Что на самом деле влияет на степень сжатия двигателя?

Меня часто забавляет дискуссия о степени сжатия. Почему двигатель с меньшей степенью сжатия показывает более высокое значение на компрессометре, чем высокопроизводительный двигатель с высокой степенью сжатия? При обсуждении степени сжатия различают номинальную и абсолютную степень сжатия. Номинальная степень сжатия рассчитывается как отношение общего объёма цилиндра в нижней части к общему объёму цилиндра в верхней части. Абсолютный коэффициент сжатия рассчитывается как отношение объёма в точке, где все клапаны закрыты (поскольку двигатель совершает сжатие только тогда, когда все клапаны и/или отверстия закрыты), к объёму цилиндра в верхней центральной точке. Во многих высокопроизводительных двигателях перекрытие клапанов настолько радикальное, что они на самом деле не совершают сжатие так долго, как двигатели с умеренной настройкой. Проблема «пинг» больше зависит от конструкции камеры сгорания, чем от степени сжатия.

Помимо диаметра цилиндра и хода поршня, следует учитывать ещё один фактор — размер пространства над поршнем, когда он находится в верхней мёртвой точке. (это куполообразная область, которую вы видите внутри головки блока цилиндров, когда она снята). Чем меньше это пространство, тем выше степень сжатия, даже если диаметр цилиндра и ход поршня одинаковы.

Подумайте об этом с другой стороны... Допустим, у вас есть поршень, который перемещается из одной крайности в другую, и этот ход занимает 100 куб. см. Это объем. Но в головке блока цилиндров все еще оставалось некоторое дополнительное пространство над поршнем, когда поршень находится в состоянии ВМТ. Допустим, это пространство составляет еще 10 куб. см. Таким образом, общий объем пространства при полностью опущенном поршне составляет 110 куб.см. Ход поршня никогда не будет занимать всё пространство (иначе степень сжатия была бы астрономически высокой).

В этом примере поршень сожмёт весь воздух и газ, которые помещаются в пространство объёмом 110 см³, до объёма всего 10 см³... Соотношение 11:1...

Если бы пространство в головке блока цилиндров было больше, степень сжатия снизилась бы... Например, если бы пространство в головке блока цилиндров составляло 20 см³, а ход поршня по-прежнему составлял бы 100 см³, то поршень сжал бы весь воздух и газ, которые помещаются в пространстве объёмом 120 см³, до объёма всего в 20 см³. 120:20 = 12:2 = соотношение 6:1.

Ещё один интересный фактор, который следует учитывать: несмотря на то, что общий объём в приведённом выше примере составляет 120 см³, поршень всё равно «вытесняет» только 100 см³... Это означает, что в конце такта выпуска, после того как поршень вытолкнет как можно больше сгоревшего (и теперь инертного) газа, в цилиндре всё равно останется 20 см³ сгоревшего инертного газа, а к концу такта впуска поршень втянет 100 см³ чистой топливно-воздушной смеси... Итак, в нижней части такта впуска находится смесь из 100 см³ свежего воздуха и газа и 20 см³ старых инертных выхлопных газов... (Суть в том, что, несмотря на наличие 120 см³ пространства, в двигатель может попасть только 100 см³ свежего воздуха и газа, поэтому мы всегда говорим о рабочем объёме, а не об общем объёме).

Внимание, читатель: я не инженер и не конструктор двигателей. Я просто много читаю.

Вы получили правильные описания статического коэффициента сжатия. Но вы сформулировали вопрос так, что он касается преждевременного воспламенения и того, как на него влияют конфигурации с недостаточным или избыточным давлением, а также качество топлива. К сожалению, никто не сможет ответить на ваши вопросы так, чтобы вы остались довольны.

Большинство людей указывают на рассчитанный статический CR как показатель потребности в топливе и склонности двигателя к писку, стуку, дребезжанию до смерти. Это эмпирическое правило, которое раньше было верно для большинства применений. Двигатели сейчас не те, что были в те времена. Гораздо больше известно о потоке воздуха и расходе топлива, а также о том, как их контролировать. Существуют программы, которые графически отображают завихрения, водовороты и траектории воздушных потоков, а также распространение фронта пламени в динамических условиях.

Моя Fiesta ST с двигателем 1,6 л и турбонаддувом выдает 190 л. с. При легкой настройке ЭБУ и без других изменений мощность составит более 200 л. с. При минимальных изменениях мощность составит более 240 л. с. Опытные тюнеры добиваются мощности более 300 л. с. при значительных изменениях. У EcoTech 1.6 статическая степень сжатия 10,5:1.

Всего десять лет назад двигатели Top Fuel выдавали 1000 лошадиных сил на цилиндр. Сегодня этот показатель составляет 1388 лошадиных сил на цилиндр. Такой ошеломляющий уровень мощности достигается при статическом коэффициенте сжатия 6,5:1.

Нельзя однозначно сказать, что конкретный статический коэффициент сжатия приведёт к x, y или z. Вам нужно больше информации, чтобы понять особенности двигателя. Я читал о тюнингованных двигателях Honda, которые можно использовать на дорогах с расчётным статическим коэффициентом сжатия 16:1.

Помимо статического коэффициента сжатия, существует также динамический коэффициент сжатия. В то время как статический коэффициент сжатия можно определить, измерив объёмы в верхней и нижней мёртвых точках, для определения динамического коэффициента сжатия требуется знать несколько других параметров. Время открытия клапанов и скорость поршня, пожалуй, являются наиболее важными факторами, определяющими динамический коэффициент сжатия. Но есть и другие факторы, в том числе температура и атмосферное давление.

Даже при обсуждении преждевременного воспламенения в двигателях с увеличенным или уменьшенным ходом поршня необходимо учитывать не только диаметр цилиндра и ход поршня. Какой длины шатуны? Каков зазор для охлаждения? Купольные поршни? Максимальная скорость поршня? Форма камеры сгорания? Расположение свечи зажигания? Многоклапанный механизм? Характеристики обратного хода и продувки выхлопных газов? Длина впускных каналов?

Чтобы лучше понять, что такое преждевременное зажигание и как оно связано с фазами газораспределения, моментом зажигания, соотношением A/F, формой поршня и купола, VE, BSFC, импульсами давления, продувкой и так далее, прочтите всё, что сможете найти по этой теме. Мне особенно нравятся статьи The Old One. Просто загуглите theoldone. Energy Dynamics — это самый первый сайт. Но я вас предупреждаю: для тех, кто увлекается механикой, этот сайт — как магазин сладостей.

Я всегда считал, что чем менее «квадратным» (или более «неквадратным») является двигатель мотоцикла, тем выше может быть степень сжатия.

Чтобы сохранить тот же объём цилиндра, при меньшем диаметре цилиндра потребуется больший ход поршня, поэтому расстояние между верхней мёртвой точкой (ВМТ) и нижней мёртвой точкой (НМТ) будет больше.

Однако это не обязательно означает более высокий коэффициент сжатия (CR):

CR = ( V_L + V_H ) / V_L

где V_L = объём цилиндра при верхней мёртвой точке, V_H = диаметр цилиндра * ход поршня

Таким образом, объём цилиндра в верхней мёртвой точке также влияет на степень сжатия, а не только ход поршня (который влияет на V_H).

Считается, что чем выше степень сжатия, тем выше должен быть октановый показатель топлива. Но разве это по-прежнему актуально с учётом всей нашей продвинутой электроники EFI и регулировки угла опережения зажигания?

С системой впрыска топлива или без неё, топливо есть топливо; физика самовоспламенения не меняется. В случае с бензиновыми двигателями детонация остаётся проблемой, поэтому существует ограничение на степень сжатия бензинового двигателя.

Проще говоря, степень сжатия двигателя — это отношение объёма цилиндра, в котором поршень находится в нижнем положении (позиции 1 и 4 на рисунке ниже), к объёму того же цилиндра, в котором поршень находится в верхнем положении (позиции 2 и 3 на рисунке ниже).

Таким образом, объём цилиндра при нижнем положении поршня — это объём топлива и воздуха, который может поступить в цилиндр (на такте впуска).

Затем эта смесь сжимается до гораздо меньшего объёма (во время такта сжатия) перед воспламенением, и этот объём равен объёму цилиндра при положении поршня вверху.

Соотношение 2 — это насколько сжимается топливно-воздушная смесь. Обычно в 9–10 раз.

Теперь о показателях октанового числа. Проще говоря, октановое число топлива — это его способность противостоять тому, что мы называем детонацией, то есть когда топливо начинает сгорать само по себе из-за того, что оно было слишком сильно сжато и нагрелось. При более высокой степени сжатия топливно-воздушная смесь сжимается сильнее и нагревается (это свойство газов).

Все, что делают электронные системы управления двигателем в случае детонации, которая означает, что вы используете неподходящее топливо, — это корректируют фазы газораспределения и состав топливно-воздушной смеси, чтобы избежать детонации. Но это не волшебство: состав топливно-воздушной смеси не будет оптимальным для двигателя, как и фазы газораспределения. Двигатель будет выдавать меньше мощности, если вы используете неподходящее топливо, а система управления двигателем будет делать свое дело.