Степень сжатия, компрессия двигателя, и октановое число

Чтобы понять принципы увеличения мощности и эффективности работы двигателя внутреннего сгорания, вы должны знать такие понятия, как степень сжатия, компрессия и октановое число. При это необходимо понимать, что уровень октанового числа – это не цель, а всего лишь один из факторов, способствующих улучшению характеристик эксплуатации ДВС.

В первую очередь стоит обозначить, что степень сжатия и компрессия – это не одно и то же. Степень сжатия представляет собой отношение максимального и минимального объема цилиндра. Иначе говоря, это отношение суммы объемов камеры сгорания и цилиндра к объему камеры сгорания. И это математическая величина.

Учитывая то, что степень сжатия – это, по сути, отношение объема смеси при поступлении в цилиндр к объему воспламеняемой смеси, можно утверждать, что давление, при котором происходит воспламенение топлива, прямо-пропорционально степени сжатия. Давление увеличивается вместе с увеличением степени сжатия.

Также необходимо учитывать, что давление, помимо степени сжатия, зависит еще и от давления при впуске. Так что давление воспламеняемой смеси у двигателя с большой степенью сжатия может быть меньше.

Компрессия представляет собой конечное давление фазы сжатия и является не математической, а физической величина. Она практически такая же, как давление воспламеняемой смечи, так как воспламенение смеси всегда происходит до или после наивысшего уровня давления. Эта разница зависит от угла зажигания.

А теперь стоит рассмотреть подробнее, как степень сжатия влияет на эффективность и мощность двигателя. Работа ДВС осуществляется путем расширения рабочего тела, которым выступает смесь топлива и воздуха (в двигателях, которые работают на бензине). Принцип работы таков: нагрета смесь начинает расширяться и толкает поршень, который вращает коленвал. Соответственно, чем больше степень сжатия, тем интенсивнее двигается поршень, и тем выше уровень полезной работы. Это один из факторов, составляющих КПД. Его можно рассчитать по следующей формуле (в теории):

КПД = 1 – (1/степень сжатия) гамма – 1

Гамма – это значение дискретной функции, которая зависит от давления, температуры и объема смеси, которая воспламеняется. То есть, от нескольких постоянных значений. Теперь известно, что термический КПД больше при большей степени сжатия. Это несколько упрощенное объяснение, т.к. для получения максимального показателя необходимо также подбирать ряд показателей и степень сжатия – лишь один из них.

Возникает ошибочное предположение, что можно просто убрать камеру сгорания и повысить, как можно больше, степень сжатия, чтобы достичь наилучших показателей. Однако, это не так. Проблема в том, что при повышении давления и температуры проявляются два таких фактора, как преждевременное воспламенение и детонация. Чтобы полностью понять эти два явления, нужно принять во внимание, что смесь в ДВС горит, а не взрывается. А гамма, упомянутая в формуле, зависит от температуры пламени, скорости горения и формы фронта воспламенения. Он (фронт воспламенения) должен быть однородным, а его распространение должно происходить равномерно во время поступательного движения. И при меньшей температуре горения уменьшаются и потери на тепловыделение.

Что касается преждевременного воспламенения, оно случается при самопроизвольном воспламенении смеси, которое происходит при увеличении давления. В таких случаях часть работы тратится не на толкание поршня, а на предотвращение завершения хода фазы сжатия. И происходит неэффективное использование оставшейся энергии расширения.

Детонация представляет собой процесс, при котором происходит взрыв воспламеняемой смеси. То есть происходит резкое значительное увеличение скорости распространения горения. На это влияют давление и температура, а сам эффект происходит при наличии необходимого количества одного из продуктов горения. При детонации вместо фонтана горения происходит ударная волна, что приводит в значительному уменьшению термического КПД и повышению нагрузки на поршни.

Поэтому следует учитывать, что увеличение давления возможно только до определенного уровня (до появления описанных явлений). И теперь всплывает такое понятие, как октановое число. Следует заметить, что разные виды топлива имеют различную устойчивость перед преждевременным воспламенением и детонацией (или детонационную стойкость). А октановое число – показатель такой стойкости. У топлива с более высоким октановым числом, соответственно, и стойкость выше. Но, при этом, количество вырабатываемой из литра топлива энергии никак не зависит от октанового числа.

Но стоит перейти от теоретических моментов к практическому их воплощению. Рассмотрим два наиболее распространенных вопроса:

1. Могут ли сгореть клапаны при использовании бензина с высоким октановым числом?

Бывают ситуации, когда выпускные поршни могут сгореть при заливании бензина с высоким октановым числом. Считается, что это случается в связи с более высокой температурой горения смеси, имеющей более высокое октановое число. Но это происходит совсем по другой причине. Температура горения топлива с большим октановым числом, как правило, меньше, и горит оно медленнее. В связи с этим может произойти выпуск горящей смеси вместо газов через клапан на фазе выпуска. А если она окажется в выпускном коллекторе, то и ему будет нанесен ущерб. Но в реальности строение множества двигателей приспособлено к использованию топлива с высоким октановым числом. Так что, прежде чем использовать топливо с октановым числом, не совпадающим с тем, которое рекомендовано производителем, учитываете принцип работы двигателя.

2. По какой причине на свечах образуется нагар при использовании топлива с более высоким октановым числом?

Во-первых, это вызвано тем, что в России бензин с более высоким октановым числом получают посредством добавления присадок. И довольно часто при изготовлении бензина с октановым числом 95 применяются худшие присадки, чем для 98-го. Именно поэтому залив 95 бензин после 92-го можно почувствовать, что мотор работает ровнее, но на свечах в то же время появляется нагар. В этой ситуации все зависит уже от АЗС, на которой вы заправляетесь.

Во-вторых, влияние оказывает угол опережения зажигания. При отсутствии в двигателе системы автоматического регулирования угла зажигания, использование топлива с высоким октановым числом может привести к утрате части мощности и порче свеч. Выше уже писалось о том, что топливо с высоким октановым числом горит медленнее, поэтому поджигать его необходимо раньше, чтобы оно полностью сгорело.