжатия n больше показателя адиабаты: n1 > k.

По мере сжатия заряда его температура повышается, передача тепла от стенок уменьшается. Когда температура заряда станет равной температуре стенок (точка m на рис.), то теплообмен прекращается; в этот момент показатель политропы сжатия становится мгновенно равным показателю адиабаты: n1 = k.

При дальнейшем сжатии температура заряда будет больше температуры стенок цилиндра, вследствие чего наблюдается отвод тепла от заряда к стенкам. На этом участке линия сжатия идет положе адиабаты, а показатель политропы сжатия меньше показателя адиабаты: n1 < k.

По экспериментальным данным, у судовых дизелей показатель n1 меняется от 1,5 — у нижней мертвой точки до 1,1 — у верхней мертвой точки. Однако при расчетах рабочих процессов по методу Гриневецкого-Мазинга полагают, что процесс сжатия осуществляется на всем ходе поршня при постоянном показателе политропы сжатия: n1 = const. При этом обеспечивается та же работа на сжатие, что и при переменном значении показателя n1 в реальном цикле.

Факторы, влияющие на показатель политропы сжатия

Среднее значение показателя политропы сжатия n1 зависит от конструкции двигателя и режима его работы.При одинаковой средней скорости движения поршня в двигателях с большими линейными размерами показатель n1 будет больше, так как у этих двигателей меньше относительная площадь соприкосновения единицы объема заряда со стенками цилиндра. Поэтому относительный отвод тепла в больших двигателях — меньше, что выражается в более высоком показателе n1.

У двигателей с разделенными камерами сгорания относительная площадь поверхности теплообмена больше, чем у двигателей с камерами неразделенными. Интенсивный теплообмен между зарядом и стенками цилиндра в период пуска приводит к снижению n1 и ухудшению пусковых качеств. При снижении n1 уменьшаются параметры конца сжатия Pс, Tс температура в цилиндре может не достичь уровня, требуемого для самовоспламенения топлива. Поэтому в предкамерных и вихрекамерных двигателях обычно предусматриваются специальные устройства для пуска. В дальнейшем, после пуска двигателя, эти устройства отключаются, так как показатель n1 повышается за счет подвода тепла к заряду от раскаленной вставки внутри цилиндра.

Конструктивные мероприятия, направленные на снижение температуры цилиндро-поршневой группы — охлаждение поршней водой или маслом, уменьшение толщины стенок поршня, втулки, крышки, любые другие меры по интенсификации охлаждения — снижают величину среднего значения показателя n1, уменьшают параметры конца сжатия Pс и Tс. При этом снижается и термический КПД цикла. Однако основная цель упомянутых мероприятий — повышение надежности работы цилиндропоршневой группы.

С увеличением частоты вращения двигателя показатель n1 возрастает, так как уменьшается продолжительность теплообмена между зарядом и стенками цилиндра, процесс сжатия приближается к адиабатному. При снижении частоты вращения происходит обратное явление — показатель n1 уменьшается, снижаются давление Pс и температура Tс, что может привести к нарушению самовоспламенения топлива.

При снижении нагрузки двигателя (уменьшении среднего индикаторного давления Pi) снижается температурный уровень стенок цилиндра, что приводит к увеличению теплоотвода от заряда к стенкам и к снижению показателя n1.

В условиях эксплуатации с понижением частоты вращения главного двигателя, работающего на винт, уменьшается и нагрузка. Оба фактора одновременно воздействуют в сторону интенсификации теплообмена при сжатии, что уменьшает показатель n1 и снижает параметры конца сжатия Pс и Tс. Особенно неблагоприятны последствия этого явления при не прогретом двигателе, когда возможна работа лишь на повышенных минимальных оборотах коленчатого вала. При снижении частоты вращения двигатель «глохнет».

При нормальных эксплуатационных условиях протечки свежего заряда через неплотности цилиндропоршневой группы при сжатии незначительны. Их влиянием на показатель n1 и параметры Pс, Tс можно пренебречь. Изменение степени сжатия также незначительно влияет на среднее значение политропы сжатия.

Экспериментальные исследования показали, что средние значения показателя политропы сжатия у различных двигателей находятся в пределах:

n1 = 1,34 — 1,37 — у мапооборотных и среднеоборотных ДВС с охлаждаемыми поршнями;n1 = 1,38 — 1,42 — у высокооборотных ДВС с неохлаждаемыми поршнями.

Наибольшие значения n1 имеют двигатели, в цилиндре которых размещены специалные аккумуляторы тепла (раскаленные вставки). В этих двигателях показатель n1 может доходить до 1,8.

Среднее значение показателя n1 может быть найдено по известным параметрам работающего дизеля, исходя из формулы политропного процесса:

Откуда:

Текущие значения n1 можно найти, имея индикаторную диаграмму, снятую с работающего цилиндра. Разбив диаграмму на отдельные участки и определив давления на их границах, для каждого участка находится n1i:

Степень сжатия и ее влияние на параметры конца сжатия

Процесс сжатия в цилиндре дизеля начинается лишь после закрытия газораспределительных органов. В 4-тактном двигателе — после закрытия впускного клапана, в 2-тактном — после закрытия всех продувочных и выпускных органов.

В 4-тактном двигателе впускной клапан закрывается после прохождения поршнем НМТ. Однако влияние этого запаздывания закрытия клапана на параметры процесса сжатия в большинстве двигателей незначительно. Поэтому в расчетах рабочего процесса 4-тактных дизелей обычно пользуются номинальным значением степени сжатия, равным:

Va — объем цилиндра в момент начала сжатия;Vs — рабочий объем цилиндра;Vc — объем камеры сжатия.

В 2-тактных двигателях пользуются двумя понятиями: действительной степенью сжатия и степенью сжатия, отнесенной к полному ходу поршня. Действительная степень сжатия равна:

где Ψs — доля потерянного хода поршня от НМТ до момента закрытия выпускного (продувочного) тракта.

Степень сжатия, отнесенная к полному ходу поршня (иногда ее называют „условная степень сжатия“), может быть выражена следующим образом:

Параметры конца сжатия определяются из выражений:

Как видно, параметры Pс и Tс возрастают с повышением Pа, Та, и n1. Значения степени сжатия (для 2-тактных ДВС имеется в виду действительная величина) находятся в пределах:

ε = 10 — 13 — у малооборотных дизелей;ε = 8,5 — 14,5 — у среднеоборотных дизелей;ε = 15 — 19 — у высокооборотных дизелей.

Нижний предел степени сжатия выбирается из условия возможности запуска холодного двигателя. Как известно, средняя температура самовоспламенения топлива составляет примерно 280° С (553° К). Для номинального режима выбирается степень сжатия, обеспечивающая минимальную температуру конца сжатия Tс min = 700-800° К.Дополнительный „запас“ температуры Tс в 150-250° К необходим с учетом того, что при пуске холодного двигателя температура стенок цилиндра низкая, показатель n1 уменьшается до 1,2 — 1,25, наблюдается повышенный пропуск заряда через поршневые кольца. В результате параметры Pс и Tс имеют более низкие значения по сравнению с номинальным режимом.

С понижением степени сжатия двигателя ухудшаются не только его пусковые качества, но и снижается термический КПД. Несмотря на это, при форсировании двигателей наддувом приходится снижать ε, чтобы обеспечить механическую прочность двигателя — снизить давление сжатия Pс и соответственно — максимальное давление в цилиндре Pz. Давление сжатия обычно находится в пределах:

Pс = 3.0 — 5.0 мПа — у двигателей без наддува;Pс = 4.0 — 10.0 мПа — у двигателей с наддувом.

Более высокие значения ε у высокооборотных дизелей объясняется их меньшими линейными размерами и соответственно более интенсивным теплоотводом. Верхние значения ε относятся к двигателям с разделенными камерами сгорания, где относительная поверхность теплоотвода больше. Чрезмерное повышение ε, несмотря на некоторое повышение термического КПД, нецелесообразно, так как приводит к высоким Pz, увеличению потерь на трение в двигателе и к утяжелению конструкции для обеспечения механической прочности.

sea-man.org

Степень сжатия дизельного двигателя - что это такое?

В этой статье речь пойдет об процессах, происходящих внутри камер сгорания мотора. Наверное, большинство из Вас имеет хотя бы общее приставление о принципе работы двигателя, но дело в том, что данный элемент не является универсальным устройством и на сегодняшний день выделяют несколько его видов: бензиновый, дизельный, газовый, газодизельный, роторно-поршневый.

Еще до недавнего времени, наиболее распространенными были первых два варианта, но с ростом цен на соответствующие топливо, довольно большое количество автолюбителей, перевели свои автомобили на газовое потребление.

Однако, говорить о том, что газ полностью вытеснил бензин и дизельное топливо, конечно же не приходится, а значит информация касающееся работы таких моторов не будет лишней. Говоря конкретнее, речь пойдет о процессе сжатия, которое происходит внутри камеры сгорания конкретно дизельного двигателя. Начнем с теоретической стороны этого вопроса.

Изучаем теорию – что происходит внутри камеры сгорания

Дизельный двигатель внутреннего сгорания (дизель) являет собой поршневую систему, работающую благодаря воздействию сжатого воздуха на распыленное топливо, которое впоследствии самовоспламеняется. В качестве такого топлива используют довольно широкий вариативный ряд веществ: продукты нефтеперегонки (керосин, мазут), а также некоторые продукты имеющие природное происхождение, в том числе: фритюрный жир, пальмовое и рапсовое масла. В теории дизельный двигатель может работать даже на сырой нефти, но гарантировать полную успешность этого процесса сложно.

Давайте же посмотрим каким образом дизтопливо заставляет мотор работать. Весь процесс деятельности дизельного двигателя можно разделить на четыре взаимосвязанных этапа (четырехтактная система): этап впрыска (впуска), этап сжатия, этап расширения (его еще называют «рабочий ход»), этап выпуска отработанного газа. Повторение, раз за разом, такого цикла обеспечивает движение автомобиля. Но сегодня мы не будем детально разбирать каждый этап и сосредоточим свое внимание в основном лишь на процессе сжатия.

В теории, степень сжатия характеризуется соотношением объемов пространства над рабочим поршнем, в процессе прохождения им нижней и верхней мертвой точки. Иными словами, данное понятие выражает разницу давления в камеры сгорания, когда топливо впрыскивается в цилиндр, соответственно относится исключительно к поршневым двигателям, обладающими такой камерой. Степень сжатия чем то схоже с понятием «компрессии», некоторые их даже путают, хотя на деле они совершенно разные.

Компрессия характеризуется размеренностью давления и ее можно измерить в Атмосферах, Барах или Паскалях, чего нельзя сказать про степень сжатия, так как это величина относительная, представляющая собой соотношение объема полного цилиндра и объема камеры сгорания. Данный параметр не меняется на протяжении всего строка службы двигателя и чаще всего его указывают в технических характеристиках.

Практически измерить степень сжатия невозможно, но многие автолюбители прибегают для этого к математическим расчетам (например 10:1). Оптимальным соотношением для дизельных двигателей считается 18-22:1, при котором мотор способен работать наиболее эффективно. Со степенью сжатия напрямую связано качественное использование дизельного топлива, ведь чем выше поднимается давление в камере (повышается сжатие), тем меньше расходуется топливо, что совсем не означает снижение мощности, даже наоборот — она может увеличиваться.

Степень сжатия на практике – как это происходит

Как мы уже знаем, работа двигателя стает возможной благодаря воспламенению образующейся смеси паров топлива и воздуха. Такая горючая смесь расширяется, толкая поршень, который, в свою очередь, вращает каленной вал. Давление в камере при этом значительно возрастает и двигатель совершает один такт работы.

Если степень сжатия возрастает — увеличивается и сила давления на поршень, заставляя мотор совершать больше полезной работы. На дизельных двигателях, для большей эффективности использования высокой степени сжатия, не используют дроссельную заслонку.

Вместо этого, мощность мотора регулируется количеством топлива, которое впрыскивается в цилиндр. Это способствует сильному сжатию воздуха в цилиндре, даже при низкой мощности (например когда в камеру сгорания впрыскивается незначительное количество топлива), при чем выделяется достаточное количество тепла для воспламенения и очень обедненной смеси.

Однако, увеличив степень сжатия Вы не всегда сможете добиться увеличения мощности. В случае, когда статистическая степень сжатия находится близко к пределу детонации для конкретно используемого топлива, то продолжение возрастания сжатия способно ухудшить надежность и мощность двигателя.

Казалось бы, что происходящие процессы должны влиять на безопасность окружающих, так как получающаяся смесь обладает повышенной взрывоопасностью, но на практике практически ничто и никогда не взрывается, как же так? Все дело в том, что в камеру сгорания топливо впрыскивается после того как в ней сжимается чистый воздух, при чем общее количество топлива в топливно-воздушной смеси не меняется, а за счет большого количества воздуха оно сгорает со значительно высоким уровнем коэффициента полезного действия.

Сегодня производители практически сняли с производства дизельные двигатели, имеющие низкую степень сжатия, так как в условиях нынешней рыночной экономики все большее количество людей стремятся к накоплению денежных средств, а расход большего количества топлива никак этому не способствует. Их место заняли высокооборотные дизельные двигатели с возможностью большей степени сжатия. Также практически исчезло из рынка низкооктановое топливо, так как потребность в нем отпала вместе с ограничением выпуска моторов для которых оно было предназначено.

Изменение степени сжатия – как улучшить показатели

Понятно, что смесь, попадающая в камеру сгорания должна равномерно гореть сопровождая процесс движения поршня вниз и ни в коем случае не взрываться, ведь только при соблюдении подобного условия, можно говорить про максимально эффективный расход топлива и равномерное изнашивание деталей поршневой системы. Проблема состоит в скорости, с которой такая смесь сгорает, так как это происходит быстрее, чем поршень успевает пройти свой путь.

В этом кроется главная сложность увеличения степени сжатия, встающая на пути водителей, задавшихся этой целью. В такой ситуации, увеличение давления повлияет на самопроизвольное возгорание смеси (преждевременное воспламенение), когда поршень еще не успел полностью завершить начатую фазу сжатия. Энергия, при этом, образует ненужное сопротивление и попусту растрачивается.

Еще одной проблемой можно назвать выделение слишком большого количества энергии, что приводит к взрыву (детонации). О том, какие последствия может иметь это явление говорить, лишний раз, не приходится.

Как видите, увеличение степени сжатия не только сложный, но и опасный процесс, тем не менее находятся смельчаки, которые все же решаются на это. Делается это двумя основными способами:

Устанавливается более тонкая прокладка двигателя, но так как при этом клапана и поршни могут столкнуться, необходимо все тщательно рассчитать. Возможен, также, вариант установки новых поршней с большими углублениями для клапанов. Нужно учитывать и тот факт, что при применении данного способа, нужно будет заново настраивать фазы газораспределения, которые непременно изменятся.

Растачиваются цилиндры двигателя, при чем поршни нужно будет заменить. Такой метод не только повышает степень сжатия, но и увеличивает рабочий объем двигателя. Благодаря соотношению прежнего объема камеры (он не меняется) и увеличеного объема цилиндра в большую сторону меняется степень сжатия.

Повысив степень сжатия, Вы не всегда можете получить желаемую прибавку в мощности. Чем под большую степень сжатия двигатель настроен изначально, тем меньшей будет прибавка. Другими словами, повышение мощности Вашего автомобиля, с изначальным показателем сжатия 8 будет более эффективным, чем у Вашего соседа, обладающим двигателем с аналогичным показателем в 13.

Если самостоятельно страшно вносить какие либо изменения в работу двигателя, а увеличить общую мощность автомобиля все-таки хочется, на помощь Вам придет альтернативный вариант повышения давления в камере сгорания и называется он «турбо-нагнетатель». Установив на транспортное средство такое устройство, объем камеры сгорания не изменится, но мощность существенно увеличится (иногда на 50% от изначальных показателей).

Еще одним преимуществом данного изобретения является относительная легкость монтажа, не требующее вмешательства специалистов, а значит не придется совершать лишние растраты. Правда, многие автолюбители все же предпочитают обращаться в сервисные центры, что может самое верное решение.

Принцип работы всех нагнетателей базируется на подачи большего количества воздуха и горючего на впуске, при чем объем камеры сгорания не меняется. Благодаря этому, при сгорании увеличивается количество энергии и возрастает мощность двигателя.

Как бы не хотелось увеличить степень сжатия дизельного двигателя своего автомобиля, всем автолюбителям стоит учитывать и дополнительную нагрузку на детали, которая возрастает вместе с увеличением количества энергии тепла. В следствии этого быстрее изнашиваются клапаны, прогорают поршни и выходит из строя система охлаждения. Также, несмотря на то, что турбонадув можно установить самостоятельно, демонтировать его, даже профессионалы не всегда смогут Вам помочь, а в особо тяжелых случаях двигатель может просто взорваться, причем страховка тут уже не поможет.

Так что, стоит или не стоит вмешиваться в предусмотренную производителем конструкцию мотора — решать Вам, но всегда помните о возможных последствиях. Тем более, на многих, выпускаемых сегодня, автомобилях устанавливают интеркулеры, позволяющие увеличивать наполнение цилиндров до 20%, что также значительно повышает мощность.

Подписывайтесь на наши ленты в Facebook, Вконтакте и Instagram: все самые интересные автомобильные события в одном месте.

Была ли эта статья полезна?Да Нет

auto.today

Бензиновый двигатель внутреннего сгорания со сверхвысокой степенью сжатия.

(Доклад на Международной конференции Двигатель-2007, посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э.Баумана)

 

Москва 20 сентября 2007 г.

 

Уважаемые коллеги!

 

Хочу выразить глубокую признательность организаторам конференции за предоставленную мне возможность выступить перед такой авторитетной аудиторией и поздравить коллектив кафедры «Поршневых двигателей» МГТУ им Э.М. Баумана со 100-летним юбилеем, пожелать ему творческих успехов на благо нашей Родины.

Я впервые удостоен чести выступать перед аудиторией, которая составляет цвет и гордость российской и мировой науки в области двигателей внутреннего сгорания.

Учитывая, что у меня вообще нет опыта публичных выступлений, прошу вас быть снисходительными, если в моем выступлении прозвучат тезисы, которые могут показаться категоричными или радикальными.

Тема моего сообщения «Бензиновый двигатель внутреннего сгорания со сверхвысокой степенью сжатия» сама по себе может вызвать недоумение. Какая еще может быть сверхвысокая степень сжатия, если общеизвестно, что эффективный бензиновый двигатель внутреннего сгорания со степенью сжатия более 14 построить невозможно.

И тем не менее, как бы странно это не звучало, начну с главного вывода своих многолетних экспериментов и поисков:

Верхний предел степени сжатия ДВС ограничивается не детонацией или недопустимой жесткостью, а технологическими возможностями. В подтверждение этого могу сказать, что перед зданием, в котором проходит наша конференция, стоит автомашина ВАЗ-2110. На ней установлен бензиновый двигатель со степенью сжатия 22, давлением сжатия 38-40 кг/см2. Двигатель запускается и работает так, что со стороны невозможно отличить его от двигателя с известными вам степенями сжатия. И в то же время мой двигатель имеет значительно лучшие эффективные показатели, чем двигатель со степенью сжатия 10.

Теперь перейду к изложению того, как и в сопровождении каких обстоятельств я смог прийти к таким выводам.

Первые 80 лет (с 1824 года) своего возникновения и развития теория теплового, а затем двигателя внутреннего сгорания базировалась на положениях о том, что правильно устроенный и правильно работающий двигатель должен иметь КПД в районе 70-80%. Так считали Карно, Отто и Дизель.

В работе «Теория и конструкция рационального теплового двигателя» Р.Дизель дал описание устройства и принципа работы ДВС построенного по «циклу Карно». Первоначально Дизель исходил из того, что на такте адиабатного сжатия воздух сжимается до давления 90 кг/см2 и температуры 900о С, затем на такте изотермного расширения подводится теплота и при указанной температуре должно произойти изотермное, затем адиабатное расширение. При этих условиях термический КПД ДВС должен был составить 73%.

Однако построенный двигатель показал, что он допустил ошибки в расчетах. Затраты энергии на сжатие воздуха были столь велики, что превышали мощность двигателя. Поэтому пришлось снизить давление сжатия до 35 кг/см2. Первый двигатель Дизеля при попытке впрыснуть бензин взорвался. Тем не менее, эксперимент был признан удачным и ему предоставили условия для построения второго двигателя. Топливом для второго двигателя использовали светильный керосин. Двигатель был построен, продемонстрирован и показал результаты, которые на тот момент считались фантастическими.

С наших позиций Р.Дизель при разработке идеи и конструкции своего двигателя допустил ошибки частного характера, но сама идея была правильной. К тому же создать «идеальный» двигатель в то время было невозможно по объективным причинам, поскольку: а) отсутствовали достаточные знания о характере термодинамических процессов, происходящих в ДВС. б) не было соответствующей технической базы для построения такого двигателя.

В течение последующих 70 лет эти недостатки в теории и практике двигателестроения постепенно устранялись. Совершенствовалась техническая база двигателестроения, использовались все более совершенные материалы и технологии, улучшались детали, узлы, механизмы ДВС, были внедрены компьютерные программы управления работой ДВС. Все это в совокупности позволило довести механическую составляющую ДВС до практического совершенства.

Все известные автомобильные концерны и институты, специализирующиеся на проблемах ДВС, проводили работы с целью выявления зависимости между степенью сжатия ДВС и эффективностью его работы и исследования характера рабочих процессов, протекающих в ДВС. Предпринимались и многочисленные попытки повысить степень сжатия ДВС. Но эти работы имели отрицательный результат. Опираясь на этот отрицательный результат, теория ДВС приняла, как аксиомы, утверждения о том, что степень сжатия бензинового двигателя не может быть выше 14. Что наиболее эффективными могут быть дизельные ДВС со степенями сжатия менее 25, а при степени сжатия 40 эффективность дизельного двигателя становится равным нулю. Специалисты и теоретики настолько утвердились в правильности этих положений, что на данном этапе малейшие попытки усомниться в них, вызывает резко отрицательную реакцию.

Тем не менее, к 80-м годам 20-го столетия были созданы все технические и технологические предпосылки для создания новых видов ДВС с высокими и сверхвысокими степенями сжатия, которые работали бы на основе принципов, заложенных в теорию первоначально.

Парадокс ситуации заключается в том, что приведенные выше положения по поводу предельных степеней сжатия ДВС, не имеют под собой теоретической аргументации в виде формул и расчетов. Они возникли и существуют на основе отрицательной практики. Кто не согласен с этим, пусть представит формулу, из которой следовало бы, что степень сжатия бензинового или дизельного двигателей может быть ограничена конкретным числом.

Если какие-то положения теории являются правильными (т.е. соответствующими законам термодинамики), то построить работающий двигатель вопреки этим положениям не возможно. Но если такой двигатель построен и работает, значит, положения теории не соответствуют действительности и, следовательно, их надо менять.

Ознакомление с положениями современной теории ДВС приводит к следующим выводам:

1. Аргументировано излагаются законы термодинамики, теплотехники и позиции основоположников теории.

2. Абстрактно излагаются принципы работы современного ДВС. Вопросы зависимости характера рабочих процессов, протекающих в ДВС, от степени сжатия, взаимосвязи между КПД двигателя и степенью сжатия освещаются столь туманно, что никто, никогда не поймет, что надо сделать для того, чтобы существенно повысить КПД ДВС.

3. Абстрактность и отвлеченность освещения проблемы столь далеки от реальных процессов, которые в ДВС происходят, что современная теория ДВС оказалась не в состоянии правильно оценить сложившиеся в последние годы в практике двигателестроения тенденции и дать правильное решение вопроса. По этой причине индикаторный КПД ДВС со времен Р. Дизеля, практически, не изменился.

В 90-е годы мы несколько лет пытались усовершенствовать механическую составляющую двигателя. Было получено около 40 патентов на изобретения по системе питания, газораспределительному и кривошипно-шатунному механизмам. Но однажды пришлось задуматься. Если механический КПД лучших двигателей доходит до 85%, что там еще можно совершенствовать? Поэтому было решено отказаться от продолжения этой работы.

Теоретически существенное увеличение термического КПД ДВС возможно только путем увеличения степени сжатия. В то же время практика мирового двигателестроения свидетельствовала, что значительно увеличить степень сжатия бензинового и дизельного двигателей не удастся.

Вместе с тем оценка работы существующих ДВС показывала, что проблема имеет свое решение. С наших позиций наиболее убедительными свидетельствами возможности создания двигателя со сверхвысокой степенью сжатия являются комбинированный двигатель с высокой степенью наддува и двигатель с регулируемой степенью сжатия.

Поршневая часть двигателей, используемых в гонках Формулы 1, обычно имеет степень сжатия 11,5. Давление наддува в них принудительно, путем стравливания воздуха через установленный на впускном трубопроводе перепускной клапан, ограничивается величиной в 2,7 кг/см2. Суммарная степень сжатия двигателя составляет έ =31. При такой степени сжатия при работе на внешней скоростной характеристике давление конца сжатия должно составлять около 122 кг/см2.

Возникал вопрос: почему двигатель работает без детонации?

Анализ работы бензинового и дизельного комбинированных двигателей с наддувом привел нас к таким выводам:

1. Двигатель Формулы 1 на внешней скоростной характеристике работает точно также, как работал бы его атмосферный аналог на внешней скоростной характеристике с увеличиваемой по мере увеличения оборотов степенью сжатия от 6 до 31 (при 1000 об/мин. ε=6, при 18 000 об/мин. ε =31).

2. Существует нелинейная зависимость между частотой вращения коленчатого вала, степенью сжатия двигателя и степенью дросселирования. Согласно этой зависимости, чем меньше наполнение цилиндра, тем больше может быть степень сжатия двигателя. Чем больше обороты, тем больше может быть степень наполнения цилиндра.

3. В большинстве случаев суммарная степень сжатия комбинированных бензиновых и дизельных двигателей с многоступенчатым наддувом, как произведение степеней сжатия поршневой и лопаточной частей, превышает величину 30. Это позволяло сделать вывод о том, что можно построить атмосферный двигатель со сверхвысокой степенью сжатия.

4. В комбинированных бензиновых двигателях детонация не происходит, потому что детонация не успевает произойти. В них на всех частотах вращения время завершения конца сжатия и начала расширения меньше, чем время задержки самовоспламенения.

Теория дает такое определение детонации: пристеночное сгорание части смеси в результате самовоспламенения из-за местного повышения давления и температуры.

Указаны и три основных способа борьбы с детонацией: это либо увеличение частоты вращения, либо уменьшение наполнения цилиндра путем уменьшения угла открытия дроссельной заслонки, либо уменьшение угла зажигания.

Другие способы борьбы с детонацией: применение высокооктановых топлив, организация повышенной турбулизации заряда в цилиндре, оптимизация формы камеры сгорания, работа двигателей на обедненных и сверхобедненных смесях, переход на впрыск бензина в цилиндры двигателя, впрыскивание воды во впускную систему, организация гибридных рабочих процессов, регулирование степени сжатия нами не использовались и поэтому в настоящей статье не рассматриваются.

Комментарий:

Все три приведенных способа с позиций действительной степени сжатия имеют целью получить один и тот же результат. Увеличение частоты вращения при сохранении угла открытия дросселя приводит к уменьшению наполнения цилиндра. Уменьшение угла открытия дросселя при сохранении частоты вращения тоже приводит к уменьшению наполнения цилиндра. Уменьшение угла опережения зажигания способствует уменьшению количества смеси, сжигаемой на такте сжатия и соответственно уменьшению давления и температуры конца сжатия.

То есть, все предлагаемые теорией методы борьбы с детонацией имеют целью снизить давление Рс и температуру Тс конца сжатия для ухода от детонации.

Детонационные давления и температуры фактически возникают в любом современном атмосферном бензиновом двигателе. О двигателях с наддувом и говорить не приходится. Но детонационное сгорание произойдет только в том случае, если критические температура и давление сохранятсяв продолжение некоторого отрезка времени.

То есть, детонация есть явление, вызываемое взаимодействием трех факторов: давления, температуры и времени.

Это означает, что каждому значению величины давления конца сжатия Рс с его температурой конца сжатия Тс в каждом рабочем цикле двигателя соответствует своя продолжительность времени задержки самовоспламенения. Зависимость между величинами Рс - Тс и периодом задержки самовоспламенения обратная, непропорциональная и нелинейная. Но в целом эту зависимость можно охарактеризовать так: чем выше значения величин давления и температуры конца сжатия Рс и Тс, тем меньше время задержки самовоспламенения. И наоборот. Чем меньше значение величин Рс и Тс, тем больше время задержки самовоспламенения. Главным условием при переносе этой зависимости на работу двигателя должно быть, чтобы конец сжатия и начало расширения каждого рабочего цикла завершились бы раньше времени задержки самовоспламенения.

Из этого вывода следовал еще один вывод: если каждый рабочий цикл ДВС построить таким образом, что время задержки самовоспламения в нем будет больше времени завершения конца сжатия и начала расширения, детонации не будет совсем.

Для того, чтобы построить двигатель со сверхвысокой степенью сжатия, надо было выполнить следующие несколько условий.

1. На завершении такта сжатия при положении поршня в ВМТ в цилиндре двигателя должно достигаться максимальное (преддетонационное) для рабочего цикла давление Рс=Р1.

В действительном цикле двигателя, состоящем из множества рабочих циклов, значение величины Рс=Р1 для каждого отдельно взятого рабочего цикла будет своим, отличающимся от остальных рабочих циклов.

2. Не должно быть тепловыделения на сжатии. Потому что возникновение очага и распространение фронта пламени на такте сжатия дополнительно формирует благоприятные условия для возникновения детонации.

В двигателе со сверхвысокой степенью сжатия тепловыделение должно начинаться в ВМТ. Поэтому угол зажигания для данного рабочего цикла при заданной величине наполнения цилиндра превращается в константу. Подобранный для конкретных условий (октановое число, степень наполнения и пр.) угол зажигания ни увеличивать, ни уменьшать нельзя.

3. Конец сжатия, начало расширения должны завершиться раньше времени задержки самовоспламенения.

Величины давления Р1 и температуры горючей смеси Тс зависят от двух факторов: 1. количества горючей смеси, исчисляемой при давлении равном давлению окружающей среды; 2. кратности сжатия этого количества горючей смеси.

Эти параметры являются взаимозависимыми и регулируемыми. Регулировать величину Р1-Рс и температуру рабочего тела Тс можно, регулируя количество горючей смеси, участвующей в цикле, путем ограничения наполнения цилиндра.

4. На такте расширения в период распространения зоны реакции-фронта пламени величина Р1 не должна увеличиваться, иначе детонация возникнет на этом этапе. Эта величина не должна и уменьшаться, иначе двигатель потеряет эффективность. То есть, процессы увеличения объема рабочего тела вследствие нагревания и объема камеры сгорания в зоне малого изменения объема камеры сгорания должны быть синхронизированы так, чтобы давление в камере сгорания не изменялось до завершения процесса распространения фронта пламени. При этом: виртуальное представление о характере протекания процессов завершения сжатия и начала расширения показывало, что при ограничении наполнения проблем с синхронизацией не возникнет. Но было не ясно, как эти процессы будут происходить при полном наполнении цилиндра, то есть, на внешней характеристике.

5. Когда фронт пламени дойдет до стенок цилиндра и начнется наиболее активная фаза сгорания, давление Р1 должно увеличиться до величины Рz, которая также будет переменной величиной для разных рабочих циклов.

В связи с отрицательной реакцией теоретиков на наши идеи возникали вопросы: нужен ли двигатель со сверхвысокой степенью сжатия, даст ли он эффект? Если да, до каких величин можно увеличить степень сжатия, в частности, бензинового двигателя?

С одной стороны при расчетах термического КПД выходило, что степень сжатия можно увеличивать до любых величин. С другой стороны индикаторный и эффективный КПД ДВС зависят от тепловых и механических потерь. Чем выше степень сжатия двигателя, тем выше эти потери. Не зря практикой эксплуатации дизельных и бензиновых двигателей признано нецелесообразным повышать степень сжатия вследствие неэффективности ее повышения выше определенной величины, называемой «наивыгоднейшей степенью сжатия». Вместе с тем проецирование этого вопроса на работу двигателя с переменной (или регулируемой) степенью сжатия и на работу двигателя с высокой степенью наддува позволял предположить следующее:

1. В ДВС с переменной степенью сжатия в зависимости от степени дросселирования специальными устройствами изменяется объем камеры сгорания. При уменьшении наполнения цилиндра, степень сжатия увеличивается, а при увеличении наполнения, степень сжатия уменьшается.

Если взять двигатель с регулируемой степенью сжатия, в котором степень сжатия изменяется пропорционально степени дросселирования, допустим от 10 до 20, то окажется, что интервале наполнения цилиндра от 39% до 100%, процесс сжатия в нем завершается при практически одинаковых значениях величин Рс и Тс.

2. В серийном двигателе Ауди 1,8 ТТ со степенью сжатия 9 при частоте вращения выше 1700 об/мин достигается давление наддува 1.6 кг/см2, суммарная степень сжатия равна έ =14. Расчетное давление конца сжатия при этом составляет 40 кг/см2. В атмосферном двигателе при Ра= 1 кг/см2 такое давление конца сжатия может быть получено при степени сжатия 14.

То есть, в первом случае мы имеем двигатель, который работает при высокой степени сжатия на частичной характеристике, а во втором случае- двигатель, с высокой степенью сжатия, который работает на внешней характеристике.

Помимо этого, анализировалась и работа дизельного двигателя. По принципиальной схеме (преобразование энергии топлива в работу в одинаковых механических устройствах) бензиновый двигатель ничем от дизельного не отличался. Это говорило о том, что увеличение степени сжатия бензинового двигателя до «дизельных» величин, повлечет такое же увеличение КПД.

Перечисленные доводы, несмотря на возражения теоретиков, позволяли предположить, что увеличение степени сжатия бензинового двигателя до определенных величин даст существенное увеличение КПД. Дальнейшее увеличение степени сжатия из-за роста доли отрицательной работы будет давать все меньшее увеличение КПД. В определенной точке произойдет пересечение линий роста КПД и потерь. При дальнейшем увеличении степени сжатия эффективный КПД начнет падать.

Ответа на вопрос, как будут протекать рабочие процессы при полном наполнении цилиндра, на тот период у нас не было. Тем не менее, полученные выводы нам показались достаточными для того, чтобы попытаться убедить производственников в том, чтобы оказали поддержку в построении двигателя с ограничением наполнения и уже в ходе самой работы и испытаний найти ответ.

Убедить кого-либо помочь построить опытный образец двигателя не удалось. Поэтому в сентябре-октябре 2002 года на базе шестицилиндрового двигателя БМВ самостоятельно, своими силами построили первый бензиновый двигатель со степенью сжатия 17. До апреля 2003 года автомобиль эксплуатировался с ограничителем хода педали газа, так как было не ясно, как быть с процессами сжатия и расширения на внешней характеристике.

Но вдруг выяснилось, что для решения вопроса о том, как синхронизировать процессы увеличения давления рабочего тела и объема камеры сгорания на начале расширения для обеспечения постоянства давления Р1 при полном наполнении цилиндра, вообще ничего не надо делать. Оказалось, что задача уже решена, а мы просто не догадывались об этом. Выходило следующее:

При условии работы двигателя без детонации, скорость распространения фронта пламени для данного количества горючей смеси величина постоянная. (Первая константа).

Скорость изменения объема камеры сгорания зависит от оборотов двигателя. Но для конкретной частоты вращения эта скорость величина постоянная. То есть, например, для частоты вращения 1500 об/мин скорость изменения объема камеры сгорания и на сжатии и на расширении величина известная, конкретная и постоянная. (Вторая константа).

Для данной частоты вращения степень допустимого наполнения цилиндра (или величина ограничения) будет иметь конкретное значение. Соответственно, масса рабочего тела, поступающего в цилиндр, тоже будет постоянной величиной. (Третья константа).

При этих условиях, получаемая в конце сжатия величина давления Р1 и температура смеси Тс также будут постоянными величинами. (Четвертая константа).

Для данных давления Р1 и температуры Тс время задержки самовоспламенения также будет постоянной величиной. (Пятая константа).

При таком соотношении постоянных величин (констант), формирующих процессы сжатия, сгорания и расширения синхронизация процессов увеличения объема камеры сгорания и давления смеси происходит сама по себе.

Поняв это, сняли ограничитель хода педали. Машина стала ездить на полном дросселе, никаких проблем с синхронизацией не возникло.

В дальнейшем стали строить двигатели на базе ВАЗ-2110. Чередуя работу на стенде с ездой на автомашине, решали многочисленные проблемы.

Результат всей этой работы получился такой:

В бензиновом ДВС с внешним смесеобразованием со сверхвысокой степенью сжатия рабочий цикл происходит следующим образом: степень сжатия двигателя, например, составляет 22, частота вращения коленчатого вала выше 1800 об/мин (например, 2000 об/мин), режим работы-внешняя скоростная характеристика.

При перечисленных условиях дроссельная заслонка открыта полностью, расход воздуха максимальный для данных оборотов. Угол опережения зажигания (УОЗ) 6 градусов до ВМТ. При положении поршня в 0 градусов, то есть, в ВМТ, начинается распространение пламени по фронту. До 6000 об/мин двигатель работает при полностью открытом дросселе, только изменяется УОЗ.

При уменьшении частоты вращения коленчатого вала ниже 1800 об/мин (например до 1200 об/мин) дроссельная заслонка изменяет положение и ограничивает наполнение цилиндра. При этом, если при полностью открытой дроссельной заслонке расход воздуха составил бы 360 мг, то при реальной работе на внешней скоростной характеристике при указанной частоте вращения коленчатого вала дроссельная заслонка должна занять такое положение, при котором максимальный расход воздуха должен быть не более 270 мг на цикл.

Для двигателя со сверхвысокой степенью сжатия понятие работы на внешней скоростной характеристике имеет другой смысл, чем для традиционного двигателя. На низких оборотах для него это - работа при максимально допустимом наполнении цилиндра.

Из теории следует, что любое возмущение в жидкостях и газах распространяется со скоростью звука. Так как размеры камер сгорания поршневых двигателей малы, а скорость звука 500-600 м/с, то давление через доли микросекунд выравнивается по всему объему, но не остается таким, как в зоне возмущения.

В замкнутом сосуде неизменного объема при нагревании газа происходит увеличение давления, при его охлаждении – уменьшение давления и температуры. Если стенки объема деформируются, то происходит увеличение и объема и давления. Увеличивается давление в этом случае меньше, чем при отсутствии деформации стенок. С началом процесса сгорания интенсивность тепловыделения так высока, что скорость увеличения давления в цилиндре опережает скорость увеличения объема камеры сгорания. В виду этого принято считать, что выровнять скорости увеличения объема газов и объема камеры сгорания невозможно. Поэтому в камере сгорания происходит поджатие зоны смеси, до которого фронт сгорания еще не дошел. Если интенсивность поджатия смеси окажется слишком высокой, произойдет детонация.

Но, как указано выше, путем дросселирования можно регулировать интенсивность увеличения объема рабочего тела. А раз ее можно регулировать, то для каждого конкретного рабочего цикла путем дросселирования (ограничения наполнения цилиндра) можно подобрать и установить такую интенсивность увеличения объема газов, которая соответствовала бы скорости увеличения объема камеры сгорания. То есть, как выяснилось, процесс можно синхронизировать.

Поэтому, если в период распространения фронта пламени, синхронизировать скорости увеличения объема рабочего тела из-за нагревания и объема камеры сгорания, давление останется неизменным.

Процесс синхронизации в двигателе со сверхвысокой степенью сжатия можно нарушить приведенными выше тремя способами: 1. при неизменности всех остальных параметров (УОЗ, расход воздуха, состав смеси и пр.) уменьшить обороты. 2. при неизменности всех остальных параметров (УОЗ, обороты, состав смеси и пр.) увеличить расход воздуха. 3. при неизменности всех остальных параметров изменить УОЗ.

Эксперименты с нарушением синхронизации проводились неоднократно. По приведенным пунктам можно привести такие данные: Обороты 1700, дроссель открыт полностью, расчетное давление конца сжатия Рс=60 кг/см2. Двигатель работает без детонации. Уменьшение оборотов до 1680, то есть, всего на 20 об/мин, вызывает детонацию. Другой пример: обороты 1680 в минуту, дроссель прикрыт, расход воздуха 355 мг на цикл. Расчетный Рс=58 кг/см2. Детонации нет. Дроссель открывается полностью. Расход воздуха становится 360 мг на цикл. Двигатель детонирует. Третий пример: перенос угла зажигания на 10 градусов выше или ниже оптимальной точки в двигателе ЗМЗ-406 со степенью сжатия 9,5 каких-либо заметных изменений в его работе не вызывает. В экспериментальном двигателе максимально возможное смещение угла зажигания от оптимальной точки составляет всего 1-1,5 градуса в сторону его увеличения и 2-3 градуса в сторону уменьшения. И то в первом случае возникает сильная детонация, а во втором случае резко падает эффективность.

Рс и Тс это давление и температура в той точке, которая называется концом сжатия-началом расширения. Сформировавшись в момент завершения сжатия, они в таковом качестве вступают в процесс расширения. Соответственно этому приведенные выше примеры экспериментов касаются давления Р1 и показывают, что даже незначительное, всего на 2 кг/см2, увеличение Р1 приводит к детонации.

Синхронизация процессов в зоне малого изменения объема камеры сгорания есть отличительный признак цикла и основа, на котором будут строиться двигатели со сверхвысокими степенями сжатия. Можно сказать так: есть синхронизация, есть работающий двигатель со сверхвысокой степенью сжатия, нет синхронизации, нет работающего двигателя.

Особенности работы двигателя следующие:

Похожие статьи:

poznayka.org

Повышение степени сжатия / Статьи от клуба АЗЛК.нет / Статьи

Термический КПД двигателя ηt в значительной степени зависит от величины степени сжатия ε. Чем выше степень сжатия, тем меньше топлива используется для получения той же самой мощности, поэтому повышение степени сжатия — один из основных методов увеличения мощности двигателя. Термический КПД двигателя при увеличении степени сжатия увеличивается сначала быстро, а после значений степени сжатия 12-13 — несколько медленнее.

Увеличение степени сжатия ограничивается появлением детонации вследствие роста температуры рабочей смеси в конце хода сжатия, в результате чего двигатель перегревается, наполнение цилиндров бензовоздушной смесью ухудшается, износ основных деталей двигателя повышается в 2-3 раза. Сильная детонация может привести к прогоранию днища поршня. Практически предельное значение степени сжатия ограничивается октановым числом применяемого моторного топлива. Наиболее рациональным является форсировка двигателя до степени сжатия 9,8 — 10, что подтверждается опытом участия в спортивных соревнованиях в нашей стране и за рубежом. Указанные значения также типичны для двигателей, использующих распределительные валы с относительно коротким периодом впуска, подобные валам многих форсированных двигателей. При увеличении продолжительности такта впуска посредством установки распределительного вала с более длительным периодом впуска прирост мощности от степени сжатия становится еще более значительным.

Прирост мощности при увеличении степени сжатия можно определить по приведенной ниже таблице, показывающей приращение мощности двигателя от исходной величины при изменении степени сжатия. Для этого находят в таблице столбец с исходной степенью сжатия и колонку с новой предполагаемой степенью сжатия. Прочитанное значение в элементе таблицы покажет увеличение мощности в процентах.

исходная степень сжатия

8

9

10

11

12

13

14

новая степень сжатия

14

8.7

6.7

5.0

3.5

2.2

1.0

0

13

7.6

5.6

3.9

2.4

1.2

0

12

6.5

4.5

2.8

1.3

0

11

5.2

3.2

1.5

0

10

3.7

1.7

0

9

2

0

8

0

Данные таблицы базируются на механических степенях сжатия, определенных путем математических расчетов из фиксированного объема, а не на динамических степенях сжатия, которые будут увеличиваться при увеличении эффективности впуска. При улучшении наполнения цилиндра динамическая степень сжатия увеличивается подобно увеличению объема цилиндра, т.к. в цилиндр будет поступать больше воздуха и топлива.

Практически увеличение степени сжатия не всегда приводит к увеличению мощности. Если статическая (подсчитанная) степень сжатия уже находится около предела детонации для используемого топлива, ее дальнейшее увеличение может ухудшить мощность и/или надежность двигателя. Это особенно справедливо, когда достигнут коэффициент наполнения цилиндра больше 1. К тому же, когда коэффициент наполнения цилиндра больше 1, поступившая смесь находится под небольшим положительным давлением, однако, она может заполнить только пространство в цилиндре плюс пространство в камере сгорания. Однако если мы увеличиваем степень сжатия путем уменьшения объема камеры сгорания или путем увеличения выпуклости поршня, то общее количество бензовоздушной смеси, которую может принять цилиндр, уменьшится на эту величину, и, как следствие, при увеличении степени сжатия ухудшается наполнение цилиндров. Чем лучше наполнение цилиндров (полученное турбиной, насосом, полировкой каналов, изменением фаз газораспределения и т.д.), тем меньше будет требуемая степень сжатия.

Замеренное компрессометром давление в цилиндре в конце такта сжатия может быть пересчитано в степень сжатия по формуле: ε= (Pc+3.9)/1.55, где Pc — давление, замеренное компрессометром, кг/с м² . Разница значения компрессии в разных цилиндрах не должна превышать 0.5 — 1 кг/с м² .

Практически степень сжатия двигателя зависит от объема камеры сгорания, размера и формы поршня и его хода. Так, для двигателей УЗАМ 3313 и 3318, имеющих одинаковый диаметр цилиндра и ход поршня и одинаковую головку блока цилиндров, за счет изменения формы поршня степень сжатия изменяется с 7.6 в двигателе УЗАМ-3313 до 9.2 в двигателе УЗАМ-3318, что приводит к увеличению максимальной мощности с 85 до 90 л.с., а максимального крутящего момента с 135 н/м до 145 н/м.

Наиболее просто увеличить степень сжатия двигателя можно фрезеровкой головки блока цилиндров, что позволяет уменьшить объем камеры сгорания. При этом необходимо следить за тем, чтобы при открывании клапана он не ударял по днищу поршня во всем диапазоне частот вращения двигателя (т.к. пружины клапанов имеют определенную инерцию), и при необходимости выполнить в поршне проточки под клапаны.В двигателях с чугунным блоком цилиндров возможна также фрезеровка поверхности блока цилиндров, сопрягаемой с головкой блока, самостоятельно или вместе с фрезеровкой поверхности головки блока цилиндров.

Ниже в таблице показана зависимость степени сжатия двигателя УЗАМ-412 от глубины фрезерования головки блока цилиндров:

Глубина фрезерования, мм

0

0,5

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

Степень сжатия

8,8

9,25

9,64

9,83

10,09

10,48

10,81

11,62

12,85

Зависимость степени сжатия двигателя ВАЗ-2106 от глубины фрезерования головки блока цилиндров представлена в таблице:

Фрезерование головки, мм

0,2

-

0,5

-

0,8

1,0

1.2

-

1,5

1.8

-

2,0

-

0,2

0,8

1.3

1,8

Фрезерование блока, мм

-

0,2

-

0,5

-

-

-

0,9

-

-

1,2

-

1,5

1,8

1,8

1,8

1,8

Степень сжатия

8,8

8,9

9,0

9,1

9,2

9,3

9,4

9,5

9,6

9,8

9,8

10,0

10,0

10,5

11,0

11,5

12,0

При фрезеровании головки блока цилиндров происходит смещение установочного угла механизма газораспределения, что необходимо учитывать при его установке. Чем на большую величину произведена фрезеровка головки блока цилиндров, тем на большую величину распределительный вал будет отставать.

Приведем зависимость отставания положения распределительного вала от глубины фрезеровки головки блока цилиндров:

Глубина фрезерования, мм

0,5

0.8

1,0

1,2

1,4

1,6

2,0

3,0

4,0

5,0

Угол отставания распределительного вала, град

0,53

0,83

1,1

1,3

1,6

1,7

2,1

3,2

4,3

5,4

azlk-team.ru

Зрим в корень: сказки про компрессию двигателя

Залегшие кольца или трещина в клапане — значительно более частые причины снижения компрессии, чем износ двигателя.

2

Компрессия — это вульгаризм. Правильно — давление конца такта сжатия. Это давление, которое создается в цилиндре при выключенном зажигании (или без подачи топлива — для дизеля) при положении поршня в верхней мертвой точке. Так вот, многие диагносты по величине замеренной компрессии (прости, наука, за жаргон!) дают заключение: «жив пациент» или «в морг», то есть на капитальный ремонт. По мнению многих продвинутых автомобилистов, компрессия для мотора чуть ли не всё! Но так ли это?

Компрессия и степень сжатия — одно и то же: сказка первая

Нет, не так! Компрессия — это давление в цилиндре, степень сжатия — безразмерный параметр, описывающий геометрические параметры цилиндра: это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия (камера сжатия — это объем пространства над поршнем при его положении в ВМТ (еще он называется объемом конца сжатия — это то же самое). Называть ее камерой сгорания некорректно, поскольку сгорание топлива происходит во всем объеме цилиндра.) Компрессия от степени сжатия зависит, а степень сжатия от компрессии — нет! Компрессия зависит еще от кучи параметров: давления начала сжатия, регулировки фаз газораспределения, температуры, при которой проводится замер, протечек из камеры сгорания. А протечки определяются изношенностью колец и цилиндров. «Компрессия» — то максимальное давление, которое мы измеряем в цилиндре при выключенном зажигании.

1 no copyright

Поднял компрессию — увеличил мощность: сказка вторая

Не совсем так. Компрессию можно поднять двумя способами — увеличить степень сжатия или уменьшить протечки из камеры сгорания. Посмотрим, что будет в каждом случае: в нашем распоряжении стенд. Для начала уменьшим объем камеры сжатия. Проще всего для этого прошлифовать нижнюю плоскость головки цилиндров. У базового мотора «одиннадцатого» ВАЗа рабочий объем цилиндра чуть больше 370 кубиков. При штатной степени сжатия 9,8 объем камеры сжатия составит 42,6 см³. Можно посчитать, что, сняв 2 мм с посадочной поверхности головки блока цилиндров, мы уменьшаем объем камеры сжатия на 5,1 см³. Новая степень сжатия составит 11 единиц, то есть на 1,2 выше, чем у базового мотора. А теперь, просто из интереса, уберем еще 2 мм. Степень сжатия возрастает уже до 12,6. В учебнике находим нужную формулу и получаем: термический КПД цикла поршневого двигателя теоретически должен вырасти в первом случае минимум на 4%, во втором — на 9%. Здорово! А теперь ставим эти головки на стендовый мотор и снимаем моментные характеристики. Снижение расхода топлива существенно меньше, чем обещала теория, — на 2,5% в первом случае и на 4,5% во втором. Причем эффект более выражен в зоне малых нагрузок. Прибавка мощности еще меньше: от силы 2–3%, причем в зоне малых и средних оборотов. А на высоких — никакого эффекта... Все ясно: с увеличением степени сжатия резко растет давление в цилиндре, этот рост провоцирует детонацию, ее ловит соответствующий датчик — и сдвигает угол опережения зажигания назад. Следовательно, мощность падает. А потому и теоретический эффект существенно уменьшается. Зато растут температуры на выпуске, — стало быть, риск пожечь клапаны и поршни с таким мотором значительно выше. Способ второй — уменьшаем протечки. Пойдем от обратного: сравним, что станет с моментной характеристикой, если заменить кольца такими, чтобы зазоры в них стали больше, скажем, раза в два. Сделали. Для нового мотора — всё нормально, для всех цилиндров компрессия 13,2...13,4 бар. Для испорченного кольцами с большими зазорами — 10,8...11,1. А что показали замеры мощности? В зоне малых оборотов мощность испорченного мотора чуть-чуть упала, но когда перешли 2500 об/мин, кривые момента практически слились. Всё потому, что протечки из камеры сгорания в картер, которые должны бы снизить мощность, заметны только на малых оборотах, а на высоких их масса за один цикл резко падает, ведь с уменьшением времени цикла при увеличении частоты вращения коленчатого вала уменьшается и время на протечку. Компрессия резко выросла, а мощность — нет. Вместе с компрессией проснулась детонация, и угол опережения зажигания пришлось сдвигать назад. А он влияет на мощность сильнее.

2 no copyright

Нет компрессии — сразу на капиталку: сказка третья

Обычно механик, обнаруживший низкую компрессию, тут же заявляет: «Двигатель изношен, требуется капиталка». Так ли все однозначно? Нет, конечно! На спор можем назвать двадцать возможных причин снижения компрессии. Тут и проблемы с механизмом газораспределения, и механические или термические повреждения деталей двигателя, и закоксованность поршневых колец. И только одна из них будет связана с катастрофическим износом мотора. Важно уметь различать эти причины, понимать степень их опасности и знать методы борьбы с ними. Но это — тема отдельной статьи.

Чем выше компрессия, тем лучше: сказка четвертая

Частенько от апологетов разных присадок приходится слышать, как подпрыгнула компрессия после очередной обработки мотора. Рост до 15 бар, до 17 бар! Но надо иметь в виду, что в нормальном состоянии, даже восстановив зазоры до состояния нового двигателя, компрессию выше штатной не получить. Откуда же цифры? Обычно на разобранном двигателе видно, что камера сгорания после обработки заросла непонятно чем и, как следствие, уменьшился объем камеры сжатия. Но эти отложения нарушают теплоотвод от камеры сгорания. Отсюда детонация, калильное зажигание и прочее. Так что небывалому росту компрессии не радоваться надо, а наоборот. Изменение удельного расхода топлива при фиксированных оборотах (2500 об/мин) в двух вариантах двигателя — базовом и с кольцами, в которых увеличены зазоры. Компрессия упала, но по расходу это заметно только при малых нагрузках.

3 no copyright

И совсем не сказка...

Так на что же влияет компрессия? На многое! Главное — на пусковые свойства мотора, особенно при низких температурах. В первую очередь это касается дизельных двигателей, где от давления и температуры конца сжатия зависит, воспламенится топливо в цилиндре или нет. Но и бензиновые двигатели в холодном состоянии тоже чувствительны к изменению компрессии: она влияет на испаряемость топлива, которое при холодном пуске только теоретически должно испаряться по пути в цилиндр. А реально — попадает туда в виде негорючих жидких капель. Сниженная компрессия повышает давление картерных газов. В этом случае через систему вентиляции на впуск двигателя летит больший объем паров масла. Плохо это: и токсичность растет, и темп загрязнения камеры сгорания резко увеличивается. Неравномерная по цилиндрам компрессия вызывает вибрации двигателя, особенно ощутимые на холостом ходу и при малых оборотах. А это, в свою очередь, вредит и трансмиссии, и подвеске мотора. Да и самому водителю. Словом, роль компрессии как диагностического признака, во многом характеризующего состояние двигателя, очень велика. И наши «сказки» никоим образом не призывают махнуть на нее рукой — наоборот! Но стремление к безудержному ее повышению в поисках дополнительных «лошадок» — дело в целом бесперспективное.

www.zr.ru

Степень сжатия дизельного двигателя

В любом автомобиле двигатель является очень сложной системой, и дизельный не исключение. Они состоят из различных механизмов и сложных систем.Когда происходит взаимодействие всех систем и механизмов, в двигателе образуется энергия, которая преобразуется во время сгорания смеси, образуемой из воздуха и топлива  и далее кривошипно-шатунный механизм преобразует поступательно-возвратное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Содержание:

  1. Что такое степень сжатия дизельного двигателя
  2. Принцип работы
  3. Разница степени сжатия бензинового и дизельного двигателей

Что такое степень сжатия дизельного двигателя

Степенью сжатия является соотношение между полным объемом цилиндра, когда поршень располагается в нижней мертвой точке (НМТ) и объемом камеры сгорания во время достижения поршнем верхней мёртвой точки (ВМТ).

Такое соотношение показывает разницу в давлении, которое образуется в цилиндре мотора при попадании в него топлива. В документах, которые идут вместе с двигателем, такое соотношение указывается при помощи математических расчетов, например 18:1. Наилучшая степень сжатия в таком двигателе располагается в диапазоне от 18:1 до 22:1.

Принцип работы

В дизельных моторах в процессе сжатия, то есть когда происходит движение поршня к ВМТ, происходит очень быстрое сокращение объёма цилиндра. В итоге в камере сгорания располагается только воздушная масса, именно она сжимается, такой процесс носит название такт сжатия.Когда к ВМТ подходит поршень, сжатие воздуха происходит на необходимую степень, происходит подача топлива в камеру сгорания под высоким давлением.

Топливо-воздушная смесь при образованном высоком давлении мгновенно воспламеняется и создает повышенное давление в камере, поршень в такой момент как раз проходит ВМТ. Одним из преимуществ дизеля является то, что смесь возгорается только от давления, нет необходимости в сложной и высокоточной системе зажигания. Но роз без шипов не бывает — обратной стороной повышенного давления является особое внимание к герметизации соединений и наличие топливного насоса высокого давления (ТНВД), штуки прецизионной и очень капризной. В процессе сгорания смеси образуется сильное давление, которое начинает давить на поршень и вести его к НМТ. При помощи шатуна все поршневые движения преобразуются во вращение коленчатого вала.

Процесс образования давления при возгорании смеси, которое заставляет передвигаться поршень к НМТ, носит название рабочий ход.Степень сжатия играет особую роль в такте сжатия. Чем больше степень, тем быстрее и легче воспламеняется смесь, которая полностью сгорает и образует требуемое давление.

Если степень сжатия дизельного двигателя имеет высокий показатель, то она будет создавать высокую мощность при низком заборе топлива. Но у них степень сжатия способна варьироваться в оптимальном диапазоне, который нарушать не стоит, и это не просто так:

  • Если образовалась степень сжатия ниже допустимого диапазона, то значительно понижается мощность показателя, а объем потребляемого топлива начнет расти;
  • Если образовалась степень сжатия выше необходимого диапазона, то образуется сильная нагрузка на цилиндры и поршни, в результате они быстро изнашиваются.
  • Если произошло сильное увеличение степени сжатия, поршень начинает прогорать, а шатун изгибаться.

Зафиксированы случаи, когда при сильном повышении сжатия происходил взрыв всей системы без возможности ее восстановления.

Разница степени сжатия бензинового и дизельного двигателей

Степень сжатия и количество расхода топлива считаются основными показателями в обоих видах двигателей. Так как между сжатием и мощностью существует прямая зависимость.

В двигателях на бензине показатель сжатия находится на отметке 12 единиц, а у дизельных моторов данное число варьируется от 13 до 25 единиц.Показателем экономичности является удельный расход топлива. Его прямой функцией является определение объема сжигаемого топлива во время работы при мощности 1 кВт за один час.Бензиновые двигатели за час сжигают около 305 граммов топлива, в то время как дизельные всего 200 граммов.К тому же у бензиновых моторов существует один существенный недостаток, у них низкая тяга во время работы на холостых оборотах. Очень часто двигатель глохнет, если совершается попытка движения на низких оборотах. А вот у дизельных двигателей такого недостатка нет.

Степень сжатия в двигателе играет очень важную роль, и за этим показателем рекомендуется следить, чтобы мотор работал долгое время, а основные запчасти не изнашивались за короткое время. Вмешиваться в систему, которая создана производителем, нежелательно, но если такая необходимость возникла, то лучше предоставить это дело специалисту.

avtoshef.com


Смотрите также