Степень сжатия, компрессия и октановое число
Для понимания принципов повышения мощности и эффективности двигателя внутреннего сгорания необходимо знать, что такое степень сжатия, компрессия и октановое число. Причем, не на уровне рассуждений, что 98-ой бензин более качественный чем 95-ый. Нужно понимать, что октановое число само по себе не самоцель, а лишь один из факторов достижения наилучших эксплуатационных характеристик ДВС.

Прежде всего давайте сразу внесем ясность и оговорим, что компрессия и степень сжатия — это совершенно разные вещи. Степень сжатия — это отношение между максимальным объемом цилиндра...
...и минимальным...
Или, другими словами, отношение полного объема цилиндра (то есть объема цилиндра плюс объема камеры сгорания) к объему одной лишь камеры сгорания...

Поскольку это отношение, называемое степенью сжатия, грубо говоря, есть отношение объема, который занимает смесь при ее подаче в циллиндр, к объему, при котором смесь воспламеняется, то давление, при котором воспламеняется топливо, пропорционально этой величине. То есть чем больше степень сжатия, тем больше давление воспламеняемой смеси.

Для лучшего понимания стоит отметить, что поскольку давление зависит не только от степени сжатия, но и от, например, давления на фазе впуска, то давление воспламеняемой смеси может быть меньше у двигателя с большей степенью сжатия. Как? Например, у турбированных двигателей степень сжатия обычно меньше чем у атмосферных (почему так делают — станет понятно ниже), при этом давление у них на всех фазах существенно выше, поскольку уже на впуск смесь подается в сжатом состоянии (в чем, собственно, и состоит их природа).

Компрессия — это, кстати, давление в конце фазы сжатия. То есть она почти равна тому самому давлению воспламеняемой смеси. Почему почти? Потому что смесь воспламеняется всегда чуть позже или чуть раньше того момента, когда давление максимально...

Это «почти» определяется углом зажигания, о котором мы, правда, сегодня говорить не будем. Достаточно лишь отметить, что он также нужен для борьбы с детонацией, о которой ниже.

Возвращаясь к степени сжатия, посмотрим, почему же она нам важна в контексте эффективности и мощности двигателя. А вот почему. Работа в двигателе внутренного сгорания совершается за счет расширения рабочего тела, в качестве которого в бензиновых двигателях выступает топливо-воздушная смесь. Как в школе учили: горящая смесь расширяется, толкая при этом поршень, поступательное движение которого превращается во вращательное движение коленвала. Соответственно, при большей степени сжатия ход поршня, в рамках которого смесь может реализовать свой энергетический потенциал, оказывается больше, а следовательно совершается больше полезной работы. На самом деле это лишь один из факторов, все вместе же они определяют термический КПД — показатель эффективности расширения рабочего тела в момент сгорания. Для него даже формула есть:

Термический КПД = 1 - (1 / степень сжатия) ^ гамма - 1

Где гамма — значения некоей дискретной функции, зависящей от температуры, давления и объема востпламеняемой смеси. Проще говоря, набор констант. Итак мы видим, что чем больше степень сжатия, тем больше термический КПД. Также понятно, что это некоторое упрощение, поскольку для получения его максимального значения нужно подбирать массу параметров, где степень сжатия лишь один из многих, хоть и важный. Как говорил владелец одного из автосервисов: «Не зря двигаетли придумывают люди с двумя высшими образованиями». И правда, не зря.

Ну здорово, вроде разобрались: чем больше степень сжатия, тем лучше. Так давайте просто избавимся от камеры сгорания, подняв степень сжатия до небес, и будет нам счастье. А счастья не будет, и вот почему. Дело в том, что при повышении давления и температуры возникает два неприятных явления: детонация и преждевременное воспламенение. Для того, чтобы в полной мере их понять, нужно осознать один удивительный факт: топливная смесь в ДВС не взрывается — она горит. Причем та самая гамма, которую мы упоминали выше, зависит и от скорости горения и от формы фронта воспламенения и от температуры пламени. Скорость горения должна соотвествовать скорости движения поршня. Фронт воспламенения должен быть однородным и распространяться ровно по ходу поступательного движения. Чем меньше температура горения, тем меньше потери на тепловыделение. Это все упрощенные заявления, но общую суть явлений передают.

Вернемся к детонации и преждевременному воспламенению. Преждевременное воспламенение происходит, когда при увеличении давления в смеси она самопроизвольно воспламеняется. При этом получается, что часть работы затрачивается не на то, чтобы толкать поршень, а на то чтобы помешать завершить ему ход фазы сжатия, а та энергия расширения, которая еще останется (если останется), будет использована крайне неэффективно из-за нерассчетного профиля фронта горения.

Детонация же — это еще более неприятный эффект, когда воспламененная смесь взрывается. То есть после короткого момента, когда горение распространяется со скоростью, измеряемой дестяками сантиметров в секунду, она вдруг увеличивается в разы. Происходит это под влиянием и температуры и давления, а сам эффект обеспечивается наличием определенного количества одного из продуктов горения. Эффекты от детонации: вместо фронта горения получаем ударную волну (в принципе то же самое, но только в разы больше скорость и температура), как следствие — резкое падение термического КПД и ударные нагрузки на поршневую группу. А теперь на секундочку представьте, что происходит, если детонация возникает не после поджига смеси свечой, а после самовоспламенения — все то же самое, но только против хода поршня.

Вот и получается, что степень сжатия можно увеличивать только до тех пор, пока не начнут проявляться описанные эффекты. И тут мы приходим к следующему понятию — октановому числу. Оказываетя, у разных видов топлива стойкость к преждевременному воспламенению и детонации различается (все вместо это называют детонационной стойкостью). Октановое число как раз и является показателем этой стойкости. Чем оно выше, тем выше и стойкость. Важно при этом отметить, что в большинстве случаев количество энергии, которую можно высвободить из литра топлива, от октанового числа не зависит.

Но давайте от теоретических моментов, которыми можно заполнить несколько томов, обратимся к вопросам практическим и рассмотрим описываемые явления через призму повседневности.

Первый распространенный вопрос: прогорят ли клапаны, если залить бензин с большим октановым числом?

Действительно, в некоторых случаях использование бензина с большим октановым числом может привести к прогоранию выпускных клапанов:

При этом считается, что происходит это из-за большей температуры горения смеси с более высоким октановым числом. На самом деле все наоборот. Топливо с большим октановым числом обычно горит с меньшей температурой и медленнее. Из-за скорости горения ниже рассчетной может получиться так, что на фазе выпуска через клапан вместо отработанных газов будет выпущена еще горящая смесь. Горящая смесь может оказаться и в выпускном коллекторе — тогда пострадает и он. На практике же конструкция многих двигателей позволяет реализовать потенциал топлива с более высоким октановым числом без ущерба для ресурса.

В любом случае, если вы льете бензин, отличный от рекомендованного производителем, вы должны четко понимать физику работы именно вашего мотора — тому, что говорят в сервисах, верить можно далеко не всегда.

Вопрос номер два: почему при использовании бензина с большим октановым числом на свечах образуется нагар?

Первая причина является следствием того, что в России высокооктановые бензины получают исключительно методом добавления присадок. При этом часто получается так, что для получения 95-ого бензина присадки используются менее качественные, чем для 98-ого. Так что заправившись 95-ым после 92-ого можно получить более ровную работу мотора и нагар на свечах в одном флаконе. Понятно, что тут все зависит от конкретной АЗС.

Вторая причина — угол опережения зажигания. Если в вашем двигателе нет системы, которая автоматически регулирует угол зажигания, то залив высокооктановое топливо можно опять же загадить свечи и потерять часть мощности. Как упоминалось выше, высокооктановое топливо горит медленнее, а следовательно для правильного и полного сгорания смеси ее поджиг должен осуществляться раньше.

Ещё о степени сжатия и детонации
В такте сжатия температура рабочей смеси повышается, достигая в конце его 350°.

При увеличении степени сжатия в цилиндре возрастает давление и температура сжатой рабочей смеси, т. е. создаются благоприятные условия для возникновения детонации. Степень сжатия для двигателей различных мотоциклов неодинакова. В зависимости от ее величины необходимо подбирать соответствующее по качеству топливо. Как показывает практика, увеличение степени сжатия способствует лучшему использованию тепла при сгорании рабочей смеси, а в связи с этим увеличивается мощность двигателя и уменьшается расход топлива (до появления детонации). По мере развития техники наблюдается постепенное увеличение степени сжатия в двигателях и улучшаются антидетонационные качества топлива.

Стойкость топлива по отношению к детонации определяется по октановому числу. С увеличением октанового числа топлива допускается более высокая степень сжатия двигателя. Октановое число является условным и определяется путем сравнения данного топлива с эталонным при испытаниях в лаборатории на специальной установке.
Для повышения октанового числа бензина к нему добавляют антидетонаторы, в качестве которых чаще всего применяют бензол и тетраэтиловый свинец. Тетраэтиловый свинец приготовляют в виде специальной этиловой жидкости, которую добавляют к бензину в небольшом количестве (1— 3 см3 на 1 л бензина). Бензин с примесью этиловой жидкости называется этилированным.

По ГОСТ 2084-48 две марки автомобильных бензинов А-66 и А-70 этилированы жидкостью Р-9 и имеют октановые числа: первый —66 и второй —70.

Тетраэтиловый свинец и этиловая жидкость — сильно действующие яды, следовательно, этилированный бензин также ядовит.

У двигателей спортивных и гоночных мотоциклов степень сжатия выше, чем у двигателей дорожных мотоциклов, поэтому при их эксплуатации иногда требуется повысить октановое число бензина. Это можно сделать путем добавления к бензину этиловой жидкости, однако следует учесть, что прибавка первых 3 см9 эти- -ловой жидкости на 1 л топлива увеличивает октановое число в среднем на 12 единиц, а дальнейшее добавление ее уже не дает такого результата; добавление же более 4 см3 на 1 л бензина нецелесообразно.

Хорошими антидетонационными свойствами обладает бензол в смеси его с бензином и смесь спирта с бензолом и бензином, а также чистый спирт. Эти виды топлива часто применяют для спортивных целей.

Для двигателей дорожных мотоциклов применяют автомобильные бензины. Авиационные бензины применяются преимущественно для спортивных целей, они отличаются от автомобильных фракционным составом, содержат части, испаряющиеся при более низкой температуре, и более высокими октановыми числами, что допускает применение этих бензинов в двигателях с высокой степенью сжатия.

Детонация и антидетонационные свойства топлива
Стойкость топлива против детонации является одним из важнейших свойств, от которого зависит мощность и экономичность двигателя. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется и при нормальных условиях работы двигателя горит со скоростью распространения пламени 25—30 м/сек. Однако в ряде случаев скорость сгорания рабочей смеси резко возрастает, достигая 2000 ж/се/с, т. е. вместо нормального сгорания происходит взрыв. Такое сгорание со скоростью взрыва носит название детонации.

При возникновении детонации нормальная работа двигателя нарушается, появляются частые резкие металлические стуки, повышается температура деталей двигателя — цилиндра, клапанов, поршня и др., появляется черный дым из глушителя и падает мощность. При длительной работе двигателя с детонацией может произойти поломка отдельных его деталей.

При появлении детонации повышается температура поршня, цилиндра, клапанов, свечи, в результате чего рабочая смесь начинает воспламеняться уже не от искры, а преждевременно, от перегревшихся деталей, что способствует снижению мощности двигателя и большому износу деталей. В разобранном случае преждевременная вспышка сопутствует детонации, однако она может возникнуть и независимо от нее, например от раскаленного нагара и в силу других обстоятельств.

Преждевременная вспышка отличается от детонации тем, что скорость сгорания рабочей смеси в этом случае такая же, как при воспламенении от искры, но воспламенение происходит раньше, чем это необходимо, при этом также падает мощность двигателя, повышается температура и появляются стуки.

В условиях эксплуатации появлению детонации способствуют следующие причины: 1) несоответствие качества топлива данному двигателю; 2) большое опережение зажигания; 3) высокая температура цилиндра, поршня, клапанов; 4) раскаленный нагар на днище поршня и внутренней поверхности головки цилиндра.

Теплотворность топлива
Теплотворностью топлива называется количество тепла, выделяемое при сгорании одного килограмма его.
Теплотворность измеряется в килокалориях на 1 кг топлива. Килокалория равна количеству тепла, необходимого для нагревания одного килограмма воды на 1°.

Теплотворность различных топлив составляет:
бензина 10 200—11 000 ккал/кг,
бензола 9700—10 000 ккал/кг,
спирта 6000—6400 ккал/кг, чем меньше теплотворность топлива, тем больше его необходимо израсходовать для получения требуемой мощности.

При применении смесей бензола с бензином, а также бензола с бензином и спиртом следует учитывать условия, при которых такие смеси могут дать нужный эффект.

Бензол в чистом виде применять в эксплуатации не целесообразно, так как он замерзает при сравнительно высокой температуре, образуя кристаллическую массу при +4°.

Наилучшие результаты дает смесь равных количеств бензола и бензина; октановое число такой смеси находится в пределах 80—84.

Спирт в качестве топлива для двигателей мотоциклов можно применять древесный (метиловый) и винный (этиловый). Спирт позволяет повысить мощность двигателя как за счет повышения степени сжатия, так и за счет увеличения наполнения двигателя горючей смесью. Наиболее часто спирт применяют не в чистом виде, а в смеси с бензином и бензолом в соотношении по 1/3 каждого компонента. Такая смесь хорошо испаряется, способствует лучшему и устойчивому растворению каждой составляющей.

При применении спирта следует учитывать его большую способность поглощать воду (гигроскопичность). Спирт с примесью воды плохо растворяется, смесь расслаивается, т. е. получается неоднородной, что нарушает нормальную работу двигателя.

Большой расход спиртовых смесей вызывает необходимость увеличения пропускной способности жиклеров. Качество топлива обычно проверяется по основным показателям в лаборатории на заводе или на нефтебазе, после чего на этот сорт топлива выдается специальный паспорт. В том случае, когда неизвестно когда и откуда получено топливо, некоторые его качества проверяют и более простым способом.

Состав горючей смеси
Для того, чтобы топливо могло гореть, необходимо присутствие кислорода, который сам не горит, но поддерживает горение. В бензине и других жидких топливах кислород или отсутствует или же его настолько мало, что горение невозможно. В состав воздуха входит кислород, количество которого составляет 23% по весу и 21% по объему; таким образом, в каждом килограмме воздуха содержится 0,23 кг кислорода.

Кислород воздуха используется для сгорания топлива, которое приготовляется в виде горючей смеси — смеси паров топлива с частицами воздуха.

Бензин состоит из химических элементов углерода и водорода, причем в 1 кг бензина содержится около 0,85 кг углерода, 0,15 кг водорода.

Количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг бензина, равно 14,9 кг.
Горючая смесь, в которой на 1 кг бензина приходится 14,9 кг воздуха, называется горючей смесью теоретического состава.

Необходимое соотношение между количеством топлива и воздуха в горючей смеси зависит от химического состава топлива, и для разных топлив это соотношение неодинаково. При применении спирта на 1 кг топлива в смеси теоретического состава должно быть 8,9 кг воздуха, а на 1 кг бензола —13,2 кг воздуха.

Горючая смесь теоретического состава не обеспечивает работы двигателя в различных условиях движения мотоцикла, потому что при работе на такой смеси двигатель не развивает полной мощности и вместе с тем работа его недостаточно экономична.

В нормальных условиях движения мотоцикла двигатель развивает мощность, которая значительно меньше полной мощности, поэтому в целях снижения расхода топлива возможно изменить состав горючей смеси за счет увеличения количества воздуха. Такая горючая смесь, в которой количество воздуха больше, чем требуется для полного сгорания, называется бедной смесью. В бедной смеси 1 кг бензина приходится примерно на 16,5 кг воздуха. При работе двигателя на бедной смеси несколько уменьшается скорость сгорания ее и понижается мощность, но улучшается экономичность.

Если горючую смесь обеднить, еще больше получится резкое снижение мощности двигателя и увеличение расхода топлива, а при соотношении, равном 1 : 21 (одна часть бензина на 21 часть воздуха), двигатель вообще перестает работать, так как смесь не будет гореть. Такой состав называется низшим пределом воспламенения горючей смеси.
В условиях эксплуатации бедная смесь может получаться при засорении системы питания, причем в случае неполного засорения двигатель заметно снижает мощность, скорость мотоцикла уменьшается, а в случае полного засорения двигатель перестает работать.

В тех случаях, когда мотоцикл предназначен для спортивных целей и двигатель должен развивать полную мощность, состав горючей смеси должен быть изменен в сторону обогащения, т. е. уменьшения количества воздуха по отношению к количеству топлива. Горючая смесь, в которой 1 кг топлива приходится на 12,5 частей воздуха, называется богатой горючей смесью.

При работе двигателя на такой смеси мощность получается наибольшей, так как богатая смесь сгорает с большей скоростью, чем бедная, но расход в этом случае возрастает в среднем на 25%.

При дальнейшем обогащении горючей смеси мощность двигателя начинает уменьшаться, расход топлива резко возрастает, и, наконец, при чрезмерном обогащении двигатель перестает работать.

Обогащение смеси целесообразно до тех пор, пока оно обеспечивает повышение скорости горения. При составе горючей смеси 1 : 6 (т. е. 1 кг топлива на 6 кг воздуха) смесь вообще перестает воспламеняться и двигатель останавливается.

Зачастую при подготовке мотоцикла к соревнованиям некоторые гонщики, стремясь повысить мощность двигателя, переобогащают горючую смесь больше, чем это допустимо (увеличивая без расчета производительность жиклеров карбюратора); в результате мощность получается пониженной, а расход топлива возрастает настолько, что приходится заправлять мотоцикл на дистанции, в то время как можно было бы проехать дистанцию на одной заправке.