Степень сжатия двигателя - что это такое и как влияет на октановое число бензина и мощность мотора

Степень сжатия двигателя — это отношение полного объёма цилиндра к объёму
камеры сгорания. Проще говоря, число показывает, во сколько раз поршень сжимает
топливную смесь, когда поднимается из нижней мёртвой точки в верхнюю. От степени
сжатия зависят мощность и экономичность мотора, склонность к детонации
и то, какой бензин в него заливать. Разберём, как считают этот параметр, чем
степень сжатия отличается от компрессии, какие значения бывают у бензиновых
и дизельных двигателей и можно ли её изменить.

Коротко: у современных бензиновых атмосферных моторов степень сжатия обычно
от 10 до 12, у турбированных — ниже, у дизельных — от 15 до 22 и выше.
Чем выше степень сжатия, тем полнее сгорает топливо и выше КПД, но тем больше
требуется октановое число бензина. Степень сжатия — постоянная величина
конструкции, а компрессия — давление, которое реально получается в цилиндре
и падает по мере износа.

Блок цилиндров со снятой головкой, видны днища поршней

Что такое степень сжатия и как её рассчитать

Поршень движется между двумя крайними положениями: нижней мёртвой точкой
(НМТ) и верхней мёртвой точкой (ВМТ). Объём, который он проходит, — рабочий
объём цилиндра. Над поршнем в ВМТ остаётся небольшое пространство — камера
сгорания. Степень сжатия равна отношению полного объёма цилиндра к объёму
камеры сгорания:

ε = (Vр + Vк) / Vк, где Vр — рабочий объём цилиндра,
Vк — объём камеры сгорания.

Пример расчёта. Двигатель объёмом 1,6 литра с четырьмя цилиндрами: рабочий
объём одного цилиндра — 400 см³. Если объём камеры сгорания 40 см³, то
степень сжатия = (400 + 40) / 40 = 11. Записывают это как 11:1 или просто 11.
Параметр безразмерный — это не давление и не объём, а отношение.

Объём камеры сгорания складывается из нескольких частей: углубления
в головке блока цилиндров, объёма в прокладке ГБЦ, выемки или выступа
в днище поршня и зазора между поршнем и краем блока. Поэтому любое изменение
этих деталей меняет степень сжатия.

Степень сжатия и компрессия: в чём разница

Эти понятия часто путают, хотя они описывают разные вещи. Степень сжатия —
геометрический параметр, заложенный в конструкцию. Компрессия — давление
в конце такта сжатия, которое показывает компрессометр при прокручивании
двигателя стартером.

Связь между ними есть: у мотора с более высокой степенью сжатия и компрессия
в исправном состоянии выше. Но компрессия зависит и от других факторов: состояния
колец и клапанов, фаз газораспределения, скорости прокручивания стартером,
температуры двигателя. Как правильно делать замер и какие значения считать
нормой, разобрано в статье про
компрессию в цилиндрах.

Какая степень сжатия у разных двигателей

У дизеля высокая степень сжатия — необходимое условие работы: воздух
при сжатии нагревается до температуры, при которой впрыснутое дизельное топливо
самовоспламеняется. У бензинового мотора смесь поджигает искра, и слишком
высокое сжатие, наоборот, опасно — возникает детонация.

Как степень сжатия влияет на мощность и расход

Чем сильнее сжата смесь перед воспламенением, тем полнее она сгорает
и тем больше работы совершают расширяющиеся газы. Поэтому повышение степени
сжатия увеличивает термический КПД двигателя: с того же количества топлива
мотор получает больше мощности и крутящего момента, а расход снижается.

• Плюсы высокой степени сжатия: выше мощность и момент,
  ниже расход топлива, лучше отклик на педаль, меньше вредных веществ в выхлопе.
• Минусы: требуется бензин с высоким октановым числом,
  выше риск детонации, больше нагрузка на поршни, кольца и вкладыши,
  выше температура в камере сгорания.

Однако рост КПД не бесконечен. Выше определённого значения прирост становится
небольшим, а риск детонации и тепловая нагрузка растут быстро. Поэтому
производители выбирают степень сжатия как компромисс между мощностью,
экономичностью, требованиями к топливу и ресурсом.

Степень сжатия и октановое число бензина

Октановое число показывает стойкость бензина к детонации — самопроизвольному
взрывному воспламенению смеси до прихода искры. Чем выше степень сжатия, тем
сильнее нагревается смесь при сжатии и тем выше должно быть октановое число
топлива.

Таблица — только ориентир. Окончательное слово за производителем: на
требование к топливу влияют форма камеры сгорания, система охлаждения, наличие
датчика детонации и программа управления. Рекомендацию ищите в руководстве
по эксплуатации автомобиля или на лючке бензобака. Подробно о том,
какой бензин лить, разобрано
отдельно.

Что будет, если залить бензин с меньшим октановым числом? Современный мотор
с датчиком детонации смещает угол зажигания на более позднее: детонация
не разрушает двигатель, но мощность падает, а расход растёт. При постоянной
езде на неподходящем топливе и при высокой нагрузке возможны прогар поршней
и повреждение колец. Бензин с более высоким октановым числом, чем нужно,
прибавки мощности обычно не даёт.

Детонация: почему высокое сжатие опасно

При нормальном сгорании фронт пламени распространяется от свечи плавно.
При детонации часть смеси воспламеняется сама — от высокой температуры
и давления — и сгорает взрывом. Появляются ударные волны, характерный
металлический звон под нагрузкой, перегрев днища поршня.

Причины детонации почти всегда связаны с тем, что топливная смесь в камере
сгорания нагревается сильнее, чем рассчитано для рабочей температуры мотора.
Риск детонации растёт по нескольким причинам, когда:

• степень сжатия высокая, а октановое число топлива низкое;
• в камере сгорания накопился нагар — он уменьшает её объём и фактически
  повышает степень сжатия;
• двигатель перегрет или неисправна система охлаждения;
• угол опережения зажигания слишком ранний;
• смесь бедная, а нагрузка большая — например, разгон на высокой передаче
  на низких оборотах.

Подробно о признаках и последствиях — в статье про
детонацию двигателя.

Геометрическая и фактическая степень сжатия

Формула выше описывает геометрическую степень сжатия. На практике сжатие
начинается не в самой нижней точке, а в момент закрытия впускного клапана,
который закрывается с опозданием после НМТ. Поэтому фактическая (эффективная)
степень сжатия всегда ниже геометрической.

Этим пользуются в моторах, работающих по циклу Аткинсона или Миллера:
впускной клапан закрывается заметно позже, часть смеси выталкивается обратно
во впуск, и фактическое сжатие снижается. При этом степень расширения
остаётся высокой, и КПД растёт. Поэтому у таких двигателей в характеристиках
бывает указана высокая геометрическая степень сжатия — 13 и выше, — а бензин
им нужен обычный.

Можно ли изменить степень сжатия

Изменить параметр можно, но это вмешательство в конструкцию, которое
требует расчёта и понимания последствий.

Как повысить степень сжатия

• Фрезеровка головки блока цилиндров — снятие металла
  с привалочной плоскости уменьшает объём камеры сгорания.
• Тонкая прокладка ГБЦ — уменьшает объём между головкой
  и блоком.
• Поршни с выпуклым днищем — вытесняют часть объёма камеры.

Так делают при форсировании атмосферных моторов. Прирост мощности обычно
небольшой, а риск детонации растёт, поэтому после доработки нужны бензин
с высоким октановым числом и перенастройка системы управления.

Как понизить степень сжатия

• Толстая прокладка или проставка под ГБЦ.
• Поршни с выемкой в днище.

Понижают степень сжатия при установке турбокомпрессора на атмосферный мотор
или для работы на низкооктановом топливе. Мощность в атмосферном режиме при этом
падает. Для работы на газе снижать сжатие не нужно: у пропана и метана октановое
число выше, чем у бензина.

Отдельно существуют двигатели с изменяемой степенью сжатия: специальный
механизм меняет ход поршня на ходу — высокое сжатие при малой нагрузке для
экономии, низкое под наддувом для мощности. Такие моторы серийно выпускаются,
но пока встречаются редко.

Когда степень сжатия меняется сама

Хотя степень сжатия — величина конструкции, в процессе эксплуатации она
может немного измениться.

• Нагар на днище поршня и в камере сгорания уменьшает
  её объём — степень сжатия растёт, появляется склонность к детонации.
  Помогает раскоксовка двигателя.
• Ремонт ГБЦ с фрезеровкой после перегрева повышает
  степень сжатия, если не поставить ремонтную прокладку большей толщины.
• Замена поршней на неоригинальные с другой формой днища.

Низкая компрессия при нормальной степени сжатия: причины

Степень сжатия двигателя внутреннего сгорания остаётся прежней, а компрессия
падает — так происходит у каждого мотора по мере пробега автомобиля. Показатель
компрессии называется главным признаком износа цилиндропоршневой группы, и его
замер входит в диагностику при покупке автомобиля с пробегом. Основные причины
падения компрессии:

• Износ или залегание поршневых колец — газы прорываются
  в картер, растёт расход масла. Замер с добавлением масла в цилиндр покажет
  рост компрессии.
• Прогар или неплотное закрытие клапанов — компрессия
  низкая в одном цилиндре, масло в цилиндре её не поднимает.
• Пробой прокладки ГБЦ — низкая компрессия в двух соседних
  цилиндрах, антифриз уходит, в масле эмульсия.
• Задиры на стенках цилиндров — появлению задиров
  способствуют перегрев и недостаток масла.
• Неправильные фазы газораспределения — например, после
  перескока ремня: момент открытия и закрытия клапанов сместился.

При диагностике лучше мерить компрессию на прогретом двигателе,
с выкрученными свечами, полностью открытой дроссельной заслонкой и заряженным
аккумулятором. Важен не столько общий показатель, сколько разница между
цилиндрами: если она превышает 10 %, машина нуждается в дальнейшей диагностике.
Насколько серьёзна проблема, лучше понять по совокупности признаков: расход
масла, дым, неровная работа на холостых. Сама по себе низкая компрессия
не повод сразу делать капремонт целым мотором — иногда проблем с кольцами
хватает на раскоксовку.

Для топливной системы и зажигания компрессия тоже имеет значение. Если
сжатие в цилиндре слабое, топливной смеси не хватает давления и температуры
в конце такта сжатия, и она сгорает хуже. Отсюда пропуски воспламенения,
троение и рост расхода топлива. Поэтому, прежде чем менять катушки, свечи
или чистить форсунки при неровной работе мотора автомобиля, стоит сделать
замер компрессии: за счёт этого часто сразу находится причина, и не нужно
тратить деньги на детали топливной системы. Для сравнения: у исправного
бензинового мотора компрессия на каждом такте сжатия в цилиндрах почти
одинаковая, а разброс между ними минимален.

Коротко о главном

• Степень сжатия — отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры
  сгорания.
• У бензиновых моторов обычно 10–12, у турбированных ниже, у дизелей 15–22.
• Выше степень сжатия — выше КПД и мощность, но нужен бензин с большим
  октановым числом.
• Степень сжатия постоянна, компрессия падает с износом.
• Нагар повышает фактическую степень сжатия и провоцирует детонацию.

Частые вопросы

Как узнать степень сжатия своего двигателя

Посмотрите технические характеристики в руководстве по эксплуатации или
в каталоге по коду двигателя. Самостоятельно рассчитать её можно, если
известен объём камеры сгорания: его измеряют, заливая жидкость через свечное
отверстие при поршне в ВМТ, но точность такого способа невысокая.

Какая компрессия соответствует степени сжатия 10

Прямого пересчёта нет: давление зависит от скорости прокручивания, фаз
газораспределения, температуры и состояния двигателя. Нормы компрессии для
конкретного мотора указывает производитель, а важнее абсолютного значения
разброс между цилиндрами.

Почему у дизеля степень сжатия выше

Дизельное топливо воспламеняется не от искры, а от контакта с горячим
воздухом. Чтобы воздух нагрелся достаточно, его нужно сильно сжать — отсюда
степень сжатия 15–22 и массивная конструкция блока и поршней.

Можно ли заливать 92 в мотор со степенью сжатия 11

Если производитель допускает АИ-92, то можно. Если требует АИ-95, то
на 92 двигатель будет работать с поздним зажиганием: мощность ниже, расход
выше, а при высокой нагрузке растёт риск детонации.