Двигатель внутреннего сгорания (устройство и принцип работы). — DRIVE2

Двигатель внутреннего сгорания (устройство и принцип работы).

В настоящее время двигатель внутреннего сгорания является основным видом автомобильного двигателя. Двигателем внутреннего сгорания (сокращенное наименование – ДВС) называется тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в механическую работу.

Различают следующие основные типы ДВС:

• Поршневой двигатель внутреннего сгорания;
• Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания;
• Газотурбинный двигатель внутреннего сгорания.

Из представленных типов двигателей самым распространенным является поршневой ДВС, поэтому устройство и принцип работы рассмотрены на его примере.

Достоинствами поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечившими его широкое применение, являются:

• Автономность;
• Универсальность (сочетание с различными потребителями);
• Невысокая стоимость;
• Компактность;
• Малая масса;
• Возможность быстрого запуска;
• Многотопливность.

Вместе с тем, двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков, к которым относятся:

• Высокий уровень шума;
• Большая частота вращения коленчатого вала;
• Токсичность отработавших газов;
• Невысокий ресурс;
• Низкий коэффициент полезного действия.

В зависимости от вида применяемого топлива различают следующие поршенвые ДВС:

• Бензиновые двигатели;
• Дизельные двигатели.

Альтернативными видами топлива, используемыми в двигателях внутреннего сгорания, являются природный газ, спиртовые топлива – метанол и этанол, водород.

Водородный двигатель с точки зрения экологии является перспективным, т.к. не создает вредных выбросов. Наряду с ДВС водород используется для создания электрической энергии в топливных элементах автомобилей.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет следующее общее устройство:

• Корпус;
• Кривошипно-шатунный механизм;
• Газораспределительный механизм;
• Впускная система;
• Топливная система;
• Система зажигания (бензиновые двигатели);
• Система смазки;
• Система охлаждения;
• Выпускная система;
• Система управления.

Корпус двигателя объединяет блок цилиндров и головку блока цилиндров. Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Газораспределительный механизм обеспечивает своевременную подачу в цилиндры воздуха или топливно-воздушной смеси и выпуск отработавших газов.

Впускная система предназначена для подачи в двигатель воздуха. Топливная система питает двигатель топливом. Совместная работа данных систем обеспечивает образование топливно-воздушной смеси. Основу топливной системы составляет система впрыска.

Система зажигания осуществляет принудительное воспламенение топливно-воздушной смеси в бензиновых двигателях. В дизельных двигателях происходит самовоспламенение смеси.

Система смазки выполняет функцию снижения трения между сопряженными деталями двигателя. Охлаждение деталей двигателя, нагреваемых в результате работы, обеспечивает система охлаждения. Важные функции отвода отработавших газов от цилиндров двигателя, снижения их шума и токсичности предписаны выпускной системе.

Система управления двигателем обеспечивает электронное управление работой систем двигателя внутреннего сгорания.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания основан на эффекте теплового расширения газов, возникающего при сгорании топливно-воздушной смеси и обеспечивающего перемещение поршня в цилиндре.

Работа поршневого ДВС осуществляется циклически. Каждый рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала и включает четыре такта (четырехтактный двигатель):

• Впуск;
• Сжатие;
• Рабочий ход;
• Выпуск.

Во время тактов впуск и рабочий ход происходит движение поршня вниз, а тактов сжатие и выпуск – вверх. Рабочие циклы в каждом из цилиндров двигателя не совпадают по фазе, чем достигается равномерность работы ДВС. В некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания рабочий цикл реализуется за два такта – сжатие и рабочий ход (двухтактный двигатель).

На такте впуск впускная и топливная системы обеспечивают образование топливно-воздушной смеси. В зависимости от конструкции смесь образуется во впускном коллекторе (центральный и распределенный впрыск бензиновых двигателей) или непосредственно в камере сгорания (непосредственный впрыск бензиновых двигателей, впрыск дизельных двигателей). При открытии впускных клапанов газораспределительного механизма воздух или топливно-воздушная смесь за счет разряжения, возникающего при движении поршня вниз, подается в камеру сгорания.

На такте сжатия впускные клапаны закрываются, и топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндрах двигателя.

Такт рабочий ход сопровождается воспламенением топливно-воздушной смеси (принудительное или самовоспламенение). В результате возгорания образуется большое количество газов, которые давят на поршень и заставляют его двигаться вниз. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, которое затем используется для движения автомобиля.

При такте выпуск открываются выпускные клапаны газораспределительного механизма, и отработавшие газы удаляются из цилиндров в выпускную систему, где производится их очистка, охлаждение и снижение шума. Далее газы поступают в атмосферу.

Рассмотренный принцип работы двигателя внутреннего сгорания позволяет понять, почему ДВС имеет небольшой коэффициент полезного действия — порядка 40%. В конкретный момент времени как правило только в одном цилиндре совершается полезная работа, в остальных – обеспечивающие такты: впуск, сжатие, выпуск.

Если плохая компрессия в двигателе какие симптомы и лечение

Компрессия представляет собой наибольший уровень давления в цилиндрах мотора во время процесса сгорания горючей смеси. Если нет компрессии в одном цилиндре или сразу нескольких, то эту проблему нужно срочно исправлять. Каковы признаки и причины снижения уровня компрессии? Более подробно об этом вы узнаете здесь.

Всегда ли отсутствие давления говорит о неисправности?

Прежде чем рассматривать основные причины и признаки этого явления, разберемся, как влияет данный параметр на общую работоспособность двигателя. Если давление в смазочной системе ДВС ниже нормы, рассчитанной заводом-изготовителем, то практика показывает, что компоненты ДВС будут чрезмерно изношены. Но если говорить о компрессии, то это не всегда так. Когда происходит сопряжение колец на поршнях с цилиндрами, то смазка очень важна – она собирается на стенках цилиндра. За счет масла уплотняются зазоры между кольцами и цилиндрами.

Когда в цилиндрах сгорает не весь объем горючей смеси, это будет приводить к большому расходу топлива. Если вышла из строя одна или несколько свечей зажигания, то бензин, поступающий в камеру сгорания, будет смывать масло со стенок цилиндра. Данное топливо является отличным растворителем. Если смазки в цилиндре нет, если нет давления в системе смазки, то масло уже не сможет достаточно уплотнять зазоры в цилиндре. Поэтому воздух под большим давлением и газы, образующиеся при сгорании топливовоздушной смеси, будут попадать в картер. Это приведет к тому, что в 4-, 6-, а также 8-цилиндровом двигателе компрессия резко снизится, а затем и вовсе упадет.

Если компрессия находится на уровне даже выше, чем необходимо, это тоже будет причиной повышенного расхода масла. Из-за высокой масляной компрессии износ колец будет происходить интенсивнее. Зазоры, что в процессе работы двигателя неминуемо образуются, отлично уплотнятся смазкой, которой много. В данном случае нужен срочный ремонт. Однако по факту компрессия не покажет данную проблему.

Падение компрессии в двигателе

Компрессия- это максимальная величина давления в цилиндре двигателя, которое создаётся при прокрутке двигателя стартером. При измерении величины компрессии должны соблюдаться некоторые условия:

• Двигатель надо раскрутить стартером до максимально возможных оборотов. Для этого надо обеспечить все условия, снизив потери энергии
• Свечи зажигания должны быть отключены и выкручены со всех цилиндров, чтобы не создавать сопротивление вращению.
• Двигатель должен быть «тёплым», это нужно для обеспечения сопряжений деталей при температурах, близких к рабочим.
• Топливо надо отключить, чтобы не смывало масло со стенок цилиндров.
• Аккумулятор должен быть полностью заряжен, чтобы максимально раскрутить двигатель

Компрессия определяется по формуле: Компрессия (кгс/см2) = степень сжатия * коэффициент Х

Признаки проблемы или ее отсутствия

Если нет компрессии в одном цилиндре или в нескольких, то это можно определить по следующим симптомам:

• О сниженном давлении сообщит затрудненный пуск двигателя. Автомобилист при попытке запуска будет крутить маховик стартером намного дольше обычного. Если давление пропадет полностью, то запуск станет практически невозможным.
• Двигатель с низкой компрессией в каком-то из цилиндров будет троить, работать с меньшей стабильностью. Так как нет компрессии в одном цилиндре, то обороты и на режимах холостого хода будут неустойчивыми. Это отобразится и на динамике разгона.
• Обязательно в таком двигателе будет повышенный расход топлива. Определить данный симптом достаточно трудно для тех, кто не следит за этим показателем. Но для тех, кто знает расход на определенный пробег, повышение аппетитов двигателя будет сразу заметно.
• Обязательно будут проявляться неполадки в работе камер сгорания. При движении в горку могут начать стучать гидрокомпенсаторы. Особенно это будет явно видно и слышно при движении на низких оборотах.
• В дизельных силовых агрегатах определить, что нет компрессии в одном цилиндре, можно по характерным хлопкам.
• Иногда может расти давление в магистралях, где циркулирует охлаждающая жидкость. Антифриз ввиду низкой компрессии будет выдавливать из-под прокладок, из-под патрубков и других уплотнителей.
• При плохой компрессии (если она такова из-за пробитой прокладки ГБЦ) нарушается герметичность системы. Если открыть капот, то будут видны выхлопные газы, проходящие через щель в прокладке. Данная неисправность ведет к залеганию колец на поршнях, что будет способствовать повышенному расходу масла и топлива. В некоторых авто этот признак может сопровождаться ростом мощности и образованием белого дыма из выхлопной трубы.

Как выявить проблему с компрессией двигателя

Наиболее простое решение для поиска неисправности связанной с компрессией является диагностический вакуумметр. Достаточно вкрутить его в свечное отверстие (предварительно вывернув свечу), непосредственно на впуске и запустить мотор. Дайте двигателю немного прогреться и стабилизироваться. Если стрелка не стабильна или показания прыгают – необходимо увеличить компрессию в двигателе.

Следующим шагом диагностики будет использование специального манометра, который позволит получить фактические показания на каждом цилиндре в отдельности. Выньте все свечи зажигания, установите манометр на каждый цилиндр и держите дроссель открытым во время зажигания. Несколько оборотов позволит нагнать реальное рабочее давление, которое и зафиксирует манометр.

Каждый цилиндр должен показывать отклонения не более чем на 10% от максимального числа. Низкие показания для всех цилиндров обычно указывают на изношенный двигатель и, соответственно, на необходимость восстановления компрессии двигателя.

Если показания низкие, добавьте столовую ложку масла в каждый цилиндр и повторите тест. Если показания сильно увеличиваются, то, скорее всего, изношены поршневые кольца. Если нет значительного повышения, то проблема в другом.

Повреждения немеханического характера

Вначале стоит разобраться с немеханическими причинами, которые привели к отсутствию компрессии в автомобильном двигателе внутреннего сгорания.

Сюда можно отнести различные ошибки, которые слесарь-моторист мог допустить в ходе ремонта и сборки агрегата. Если автомобилист самостоятельно или специалисты на СТО неправильно настроили метки ГРМ или фазы газораспределения (а это часто случается ввиду невнимательности), то клапаны будут закрываться не тогда, когда того требует принцип работы ДВС. Во время такта сжатия клапаны не успевают закрыться полностью, ведь фазы сбиты. В результате часть воздуха просто выйдет.

Иногда проблемы компрессии немеханического характера могут быть обусловлены закоксовкой поршневых колец. Эта проблема в дальнейшем может привести к залипанию клапанов в канавках. Газы будут проходить легко, так как какие-либо уплотнения отсутствуют.

В этом случае, если нет компрессии в 1-м цилиндре или любом другом, маслосъемное кольцо на поршне не сможет выполнять свою функцию, а смазка тоже не сможет заполнить щели – она будет смываться со стенки цилиндра несгоревшим бензином.

Повысить уровень компрессии

В домашних условиях это можно только в том случае, если причиной ее появления стал нагар на поршнях и цилиндрах.

• Вам потребуется денатурированный спирт и керосин. Смешайте по 25 грамм каждого в пропорции 1:1. Это количество нужно для одного цилиндра. Соответственно, для четырех цилиндров понадобится в четыре раза больше смеси.
• Затем прогрейте двигатель до рабочей температуры.
• В каждый цилиндр через свечное отверстие примерно по 50 грамм полученной смеси. Так машину нужно оставить на 10 часов. После 10 часов в каждый цилиндр залейте немного масла и заведите двигатель, он должен поработать 20-30 минут. Нагар с отработанными газами должен выгореть.

Механические проблемы

Если 4-цилиндровый или более крупный силовой агрегат работает, но компрессия отсутствует, то здесь причины могут быть в механике. Внезапно компрессия пропадает по одной из следующих причин:

• Чаще всего повреждаются выпускные клапаны. На клапане часто можно наблюдать трещины. Это связано с естественным износом двигателя. Клапан недостаточно прилегает к седлу в головке блока цилиндров. Вот почему нет компрессии во 2 цилиндре.
• Также одна из причин – износ седла клапана. Снижение или отсутствие компрессии объясняется механическими повреждениями. Часто седло продавливается.
• Популярная причина – прогоревшая прокладка между блоком двигателя и головкой. Специалисты уверены, что это неизбежная ситуация, что появляется ввиду большого пробега авто. Немного реже причина прогара прокладки заключается в попадании грязи на плоскость. С этой проблемой сталкиваются, когда длительно эксплуатируют двигатель на повышенных температурах. Головка блока цилиндров трескается, блок деформируется.
• К механическим причинам низкой компрессии можно отнести и задиры в камерах сгорания. Причин образования задиров много, но самая частая – это перегрев. Если внутри цилиндра сломалось поршневое кольцо, это приводит к задирам. Повреждения деталей ЦПГ тоже приводят к снижению компрессии. Например, часто ломаются межкольцевые перемычки на поршнях.
• Если порвался ремень ГРМ, то давления не будет во всех цилиндров и двигатель запустить не получится.
• Выходят из строя впускные клапаны. Образуются трещины на поршнях или на стенках цилиндров. Появляется нагар на сальниках клапанов и на кольцах. Все это способствует снижению компрессии.

Резкое падение компрессии может привести к очень серьезным неполадкам в работе силового агрегата. Если в одном из цилиндров давление отсутствует, то нужно произвести диагностику. Далее рассмотрим, как проверить компрессию в цилиндрах.

Как проверить уровень?

Чтобы узнать о маленькой или слабой компрессии на свечи в первом, во втором или в другом цилиндре мотора, необходимо придерживаться следующих правил:

• силовой агрегат должен быть раскручен стартером до предельно высоких оборотов, для этого надо снизить вероятность потери энергии;
• процедура не должна проводиться на холодном двигателе, чтобы обеспечить максимальное сопряжение при температурах, наиболее близких к рабочим;
• предварительно нужно отключить и выкрутить свечи из цилиндров, чтобы не допустить образования сопротивления вращению;
• нужно отключить подачу горючего, чтобы моторная жидкость не смывалась со стенок цилиндров;
• необходимо максимально зарядить аккумуляторную батарею для эффективной раскрутки коленвала.

С помощью компрессометра

Для проверки уровня комперссии с помощью копрессометра:

1. Нужно прогреть автомобиль до рабочей температуры
2. Сбросить уровень давления в топливной рампе. После — необходимо опять запустить силовой агрегат.
3. Следующим этапом диагностики, который позволит понять причину падения компрессии, будет демонтаж наконечников, расположенных на свечах зажигания.
4. На следующем этапе нужно проверять, упала ли компрессия во всех четырёх цилиндрах мотора.

Таблица: результаты измерения

• цилиндр не может работать на небольших оборотах;
• из выхлопной трубы идёт синий дым;
• давление в картере увеличено.

• цилиндр не может функционировать на малых оборотах;
• из выхлопной трубы идёт синий дым;
• давление в картере увеличено.

• неустойчивая работа двигателя на холостых оборотах;
• цилиндр не может работать на небольших оборотах;
• из выхлопной трубы идёт синий дым;
• давление в картере увеличено.

Проверка маслом

Проверка маслом осуществляется с помощью 15-20 грамм смазки, которая заливается в некорректно работающий цилиндр.

После чего необходимо произвести проверку:

• тепловых зазоров клапонов на каждом цилиндре;
• мотора;
• смазочного материала.

Затем производится сборка мотора и его запуск, выполняется диагностика расширительного бачка охладительной системы.

Видео: проверка компрессии без использования компрессометра

Канал «Секретный ГАРАЖ» представил видеоролик, в котором показан способ проверки давления в цилиндрах мотора без использования компрессионного оборудования.

Готовим инструмент

Чтобы проверить, какая компрессия в цилиндрах, понадобится компрессометр. Это манометр с удлинителем и переходник для вкручивания в свечные колодцы. Компрессометры могут различаться. Они разные для бензиновых двигателей и дизельных.

Открывают капот, отключают свечные провода, извлекают свечи. Затем готовят компрессометр к работе. К устройству подключают переходники соответствующих размеров и вкручивают переходник в свечное гнездо. Затем водитель садится на свое место, нажимает полностью педаль газа и вращает двигатель стартером. После вращения нужно посмотреть на результат измерений. Предварительно следует узнать в инструкции к автомобилю, какая должна быть компрессия в цилиндре – для большинства бензиновых двигателей значение должно быть в районе 12. Проверку выполняют в каждом цилиндре.

Как устранить неисправность

Первое, что нужно сделать, – провести проверку компрессии в цилиндрах двигателя при помощи компрессометра. Продолжительность этой процедуры обычно составляет около 45 минут, так что вы должны располагать свободным временем. При отсутствии специального прибора вы можете приобрести его или воспользоваться услугами автомастерской. В случае обнаружения снижения компрессии необходимо проверить состояние поршней, цилиндров, клапанов и прокладок. Поврежденные элементы нужно заменить. Однако будьте готовы к длительному и дорогому ремонту, так как для замены неисправных деталей требуется их извлечение из двигателя.

Компрессия с маслом

Если нет давления, то это либо проблемы с ГБЦ, либо неисправности или естественный износ ЦПГ. Чтобы выявить, что же из этих двух факторов является причиной, нужно добавить масла в камеры сгорания.

Если нет компрессии в 3-м цилиндре или в любом другом, то перед измерением компрессометром в цилиндр наливают немного масла. Достаточно 50 грамм. Если компрессия после залива увеличилась, тогда проблема в кольцах. Если давление не изменилось, тогда проблема в ГБЦ. И в первом, и во втором случае потребуется разбирать двигатель для ремонта.

Какие могут быть последствия низкого уровня или отсутствия компрессии?

Если падение давления в одном или нескольких цилиндрах мотора критическое, то проблема может быть связана с перегревом двигателя. Длительное использование машины с такой неисправностью приведёт к полной поломке мотора.

Можно ли ездить, если нет компрессии в одном цилиндре?

Эксплуатация автомобиля в случае, если в одном или нескольких цилиндрах отсутствует компрессия, допускается. Данная проблема может со временем становиться критической, то есть при работе двигатель произвольно останавливается. Тогда использование машины будет, как минимум, неудобным.

Вот что на самом деле означает ‘степень сжатия’, и почему это имеет значение

Почему для двигателей так важна степень сжатия, и на что она влияет.

Вы наверняка слышали термин «степень сжатия» в двигателях внутреннего сгорания. Но вы когда-нибудь задумывались, что он означает? Итак, пришло время точно объяснить, что же такое коэффициент сжатия (степень) в двигателях автомобиля и почему сегодня все автопроизводители одержимы этим показателем, как будто этот параметр представляет собой Святой Грааль для будущих продаж автоновинок.

Сразу хотим отметить, что разобраться в том, что такое степень сжатия двигателя, не так просто, как кажется на первый взгляд. Вы наверняка заметили в различных рекламных проспектах и каталогах, а также в описании на сайтах автопроизводителей, что автобренды пытаются привлечь наше внимание такой характеристикой, как степень сжатия двигателей. Особенно стараются нам рассказать о степени сжатия менеджеры автосалонов. Мы обычно делаем вид, что понимаем, о чем идет речь, пропуская мимо ушей эту информацию. И причина такого поведения в том, что многие автолюбители просто не представляют, что такое степень сжатия двигателей, равно как и на что она влияет. Но тем не менее мы считаем, что все автолюбители должны знать, что же это за показатель двигателей внутреннего сгорания, о котором недавно вспомнили многие автопроизводители.

Мы знаем, что высокое сжатие двигателя – это хорошо, а низкое – плохо. Мы также знаем, что новый мотор Mazda Skyactiv-X имеет высокую степень сжатия. Не отстает от Mazda и Toyota со своими моторами «Dynamic Force», которые имеют высокую степень сжатия. Эти компании рекламируют новые двигатели с большим коэффициентом сжатия, заявляя, что они не только стали мощнее, но и получили большую экономичность. Но при чем здесь высокая степень сжатия и увеличение мощности с уменьшением расхода топлива? Сейчас объясним.

Двигатель Toyota «Dynamic Force»

Мы живем в эпоху, когда инженеры не могут просто дать двигателю больше энергии за счет укрупнения, как, например, это было раньше, когда автопроизводители на многие свои автоновинки устанавливали моторы с увеличенным объемом. К тому же это приводило к неминуемому увеличению расхода топлива и росту уровня вредных выбросов в выхлопе автомобиля. Сегодня в связи с дороговизной топлива по всему миру и сложной экологической обстановкой подобный способ увеличения мощности мотора не подходит. Особенно если учитывать жесткие экологические нормы, предъявляемые автопроизводителям рядом развитых западных стран.

В итоге автопроизводители стали улучшать эффективность нынешних моторов за счет применения турбин и увеличения степени сжатия современных двигателей.

Как определяется степень сжатия, и что это такое?

Степень сжатия – это показатель, при котором устанавливается, какой максимальный объем цилиндра двигателя может быть сжат в минимальный объем цилиндра. Этот показатель степени сжатия определяется как соотношение.

Например, обычно степень сжатия записывают вот таким образом: 9:1 (коэффициент сжатия двигателя «девять к одному»).

Теперь представьте цилиндр двигателя. Внутри цилиндра двигателя, как вы знаете, перемещается поршень: вверх и вниз. Когда поршень находится в самой нижней точке цилиндра двигателя, это называется «нижней мертвой точкой». Именно в этом положении поршня сверху него находится наибольший объем цилиндра. Когда поршень находится в самой высокой точке внутри цилиндра двигателя, это положение поршня называется «верхней мертвой точкой». В этом положении объем цилиндра находится в наименьшем значении. Вот сравнение этих двух объемов цилиндров над поршнями двигателя и образует соотношение степени сжатия. Обратите внимание, что когда поршень находится в верхней мертвой точке, все-таки над ним есть объемное пространство, где и происходит сжатие топливно-воздушной смеси.

Для тех, кто любит больше смотреть, чем читать, внизу мы публикуем GIF-картинку, на которой демонстрируется, как работает четырехтактный двигатель. Обратите внимание, как поршень движется вверх во время такта сжатия топливной смести (топливо + кислород), которая подается клапанами головки блока двигателя. Напомним, что воздух и топливо, поступаемые в цилиндр двигателя, сжимаются поршнем, чтобы затем воспламенить эту смесь с помощью свечи зажигания (в бензиновых моторах) или за счет сильного сжатия (в дизельных моторах).

Если двигатель имеет высокую степень сжатия, это означает, что заданный объем воздуха и топлива в цилиндре сжимается в гораздо меньшем пространстве, чем в двигателях с небольшой степенью сжатия.

А теперь математический пример соотношения степени сжатия в ДВС.

Предположим, что у нас есть двигатель, объем цилиндра и камер сгорания которого в момент нахождения поршня в нижней мертвой точке составляет 10 куб. см. После того как впускной клапан головки блока двигателя закрывается и поршень поднимается вверх, начав такт сжатия, он сжимает воздух и топливную смесь в пространство 1 куб. см. Этот двигатель имеет коэффициент сжатия (степень) 10:1.

Также часто производители любят вычислять итоговую степень сжатия, деля большее значение объема цилиндра над поршнем на меньший объем цилиндра. В итоге во многих технических характеристиках автомобилей вместо соотношения производители указывают результат деления этих значений.

Таким образом вычисляется, во сколько раз сжимается топливно-воздушная смесь при движении из нижней мертвой точки поршня в верхнюю мертвую точку. Разделив большее значение на меньшее, мы и получим итоговое значение степени сжатия без соотношения большего объема к меньшему.

Почему производители стараются увеличить степень сжатия?

Но не все так просто со степенью сжатия. Одно дело – понимать, что такое степень сжатия. И это не менее важно по сравнению с пониманием, почему так важна высокая степень сжатия для современных двигателей. К сожалению, объяснить простыми словами, почему высокая степень сжатия в двигателях современных автомобилей – это отличное решение на ближайшие годы, не получится. Тем не менее мы попытаемся.

Вы знаете, что мощность двигателя появляется в тот момент, когда сгорание топливной смеси оказывает силу на поршень внутри цилиндра двигателя. Эта сила толкает поршень вниз по цилиндру. И чем выше поршень находится в цилиндре в момент сжигания топливно-воздушной смеси, тем больше сил будет приложено на поршень.

Как мы уже сказали, чем больше степень сжатия, тем выше находится поршень в верхней мертвой точке. В итоге это позволяет вырабатывать больше мощности в момент сгорания топлива. Также помимо увеличения мощности для вырабатывания силы, толкающей поршень вниз по цилиндру двигателя, необходимо меньше топлива, что в конечном итоге влияет на топливную эффективность мотора. Это простое объяснение. Но оно неполное, поскольку при увеличении степени сжатия двигателей возникает ряд проблем, для решения которых необходимо в идеале знать термодинамику.

Итак, мы знаем, что высокая степень сжатия означает, что двигатель получает больше силы и мощности из того же количества топлива по сравнению с мотором с меньшим коэффициентом сжатия. Как мы выяснили, это хорошо для динамики автомобиля, а также для достижения хороших показателей его экономичности.

Чтобы объяснить вам точнее, почему более высокая степень сжатия дает больше экономии топлива, мы не будем погружаться слишком глубоко в науку о термодинамике. Тем не менее без нее нам также не объяснить вам в деталях, почему моторы с большой степенью сжатия более экономичные. Да, это нелегко понять. Но все же этот раздел термодинамики очень и очень интересен.

Более высокое сжатие в двигателе означает больше мощности, но больше давления

На приведенном выше рисунке показана диаграмма PV давления – объема для идеального типичного бензинового двигателя. Этот график наглядно демонстрирует, что происходит в двигателе, когда он сжигает воздушно-топливную смесь (в нашем примере бензин + кислород).

На приведенном выше графике кривая 1-2 показывает ход сжатия.

Линия 2-3 показывает сгорание топлива.

Верхняя кривая 3-4 показывает ход расширения.

И линия 4-1 показывает отвод тепла, когда открывается выпускной клапан в головке блока цилиндров двигателя.

Если описать все более техническим языком, то эту диаграмму следует понимать так:

На диаграмме кривая 1-2 показывает ход сжатия, при котором давление (ось Y) возрастает, а объем (ось Х) падает, когда поршень сжимает воздушно-топливную смесь внутри цилиндра, приближаясь к верхней мертвой точке.

Линия 2-3 показывает тепло, выделяемое во время горения топливной смеси. Эта линия показывает, как быстро увеличивается давление и температура сгораемого топлива.

Кривая 3-4 показывает увеличение объема цилиндра двигателя и падение давления, когда газ, полученный в процессе сгорания топливной смеси, оказывает силу на поршень, который начинает свое движение вниз по цилиндру двигателя (такт расширения).

Линия 4-1 показывает отвод тепла от газов, образованных в процессе сгорания топлива. Когда давление внутри цилиндра возвращается к давлению окружающей среды, открывается выпускной клапан.

Наконец, линия 1-5 демонстрирует нам ход выхлопа (выхлопной цикл мотора), в процессе которого поршень снова движется внутри цилиндра вверх (к верхней мертвой точке), чтобы снова сжать топливно-воздушную смесь для повторения цикла.

Область в пределах линий 1-2-3-4 показывает нам, сколько работы было проделано двигателем в рамках одного лишь только цикла. Более высокая степень сжатия двигателя означает, что две вертикальные линии на графике выше будут двигаться влево и вверх, оставляя больший диапазон хода поршня, что влияет на получение большей мощности по сравнению с двигателем, имеющим низкий коэффициент сжатия. То есть двигатель с высокой степенью сжатия сделает больше работы за один цикл, чем мотор с небольшой степенью сжатия.

И все дело в том, что в двигателях с высокой степенью сжатия в процессе сгорания топлива образуется больше давления, которое с большей силой двигает поршень вниз по цилиндру. Правда, в этом случае внутри двигателя выделяется больше тепла.

Более высокое сжатие в двигателе также означает более высокую тепловую эффективность

Важно отметить, что образование тепла и потеря тепла в течение цикла работы двигателя напрямую связаны с его эффективностью (речь идет о коэффициенте полезного действия – КПД). Причем на КПД главное влияние оказывает степень сжатия двигателя. Все дело в двух идеях. Во-первых, любая тепловая энергия, поступающая в систему, должна быть преобразована в механическую или отработанную. Во-вторых, тепловая эффективность – это просто результат работы двигателя (мощность и сила), разделенный на теплопередачу.

Вот как выглядит уравнение этой взаимосвязи (n – тепловой КПД, r – степень сжатия, а γ (гамма) – свойство жидкости):

Теперь вернемся к нашей диаграмме выше. Когда вы обеспечиваете больший ход поршня между верхней и нижней мертвой точкой, вы увеличиваете степень сжатия. За счет этого вы смещаете на диаграмме PV вверх и влево и увеличиваете температуру (Qh на графике выше). Причем увеличение температуры будет больше, чем потери тепла (Ql).

Иными словами, вы добываете в процессе сгорания топливной смеси больше энергии за один цикл работы двигателя. Кстати, вот один интересный ролик видеоблогера Джейсона Фенске, который рассказывает более простыми словами о взаимосвязи между степенью сжатия, теплопередачей и эффективностью (экономичностью двигателя):

Для тех, кто не знает английский, включите субтитры и их машинный перевод на русский язык.

Так что, как вы, наверное, уже поняли, тепловая эффективность двигателя возрастает по мере увеличения степени сжатия двигателя. Таковы законы физики, а именно законы термодинамики. Особенно это становится ясно из уравнения, приведенного выше.

Соответственно, чем выше степень сжатия мотора, тем больше он выдает лошадиных сил и меньше потребляет топлива. Для нас это означает более тяжелый кошелек за счет сэкономленных денег на заправке и больше адреналина при разгоне.

Чтобы это понять, вам нужно взять на прокат какой-нибудь старый американский неэффективный автомобиль с бензиновым V8 атмосферным двигателем, который имеет низкую степень сжатия. Поездив на таком автомобиле несколько дней, вы поймете, что автомобиль «жрет», как слон, но взамен не выдает хорошую мощность, которую сегодня показывают современные четырехцилиндровые и даже трехцилиндровые моторы.

Например, знаменитый двигатель Skyactiv-G от Mazda является очень эффективным в плане не только мощности, но и хорошей экономичности. Во многом это благодаря большой степени сжатия. Также ряд и других производителей стали выпускать современные моторы с высоким коэффициентом сжатия. Так, сегодня компании Mazda, Nissan / Infiniti и Toyota и другие начали выпускать двигатели с очень высокой степенью сжатия – 14:1.

Вы не поверите, но двигатели с такой степенью сжатия еще недавно казались фантастикой. Кстати, благодаря такой степени сжатия автопроизводителям нет необходимости оснащать двигатели турбинами, для того чтобы добиться соответствия современным стандартам экономичности, экологическим нормам, а также требованиям к мощности.

Почему более высокая степень сжатия означает, что автомобиль должен заправляться топливом с высоким октановым числом

Но почему большинство автопроизводителей сегодня не перешли на выпуск двигателей с высокой степенью сжатия, если такие силовые агрегаты позволяют без турбокомпрессоров добиваться таких выдающихся результатов эффективности силовых агрегатов? Все дело в законах физики.

Многие двигатели с высоким коэффициентом сжатия нуждаются в премиальном топливе или в высокооктановом бензине.

Тем, кто не знает или не помнит, что такое октан бензина и как он помогает избежать детонации в двигателе, советуем почитать наши следующие материалы:

Топливо с низким октановым числом по сравнению с топливом с высоким октаном, скорее всего, будет самопроизвольно воспламеняться из-за более высоких температур и давления воздуха в двигателях с высокой степенью сжатия. Мы знаем, что воспламенение топливно-воздушной смеси должно происходить, когда это действительно нужно, а не наоборот. Такое неконтролируемое воспламенение топлива называется детонацией. Это очень вредно для любых двигателей внутреннего сгорания. Дело в том, что излишняя детонация уменьшает крутящий момент и может нанести непоправимый урон двигателю автомобиля.

Высокая степень сжатия увеличивает риск сильной детонации двигателя. Вот почему моторы с большим коэффициентом сжатия, как правило, работают на высококачественном или высокооктановом бензине.

Главная причина риска самовоспламенения топливно-воздушной смеси в двигателях с высокой степенью сжатия – это превышение допустимого давления, которое приводит к резкому нагреву топливной смеси. В итоге это вызывает преждевременное сжигание топлива еще до того, как свеча зажигания с помощью искры зажжет его. Повторяем, преждевременное воспламенение топлива – это очень плохо для любого двигателя.

Для того чтобы снизить риск преждевременного воспламенения топлива, компания Mazda много работала над поршневыми и выпускными конструкциями бензиновых двигателей с высокой степенью сжатия (соотношение степени сжатия в цилиндрах двигателя 14:1). Например, мотор Skyactiv-X оснастили специальными поршнями, имеющими полость посередине, которая позволила предотвращать всплеск богатого кислородом топлива вокруг области воспламенения топливной смеси от свечи зажигания.

Именно проблема самовоспламенения топлива в двигателях с высокой степенью сжатия и препятствует сегодня массовому распространению данного типа моторов во всей автопромышленности. Подробнее об двигателе Mazda можно почитать здесь

Существуют ли ограничения по увеличению степени сжатия в двигателях

Интересно, почему автопроизводители не стараются сделать степень сжатия своих двигателей еще больше? Почему сегодня коэффициент сжатия 14:1 уже считается много? Неужели нельзя сделать двигатель с еще большим коэффициентом сжатия? Ведь в таком случае автомобили получили бы еще больше мощности и одновременно стали бы еще экономичней.

Например, почему бы не сделать двигатель со степенью сжатия 60:1? Но на самом деле это невозможно в сегодняшнем мире.

Такую степень сжатия не выдержит ни один металл внутри двигателя. Да дело даже не в металле. Даже если бы у нас был такой крепкий дешевый металл, способный выдержать степень сжатия 60:1, все равно бы мы не смогли построить подобный рабочий мотор. Просто такая степень сжатия привела бы к чрезмерно высокой температуре внутри двигателя. В итоге мотор стал бы настолько горячим, что это вызвало бы его самоуничтожение (двигатель взорвался бы от высоких температур).

Также, в принципе, нас не должна так сильно заботить высокая степень сжатия в современных автомобилях, если речь идет, конечно, не о спортивных мощных автомобилях, где каждая лишняя лошадиная сила на вес золота. Сегодня в рамках массового рынка нас больше волнует не мощность, а экономичность обычных повседневных автомобилей. Особенно во времена немалой стоимости топлива, где вопрос экономии топлива напрямую влияет на наши кошельки. Также сегодня более остро стоит вопрос экологии. А мы знаем, что чем менее экономичен автомобиль, тем меньше он загрязняет окружающую среду выхлопными газами. Так что, в принципе, увеличение степени сжатия в современных двигателях необходимо в первую очередь для улучшения экологической обстановки на всей планете. Но для того чтобы этого добиться, нет смысла существенно увеличивать в современных моторах степень сжатия.

Вот мы и подошли к концу темы о степени сжатия двигателей внутреннего сгорания. Надеемся, что теперь вы не просто знаете, что такое степень сжатия силовых агрегатов, но и понимаете, какую важную роль она играет в современных двигателях.

Источник https://www.drive2.ru/b/1477907/

Источник https://avto-layn.ru/remont-i-servis/nizkaya-kompressiya-v-dvigatele-simptomy.html

Источник https://1gai.ru/baza-znaniy/520464-vot-chto-na-samom-dele-oznachaet-stepen-szhatiya-i-pochemu-eto-imeet-znachenie.html