Що таке ступінь стиснення двигуна

В статті:

• Що називається ступенем стиснення і в чому відмінність від компресії
• Плюси та мінуси великого ступеня стиснення
• Чи можливо підвищити ступінь стиснення
• Розточування циліндрів
• Доробка ГБЦ
• Вимірювання об'єму камери згоряння
• Дефорсування

Однією з важливих конструктивних характеристик поршневого двигуна внутрішнього згоряння є ступінь стиснення. Цей параметр впливає потужність мотора, з його ККД, і навіть витрата пального. Тим часом мало хто має вірне уявлення про те, що ж мається на увазі під ступенем стиснення. Багато хто вважає, що це просто синонім компресії. Хоча остання пов'язана зі ступенем стиснення, але це зовсім різні речі.

Що називається ступенем стиснення і в чому відмінність від компресії

Щоб розібратися з термінологією, потрібно уявляти, як влаштований циліндр силового агрегату, і розуміти принцип функціонування ДВЗ. Горюча суміш упорскується в циліндри, потім її стискає поршень, що рухається від нижньої мертвої точки (НМТ) до верхньої (ВМТ). Стиснута суміш у деякий момент поблизу ВМТ спалахує і згоряє. Газ, що розширюється, виконує механічну роботу, виштовхуючи поршень у зворотний бік — до НМТ. Сполучений із поршнем шатун впливає на колінвал, змушуючи його обертатися.

Простір, обмежений внутрішніми стінками циліндра від НМТ до ВМТ є робочим об'ємом циліндра. Математично формула робочого об'єму одного циліндра виглядає так:

Vₐ = πr²s

де r — радіус внутрішнього перерізу циліндра;

s — відстань від ВМТ до НМТ (довжина робочого ходу поршня).

Коли поршень доходить до ВМТ, над ним залишається ще певний простір. Це і є камера згоряння. Форма верхньої частини циліндра буває складною та залежить від конкретної конструкції. Тому виразити обсяг Vₑ камери згоряння якоюсь однією формулою неможливо.

Очевидно, що загальний об'єм циліндра Vₒ дорівнює сумі робочого об'єму та об'єму камери згоряння:

Vₒ = Vₐ+Vₑ

А ступінь стиснення - це відношення загального об'єму циліндра до об'єму камери згоряння:

ε = (Vₐ+Vₑ)/Vₑ

Ця величина безрозмірна і фактично вона характеризує відносну зміну тиску з моменту впорскування суміші в циліндр і до моменту займання.

З формули видно, що підвищити ступінь стиснення можливо збільшенням робочого об'єму циліндра, або зменшенням об'єму камери згоряння.

У різних двигунів цей параметр може відрізнятися і визначатися типом агрегату і особливостями його конструкції. Величина ступеня стиснення сучасних бензинових ДВЗ знаходиться в межах від 8 до 12, в окремих випадках може сягати 13...14. У дизелів вона дещо вища і досягає 14...18, це пов'язано з особливостями процесу займання дизельної суміші.

А щодо компресії, то це максимальний тиск, який виникає в циліндрі в міру просування поршня від НМТ до ВМТ. Одиницею вимірювання тиску у міжнародній системі СІ є паскаль (Па/Pa). Також широко використовуються такі одиниці виміру, як бар (bar) та атмосфера (ат/at). Співвідношення одиниць таке:

1 ат = 0,98 бар;

1 бар = 100 000 Па

Крім ступеня стиснення на компресію впливають склад горючої суміші та технічний стан мотора, особливо ступінь зношування деталей циліндро-поршневої групи.

Плюси та мінуси великого ступеня стиснення

Зі зростанням ступеня стиснення підвищується тиск газів на поршень, отже, зрештою зростає потужність і підвищується ККД двигуна. Більш повноцінне згоряння суміші призводить до покращення екологічних показників та сприяє більш економному витрачанню пального.

Однак можливості підвищення ступеня стиснення обмежені ризиком виникнення детонації. У цьому процесі повітряно-паливна суміш не згоряє, а вибухає. Корисна робота не відбувається, зате поршні, циліндри та деталі кривошипно-шатунного механізму зазнають серйозних ударних впливів, що призводять до їх швидкого зносу. Висока температура при детонації здатна викликати прогорання клапанів та робочої поверхні поршнів. До певної межі впоратися з детонацією допомагає бензин із вищим октановим числом.

У дизельному моторі детонація теж можлива, але там вона викликається неправильним регулюванням упорскування, нагаром на внутрішній поверхні циліндрів та іншими причинами, не пов'язаними з підвищеним ступенем стиснення.

Чи можливо підвищити ступінь стиснення

Існує можливість форсувати наявний агрегат шляхом збільшення робочого об'єму циліндрів або ступеня стиснення. Але тут важливо не перестаратися і ретельно все прорахувати, перш ніж стрімголов кидатися в бій. Помилки можуть призвести до такої розбалансованості роботи агрегату та детонацій, що не допоможуть ні високооктановий бензин, ні регулювання кута випередження запалювання.

Чи є сенс займатися форсуванням двигуна, що спочатку має високий рівень стиснення. Витрати сил і грошей будуть досить великі, а приріст потужності, швидше за все, виявиться незначним.

Досягти бажаної мети можна двома способами - розточуванням циліндрів, що дозволить зробити робочий об'єм двигуна дещо більшим, або фрезеруванням нижньої поверхні головки блоку циліндрів (ГБЦ).

Розточування циліндрів

Найкращий момент для цього — проведення капітального ремонту двигуна, коли розточувати циліндри доведеться у будь-якому разі.

Перш ніж робити цю операцію, потрібно підібрати поршні та кільця під новий розмір. Ймовірно, нескладно буде знайти деталі під ремонтні розміри для даного двигуна, але це не дасть відчутного приросту робочого об'єму та потужності двигуна, оскільки різниця в розмірах дуже незначна. Краще пошукати поршні та кільця більшого діаметру для інших агрегатів.

Не варто намагатися розточувати циліндри самостійно, оскільки для цього потрібне не лише вміння, а й спеціальне обладнання.

Доробка ГБЦ

Фрезерування нижньої поверхні ГБЦ дозволить зменшити довжину циліндра. Коротше стане саме камера згоряння, яка частково або повністю перебуває в голівці, а отже, зросте ступінь стиснення.

Для підрахункових розрахунків можна прийняти, що зняття шару в чверть міліметра підвищить ступінь стиснення приблизно на одну десяту. Той самий ефект дасть встановлення більш тонкої прокладки ГБЦ. Можна також поєднати одне з одним.

Не забудьте, що доробка голівки потребує точного розрахунку. Це дозволить уникнути надмірного ступеня стиснення та неконтрольованої детонації.

Форсування двигуна таким методом таїть ще одну потенційну проблему - вкорочення циліндра підвищує ризик того, що поршні зустрічатимуться з клапанами.

Крім іншого, доведеться ще й заново регулювати фази газорозподілу.

Вимірювання об'єму камери згоряння

Для обчислення ступеня стиснення необхідно знати об'єм камери згоряння. Складна внутрішня форма не дає практичної можливості математично розрахувати її обсяг. Проте є досить простий спосіб його виміряти. Для цього поршень потрібно встановити у верхню мертву точку і за допомогою шприца об'ємом приблизно 20 см вливати масло або іншу відповідну рідину через отвір для свічки запалювання до повного заповнення. Порахуйте скільки кубиків ви влили. Це буде обсяг камери згоряння.

Робочий об'єм одного циліндра визначається шляхом розподілу об'єму двигуна на кількість циліндрів. Знаючи обидві величини, можна вважати ступінь стиснення за допомогою наведеної вище формули.

Дефорсування

Така операція може знадобитися, наприклад, для переходу на більш дешевий бензин. Або потрібно зробити відкат у разі невдалого форсування двигуна. Тоді для повернення на вихідні позиції знадобиться потовщена прокладка ГБЦ або нова головка. Як варіант використовувати дві звичайні прокладки, між якими можна помістити алюмінієву вставку. У результаті камера згоряння збільшиться, а рівень стиснення знизиться.

Інший спосіб полягає у знятті шару металу з робочої поверхні поршнів. Але такий метод буде проблематичним, якщо робоча поверхня (днище) має опуклу або увігнуту форму. Складна форма днища поршня часто робиться для оптимізації процесу згоряння суміші.

На старих карбюраторних двигунах дефорсування не викликає проблем. Але електронне управління сучасних інжекторних двигунів після такої процедури може помилятися у регулюванні кута випередження запалення, і тоді при використанні низькооктанового бензину можливе виникнення детонації.