Коэффициент сжатия

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Степень сжатия»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( июль 2019 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение-шаблон )

Статическая степень сжатия определяется с использованием объема цилиндра, когда поршень находится в верхней и нижней частях своего рабочего хода.

В двигателе внутреннего сгорания , то коэффициент статического сжатия рассчитываются на основе относительных объемов камеры сгорания и цилиндр ; 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 верхней части своего хода . ^[1] Коэффициент 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.

Эффект и типичные соотношения [ править ]

Желательна высокая степень сжатия, поскольку она позволяет двигателю извлекать больше механической энергии из данной массы топливовоздушной смеси из-за его более высокого теплового КПД . Это происходит потому, что двигатели внутреннего сгорания являются тепловыми двигателями , и более высокая степень сжатия позволяет достичь той же температуры сгорания с меньшим количеством топлива, обеспечивая при этом более длительный цикл расширения, создавая большую выходную механическую мощность и снижая температуру выхлопных газов.

Бензиновые двигатели [ править ]

В бензиновых (бензиновых) двигателях, используемых в легковых автомобилях в течение последних 20 лет, степень сжатия обычно составляет от 8∶1 до 121. Некоторые серийные двигатели использовали более высокую степень сжатия, в том числе:

• Автомобили, построенные в 1955–1972 годах и рассчитанные на высокооктановый этилированный бензин , обеспечивающий степень сжатия до 13∶1.
• Некоторые двигатели Mazda SkyActiv, выпускаемые с 2012 года, имеют степень сжатия до 14∶1. ^{[2] [3] [4]} Двигатель SkyActiv достигает такой степени сжатия с обычным неэтилированным бензином (95 RON в Соединенном Королевстве) за счет улучшенной очистки выхлопных газов (что обеспечивает как можно более низкую температуру цилиндров перед тактом впуска), помимо прямого впрыска.
• Ferrari 458 Speciale 2014 года также имеет степень сжатия 14∶1.

Когда используется 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 через порт, обычно имеют более низкое давление наддува и / или степень сжатия, чем двигатели с прямым впрыском, поскольку впрыск топлива через порт вызывает совместный 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 высокие степени сжатия могут сделать бензиновые двигатели подверженными детонации (также известной как «детонация», «преждевременное зажигание» или «стук»), если используется топливо с более низким октановым числом. ^[5] Это может снизить эффективность или повредить двигатель, если отсутствуют датчики детонации, изменяющие угол опережения зажигания.

Дизельные двигатели [ править ]

Дизельные двигатели используют более высокие степени сжатия, чем бензиновые, потому что отсутствие свечи зажигания означает, что степень сжатия должна повышать температуру воздуха в цилиндре в достаточной степени, чтобы зажечь дизель с использованием воспламенения 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 непрямым впрыском .

Другое топливо [ править ]

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

В керосиновых двигателях обычно используется степень сжатия 6,5 или ниже. Бензиновый двигатель парафина версия Фергюсон TE20 трактора имела степень сжатия 4.5:1 для работы на трактор испарение масла с октановым числом от 55 до 70. ^[6]

Двигатели для автоспорта [ править ]

Двигатели для автоспорта часто работают на высокооктановом бензине и поэтому могут использовать более высокую степень 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, работающие на метаноле и этаноле, часто имеют степень сжатия от 14∶1 до 16∶1.

Математическая формула [ править ]

В поршневом двигателе статическая степень сжатия ( ) - это соотношение между объемом цилиндра и камеры сгорания, когда поршень находится в нижней части своего хода , и объемом камеры сгорания, когда поршень находится в верхней части своего хода. инсульт . ^[7] Следовательно, он рассчитывается по формуле ^[8]${\ displaystyle CR}$

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

Где:

${\ displaystyle V_ {d}}$= рабочий объем. Это объем внутри цилиндра, перемещаемый поршнем от начала такта сжатия до конца такта.

${\ displaystyle V_ {c}}$= объем зазора. Это объем пространства в цилиндре, оставшийся в конце такта сжатия.

${\ displaystyle V_ {d}}$можно оценить по формуле объема цилиндра

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

Где:

${\ displaystyle b}$= отверстие цилиндра (диаметр)

${\ displaystyle s}$= длина хода поршня

Из-за сложной формы его обычно измеряют напрямую. Часто это делается путем наполнения цилиндра жидкостью и последующего измерения объема использованной жидкости.${\ displaystyle V_ {c}}$

Двигатели с переменной степенью сжатия [ править ]

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.

Переменная 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 переменной степенью сжатия позволяют изменять объем над поршнем в верхней мертвой точке. ^[9]

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, т.е. 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 - первый серийный автомобиль, в котором используется двигатель с переменной степенью сжатия.

Связь со степенью давления [ править ]

Исходя из предположений, что выполняется адиабатическое сжатие (т. Е. Что сжимаемый газ не получает тепловую энергию и что любое повышение температуры происходит исключительно из-за сжатия) и что воздух является идеальным газом , соотношение между степенью сжатия а общий коэффициент давления следующий:

Это соотношение выводится из следующего уравнения:

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

где - отношение удельной теплоемкости (воздух: приблизительно 1,4)${\displaystyle \gamma }$

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

Коэффициент динамического сжатия [ править ]

Степень сжатия статического обсуждалось выше - рассчитывается исключительно на основе объемов камеры сгорания и цилиндра - не принимает во внимание любые газы входе или выходе из цилиндра во время такта сжатия. В большинстве автомобильных двигателей закрытие впускного клапана (который герметизирует цилиндр) происходит во время фазы сжатия (то есть после нижней мертвой точки , НМТ), что может привести к тому, что часть газов будет вытолкнута обратно через впускной клапан. С другой стороны, настройка впускного отверстия и продувка могут привести к тому, что в цилиндре будет захвачено большее количество газа, чем предполагает статический объем. Степень динамического сжатия учитывает эти факторы.

Степень динамического сжатия выше при более консервативном распределении фаз впускного распредвала (т.е. вскоре после НМТ) и ниже при более радикальном распределении фаз впускного распредвала (т.е. позже после НМТ). ^[10] Несмотря на это, степень динамического сжатия всегда ниже, чем степень статического сжатия.

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

${\displaystyle P_{\text{cylinder}}=P_{\text{atmospheric}}\times {\text{CR}}^{\gamma }}$

где - политропное значение отношения удельной теплоемкости дымовых газов при имеющихся температурах (это компенсирует повышение температуры, вызванное сжатием, а также теплопотери в цилиндр)${\displaystyle \gamma }$

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 ^1,3 × 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 [ править ]

• Среднее эффективное давление

Ссылки [ править ]