Степень сжатия

Информацию о степени сжатия при сжатии данных см. в разделе «Коэффициент сжатия данных» .

Статическая степень сжатия определяется по объему цилиндра, когда поршень находится в верхней и нижней части своего хода.

Степень сжатия — это соотношение объема цилиндра и камеры сгорания в двигателе внутреннего сгорания при их максимальном и минимальном значениях.

Фундаментальная характеристика таких двигателей. Она измеряется двумя способами: статическая степень сжатия , рассчитываемая на основе объема цилиндра, когда поршень находится в нижней части своего хода , и объема цилиндра, когда поршень находится в верхней части. его хода .

Степень динамического сжатия — это более сложный расчет, который также учитывает газы, входящие и выходящие из цилиндра во время фазы сжатия.

Эффект и типичные соотношения

Высокая степень сжатия желательна, поскольку она позволяет двигателю извлекать больше механической энергии из заданной массы топливовоздушной смеси благодаря более высокому термическому КПД . Это происходит потому, что двигатели внутреннего сгорания являются тепловыми двигателями , а более высокие степени сжатия позволяют достичь той же температуры сгорания с меньшим количеством топлива, обеспечивая при этом более длительный цикл расширения, создавая большую выходную механическую мощность и снижая температуру выхлопных газов.

Бензиновые двигатели

В бензиновых двигателях, используемых в легковых автомобилях в течение последних 20 лет, степень сжатия обычно находится в диапазоне от 8:1 до 12:1. В нескольких серийных двигателях использовались более высокие степени сжатия, в том числе:

• Автомобили 1955–1972 годов выпуска, рассчитанные на высокооктановый этилированный бензин , допускавший степень сжатия до 13:1.
• Некоторые двигатели Mazda SkyActiv, выпущенные с 2012 года, имеют степень сжатия до 16:1. Двигатель SkyActiv достигает такой степени сжатия при использовании обычного неэтилированного бензина (с октановым числом 95 в Великобритании) за счет улучшенной очистки выхлопных газов (что обеспечивает максимально низкую температуру в цилиндре перед тактом впуска) в дополнение к прямому впрыску.
• Двигатель Toyota Dynamic Force имеет степень сжатия до 14:1.
• 2014 года Ferrari 458 Speciale также имеет степень сжатия 14:1.

При принудительной индукции (например, турбокомпрессора или нагнетателя использовании ) степень сжатия часто ниже, чем в двигателях без наддува . Это происходит из-за того, что турбокомпрессор или нагнетатель уже сжали воздух до того, как он попадет в цилиндры. Двигатели, использующие впрыск топлива в порт, обычно имеют более низкое давление наддува и / или степень сжатия, чем двигатели с прямым впрыском , поскольку впрыск топлива в порт вызывает совместный нагрев топливовоздушной смеси, что приводит к детонации. И наоборот, двигатели с непосредственным впрыском могут работать с более высоким наддувом, поскольку нагретый воздух не будет детонировать без присутствия топлива.

Более высокие степени сжатия могут привести к детонации бензиновых (бензиновых) двигателей (также известной как «детонация», «раннее зажигание» или «звон»), если используется топливо с более низким октановым числом. Это может снизить эффективность или повредить двигатель, если датчики детонации отсутствуют для изменения угла опережения зажигания.

Дизельные двигатели

В дизельных двигателях используется более высокая степень сжатия, чем в бензиновых двигателях, поскольку отсутствие свечи зажигания означает, что степень сжатия должна повысить температуру воздуха в цилиндре настолько, чтобы воспламенить дизельное топливо с помощью воспламенения от сжатия . Степень сжатия часто составляет от 14:1 до 23:1 для дизельных двигателей с непосредственным впрыском и от 18:1 до 23:1 для с непрямым впрыском дизельных двигателей .

При более низком соотношении 14:1 выбросы NOx снижаются за счет более сложного холодного запуска. В Mazda Skyactiv-D , первом подобном коммерческом двигателе 2013 года, помимо других технологий для облегчения холодного запуска использовались адаптивные топливные форсунки.

Другое топливо

Степень сжатия может быть выше в двигателях, работающих исключительно на сжиженном нефтяном газе (СНГ или «пропан-автогаз») или сжатом природном газе из-за более высокого октанового числа этих видов топлива.

Керосиновые двигатели обычно используют степень сжатия 6,5 или ниже. Бензин -парафиновый двигатель трактора Ferguson TE20 имел степень сжатия 4,5:1 для работы на тракторном испаряющемся масле с октановым числом от 55 до 70.

Двигатели для автоспорта

Двигатели автоспорта часто работают на высокооктановом бензине и поэтому могут использовать более высокие степени сжатия. Например, в двигателях для гонок на мотоциклах степень сжатия может достигать 14,7:1, а мотоциклы со степенью сжатия выше 12,0:1 обычно предназначены для топлива с октановым числом 95 или выше.

Этанол и метанол могут иметь значительно более высокие степени сжатия, чем бензин. Гоночные двигатели, сжигающие метанол и этанол, часто имеют степень сжатия от 14:1 до 16:1.

Математическая формула

В поршневом двигателе степень статического сжатия ( $\mathrm {CR}$) представляет собой соотношение между объемом цилиндра и камеры сгорания, когда поршень находится в нижней части своего хода , и объемом камеры сгорания, когда поршень находится в верхней части своего хода . Поэтому он рассчитывается по формуле $$\mathrm {CR} ={\frac {V_{d}+V_{c}}{V_{c}}}$$

где

• $V_{d}$ - объем смещения. Это объем внутри цилиндра, перемещаемый поршнем от начала такта сжатия до конца такта.
• $V_{c}$ - это объем клиренса. Это объем пространства в цилиндре, оставшийся в конце такта сжатия.

$V_{d}$ можно оценить по формуле объема цилиндра : $$V_{d}={\tfrac {\pi }{4}}b^{2}s$$

где

• $b$ ( диаметр цилиндра диаметр )
• $s$ длина поршня хода ​

Из-за сложной формы $V_{c}$ обычно его измеряют напрямую. Часто это делается путем заполнения цилиндра жидкостью и последующего измерения объема использованной жидкости.

Двигатели с переменной степенью сжатия

Основная статья: Переменная степень сжатия

Большинство двигателей используют фиксированную степень сжатия, однако двигатель с переменной степенью сжатия может регулировать степень сжатия во время работы двигателя. Первый серийный двигатель с изменяемой степенью сжатия был представлен в 2019 году.

Переменная степень сжатия — это технология регулирования степени сжатия двигателя внутреннего сгорания во время работы двигателя. Это сделано для повышения эффективности использования топлива при различных нагрузках. Двигатели с переменной степенью сжатия позволяют изменять объем над поршнем в верхней мертвой точке.

Более высокие нагрузки требуют более низких передаточных чисел для увеличения мощности, тогда как более низкие нагрузки требуют более высоких передаточных чисел для повышения эффективности, то есть для снижения расхода топлива. При использовании в автомобилях это необходимо делать, когда двигатель работает в зависимости от нагрузки и требований движения.

2019 года Infiniti QX50 — первый коммерчески доступный автомобиль, в котором используется двигатель с переменной степенью сжатия.

Динамическая степень сжатия

Обсуждаемая выше статическая степень сжатия , рассчитанная исключительно на основе объемов цилиндра и камеры сгорания, не учитывает газы, входящие или выходящие из цилиндра во время фазы сжатия. В большинстве автомобильных двигателей закрытие впускного клапана (который герметизирует цилиндр) происходит во время фазы сжатия (т.е. после нижней мертвой точки , НМТ), что может привести к выталкиванию некоторых газов обратно через впускной клапан. С другой стороны, настройка впускного отверстия и продувка могут привести к тому, что в цилиндре окажется большее количество газа, чем можно предположить по статическому объему. Коэффициент динамического сжатия учитывает эти факторы.

Степень динамического сжатия выше при более консервативном моменте впускного распредвала (т.е. вскоре после НМТ) и ниже при более радикальном моменте впускного распредвала (т.е. позже после НМТ). Несмотря на это, степень динамического сжатия всегда ниже степени статического сжатия.

Абсолютное давление в цилиндре используется для расчета степени динамического сжатия по следующей формуле: $$P_{\text{cylinder}}=P_{\text{atmospheric}}\times {\text{CR}}^{\gamma }$$где $\gamma$ — политропная величина отношения удельных теплоемкостей дымовых газов при существующих температурах (это компенсирует повышение температуры, вызванное сжатием, а также потери тепла в цилиндре)

В идеальных (адиабатических) условиях коэффициент теплоемкости будет равен 1,4, но используется более низкое значение, обычно от 1,2 до 1,3, поскольку количество потерь тепла будет различаться в зависимости от двигателя в зависимости от конструкции, размера и используемых материалов. Например, если степень статического сжатия составляет 10:1, а степень динамического сжатия — 7,5:1, полезное значение давления в цилиндре будет равно 7,5. ^1.3 × атмосферное давление, или 13,7 бар (относительно атмосферного давления).

Две поправки на степень динамического сжатия влияют на давление в цилиндре в противоположных направлениях, но не с одинаковой силой. Двигатель с высокой статической степенью сжатия и поздним закрытием впускного клапана будет иметь степень динамического сжатия, аналогичную двигателю с более низкой степенью сжатия, но более ранним закрытием впускного клапана.

См. также

• Среднее эффективное давление