Что такое такое степень сжатия двигателя и на что она влияет

От величины сжатия зависит термический КПД двигателя. Но с ростом степени повышается и риск детонации, поэтому при форсировке и капитальном ремонте следует уделить время расчетам. Давайте рассмотрим, как увеличить степень сжатия двигателя, взаимосвязь компрессии и степени, и чем примечателен двигатель цикла Миллера-Аткинсона.

Как связаны степень сжатия и компрессия двигателя?

Степень сжатия в цилиндрах мотора – величина абсолютная и рассчитывается математически. На практике это соотношение отображает коэффициент сжатия поступившей в цилиндр топливной смеси на такте впуска. Понятие компрессии означает пиковое давление в камере сгорания в конце такта сжатия и может быть измерено практически. Компрессия хоть и является производной от степени сжатия, но зависит от многих факторов:

• герметичность цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) и клапанного механизма;
• мощность стартера, состояние АКБ и качество контактов, влияющее на количество оборотов стартера.

Форсирование двигателя путем увеличения степени сжатия

Чем выше степень, тем горячее воздух в конце такта сжатия и тем выше КПД двигателя. Но повышение одного параметра не гарантирует линейное возрастание второго. Наибольший прирост мощности ощущается при повышении степени до 10-11 единиц.

К примеру, увеличив степень сжатия стандартного ВАЗовского мотора с 9.8 до 11, мы в теории получаем прирост термического КПД на 4%. Тест на стенде при этом покажет куда более скромное значение – 2,5%. Повысив степень сжатия того же мотора еще на единицу, мы получим фактическую прибавку в 4.5%. Моментная характеристика возрастет главным образом на низких и средних оборотах. Дальнейшее увеличение степени сжатия без перехода на высокооктановое спортивное топливо и вовсе не даст результат.

Причина такого явления — в детонации, которая возникает в случае слишком высокого пикового давления в камере сгорания. При контакте с разогретым воздухом в таком случае смесь самовоспламеняется еще до момента подачи искры. При этом фронт пламени распространяется со скоростью более 2000 м/с, тогда как значение при нормальном сгорании не превышает 250-300 м/с.

Ударная волна такой силы оказывает разрушительное давление на цилиндры, стенки камеры сгорания, поршни. Также значительно повышается температура выхлопных газов, что приводит к прогоранию днища поршня, клапанов.

Поэтому тюнинг со сжатием следует проводить после точного математического расчета и с прицелом на октановое число бензина.

Основные методы увеличения

1. Уменьшение толщины ГБЦ, БЦ. С привалочной плоскости головки и блока методом фрезеровки либо шлифовки снимается слой металла и уменьшается объем камеры сгорания.
2. Установка поршней с выпуклостями. Цель, как и в предыдущем методе – уменьшение объема камеры сгорания.
3. Увеличение хода поршня за счет установки другого коленчатого вала, шатунов.

Как работает двигатель с изменяемой степенью сжатия?

До недавнего времени показатель степени закладывался инженерами на этапе разработки и был фиксированным вне зависимости от режима работы двигателя. Нормальное значение для современных бензиновых моторов варьируется от 8 до 14 единиц, традиционно высокая степень сжатия у дизельных моторов – 18-23.

Ужесточение экологических норм заставляет гениев инженерной мысли искать новые пути увеличения термического КПД. Одно из таких решений – двигатель с изменяемой степенью сжатия. Было разработано несколько вариантов динамического изменения степени:

• дополнительная секция в полости ГБЦ. Открытие секции позволяет увеличить объем камеры сгорания, уменьшая тем самым степень. Система не получила распространения из-за избыточного усложнения конструкции ГБЦ;
• поршни с изменяемой высотой. Конструкция получилась слишком громоздкой, появились проблемы с перекосом поршней и уплотнением ЦПГ;
• регулировка высоты подъема коленчатого вала. Изменение степени сжатия осуществляется за счет специальных эксцентриковых муфт, которые регулируют высоту опорных подшипников коленвала. Технология долгое время тестировалась концерном VAG, но так и не вошла в серию;
• регулировка высоты поднятия ГБЦ. Специальный механизм с электроприводом и шарнирное соединение частей блока двигателя позволяли регулировать степень от 8 до 14 единиц. Разрабатывалась технология инженерами SAAB, но из-за ненадежности резинового кожуха, герметизирующего подвижные части блока, и излишней сложности конструкции также не пошла в серию;

• шатун с изменяемой длиной. Высота шатуна регулировалась специальным реечным механизмом с помощью давления масла. Как и в предыдущих случаях, разработка французских инженерах не была внедрена в массовое производство;

• траверсный механизм сочленения шатуна с коленчатым валом. За счет изменения угла поворота траверсы уменьшается либо увеличивается ход поршня. Разработка инженеров Infiniti используется на двухлитровом моторе VC-T, который сейчас устанавливается на кроссовер QX50. Двигатель развивает максимальную мощность в 268 л.с. и пиковый крутящий момент 380 Нм.

Цикл Миллера-Аткинсона

Большую известность цикл Миллера-Аткинсона получил благодаря рекламным брошюрам компании Mazda. Маркетологи гордо заявляют, что инженерам удалось поднять степень сжатия двигателей модели Skyactive до 14 единиц. На самом деле речь идет о геометрической степени сжатия, а не о фактической.

Трюк заключается в том, что во время поднятия поршня на такте сжатия выпускные клапаны еще долгое время открытые, из-за чего часть свежего воздушного заряда выталкивается в выхлопной тракт. Поэтому фактическая степень близка к стандартным для бензиновых моторов 12 единицам. Увеличение термического КПД при этом достигается за счет более эффективного использования энергии расширяющихся газов на такте рабочего хода. За счет большего хода (увеличен диаметр кривошипа) газы дольше давят на поршень. Поэтому при сгорании одной и той же доли топлива, в сравнении с обычным циклом Отто, на коленчатый вал передается больший крутящий момент. Технология позволяет в режимах малых и средних нагрузок значительно уменьшить расход топлива и количество вредных выбросов.

Математический расчет

Степень сжатия двигателя внутреннего сгорания равняется объему камеры сгорания к рабочему объему цилиндра и рассчитывается по формуле (V + C)/C = CR, где

• V — объем цилиндра, когда поршень находится в нижней мертвой точке (НМТ). Для расчета необходимо сумму объемов всех цилиндров (указывается в технической характеристике ДВС) разделить на количество котлов;
• С — объем камеры сгорания, когда поршень в верхней мертвой точке (ВМТ). Включает в себя объем полости ГБЦ, прокладки ГБЦ и выемок в цилиндре. Если поршень имеет выпуклость, ее объем отнимается от общего объема камеры сгорания.

Вычислить степень сжатия математически довольно непросто из-за сложной геометрической формы камеры сгорания. Поэтому на практике применяются 2 основные методы вычисления.

Видео:Как измерить степень сжатия правильно.

Практический расчет методом проливки

Суть измерения заключается в поочередном заполнении жидкостью площади над поршнем, когда тот находится в верхней мертвой точке, и стенок камеры сгорания ГБЦ. Для измерения нам необходим кусок оргстекла, в котором будут пропилены отверстия для вкручивания болтов ГБЦ и отверстие для заливки жидкости. Между оргстеклом и блоком необходимо установить уже использованную (обжатую) прокладку. Стенки цилиндров для увеличения гидроплотности необходимо смазать густой консистентной смазкой (литиевой либо обычным солидолом).

Притянув оргстекло болтами, заполните образовавшейся объем жидкостью. Объем поместившейся воды будет соответствовать объему надпоршневого пространства. Аналогичный тест проводится и с головкой блока. При этом клапана должны быть притерты, между седлами и тарелками нанесена консистентная смазка. Сумма объема залитых жидкостей и будет объемом камеры сгорания.

Чтобы рассчитать степень сжатия на онлайн-калькуляторе , также будет необходимо измерить величину хода поршня и диаметр цилиндра. Все эти значения помогут вычислить объем двигателя, который изменяется при каждой фрезеровке плоскостей БЦ, ГБЦ, установке поршней иной геометрической формы, расточки цилиндров либо установке других шатунов, коленчатого вала.

Можно ли рассчитать степень, измерив компрессию?

Компрессия напрямую зависит не только от понятия степени сжатия двигателя, но и от природы сжимаемого газа и условий в камере сгорания. На практике зависимость этих параметров выливается в формулу Р = Ро*Ɛƴ, где

• Ро – начальное давление в цилиндре, принимаемое за 1;
• Ƴ – адиабатический показатель для воздуха. В двигателе внутреннего сгорания при сжатии часть тепла отдается стенкам цилиндра, камеры сгорания; происходит утечка части газа через неплотности, а воздух перемешан с частичками топлива, поэтому процесс считается недиабетическим. Показатель политропы при этом равняется не эталонным 1.4, а приближенным к фактическим 1.2.

Все это значит, что, измерив компрессию, мы можем вычислить показатель степени сжатия двигателя. К примеру, при компрессии 15,8 степень сжатия будет близка к 10 единицам. Чтобы уменьшить погрешность, нужно соблюсти все правила измерения компрессии:

1. Свечи должны быть выкручены.
2. Дроссель открыт на 100%.
3. Отключена подача топлива.
4. АКБ должна быть полностью заряжена. При этом емкости должно хватать на измерения компрессии во всех котлах.
5. Стартер должен быть исправен, а на проводах его питания отсутствует значительное падение напряжение из-за окислов.

Разная компрессия в цилиндрах, что делать

Любой двигатель автомобиля, будь то ВАЗ-2109 или модель зарубежного производства, требует периодического проведения диагностики для определения состояния узлов и механизмов. Одним из таких способов является замер компрессии в цилиндрах.

Компрессия – что это и какая она должна быть?

Компрессия – это показатель максимального давления в камере сгорания, которое может создать поршень при достижении ВМТ при такте сжатия.

Замер же этого показателя дает представление о герметичности камеры, которая в свою очередь зависит от состояния ряда элементов – поршня и компрессионных колец, клапанов с седлами, прокладки головки блока, установленного теплового зазора в ГРМ.

Поскольку сама технология проведения замеров компрессии несложная, а данные, полученные в результате ее выполнения, позволяют оценить остаточный ресурс силовой установки и выявить ряд неисправностей, то эта диагностическая операция является достаточно распространенной.

Силовые установки автомобилей хоть и имеют общий принцип построения, но конструктивно они отличаются, что также сказывается и на показателях компрессии.

Для каждого двигателя установлены свои определенные значения максимального давления в камерах сгорания, которые обязательно указываются в тех. документации к авто.

К примеру, для ВАЗ-2106 нормальной считается компрессия в 11 кгс/см кв., а вот для ВАЗ-2110 этот показатель уже составляет 13 кгс/см кв.

Отметим, что необязательно при замере прибор должен показать значения, соответствующие норме. По мере износа узлов двигателя показатели компрессии будут падать.

При этом если они снизятся ниже определенного значения, это будет сигналом крайнего износа ЦПГ силовой установки, и надобности в проведении капитального ремонта.

Также допускается некоторая разбежность в показаниях между цилиндрами. При этом она не должна превышать 1 кгс/см. кв.

То есть, если на ВАЗ-2115 замеры показали, что компрессия в цилиндрах составила в 1-м – 12 кгс, 2-м – 11 кгс, 3-м – 12 кгс, 4-м – 12 кгс, то силовая установка авто будет считаться в рабочем состоянии.

Причины падения компрессии в одном цилиндре

Бывает и так, что в одном из цилиндров произошло падение давления, причем значительно (в некоторых случаях компрессия может снизиться до 3-4 кгс/см кв.).

И такие результаты диагностики – повод беспокоиться, ведь в силовой установке возникли неисправности.

Причинами падения компрессии в одном из цилиндров выше нормы могут стать:

• КОМПРЕССИОННЫЕ КОЛЬЦА . Эти элементы играют одну из самых важных ролей, поскольку в их задачу входит обеспечение герметичности в паре «поршень-цилиндр». Если кольца повреждены (лопнули) или залегли, они начнут пропускать рабочие газы в подпоршневое пространство, из-за чего и происходит значительное падение компрессии;
• КЛАПАНЫ . Через эти элементы производится впуск составляющих горючей смеси и отвод отработанных газов. Но при такте сжатия клапаны закрыты, что обеспечивает герметизацию камеры сгорания. Но если у клапана из-за нарушения процессов горения подгорели кромка тарелки и посадочное седло, или же нарушен тепловой зазор, и он получается немного поджатым, то герметичность камеры не соблюдается, что и сказывается на компрессии;
• ПОРШЕНЬ . Виной падения давления в цилиндре этот элемент становиться редко, но все же бывают ситуации, когда причина кроется именно в нем. В результате все тех же изменений процессов, возможно прогорание днища поршня. Происходит это обычно из-за нарушения угла зажигания. А если поршень прогорел, то герметичности не будет;
• ГОЛОВКА БЛОКА . Хоть и редко, но бывает так, что в камере сгорания появляются трещины и другие дефекты, сказывающиеся на потере компрессии. Также головка может стать причиной потери давления в каком-то цилиндре в случае, если ее повело из-за перегрева. Из-за изменения геометрии, головка в некоторых местах просто не прилегает плотно к прокладке. Даже банальная недостаточная затяжка болтов ГБЦ может сказаться на компрессии;
• ПРОКЛАДКА ГБЦ . Из-за внутренних дефектов или перегрева может произойти пробой этой прокладки. В результате один из цилиндров соединяется с каналом системы охлаждения или смазки, другим цилиндром (в таком случае сильное падение компрессии наблюдается в двух цилиндрах), также пробой может вести наружу из двигателя. Читайте больше про признаки пробитой подкладки ГБЦ.

Также читайте почему не тянет двигатель автомобиля.

Чем и как мерить компрессию?

Как уже было отмечено выше, замер компрессии – операция несложная, и ее запросто можно выполнить в гаражных условиях.

Но для этого понадобиться специальный измерительный прибор – компрессометр.

По сути, это обычный манометр, оснащенный обратным клапаном, а также удлинителем для удобства проведения диагностики (также в комплекте могут идти насадки для работы с разными силовыми установками).

Помимо этого, прибора потребуется также свечной ключ. Самостоятельно провести диагностику не удастся, поэтому нужен еще и помощник.

Как делаются замеры компрессии, рассмотрим на примере автомобиля ВАЗ «Калина».

Последовательность действий для проведения диагностики такова:

1. Прогреваем двигатель до рабочей температуры;
2. Сбрасываем давление в топливной рампе (вытаскиваем предохранитель бензонасоса, а затем снова заводим двигатель, чтобы он выработал остаточный в рампе бензин);
3. Снимаем наконечники свечей зажигания, а также от модуля зажигания;
4. Выкручиваем все свечи;
5. Устанавливаем компрессометр в свечное отверстие цилиндра;
6. Просим помощника выжать педаль газа до упора (обеспечит максимальную подачу воздуха в цилиндр, из-за чего показания будут точнее), а после включить стартер в работу. При этом для получения корректных данных нужно, чтобы в замеряемом цилиндре прошло все 4 такта, то есть нужно провернуть коленчатый вал минимум на 2 оборота;
7. Поскольку компрессометр имеет обратный клапан, то на приборе зафиксируется максимальное значение давления в цилиндре;
8. Записываем или запоминаем полученное значение давления, делаем сброс показаний и переходим к следующему цилиндру.

После проведения замеров во всех цилиндрах, сравниваем данные. Если разбежность в показаниях не превышает 1 кгс/см кв., ставим свечи на место и продолжаем эксплуатацию авто.

Как определить, из-за чего упала компрессия в цилиндре?

Если выявлено, что в одном из цилиндров компрессия ниже нормы, причем значительно следует определить, что именно послужило появлению такой проблемы.

Чтобы более точно установить, из-за чего упал показатель давления в цилиндре, следует провести несколько несложных процедур:

• В цилиндр со сниженной компрессией залить 10-15 гр. моторного масла, после чего провести замер снова. Если показатели улучшились, значит, причина падения кроется в кольцах (они залегли или одно из них лопнуло);
• Снять клапанную крышку и проверить тепловые зазоры клапанов на требуемом цилиндре;
• Внимательно осмотреть двигатель в месте стыка головки с блоком. Если имеется пробой прокладки, ведущий наружу, то будут видны масляные подтеки;
• Вытянуть щуп и оценить состояние масла. Если оно сильно почернело и отчетливо проявляется запах гари, то это может свидетельствовать о пробое прокладки, при котором цилиндр соединен с масляным каналом;
• Собрать двигатель и завести. Затем следует осмотреть расширительный бачок системы охлаждения. Если в нем заметны выходящие пузырьки воздуха, то это будет сигналом соединения цилиндра с каналом системы охлаждения. Дополнительно можно приложить руку к выхлопной трубе на заведенном моторе. Если на ладони остались небольшие сладковатые на вкус капли, то это будет указывать на попадание ОЖ в цилиндр, то есть, имеется пробой.

Если все проведенные процедуры результата не дали, то есть, после заливки масла компрессия не повысилась, тепловые зазоры в норме и предпосылок на пробой прокладки ГБЦ нет, значит, причина кроется в поршне, клапанах или ГБЦ.

Но чтобы удостовериться в этом, придется снимать головку блока.

Устранение неисправности

Устранение причин падения компрессии в одном из цилиндров напрямую зависит от того, что стало виной ее появления.

Чаще всего такая проблема возникает из-за залегания колец. Образование нагара (закоксовки) в одном из цилиндров происходит из-за проникновения в него большого количества масла.

К примеру, это может произойти, если маслосъемные колпачки клапанов этого цилиндра повреждены.

Сложность устранения падения компрессии, причиной которого стали кольца, зависит от характера повреждения.

Если они просто залегли, то можно попытаться провести раскоксовку. Но если кольца лопнули, то придется разбирать чуть ли не весь двигатель, чтобы заменить поврежденные элементы.

Примерно то же касается и клапанов. При их разрегулировке, достаточно привести тепловые зазоры в норму. Но если клапана и их седла подгорели, то проводятся ремонтные работы с ГБЦ – меняются клапаны, производится их притирка.

Относительно прокладки ГБЦ, то если все из-за нее – то ее меняют. А вот с головкой блока не все так просто.

Если ее повело из-за перегрева, то еще можно устранить проблему путем торцевания поверхности.

Но в случае образования дефектов в теле головки ее заменяют. Любые неисправности поршня – однозначно замена.

Проводим раскоксовку

Поскольку закоксовка колец – одна из самых распространенных причин падения компрессии в цилиндре, то рассмотрим, как все устранить.

Итак, предположим, что в одном из цилиндров отмечено падение давления. Заливка масла в него и повторный замер показали увеличение компрессии. Вердикт – залегание или поломка колец.

Чтобы провести раскоксовку, понадобиться специальная промывочная жидкость (к примеру, «LAVR»).

Можно воспользоваться и старым проверенным методом – самостоятельно изготовить такую жидкость, смешав керосин с ацетоном (в пропорции 1:1).

А далее действуем так:

1. Прогреваем двигатель;
2. Выкручиваем все свечи зажигания;
3. Устанавливаем поршни в ряд (при помощи ключа для проворачивания коленчатого вала и 4-х равных по длине прутов);
4. Шприцом заливаем жидкость во все цилиндры (в инструкции к средству указывается требуемое количество. Обычно это 50-70 гр. на каждый цилиндр);
5. Накрываем свечные отверстия ветошью и оставляем двигатель откисать на 10-12 часов. Желательно также периодически «шевелить» поршни, немного прокручивая коленчатый вал в разные стороны;
6. Проводим продувку цилиндров (крутим коленчатый вал стартером, чтобы удалить остатки средства);
7. Ставим на место свечи зажигания;
8. Запускаем двигатель (заводиться он будет «туго»);
9. После заводки даем ему время поработать на холостом ходу 5-7 минут. Поначалу работа мотора будет сопровождаться сильной дымностью и перебоями, но постепенно все нормализуется;
10. Выезжаем на трассу и даем двигателю максимально возможные нагрузки, чтобы удалить из цилиндров остатки нагара.

После поездки проводим замеры компрессии. Если показатели улучшились и давление во всех цилиндрах приблизилось к одному уровню, проводим замену масла и продолжаем эксплуатацию авто.

В случае, когда показатели в цилиндре, где было отмечено падение, улучшились, но недостаточно, можно еще раз провести раскоксовку, залив чистящую жидкость только в этот цилиндр.

Но здесь стоит отметить, что путем промывки было только устранено залегание колец, а вот что стало причиной этого – еще придется разобраться.

Если же раскоксовка положительного результата не принесла, или причина падения кроется не в кольцах, придется проводить серьезные ремонтные работы – снимать головку блока для проведения ее восстановления или замены прокладки ГБЦ.

Возможно, потребуется снятие поршней и замена поврежденных колец.

Важно почитать: в чем опасность дыма из выхлопной трубы.

Чтобы не являлось причиной падения компрессии в одном из цилиндров, без внимания эту проблему оставлять нельзя, и необходимо как можно раньше провести все ремонтные работы, чтобы такая неисправность не привела к более серьезным поломкам.

Как определить разную компрессию в цилиндрах без компрессометра.

https://topmekhanik.ru/stepen-szhatiya-dvigatelya/
https://autotopik.ru/remont/1274-raznaya-kompressiya-v-cilindrah.html