Ступінь стиснення, компресія і октанове число

Для розуміння принципів підвищення потужності і ефективності двигуна внутрішнього згоряння необхідно знати, що таке ступінь стиснення, компресія і октанове число. Причому, не на рівні міркувань, що 98-ий бензин якісніший ніж 95-ий. Потрібно розуміти, що октанове число само по собі не є самоціллю, а лише один з факторів досягнення найкращих експлуатаційних характеристик ДВС.

Перш за все давайте відразу внесемо ясність і обговоримо, що компресія і ступінь стиснення - це абсолютно різні речі. Ступінь стиснення - це відношення між максимальним об'ємом циліндра ...

Або, іншими словами, ставлення повного обсягу циліндра (тобто обсягу циліндра плюс обсягу камери згоряння) до обсягу однієї лише камери згоряння ...

Оскільки це відношення, зване ступенем стиснення, грубо кажучи, є відношення об'єму, який займає суміш при її подачі в циллиндр, до обсягу, при якому суміш запалюється, то тиск, при якому запалюється паливо, пропорційно цій величині. Тобто чим більше ступінь стиснення, тим більше тиск займисті суміші.

Для кращого розуміння варто відзначити, що оскільки тиск залежить не тільки від ступеня стиснення, а й від, наприклад, тиску на фазі впуску, то тиск займисті суміші може бути менше у двигуна з більшим ступенем стиснення. Як? Наприклад, у турбированних двигунів ступінь стиснення зазвичай менше ніж у атмосферних (чому так роблять - стане зрозуміло нижче), при цьому тиск у них на всіх фазах істотно вище, оскільки вже на впуск суміш подається в стислому стані (у чому, власне, і полягає їх природа).

Компресія - це, до речі, тиск в кінці фази стиснення. Тобто вона майже дорівнює тому самому тиску займисті суміші. Чому майже? Тому що суміш запалюється завжди трохи пізніше або трохи раніше того моменту, коли тиск максимально ...

Це «майже» визначається кутом запалювання, про який ми, правда, сьогодні говорити не будемо. Досить лише зазначити, що він також потрібен для боротьби з детонацією, про яку нижче.

Повертаючись до ступеня стиснення, подивимося, чому ж вона нам важлива в контексті ефективності та потужності двигуна. А ось чому. Робота в двигуні внутрішнього згоряння відбувається за рахунок розширення робочого тіла, в якості якого в бензинових двигунах виступає паливо-повітряна суміш. Як в школі вчили: палаюча суміш розширюється, штовхаючи при цьому поршень, поступальний рух якого перетворюється в обертальний рух коленвала. Відповідно, при більшому ступені стиснення хід поршня, в рамках якого суміш може реалізувати свій енергетичний потенціал, виявляється більше, а отже відбувається більше корисної роботи. Насправді це лише один з факторів, все разом же вони визначають термічний ККД - показник ефективності розширення робочого тіла в момент згоряння. Для нього навіть формула є:

Термічний ККД = 1 - (1 / ступінь стиснення) ^ гамма - 1

Де гамма - значення якоїсь дискретної функції, що залежить від температури, тиску і об'єму востпламеняемой суміші. Простіше кажучи, набір констант. Отже ми бачимо, що чим більше ступінь стиснення, тим більше термічний ККД. Також зрозуміло, що це деяке спрощення, оскільки для отримання його максимального значення потрібно підбирати масу параметрів, де ступінь стиснення лише один з багатьох, хоч і важливий. Як говорив власник одного з автосервісів: «Не дарма двігаетлі придумують люди з двома вищими освітами». І правда, не дарма.

Ну здорово, ніби розібралися: чим більше ступінь стиснення, тим краще. Так давайте просто позбудемося камери згоряння, піднявши ступінь стиснення до небес, і буде нам щастя. А щастя не буде, і ось чому. Справа в тому, що при підвищенні тиску і температури виникає два неприємних явища: детонація і передчасне займання. Для того, щоб в повній мірі їх зрозуміти, потрібно усвідомити один дивовижний факт: паливна суміш в ДВС не вибухає - вона горить. Причому та сама гама, яку ми згадували вище, залежить і від швидкості горіння і від форми фронту займання і від температури полум'я. Швидкість горіння повинна соотвествовать швидкості руху поршня. Фронт займання повинен бути однорідним і поширюватися рівно по ходу поступального руху. Чим менше температура горіння, тим менше втрати на тепловиділення. Це все спрощені заяви, але загальну суть явищ передають.

Повернемося до детонації і передчасного займання. Передчасне займання відбувається, коли при збільшенні тиску в суміші вона мимовільно запалюється. При цьому виходить, що частина роботи витрачається не так на те, щоб штовхати поршень, а на те щоб перешкодити завершити йому хід фази стиснення, а та енергія розширення, яка ще залишиться (якщо залишиться), буде використана вкрай неефективно через нерассчетного профілю фронту горіння.

Детонація ж - це ще більш неприємний ефект, коли займання суміш вибухає. Тобто після короткого моменту, коли горіння поширюється зі швидкістю, вимірюваної дестякі сантиметрів в секунду, вона раптом збільшується в рази. Відбувається це під впливом і температури і тиску, а сам ефект забезпечується наявністю певної кількості одного з продуктів горіння. Ефекти від детонації: замість фронту горіння отримуємо ударну хвилю (в принципі те ж саме, але тільки в рази більше швидкість і температура), як наслідок - різке падіння термічного ККД і ударні навантаження на поршневу групу. А тепер на секундочку уявіть, що відбувається, якщо детонація виникає не після підпалу суміші свічкою, а після самозаймання - все те ж саме, але тільки проти ходу поршня.

Ось і виходить, що ступінь стиснення можна збільшувати тільки до тих пір, поки не почнуть проявлятися описані ефекти. І тут ми приходимо до наступного поняттю - октановим числом. Оказиваеться, у різних видів палива стійкість до передчасного займання і детонації різниться (все замість це називають детонаційної стійкістю). Октанове число якраз і є показником цієї стійкості. Чим воно вище, тим вище і стійкість. Важливо при цьому зазначити, що в більшості випадків кількість енергії, яку можна вивільнити з літра палива, від октанового числа не залежить.

Але давайте від теоретичних моментів, якими можна заповнити кілька томів, звернемося до питань практичним і розглянемо описувані явища через призму повсякденності.

Перший поширений питання: прогорять чи клапани, якщо залити бензин з великим октановим числом?

Дійсно, в деяких випадках використання бензину з великим октановим числом може призвести до прогорання випускних клапанів:

При цьому вважається, що відбувається це через більшої температури горіння суміші з більш високим октановим числом. Насправді все навпаки. Паливо з великим октановим числом зазвичай горить з меншою температурою і повільніше. Через швидкості горіння нижче розрахунково може вийти так, що на фазі випуску через клапан замість відпрацьованих газів буде випущена ще палаюча суміш. Палаюча суміш може виявитися і в випускному колекторі - тоді постраждає і він. На практиці ж конструкція багатьох двигунів дозволяє реалізувати потенціал палива з вищим октановим числом без шкоди для ресурсу.

У будь-якому випадку, якщо ви ллєте бензин, відмінний від рекомендованого виробником, ви повинні чітко розуміти фізику роботи саме вашого мотора - тому, що говорять в сервісах, вірити можна далеко не завжди.

Питання номер два: чому при використанні бензину з великим октановим числом на свічках утворюється нагар?

Перша причина є наслідком того, що вУкаіни високооктанові бензини отримують виключно шляхом додавання присадок. При цьому часто виходить так, що для отримання 95 п'ятого бензину присадки використовуються менш якісні, ніж для 98-ого. Так що заправившись 95-им після 92-ого можна отримати більш рівну роботу мотора і нагар на свічках в одному флаконі. Зрозуміло, що тут все залежить від конкретної АЗС.

Друга причина - кут випередження запалювання. Якщо у вашому двигуні немає системи, яка автоматично регулює кут запалювання, то затоку високооктанове паливо можна знову ж загидити свічки і втратити частину потужності. Як згадувалося вище, високооктанове паливо горить повільніше, а отже для правильного і повного згоряння суміші її підпал повинен здійснюватися раніше.