Co je kompresní poměr? Automobilový časopis Turbo

Můžete mi z paměti říct, jaký je kompresní poměr motoru vašeho auta? Řekněme 9,8; není to moc? Nebo naopak málo?

Je to těžká otázka, protože konstruktéři zážehových motorů [Obvykle říkáme benzín, i když víme, že automobilové motory fungují bez problémů i na benzín. A také na líh – methyl nebo ethyl. Takže je lepší říct: zážehové. Nebo Otto (pojmenované po tvůrci této konstrukce, Nikolausi Ottovi) – na rozdíl od dieselu. I když to zní zvláštně, je to přesnější.] se snaží všemožně zvýšit kompresní poměr. A tvůrci vznětových motorů se ho naopak snaží snížit.

Zvláštní charakteristika spalovacího motoru, kolem které panuje mnoho nedorozumění. Navíc jedním z klíčových je, že hodně záleží na kompresním poměru. I když na první pohled není nic jednoduššího: poměr celkového objemu válce k objemu spalovací komory. Nebo jinými slovy: podíl dělení objemu nadpístového prostoru v BDC stejnou hodnotou – TDC. To znamená, že geometrický kompresní poměr ukazuje, kolikrát se směs paliva a vzduchu (vzduch ve válcích nafty) stlačí, když se píst pohybuje z BDC do TDC. Geometrický; a v životě to samozřejmě ne vždy dopadne stejně jako v geometrii.

Vpřed a vzhůru

Na úsvitu motorismu byl kompresní poměr Ottových motorů (a vlastně před 100 lety nebyl znám žádný jiný) snížený – 4-5. Aby při provozu na nízkooktanový benzín (jezdili, jak nejlépe uměli) nedocházelo k detonaci [Kdo neslyšel detonační zvuky ve válcích? Jak se říká, „klepou prsty“. Když je kompresní poměr příliš vysoký (na základě kvality paliva), je spalování směsi paliva a vzduchu po jejím zapálení jiskrou narušeno. Získává explozivní charakter, ve spalovací komoře vznikají rázové vlny, které motoru neprospějí.]. Řekněme, že při zdvihovém objemu válce 400 „kostek“ je objem spalovací komory 100 mililitrů. To je geometrický kompresní poměr našeho motoru.

e = (400 + 100) / 100 = 5.

Pokud se však objem spalovací komory zmenší – za jinak stejných podmínek – na 40 cm3 (technicky ne obtížné), pak se kompresní poměr zvýší na

e = (400 + 40) / 40 = 11.

Skvělé – a co? Tepelná účinnost motoru se zvýší téměř 1,3krát. A pokud šestiválcový motor o objemu 6 litru vyvine 2,4 koní s kompresním poměrem 5, pak s kompresním poměrem 100 se zvýší na téměř 11. A to při nezměněné spotřebě paliva! Jinými slovy, spotřeba paliva na 130 koňskou sílu za hodinu se sníží o 1 %.

Ohromující výsledek – s použitím nejjednodušších prostředků. Není to až příliš dobré na to, aby to byla pravda? V tom není žádná mystika: čím vyšší kompresní poměr, tím nižší je teplota výfukových plynů vstupujících do výfuku. e = 11 prostě ohříváme atmosféru výrazně méně než při výkonu 5; to je vše.

Základy tepelné techniky

Automobilové motory jsou typem tepelných motorů, které se řídí zákony termodynamiky. V první polovině 1. století položil pozoruhodný francouzský fyzik a inženýr Sadi Carnot základy teorie tepelných motorů, včetně spalovacího motoru. Podle Carnota je tedy účinnost spalovacího motoru tím vyšší, čím větší je rozdíl mezi teplotou plynů (pracovní kapaliny) na konci spalování směsi paliva a vzduchu a jejich teplotou na výstupu. A teplotní rozdíl závisí na e – nebo spíše od stupně expanze pracovních plynů ve válcích.

Ano, je zde jedna nuance: podle Carnota není pro tepelnou účinnost důležitý kompresní poměr, ale expanzní poměr. Čím více se horké plyny během pracovního zdvihu rozpínají, tím méně klesá jejich teplota – přirozeně. Jenže u konvenčních konstrukcí spalovacích motorů se expanzní poměr geometricky shoduje s kompresním poměrem; to jsme zvyklí říkat. Zejména proto, že detonace závisí právě na e – tedy z komprese. Čím více je směs paliva a vzduchu stlačena ve válcích Ottova motoru [Přesně Otto, diesely neznají detonaci. Proč – samostatná konverzace.], čím vyšší je tlak a teplota v okamžiku vzniku jiskry, tím je pravděpodobnější výskyt rázových vln ve spalovací komoře.

Explozivní spalování, detonace. Právě to omezuje stupeň komprese, ale stupeň expanze pracovních plynů s tím nemá nic společného. Kdybychom nějakým způsobem dokázali oddělit jeden stupeň od druhého – abychom při mírné kompresi dosáhli silné expanze pracovních plynů…

Pětitaktní cyklus

Pourquoi by to neudělal; koneckonců, tzv. pětitaktní Atkinsonův/Millerův cyklus je známý již více než půl století. Právě ten odděluje kompresní poměr od expanzního poměru na různých stranách.

Představte si, že sání vašeho 1,5litrového šestnáctiventilového vozu VAZ-16 nekončí v úhlu 2112° za úvratí (podle úhlu natočení klikového hřídele), ale velmi pozdě – v úhlu 36°. To znamená, že při 81 tisících otáčkách píst při svém zdvihu do úvrati vytlačí část směsi paliva a vzduchu přes otevřené ventily zpět do sacího potrubí (nebojte se, tam nezmizí). Jinými slovy, kompresní zdvih začíná až někde v úhlu 3° za úvratí a předtím probíhá jakýsi zpětný zdvih výtlačné směsi.

Nyní je 4 zdvihů místo 5: sání, zpětný zdvih, komprese, hnací zdvih, výfuk. Na první pohled je to idiotské schéma: proč pohánět směs tam a zpět? Na první pohled se Slunce také otáčí kolem Země. Sledujte mé ruce: řekněme, že 20 % směsi paliva a vzduchu, která již vstoupila do válce, je vytlačeno zpět a pouze 80 % je stlačeno. A nechť geometrické e se rovná 13 – pro Otta mimořádně vysoká hodnota. Skutečný kompresní poměr, tedy komprese, je však mnohem nižší: při 20% zpětném posunutí směsi se rovná 10,6. Což bylo nutné dokázat.

Konstrukce se skutečným kompresním poměrem 10,6 (což je pro komerční benzín docela přijatelné) má expanzní poměr 13 pracovních plynů. Tepelná účinnost motoru je ve skutečnosti 1,0518krát vyšší než jeho skutečný kompresní poměr; není to mnoho, ale výrobci motorů se již léta snaží o 5procentní úsporu paliva. Motory osobních automobilů již usilovně pracují na pětitaktním cyklu. Vezměte si například 5litrovou „čtyřku“ Toyoty 1,5NZ-FXE (pro Prius) nebo 1litrový Ford (pro hybrid Escape). Zdá se to jako brilantní řešení, ale má to i svou stinnou stránku.

Geometrický e (expanzní poměr pracovních plynů) pro 1NZ-FXE je 13, skutečný kompresní poměr je asi 10,5. Smutné je, že v důsledku zpětného posunutí směsi klesá u 1,5litrového motoru točivý moment a výkon na asi 1,2 litru; vyhráváme v tepelné účinnosti – za cenu ztráty skutečného objemu. Takže na jedné straně – na straně druhé.

Navíc motor s pozdním uzavřením sacích ventilů vůbec netáhne „na dně“. Proto je pětitaktní cyklus vhodný v „hybridních“ pohonných jednotkách, kde trakční elektromotor přebírá zátěž při nejnižších otáčkách. A poté se spalovací motor zrychlí; tak či onak, pětitaktní cyklus umožňuje zvýšit stupeň expanze pracovních plynů a tepelnou účinnost motoru.

Ale přeplňování naopak vynucuje nižší kompresní poměr. Pokud je směs paliva a vzduchu dodávána pod přetlakem, skutečná komprese ve válcích se ukáže jako příliš vysoká – a to i při mírném geometrickém e. Musíme ustoupit; proto dochází ke snížení tepelné účinnosti a zvýšení spotřeby paliva u přeplňovaných motorů, pokud se nepoužívá speciální palivo.

na alkoholu

Čím vyšší je oktanové číslo benzinu, tím vyšší je povolený (za detonačních podmínek) kompresní poměr, tím účinnější je motor. Ale nejde jen o benzin… Výjimečně vysoký e Umožňuje plyn jako palivo – olej nebo zemní plyn. Bez přeplňování není 13-14 problém, s kompresorem – 10-11. Vodík se také vyznačuje odolností vůči detonaci. A také alkohol – methyl nebo ethyl: úžasné protidetonační vlastnosti. Alkohol má navíc vysoké výparné teplo; při odpařování ochlazuje směs paliva a vzduchu (a zároveň povrch spalovací komory). Studená směs je hustší a do válce se jí dostává znatelně více – hmotnostně; skutečný plnicí koeficient je vyšší. Točivý moment, výkon. Tomu se říká „kompresorový“ efekt alkoholového paliva.

Výkon, tepelná účinnost – všechny radosti najednou. Navíc je etylalkohol (pitný!) také šetrný k životnímu prostředí; co jiného si přát? Pravda, spotřeba lihového paliva v litrech je mnohem vyšší než u benzínu, protože výhřevnost methanolu a etanolu je nízká. Jako vodka a „suhnyak“; nemá smysl zde srovnávat litr s litrem. Ale v energetickém ekvivalentu je líh znatelně účinnější než benzín – díky vysokému stupni komprese (expanze). Takže do budoucna – lihové palivo, čisté nebo smíchané s benzínem. Řekněme E85: 85 % etanolu a 15 % benzínu. A za 25 let ropa ztratí ve světě svůj význam…

Pravda je v míře

V budoucnu, ale prozatím, je zvýšení kompresního poměru 16ventilového motoru VAZ z 10,5 na 11,5 na 92oktanový benzín z místní čerpací stanice tak obtížné. Řekněme, že se vstřikuje benzín přímo do spalovacích komor – místo do sacích otvorů. Odpařování benzínu neprobíhá u sání, ale ve válcích – stejný „kompresorový“ efekt. Nebo se uspořádá dvoujiskrové zapalování – se 2 zapalovacími svíčkami na válec; to něco dá. A také se nainstalují výfukové ventily s vnitřním (sodíkovým) chlazením; horké desky vyvolávají detonaci. Očistěte povrch spalovací komory od usazenin uhlíku – a vyleštěte ho.

Vliv má konfigurace spalovací komory – a rychlost vírového pohybu směsi paliva a vzduchu. Existuje mnoho způsobů, jak bojovat s detonací – dobrých i odlišných.

A na jakou úroveň má smysl to zvyšovat? e Ottův motor? Věc se má takto: tepelná účinnost se zvyšuje se zvyšujícím se kompresním poměrem (expanzí!), ale ne lineárně. To znamená, že růst účinnosti se zpomaluje: pokud se z 5 na 10 zvýší 1,265krát, pak z 10 na 20 – pouze 1,157krát. Rychle se však hromadí vedlejší problémy, kterým je nejlepší se vyhnout. Proto je kompresní poměr 13-14 rozumným kompromisem, o který byste se měli snažit. Konečné rozhodnutí nechte na konstruktérech; ti vědí lépe.