Степень сжатия двигателя

А сегодня про компрессию и степень сжатия двигателя. Вторая часть повествования про капиталку двигателей, и будет она касаться не только ЗМЗ. Давайте только определимся с тем, какой у нас будет подход к вопросу. Обычный или индивидуальный. Это две большие разницы. Если сравнить с жизнью, есть готовая одежда, а есть индивидуальный пошив.

Проектирование

Прежде чем делать капиталку на индивидуальном уровне, Вы должны ответить себе на вопрос: под какой бензин мы делаем двигатель? И в зависимости от этого мы рассчитываем степень сжатия. И вот тут первое препятствие. Очень большое количество народа путает два понятия, а именно КОМПРЕССИЯ и СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ. Первое понятие, характеризует состояние двигателя в настоящий момент. А второе – есть величина математическая, которая закладывается в момент проектирования мотора. Но которую можно чуть скорректировать: толщиной прокладки гбц, подрезкой поршней или блока.

• Компрессия в цилиндре. Если говорить техническим языком, это давление воздуха в цилиндре в конце такта сжатия. То есть когда поршень прошел от низа до верха, и впускные и выпускные клапана у нас закрыты. Если сравнивать с обычной жизнью, то, наверное, это будет сравнимо с процедурным кабинетом, где во время медосмотра или диспансеризации, Вам измеряют температуру и давление. Измеряется она в тех же величинах, в которых измеряется давление. Но чаще в народе можно услышать фразу» компрессия 10 очков». В первой части, про капиталку, я уже говорил, что сейчас компрессия не является для меня критичным показателем. Очень вкратце объясню почему. Дело в том, что на нее, может влиять очень много факторов, которые можно исправить. Например, «растянулась цепь» и как следствие, «убежали» метки грм. Какой-то клапан будет приоткрыт, и значение компрессии будет маленьким.  Выставьте грим, по меткам, градус в градус, и показания компрессометра будут совсем другими. Или плохо работал лямбда зонд или датчик температуры охлаждающей жидкости. ЭБУ будет лить бензин ведрами, и очень быстро на выпускном клапане образуется нагар. Как следствие не герметичность рабочей фаски и низкие показания компрессии.
• Степень сжатия. Если как обычно перевести на научно-популярный язык, это математическая величина показывающая, во сколько раз сжимается в цилиндре топливо воздушная смесь. И здесь мы плавно выходим на очень важный вопрос: на бензине с каким октановым числом или на каком газу, Вы планируете ездить 90% вашего времени. То есть возможны следующие варианты: 92 или 95 бензин, пропан бутан, метан. Экзотические варианты типа метанола или сотого бензина рассматривать не будем, оставим это людям из секты «любителей Субару». Октановое число, говорит нам о стойкости бензина или газа к детонации (то есть микровзрыву в цилиндре на этапе сжатия). У пропан-бутановой смеси октановое число около 100, у метана примерно 115.  И для всех этих значений нужна разная степень сжатия, которую мы можем рассчитать и воплотить в железе. Для 76 бензина – до 7,5, для 92- до 9,5, для 95 до 12, для газовых смесей от 12 и выше. Есть таблицы с более точными цифрами, но я дал эту информацию, для общего понимания. Еще будет правильным добавить, что данные цифры верны для атмосферных двигателей, для турбо они другие.

Расчет степени сжатия

Что мы имеем в базе? Стандартный карбюраторный движок с обозначением 4061,10 или 4063,10 имел степень сжатия 8, под 76, а позже под 80 бензин. Инжекторный вариант, имеет СЖ 9,3, под 92 бензин.

И вот на этапе расчета мы имеем первое препятствие. Степень сжатия есть понятие, в двух ипостасях, а именно статическая и динамическая. Попробую перевести на русский язык. Когда мы считаем степень сжатия, мы предполагаем идеальный вариант, то есть поршень идет наверх, впускной и выпускной клапана закрыты. Но в реале это конечно не так. Когда поршень пошел наверх, впускной клапан еще некоторое время продолжает быть открытым и это конечно влияет на наш «идеальный вариант расчета». Поэтому, если мы походим к двигателю в индивидуальном порядке мы имеем два понятия: Статическая или Геометрическая степень сжатия (SCR — Static Compression Ratio), и ее родная сестра Динамическая СЖ (DCR – Dynamic Compression Ratio). Статика считается достаточно просто, но даже в этом очень многие «теоретики» допускают грубейшую ошибку.  Главная формула, которая ходит по книгам и интернету: SCR=Vрц+Vкс/Vкс. То есть формула отражает, во сколько раз мы сжимаем топливо воздушную смесь. Соотношение Vрц (рабочий объем цилиндра) к Vкс (объем камеры сгорания). Но на самом деле, как поется в песне – Вы не одна, какой пассаж. Учитывать надо не только камеру сгорания, но и еще три объема: цековок или лужу в поршнях, прокладку гбц, недоход поршня и вытеснители (если они есть). То есть наша формула, должна быть следующей:

SCR=Vрц+Vверх/Vверх. Где Vверх= Vкс+Vлужи+Vпр+Vнх+Vвтс.

Если недоход поршня имеет место быть, мы его прибавляем, если поршень не дай бог выступает, мы его вычитаем. Аналогично с вытеснителями. Давайте проверим наш расчет на практике, на примере стандартного змз 406. В интернете куча готовых калькуляторов для расчета степени сжатия, но все легко считается вручную.

Vрц=πD²/4*S, где D-диаметр цилиндра, S – ход поршня или коленвала, как вам угодно, число π – 3,14. Давайте на берегу договоримся, что все переводим в миллиметры, в сантиметры или в метры. Vрц=578 кубических сантиметров.

Vверх=70 кубиков.

Vпр и Vнх, считаем по формуле объема цилиндров. Vкс и Vлужи измеряем заливкой воды и точным медицинским шприцом. Более подробно я это рассказывал в одном из своих видео, посвященных доработке гбц.  Скажу по секрету, я очень много раз считал статическую степень сжатия двигателя змз 406, у меня никогда не получалось 9,3. Всегда получалось 9,2 и даже чуть ниже.

Динамическая степень сжатия двигателя

Начнем с очень простой аксиомы (аксиома – утверждение, принимаемое без доказательств). Динамическая степень сжатия никогда не может быть больше статической, только меньше. Как было сказано в фильме: папаня, дело в следующем.

• Давайте познакомимся со следующим понятием, а именно – эффективное наполнение цилиндра (volumetric efficiency). В немецкой литературе есть следующие цифры. Если у Вас восьми клапанный двигатель, то есть на цилиндр, впускной и выпускной клапан. Наполняемость может быть максимум 75-80%. У шестнадцати клапанных до 85%. Фирма Honda делала двигатели с четырьмя клапанами на впуск и говорила о эффективном наполнении больше 90%. Но вернемся к двигателю змз 406 и будем говорить о 80%.
• Явление номер два, влияющее на динамическую степень сжатия двигателя – открытие и закрытие впускного клапана. Обычно все начинают объяснять принцип работы с такта впуска. А давайте начнем не с этого, а чуть раньше, то есть тактом ВЫПУСКА. Поршень пошел наверх. Впускной клапан закрыт, выпускной открыт. Поршень пришел наверх. Начинается такт ВПУСКА.  Открывается впускной клапан. Но у нас в объеме, который мы назвали Vверх остались выхлопные газы, они никуда не делись. На наших поршнях нет вытеснителей. Топливо воздушная смесь начинает смешиваться с выхлопными газами. Вспомним про ложку дегтя, в бочке меда. Продувка напрямую не играет роли в динамической степени сжатия, но моя задача была показать, что во время всех тактов клапана не просто открыты или закрыты, они открываются или закрываются. Это уже динамика, а вернее уже газодинамика и вот это в динамической степени сжатия двигателя мы уже должны учитывать.  В наши формулы добавляется два новых участника: длина шатуна, и угол закрытия впускного клапана после нижней мертвой точки.

Для тех, кто просто хочет посчитать, не вдаваясь в формулы, я даю ссылку на «экселевский» калькулятор, который я честно спер на немецком сайте и перепер на родной язык. Там поставлены все данные для двигателя змз 406. Для других двигателей, просто поставьте нужные данные. Мне лично данный расчет не очень нравится тем, что не учитывает количества клапанов на цилиндр, а мне кажется, что это имеет значение и точно должно изменять конечные данные. Теперь что касается точности. Я несколько раз говорил, и готов повторить еще. Инженеров учат производить быстрые расчеты с помощью эмпирических формул и закономерностей. Сделав пару десятков расчетов статической и динамической степени сжатия двигателя, я сделал примерный вывод, что динамическая степень сжатия на 16-клапанных движках, где-то на 10-12% меньше, чем статическая. На 8-клапанных чуть больше, минус 15%.  Тогда возникает следующий вопрос. Чем это нам поможет расчет ДСЖ в проектировании и какой от этого толк? На том же немецком сайте есть маленькая табличка, которую я привожу ниже. В ней все просто. В левой графе динамическая степень сжатия двигателя, в правой – рекомендуемое октановое число топлива. Исходя из этой таблицы, можно сказать что надо сильно постараться, чтобы вывести змз 406 на 95 бензин.  Ссылка на калькулятор

8:1 — 9:1          92

9:1 — 10:1        95

10:1 — 11:1      98

11:1 — 12:1      102

12:1 — 13:1      115

Серия статей по данной тематике:

• Капиталка змз 406, первые мысли
• Степень сжатия двигателя (данная статья)
• Поршни змз 406, 405, 409