Степень сжатия

редактировать

Отношение объема камеры сгорания к ее от максимальной производительности до минимальной

Степень статического сжатия определяется с использованием объема цилиндра в моменты, когда поршень находится в верхней и нижней части своего хода.

В двигателе внутреннего сгорания, степень статического сжатия рассчитывается на основании относительных объемов камеры сгорания и цилиндра ; то есть соотношение между объемом цилиндра и камеры сгорания, когда поршень находится в нижней части своего хода, и объемом камеры сгорания, когда поршень находится в нижней части своего хода вершина штриха. степень динамического сжатия - это более сложный расчет, который также учитывает газы, входящие и выходящие из цилиндра во время фазы сжатия. Степень сжатия является фундаментальной характеристикой двигателей внутреннего сгорания.

Содержание

1 Эффект и типичные соотношения
- 1.1 Бензиновые двигатели
- 1.2 Дизельные двигатели
- 1.3 Другие виды топлива
- 1.4 Двигатели для автоспорта
2 Математическая формула
3 Двигатели с переменной степенью сжатия
4 Взаимосвязь со степенью сжатия
5 Степень динамического сжатия
6 См. Также
7 Ссылки

Эффект и типичные отношения

Желательна высокая степень сжатия, поскольку она позволяет двигатель для извлечения большего количества механической энергии из заданной массы топливовоздушной смеси за счет более высокого теплового КПД. Это происходит потому, что двигатели внутреннего сгорания являются тепловыми двигателями, и более высокие степени сжатия позволяют достичь той же температуры сгорания при меньшем количестве топлива, обеспечивая более длительный цикл расширения, создавая большую выходную механическую мощность и снижая температуру выхлопных газов.

Бензиновые двигатели

В бензиновых (бензиновых) двигателях, используемых в легковых автомобилях в течение последних 20 лет, степени сжатия обычно находятся в диапазоне от 81 до 12.1. В некоторых серийных двигателях использовались более высокие степени сжатия, в том числе:

автомобили, построенные в 1955–1972 годах, которые были разработаны для высокооктанового октанового числа этилированного бензина, что допускало степень сжатия до 13∶ 1.
Некоторые двигатели Mazda SkyActiv, выпускаемые с 2012 года, имеют степень сжатия до 14,0∶1. В двигателе SkyActiv такая степень сжатия достигается при использовании обычного неэтилированного бензина (RON 95 в Соединенном Королевстве) за счет улучшенной очистки выхлопных газов (что обеспечивает как можно более низкую температуру цилиндра перед тактом впуска) в дополнение к прямому впрыску.
Ferrari 458 Speciale 2014 года выпуска также имеет степень сжатия 14,0∶1.

Когда принудительная индукция (например, турбокомпрессор или нагнетатель ) степень сжатия часто ниже, чем у двигателей без наддува . Это происходит из-за того, что турбокомпрессор / нагнетатель уже сжал воздух перед его поступлением в цилиндры. Двигатели, использующие впрыск топлива, обычно работают с более низким давлением наддува и / или степенью сжатия, чем двигатели с прямым впрыском, потому что впрыск топлива через порт вызывает одновременный нагрев смеси воздуха и топлива, что приводит к детонации. И наоборот, двигатели с прямым впрыском могут работать с более высоким наддувом, потому что нагретый воздух не взорвется без топлива.

Более высокая степень сжатия может сделать бензиновые двигатели подверженными детонации (также известной как «детонация», «преждевременное зажигание» или «звон») при использовании топлива с более низким октановым числом. используется. Это может снизить эффективность или повредить двигатель, если отсутствуют датчики детонации, изменяющие угол опережения зажигания.

Дизельные двигатели

Дизельные двигатели используют более высокую степень сжатия, чем бензиновые двигатели, потому что отсутствие свечи зажигания означает, что степень сжатия должна повышать температуру воздуха в цилиндре в достаточной степени, чтобы воспламенить дизельное топливо с воспламенением от сжатия . Степень сжатия часто составляет от 14 ± 1 до 23 ± 1 для дизельных двигателей с прямым впрыском и от 18 ± 1 до 23 ± 1 для дизельных двигателей с косвенным впрыском.

Другие виды топлива

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

Керосин в двигателях обычно используется степень сжатия 6,5 или ниже. Вариант бензин-парафинового двигателя трактора Ferguson TE20 имел степень сжатия 4,5∶1 для работы на тракторном пароварочном масле с октановым числом . от 55 до 70.

Двигатели Motorsport

Двигатели Motorsport часто работают на высокооктановом бензине и, следовательно, могут использовать более высокие степени сжатия. Например, двигатели для гонок на мотоциклах могут использовать степень сжатия до 14,7∶1, и обычно встречаются мотоциклы со степенью сжатия выше 12,0∶1, рассчитанные на топливо с октановым числом 86 или 87.

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 ( $CR {\ displaystyle CR}$ $CR$ ) представляет собой соотношение между объем цилиндра и камеры сгорания, когда поршень находится в нижней части своего хода, и объем камеры сгорания, когда поршень находится в верхней части своего ход. Следовательно, он рассчитывается по формуле

CR = V d + V c V c {\ displaystyle {CR} = {\ frac {V_ {d} + V_ {c}} {V_ {c}}}}

{\ displaystyle {CR} = {\ гидроразрыв {V_ {d} + V_ {c}} {V_ {c}}}}

Где:

V d {\ displaystyle V_ {d}}

V_ {d}

= объем вытеснения. Это объем внутри цилиндра, перемещаемый поршнем от начала хода сжатия до конца хода.

V c {\ displaystyle V_ {c}}

V_ {c}

= объем зазора. Это объем пространства в цилиндре, оставшийся в конце такта сжатия.

$V d {\ displaystyle V_ {d}}$ $V_ {d}$ можно оценить по объему цилиндра формула

V d = π 4 b 2 s {\ displaystyle V_ {d} = {\ tfrac {\ pi} {4}} b ^ {2} s}

{\ displaystyle V_ {d} = {\ tfrac {\ pi} {4}} b ^ {2 } s}

Где:

b {\ displaystyle b}

b

= цилиндр канал (диаметр)

s {\ displaystyle s}

s

= piston ход длина

Из-за сложная форма $V c {\ displaystyle V_ {c}}$ $V_ {c}$ обычно измеряется напрямую. Часто это делается путем наполнения цилиндра жидкостью и последующего измерения объема использованной жидкости.

Двигатели с переменной степенью сжатия

В большинстве двигателей используется фиксированная степень сжатия, однако двигатель с переменной степенью сжатия может регулировать степень сжатия во время работы двигателя. Первый серийный двигатель с переменной степенью сжатия был представлен в 2019 году.

Регулируемая степень сжатия - это технология для регулировки степени сжатия двигателя внутреннего сгорания во время работы двигателя. Это сделано для повышения эффективности использования топлива при различных нагрузках. Двигатели с регулируемым сжатием позволяют изменять объем над поршнем в верхней мертвой точке.

Более высокие нагрузки требуют более низких передаточных чисел для увеличения мощности, в то время 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, поскольку двигатель работает в ответ на нагрузку и требования движения.

Infiniti QX50 2019 года выпуска - первый серийный автомобиль, в котором используется двигатель с переменной степенью сжатия.

Взаимосвязь со степенью сжатия

Степень сжатия в зависимости от степени давления для воздуха

На основе предположений, что выполняется адиабатическое сжатие (т. Е. Тепловая энергия не подается в сжатого газа, и что любое повышение температуры происходит исключительно из-за сжатия) и что воздух является идеальным газом, соотношение между степенью сжатия и общей степенью давления следующее:

Степень сжатия	2∶1	3∶1	5∶1	10∶1	15∶1	20∶1	25∶1	35∶1
Степень сжатия	2,64∶1	4,66∶1	9.52∶1	25.12∶1	44.31∶1	66.29∶1	90.60∶1	145∶1

Это соотношение выводится из следующего уравнения:

P 1 V 1 γ = P 2 V 2 γ ⇒ P 2 P 1 = (V 1 V 2) γ {\ displaystyle P_ {1} V_ {1} ^ {\ gamma} = P_ {2} V_ {2} ^ {\ gamma} \ Rightarrow {\ frac {P_ {2}} {P_ {1}}} = \ left ({\ frac {V_ {1}} {V_ {2}}} \ right) ^ {\ gamma}}

P_ { 1} V_ {1} ^ {\ gamma} = P_ {2} V_ {2} ^ {\ gamma} \ Rightarrow {\ frac {P_ {2}} {P_ {1}}} = \ left ({\ frac {V_ {1}} {V_ {2}}} \ right) ^ {\ gamma}

где

γ {\ displaystyle \ gamma}

\ gamma

- это отношение удельных теплоемкостей (воздух: приблизительно 1,4)

Однако в большинстве реальных двигателей внутреннего сгорания соотношение удельных теплоемкостей изменяется с температурой, и будут происходить значительные отклонения от адиабатического поведения.

Степень динамического сжатия

Рассмотренная выше степень статического сжатия - рассчитанная исключительно на основе объемов цилиндра и камеры сгорания - не принимает во внимание какие-либо 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 тому, что часть газов будет вытолкнута обратно через впускной клапан. С другой стороны, настройка впускного канала и продувка может привести к тому, что в цилиндре будет задержано большее количество газа, чем можно предположить по статическому объему. Степень динамического сжатия учитывает эти факторы.

Степень динамического сжатия выше при более консервативной синхронизации впускных клапанов фаз газораспределения (т.е. вскоре после BDC) и ниже при более радикальной синхронизации впускных клапанов (т.е. позже после BDC). Тем не менее, степень динамического сжатия всегда ниже, чем степень статического сжатия.

Абсолютное давление в цилиндре используется для расчета степени динамического сжатия по следующей формуле:

P цилиндр = P атмосферный × CR γ {\ displaystyle P _ {\ text {cyl}} = P _ {\ текст {атмосферный}} \ times {\ text {CR}} ^ {\ gamma}}

{\ displaystyle P _ {\ text {цилиндр}} = P_ { \ text {атмосферный}} \ times {\ text {CR}} ^ {\ gamma}}

где

γ {\ displaystyle \ gamma}

\ gamma

- значение политропы для отношения удельной теплоемкости для газов сгорания при имеющихся температурах (это компенсирует повышение температуры, вызванное сжатием, а также теплопотери в цилиндр)

В идеальных (адиабатических) условиях, отношение удельной теплоты будет 1,4, но используется более низкое значение, обычно от 1,2 до 1,3, поскольку количество потерянного тепла будет варьироваться в зависимости от двигателя в зависимости от конструкции, размера и используемых материалов. Например, если степень статического сжатия составляет 10À1, а степень динамического сжатия составляет 7,5À1, полезное значение для давления в цилиндре будет 7,5 × атмосферное давление или 13,7 бар (относительно атмосферного давления.).

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

См. Также

Среднее эффективное давление