Степен на сгъстяване и компресия

Накратко обяснено от SCRAPHEAP:
Степен на сгъстяване е отношението на пълния обем на един цилиндър в бутален двигател към обема на горивната камера. Тоест степента на сгъстяване показва колко пъти се смалява обемът на цилиндъра през време на такта сгъстяване. Степента на сгъстяване е конструктивен параметър на всеки двигател, който е твърдо заложен още по време на проектирането на двигателя и не се изменя с времето, амортизацията, различни добавки и др. Степента на сгъстяване не може пряко да се измери. Тя се изчислява като отношение на обеми.

Компресията е диагностичен параметър на двигателя. Компресията е максималното налягане, което може да се достигне в цилиндъра без да работи двигателя при честотата на въртене на стартера. Тя зависи от степента на сгъстяване и уплътнението на цилиндъра. Дава информация за състоянието на уплътняващите елементи – клапани, сегменти, повърхност на цилиндъра. Компресията се измерва директно с компресомер. Тъй като компресията е налягане, тя пряко влияе на работата на двигателя, процесите на горене, детонации и др.

Двигателите с по-голяма степен на сгъстяване имат по-висока компресия (когато са изправни)

Пример: За двигателите Лада класика степента на сгъстяване е 8,5:1, а компресията на изправен и неамортизиран двигател е приблизително 12 атмосфери

Подробно обяснение от Денис Иванов:

За разбиране принципите за повишаване на мощността и ефективността на двигателя с вътрешно горене е необходимо да се знае какво е това степен на сгъстяване, компресия и октаново число. Разсъжденията от типа, че бензин 98 е по-качествен от 95 трябва да ги забравим. Трябва да разберем, че октановото число само по себе си не е самоцел, а само един от факторите за достигане на най-добрите експлоатационни характеристики на ДВГ (двигател с вътрешно горене).

Най-напред нека внесем яснота и да се уговорим, че компресия и степен на сгъстяване са две различни неща. Степента на сгъстяване е отношението между максималният обем на цилиндъра и минималния. С други думи, отношението на пълния обем на цилиндъра (обем на цилиндъра плюс горивната камера) към обема на тази горивна камера.

Следователно това отношение, наричано степен на сгъстяване, грубо казано, е отношението на обема, заеман от сместа при нейното подаване в цилиндъра към обема, в който тази смес се запалва, а налягането, при което се възпламенява горивото е пропорционално на тази величина. Колкото по-голяма е степента на сгъстяване, толкова по-голямо е налягането на възпламеняваната смес.

За по-голяма яснота, трябва да отбележим, че налягането не зависи само от степента на сгъстяване, но и от, например, налягането при фаза впръскване и затова налягането на възпламеняваната смес може да бъде по-малко при двигател с голяма степен на сгъстяване. Как? Например, степента на сгъстяване при турбо двигателите обикновено е по-малка от атмосферните, обаче налягането при всички други фази е съществено по-високо, защото сместа се впръсква вече в компресирано състояние.

Компресията – това, всъщност е налягането в края на сгъстителната фаза. Практически е почти равна на налягането на възпламеняемата смес. Защо почти? Защото сместа винаги се запалва малко по-късно или по-рано от момента, в който налягането е максимално. Това „почти“ се определя от ъгъла на запалване (аванс, предварение).

Връщайки се към степента на сгъстяване, ще видим защо тя е така важна за достигане на ефективност и мощност на двигателя. Ето защо: работата на ДВГ се осъществява за сметка на разширяването на горивно-въздушната смес. Както са ни учили в училище: горещата смес се разширява, избутвайки буталото, постъпателните движения, на което, се превръщат във въртеливо движение на коляновия вал. Съответно, при голяма степен на сгъстяване движението на буталото, в рамките на което сместа може да реализира своя енергетичен потенциал се оказва по-голямо, следователно се извършва повече полезна работа. На практика това е само един от факторите, всички заедно определят термическия КПД (коефициент на полезно действие) – показател за ефективността на разширение на работното тяло в момента на изгаряне.

Формула: 

Където гама е стойността на дискретна функция, зависеща от температурата, налягането и обема на възпламеняемата смес. Просто казано, набор от константи. Виждаме, че колкото по-голяма е степента на сгъстяване, толкова по-голям е термичния КПД. Това е опростено представяне на формулата и за получаване на максимална стойност трябва да се подбират маса параметри, където степента на сгъстяване е само един от многото, макар и важен параметър.

Супер, вече започваме да разбираме: колкото по-голяма е степента на сгъстяване, толкова по-добре. Хайде тогава да се избавим от горивната камера, вдигайки степента на сгъстяване до небесата и ще сме щастливи. Няма да сме щастливи обаче и ето защо: работата е там, че при повишаване на налягането и температурата възникват две неприятни явления: детонация и преждевременно възпламеняване. За да можем да ги разберем напълно трябва да осъзнаем още един удивителен факт: горивната смес в ДВГ не се взривява – тя гори. При което онази гама, която споменахме по-нагоре, зависи и от скоростта на горене и от формата на фронта на възпламеняване и от температурата на пламъка. Не случайно двигателите се разработват от хора с две висши. Скоростта на горене трябва да съответства на скоростта на движение на буталото. Фронта на възпламеняване трябва да бъде еднороден и да се разпространява равно по хода на постъпателното движение. Колкото по-малка е температурата на горене, толкова по-малко загуби за топлоотвеждане. Всичко това е опростено представяне, но главната идея я схващате, нали?

Да се върнем към детонацията и преждевременното възпламеняване. Преждевременното възпламеняване се получава когато налягането на сместа се увеличава и тя самопроизволно се запалва. Когато това стане, част от работата се губи защото вместо да се избута буталото надолу, му се пречи да завърши фазата на сгъстяване, а енергията на разширение, която остава (ако въобще остане някаква енергия) ще се използва крайно неефективно заради неразчетения профил на фронта на горене.

Детонацията – още по-неприятен ефект, получаващ се когато възпламенената смес се взриви. След краткия момент, в който горенето се разпространява със скорост десетки сантиметри в секунда, тя изведнъж се увеличава в пъти. Това се получава под влиянието и на температурата и на налягането, а ефекта се засилва при наличието в повече на един от двата компонента на горенето. Ефект от детонациите: вместо фронт на горене, получаваме ударна вълна (по принцип е едно и също, само където скоростта и температурата са в пъти по-високи при детонацията) и в следствие – рязко падане на термичния КПД и ударни претоварвания върху буталната група. А сега си представете ако в един и същи момент се получи самозапалване и детонация в момент когато буталото отива нагоре към ГМТ (горна мъртва точка).

Получава се, че можем да увеличаваме степента на сгъстяване до момента в който се появят описаните ефекти. И тук стигаме до следващото понятие – октаново число. Оказва се, че различните видове горива имат различна устойчивост на самовъзпламеняване и детонации. Октановото число се явява показател на тези стойности. Колкото по-голямо е октановото число, толкова по-голяма е и устойчивостта към самовъзпламеняване и детонации. Важното е, че в повечето случаи количеството енергия, освободено от литър гориво и октановото число не са зависими.

Да оставим теорията, с която можем да запълним няколко тома и да се обърнем към практическите въпроси от ежедневието.

Първият разпространен въпрос е: прогарят ли клапаните, ако сипя бензин с голямо октаново число?

Наистина, в някои случаи използването на бензин с голямо октаново число може да доведе до прогаряне на изпускателните клапани:

Счита се, че това става заради високата температура на горене на сместа с високо октаново число. Всъщност всичко е обратното. Горивото с високо октаново число обикновено гори с по-малка температура и по-бавно. Заради скоростта на горене, която е по-ниска от разчетената може да се получи така, че на фаза впръскване през клапана вместо отработени газове се пуска още смес. Горящата смес може да се окаже и във всмукателния колектор – тогава и той ще пострада. На практика конструкцията на повечето двигатели позволява да се реализира потенциала на горивото с по-високо октаново число без ущърб за ресурса.

Въпрос номер две: защо при използване на бензин с по-високо октаново число по свещите се образува нагар?

Първата причина е следствие на нискокачествен бензин, на който октановото число е вдигнато посредством добавки или присадки. Втората причина – ъгъла на запалване. Ако автомобила не е екипиран със система, която автоматически регулира ъгъла на запалване, то сипването на високооктанов бензин може да доведе до образуването на нагар и загуба на мощност. Както вече споменахме, високооктановия бензин гори по-бавно, а следователно пълно изгаряне на сместа ще има при по-ранно запалване.

Източник: http://www.cars-love.ru/record-107.html
Превод: Денис Иванов