Расчет степени сжатия и объема двигателя
Степень сжатия в двигателе автомобиля — отношение объёма поршневого пространства цилиндра при положении поршня в нижней мёртвой точке (НМТ) (полный объем цилиндра) к объёму над поршневого пространства цилиндра при положении поршня в верхней мёртвой точке (ВМТ), то есть к объёму камеры сгорания.
b = диаметр цилиндра;
Vc = объём камеры сгорания, то есть, объём, занимаемый бензовоздушной смесью в конце такта сжатия, непосредственно перед поджиганием искрой; часто определяется не расчётом, а непосредственно измерением из-за сложной формы камеры сгорания.
Увеличение степени сжатия в двигателе автомобиля требует использования топлива с более высоким октановым числом (для бензиновых двигателей внутреннего сгорания) во избежание детонации. Повышение степени сжатия в общем случае повышает его мощность, кроме того, увеличивает КПД двигателя как тепловой машины, то есть, способствует снижению расхода топлива.
Степень сжатия в двигателе автомобиля, обозначаемая греческой буквой E, есть величина безразмерная. Связанная с ней величина компрессия зависит от степени сжатия, от природы сжимаемого газа и от условий сжатия. При адиабатическом процессе сжатия воздуха зависимость эта выглядит так: P=P?*?^?, где
?=1,4 — показатель адиабаты для двухатомных газов (в том числе воздуха),
P? — начальное давление, как правило, принимается равное одному.
Из-за неадиабатичности сжатия в двигателе внутреннего сгорания (теплообмен со стенками, утечки части газа через неплотности, присутствия в нем бензина) сжатие газа считают политропным с показателем политропы n=1.2.
При ?=10 компрессия в лучшем случае должна быть 10^1.2=15.8
Детонация в двигателе — изохорный само ускоряющийся процесс перехода горения топливовоздушной смеси в детонационный взрыв без совершения работы с переходом энергии сгорания топлива в температуру и давление газов. Фронт пламени распространяется со скоростью взрыва, то есть превышает скорость распространения звука в данной среде и приводит к сильным ударным нагрузкам на детали цилиндра — поршневой и кривошипно-шатунной групп и вызывает тем самым усиленный износ этих деталей. Высокая температура газов приводит к прогоранию днища поршней и обгоранию клапанов.
Понятие степени сжатия не следует путать с понятием компрессия, которое обозначает (при определённой конструктивно обусловленной степени сжатия) максимальное давление, создаваемое в цилиндре при движении поршня от нижней мёртвой точки (НМТ) до верхней мёртвой точки (ВМТ) (например: степень сжатия — 10:1, компрессия — 14 атм.).
О спортивных автомобилях
Двигатели гоночных или спортивных автомобилей, снабженными тюнингованными и спортивными автозапчастями , работающих на метаноле имеют степень сжатия, превышающую 15:1, в то время как в обычном карбюраторном двигателе внутреннего сгорания степень сжатия для неэтилированного бензина как правило, не превышает 11.1:1.
В пятидесятые — шестидесятые годы одной из тенденций двигателестроения, особенно в Соединенных Штатах Америки, было повышение степени сжатия, которая к началу семидесятых на американских двигателях нередко достигала 11-13:1. Однако это требовало соответствующего бензина с высоким октановым числом, что в те годы могло быть получено лишь добавлением ядовитого тетраэтилсвинца. Введение в начале семидесятых годов экологических стандартов в большинстве стран привело к остановке роста и даже снижению степени сжатия на серийных двигателях.
В наше время для улучшения двигателя и автомобиля в целом используются тюнингованые автозапчасти и естественно они должны устанавливаться на профессиональных автосервисах .
Степень сжатия
Степень сжатия в теории – это соотношение объема в пространстве над рабочим поршнем в момент, когда он проходит нижнюю мертвую точку, к объему в камере над поршнем в момент прохождения верхней мертвой точки. Это определение выражает разницу давления в самой камере сгорания в момент, когда происходит впрыск топлива в цилиндр.
В повседневной жизни часто путают степень сжатия с другим понятием, а именно с компрессией дизельного двигателя, однако на практике это два разных термина. Компрессия – это наибольшее давление создаваемое поршнем в цилиндре на момент его прохождения от нижней мертвой точки к верхней. Эту величину измеряют в атмосферах.
Степень сжатия измеряют математическим соотношением, к примеру, 19:1. Для дизельных двигателей наилучшим считается соотношение в рамках от 18 до 22 к 1. При такой степени сжатия сердце автомобиля будет работать наиболее эффективно. Использование топлива связано напрямую со степенью сжатия. Чем больше давление достигается в камере и больше сжатие, тем экономичней будет расход топлива, при этом полученная мощность может увеличиваться.
Степень сжатия на практике – как это происходит?
02:20 22.08.2009
Работа дизельного двигателя
Cгорание топливной смеси в двигателе происходит при взаимодействии смешанных паров топлива и воздуха. При возгорании смеси происходит ее расширение, в результате чего увеличивается давление в камере. Коленчатый вал при этом выполняет обороты, соответственно двигатель выполняет один такт полезной работы. В наше время уже практически не выпускаются дизельные двигатели с низкой степенью сжатия — все стремятся к более экономичным и высокооборотистым двигателям с большей степенью сжатия. Увеличения степени сжатия можно добиться за счет уменьшения камеры сгорания дизельного двигателя. Но при таких изменениях инженерам на заводах приходятся искать компромиссное решение, потому что нужно сохранить давление в камере, а также уменьшить объем сжигания топлива. Одним из способов увеличения сжатия является расточка блоков головки цилиндра – степень сжатия при этом увеличивается, а объем сгорания топлива в камере уменьшается. При этом цилиндр сохраняет свой рабочий объем и объем двигателя не меняется.
О степени сжатия, компрессии и езде по лужам
Двигатель «троит». Что делать? На любом курсе обучения автодиагностов вам обязательно расскажут, как поступать в подобной ситуации: измерить компрессию, проверить искру и подачу топлива.
Тут вроде бы все просто, но хотелось бы проговорить это все еще раз. Прежде всего нужно уяснить банальную, казалось бы, вещь: троение – это следствие того, что в разных цилиндрах отличаются условия работы. Поэтому менять прошивку в блоке управления или измерять давление топлива совершенно бесполезно, нужно искать причину разницы в условиях работы цилиндров.
Чем могут отличаться эти условия? Перечислим по порядку:
- Зажигание. Совершенно очевидно, что любой дефект в системе зажигания приведет к пропускам воспламенения в цилиндре. Проверку системы зажигания лучше всего выполнять мотортестером по вторичной цепи, обязательно резко открывая дроссельную заслонку. В этой ситуации наполнение цилиндров максимально, и все дефекты сразу себя проявляют.
- Механическая часть, или «железо». Проверяется чаще всего компрессометром. Разброс компрессии по цилиндрам не должен превышать 1 бар. Также важна скорость набора давления: она не должна визуально отличаться в разных цилиндрах. Однако компрессометр – инструмент по сути оценочный: серьезные выводы из его применения сделать невозможно. Компрессия либо есть, либо ее нет, третьего не дано. Само значение компрессии оценивать нельзя, потому что оно зависит от целого ряда факторов.
- Топливные форсунки. Лучший метод проверки – на проливочном стенде. Если такового в наличии нет, можно выполнить тест баланса форсунок, основанный на падении давления в рейке при поочередной подаче на форсунки управляющего импульса.
Последовательность, в которой изложены причины троения, взята не с потолка. Как показывает многолетняя практика, причиной троения чаще всего бывает именно система зажигания, чуть реже – механическая часть, и уж совсем редко двигатель троит из-за форсунок.
Вышеперечисленные факторы – это то, что знают почти на каждом сервисе. Да что там на сервисе! Об этом знают даже особо продвинутые клиенты. Честно говоря, лучше бы они об этом не знали…
Но самый интересный момент не знают ни те, ни другие. Да и не на всех курсах диагностов вам об этом расскажут. Есть еще одна причина троения, и называется она снижение реальной степени сжатия в одном или нескольких цилиндрах. Происходит это при преодолении автомобилем глубоких луж. Жидкости в отличие от газов несжимаемы, и попав в цилиндр, вода попросту не дает поршню дойти до верхней мертвой точки. А двигатель-то работает! В итоге под воздействием коленчатого вала гнется шатун, сокращается его длина, увеличивается объем камеры сгорания и – увы и ах! – снижается степень сжатия.
Если в таком цилиндре измерить компрессию, то она там будет. А почему бы и нет? Клапаны целы, кольца – тоже, а то, что снизилась степень сжатия – ну, чуть упадет компрессия относительно других цилиндров, и что? Вполне может уложиться в допуск. Но цилиндр при этом работать нормально уже не будет.
Возникает вопрос: хорошо, а можно ли измерить реальную степень сжатия? До недавнего времени прибора для измерения степени сжатия при диагностике двигателя просто не существовало. Теперь измерительный инструмент есть. Это тест Рх Андрея Шульгина, реализованный в мотортестере Autoscope, известном еще как осциллограф Постоловского. Давайте рассмотрим один интересный случай, рассказанный нашим коллегой, автодиагностом Никитой Напреевым. Предоставляю ему слово.
Этот случай ввел в шок не только клиента, но и всех, кто находился в очереди на диагностику. Автомобиль Ford Fusion, двигатель 1,6 л. Подхожу к авто, слышу, что двигатель явно троит. Казалось бы, что тут сложного? Но все было не так-то просто…
Клиент оказался из продвинутых: «Свечи, катушка, форсунка, нет компрессии». Ну я ему в ответ «Если все так просто, делали бы сами». Не люблю таких. Но он сразу успокоился и спросил, а может ли быть что-то еще? Я возьми да ляпни «Степень сжатия еще может быть снижена». Как в воду глядел.
Клиент сразу проникся ко мне уважением и отстал со своими дурацкими расспросами, а я взял в руки датчик давления от Автоскопа и установил его в первый цилиндр. Выполнил тест Рх. Расчетная степень сжатия 9,1! А компрессия при этом 12,5 бар…
Тут же делаю тест в соседнем цилиндре и вижу степень сжатия 11,2:
Далее состоялся примерно такой диалог:
— У вас в первом цилиндре снижена степень сжатия. В рабочем цилиндре 11, а в этом 9.
— Это что, компрессия?
— Нет, это разные вещи. Мало кто понимает разницу. Но суть в том, что в первом цилиндре с вероятностью 95% погнут шатун.
— Не может такого быть! Что вы мне ерунду рассказываете, ищите дальше!
— Хорошо. Давайте так. Мы снимем головку блока, вынем шатун. Если там все в порядке, то мы соберем все обратно за свой счет. Если же нет – вы доплачиваете 35% от общей стоимости работ. Идет?
Начинаем разбирать двигатель, клиент, как и положено, стоит над душой. Вытащили шатун, вот фото:
Сложно описать, что было дальше. Клиент был в восторге, бегал по сервису и всем удивленно рассказывал, как подобную неисправность увидели, не разбирая мотора, и наверно, нигде бы больше не нашли. Я ответил ему, что грамотный диагност нашел бы, если бы имел в наличии осциллограф Постоловского.
Шатун он взял с собой, чтобы показать друзьям. Но в итоге оставил нам на память, посоветовав показывать таким неверующим, как он. Спросил, почему это могло возникнуть, и после наших объяснений вспомнил, что его дочь действительно недавно влетела на машине в лужу и двигатель заглох. Собственно, это было последним недостающим штрихом.
Остается только добавить, что мотортестер – это сила! У кого его нет, нервно курят в сторонке.
Комментарий Алексея Пахомова
Несмотря на кажущуюся простоту, вопрос о различиях между степенью сжатия и компрессией вызывает много недопонимания среди авторемонтников. На самом деле это два абсолютно разных понятия.
Степенью сжатия называется отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vс и обозначается греческой буквой ε:Степень сжатия – параметр геометрический, заданный при проектировании двигателя. Являясь отношением полного объема цилиндра к объему камеры сгорания, степень сжатия представляет собой величину безразмерную. Она не зависит от состояния двигателя и особенностей его эксплуатации.
Компрессия – это максимальное значение давления в цилиндре, измеренное компрессометром при прокрутке двигателя стартером. Соответственно, имеет размерность, чаще всего это кгс/см² или bar. Измеренное значение компрессии зависит от состояния двигателя, от его температуры, вязкости масла, состояния аккумулятора и стартера. Другими словами, компрессия – это практический измеряемый параметр, зависящий от многих факторов.
Конечно, если взять два одинаковых исправных двигателя, отличающихся только степенью сжатия, и провести замер компрессии, то при прочих равных условиях компрессия в двигателе с большей степенью сжатия будет выше. Но это ни в коем случае не говорит о том, что понятия «компрессия» и «степень сжатия» имеют что-то общее.
Какая компрессия должна быть в двигателе и как ее проверить?
Компрессия – важнейший показатель здоровья двигателя. Для каждого типа двигателей существует своя компрессия: бензин, дизель, турбированный, трех- или многоцилиндровый… И за компрессией нужно следить. Как?
Что такое компрессия двигателя и чем ее измерить?
Компрессия в цилиндрах — является величиной максимального давления в цилиндре, которое создается в верхней мертвой точке (ВМТ) поршня.
Измеряется в величинах мер давления:
— один паскаль, Па(Ра) равен 1Н/кв.м.;
— миллиметр ртутного столба (мм. рт. ст);
— она же физическая атмосфера (атм.) равна 360 мм. рт.ст.,
— техническая атмосфера (1 атм. = 1 кгс/кв.см),
В автомеханике сегодняшнего дня давление принято измерять в атмосферах и микропаскалях – Мпа.
Компрессия – величина физическая, это – давление. Ее нельзя путать, со степенью сжатия – это величина математическая, отношение объема камеры сгорания при нахождении поршня в ВМТ к общему объему цилиндра. Степень сжатия, в отличии от компрессии, измеряется дробью 1:12, 1:20 и т. д. Часто компрессия соответствует степени сжатия, но, например, в форсированных и турбированных двигателях эти величины значительно разнятся.
Зачем делать замер компрессии в двигателе? Для диагностики, она является косвенным указателем на проблемы в двигателе и измеряется специальными приборами, которые у мотористов так и называются – компрессометрами.
Какие бывают комперссометры?
Механические приборы для измерения компрессии, в свою очередь, бывают прижимными и ввертываемыми. Это, как правило, специально проградуированный манометр с жестким наконечником или гибким шлангом высокого давления. Прижимается к свечному отверстию или ввертывается по свечной резьбе вместо свечи.
Электронные — это мотор-тестеры, они изменяют не столько давление в самом цилиндре, сколько колебания значений электрического тока стартера в момент холостой прокрутки двигателя. Таким электронным прибором можно одновременно измерить компрессию всех цилиндров без выворачивания свечей, а заодно снять и множество других параметров.
Отечественные механические компрессометры довольно просты, а импортные являются настоящими наборами с комплектами переходников-адаптеров для измерений компрессии в двигателе любой марки и модификации автомобиля любого мирового производителя.
Замер компрессии в двигателе вашего автомобиля: как это сделать?
Замер компрессии двигателя механическим компрессометром проводится по следующему алгоритму. Следует вывернуть все свечи из цилиндров и вхолостую провернуть коленчатый вал двигателя, поочередно измеряя компрессию в каждом цилиндре:
— желательно, чтобы двигатель был прогретым, хотя это и не критично;
— подача топлива должна быть однозначно отключена;
— если прокрутка двигателя осуществляется стартером, то аккумуляторная батарея должна быть заряжена, а стартер соотвественно – исправным;
— также двигатель можно проворачивать вручную заводной рукояткой (если она есть) либо соответствующим ключом за храповик; прокрутка руками за шестерни, ремень или цепь механизма ГРМ корректных результатов замера компрессии – не даст.
На профессиональном автосервисе компрессию измеряют с открытой и с закрытой дроссельной заслонкой, а разница показаний может косвенно указывать на некоторые дефекты в работе двигателя. При закрытой заслонке в цилиндры будет поступать меньше воздуха, и компрессия будет низкой — около 0,6-0,8 МПа. При открытой заслонке картина будет другая — причины дефектов двигателя можно определить по прилагаемой таблице внизу статьи.
В любом случае следует учитывать не только динамику нарастания давления, но и максимальные значения компрессии. А главное — в любом случае результаты замеров компрессии в цилиндрах являются величинами расчетными, относительными, и опираться следует именно на разницу давления в разных цилиндрах. Если в трех цилиндрах компрессия составляет, к примеру, 11-12 атм., а в четвертом 7-8 атм., то проблема сосредоточилась именно в нем. Тут и следует искать причины потери герметичности цилиндропоршневой группы.
Как проверить компрессию без компрессометра?
Если существуют претензии к работе мотора, подозрения на потерю его мощности, а при этом под рукой компрессометра нет, то провести несложную самостоятельную диагностику все равно можно. Точных цифр показаний измерения компрессии вы не получите, но общая картина состояния мотора будет вам видна.
Старый шоферский способ довольно прост.
Следует поочередно вывернуть каждую свечу зажигания, а вместо нее в свечное отверстие вставить банальный бумажный кляп. Именно — бумажный. Делается он из смятой газеты — не из мокрой или промасленной тряпки-ветоши, а именно из сухой газеты.
Когда вы проворачиваете коленчатый вал, бумажный пыж буквально выстреливает вверх из свечного отверстия цилиндра. Причем — с очень громким хлопком, но только в том случае, если с компрессией данного цилиндра все в порядке. Если герметичность нарушена, если прогорели клапаны (или клапан), если залегли поршневые кольца или разрушились перегородки на поршне, то хлопок будет не таким выразительным, или его вовсе не будет. Именно этот цилиндр и нуждается в «лечении». То есть — в ремонте.
Какая компрессия должна быть в двигателе?
Каковы нормы степеней сжатия и компрессий для двигателей внутреннего сгорания? Они — разные. Степень сжатия бензинового двигателя может колебаться от 10:1 до 13:1, 14:1, а то и выше. Компрессия дизельного двигателя не бывает ниже 20:1. Учебники по теории автомобиля и всевозможные наставления определяют степень сжатия как: «…отношение полного объема цилиндра к объёму камеры сгорания. Степень сжатия определяется c помощью следующей формулы (V + C)/C = CR, где V это рабочий объем цилиндра, а С это объем камеры сгорания».
Формул расчета компрессии — не существует, поскольку эта величина уже не расчетная геометрическая, а абсолютная. Это, как уже было выше сказано, — давление. Зависит компрессия от множества факторов, главным из которых является качество герметичности сопряженных пар — цилиндр-поршень, цилиндр-клапаны, цилиндр-дроссельная заслонка и т.д.
Анализ результатов замера компрессии
В зависимости от результатов замеров компрессии следуют и выводы-рекомендации по ремонту двигателя. Общее и равномерное падение компрессии во всех цилиндрах двигателя говорит о равномерном естественном износе деталей цилиндропоршневой группы и двигателя в целом.
Если компрессия одного цилиндра значительно отличается от компрессий в остальных, то на этот узел и следует обратить особое внимание. Негерметичность цилиндра может быть обусловлена, например, прогоревшим клапаном, тогда требуется разборка, притирка или замена клапанов. Нарушение герметичности может быть обусловлено просевшими поршневыми кольцами. В этих случаях механики говорят «кольца залегли». Падение давления может быть спровоцировано прогоревшей прокладкой между блоком цилиндров и головкой блока цилиндров двигателя. И в данном случае возможны не только падение компрессии, но и попадание охлаждающей жидкости в систему смазки и наоборот попадание масла в систему охлаждения.
Что делать, если слишком низкая компрессия в двигателе?
Основной причиной потери компрессии является, понятно, потеря герметичности. Но где именно произошла разгерметизация? Проверить это можно следующим образом.
В «подозрительный» цилиндр выливают 50 мл моторного масла и снова замеряют компрессию. Возможны два варианта. Если компрессия осталась такой же низкой, то воздух выходит где-то сверху, в камере сгорания, и это могут быть либо негерметичная дроссельная заслонка, либо прогоревший клапан, либо пробой прокладки головки блока цилиндров. А то и все вместе. Если же компрессия существенно поднялась, следовательно причиной являются «залёгшие» поршневые кольца. И если разница между заводской компрессией и имеющейся превышает хотя бы 20-25%, то переборка — неминуема. То есть — капитальный ремонт двигателя.
Как повысить компрессию в двигателе? Помогают ли присадки в двигатель для повышения компрессии? Не всегда, но — помогают. И прежде, чем начать капитальную затрату средств на дорогостоящий ремонт, такой возможностью стоит воспользоваться. Но если результат окажется нулевым, то вашему автомобилю прямая дорога на СТО.
Правильная, а главное профилактическая диагностика систем и узлов двигателя — залог его безаварийной работы. За компрессией в цилиндрах двигателя нужно периодически следить. Точно также — как и за всеми другими системами, агрегатами и узлами двигателя и всего автомобиля.
Примерная таблица вероятных неисправностей при замерах компрессии
Провести грамотную профессиональную диагностику, выявить причины падения той же компрессии в двигателе сумеют исключительно профессионалы, тем более, если у вас не древний карбюраторный автомобиль, а современная иномарка.
Воспользуйтесь формой внизу, чтоб найти профильные СТО поблизости и записаться на сервис в любое удобное для вас время.
Cepгeй Жeбaлeнĸo, aвтoмoбильный инжeнep, журналист, pyĸoвoдитeль aвтoмoбильнoй пpoгpaммы «Moтop-TB»