Эффективная мощность реального двигателя кроме других параметров определяется величиной термического КПД ηt, который находится в прямой зависимости от степени сжатия ε. Как видно из графика, с повышением ε растет и ηt, а следовательно, и мощность на валу двигателя.
Степень сжатия (ее называют также геометрической) — это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.
где ε — степень сжатия; Va — полный объем цилиндра, см3; Vh — рабочий объем цилиндра, см3; Vc — объем камеры сгорания, см3.
В литературе по ДВС для двухтактных двигателей кроме геометрической степени сжатия (или просто степени сжатия), определяемой по вышеприведенной формуле, введено понятие действительной (фактической, истинной) степени сжатия εд. При ее определении учитывается, что сжатие не начинается до тех пор; пока поршень не перекроет выпускное окно. Следовательно, действительная степень сжатия всегда меньше геометрической.
Действительная степень сжатия определяется по формуле:
или
где А — высота выпускного окна, см; D — диаметр цилиндра, см; S — ход поршня, см.
Пример расчета:
D = 50 мм = 5 см; S = 44 мм = 4,4 см; ε = 6,0; Vc = 17,2 см3; А = 23 мм = 2,3 см.
или
Необходимо отметить, что для четырехтактных двигателей при определении действительной степени сжатия можно было бы считать потерянным объем, описываемый поршнем за время, в течение которого открыт выпускной клапан при рабочем ходе плюс объем, описываемый поршнем при закрытом впускном клапане при сжатии. Однако для упрощения оценки и расчетов как двухтактных, так и четырехтактных двигателей принято рассматривать геометрическую степень сжатия, т. е. отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.
При пользовании технической литературой по двухтактным ДВС (книги, журналы, каталоги и проспекты) необходимо учитывать, что в Японии принято приводить действительную степень сжатия, а в Европе — геометрическую.
Отечественные серийные двигатели имеют, как правило, низкую степень сжатия (ε = 6,0÷7,0 для двухтактных и 6,0÷6,5 для четырехтактных). Это объясняется тем, что большинство подвесных моторов создавалось много лет назад и рассчитано на использование бензинов с низким октановым числом.
Современные двухтактные двигатели имеют ε = 7,0÷12,0 (меньшие значения ε у двигателей с объемом одного цилиндра 350 см3, а большие — с объемом около 50 см3).
Для современных четырехтактных двигателей ε = 8,0÷10,5 (при цилиндровом объеме 600÷50 см3 соответственно). Применение высокой степени сжатия требует топлива с октановым числом, равным 88—98 единицам.
Степень сжатия повышают для увеличения мощности и уменьшения расхода топлива. Однако увеличивать ее можно только до определенного предела, который ограничивается появлением детонации — чрезвычайно быстрого, в виде взрыва, сгорания рабочей смеси со скоростью распространения пламени 2000÷2500 м/с (при нормальном сгорании эта скорость составляет всего 20÷40 м/с). Детонация сопровождается резким (ударным) повышением давления, передающимся на все детали кривошипно-шатунного механизма, перегревом поршня и клапанов, потерей мощности и появлением черного дыма из выхлопной системы. Сильная детонация приводит к разрушению поршня.
Чем выше степень сжатия и ниже октановое число применяемого бензина, тем более вероятна детонация при прочих равных условиях. Детонации подвержены высокооборотные двигатели с большим диаметром цилиндров, с большим коэффициентом избытка воздуха а в рабочей смеси (наиболее склонна к детонации смесь при α = 0,85÷0,95; увеличение остаточных газов снижает склонность к детонации). Детонация возможна при большом давлении смеси в начале сжатия, поэтому при использовании наддува степень сжатия обычно снижают. На антидетонационные свойства двигателя влияют форма камеры сгорания и расположение свечи зажигания — чем меньше путь пламени от электродов свечи до самой удаленной точки камеры сгорания, тем меньше склонность двигателя к детонации. Поэтому для форсировки путем повышения степени сжатия наиболее подходят двигатели с полусферической камерой сгорания и со свечой, расположенной в ее центре.
У двухтактного двигателя сжатие рабочей смеси происходит не только в надпоршневом пространстве, но и в картере при движении поршня от ВМТ к НМТ. Обычно давление в картере не превышает 1,5 кгс/см2. Оно зависит от степени сжатия в картере εк, т. е. от отношения полного объема картера Vк при нахождении поршня в ВМТ к объему картера при положении поршня в НМТ.
где Vh — рабочий объем цилиндра, см3.
Величина εк обычно находится в пределах 1,29÷1,40 (меньшее значение относится к гоночным двигателям, а большее — к серийным, коммерческим).
При работе с конкретным двигателем рабочий объем определяют расчетным способом по формуле:
Объем камеры сгорания, ввиду ее сложной формы, быстрее и точнее определяется следующим способом. Поршень устанавливается в ВМТ. Из мензурки (или другой емкости с делениями) в цилиндр заливается через свечное отверстие (до середины его высоты) моторное масло, слегка разведенное бензином. Количество вылитого масла и будет равно объему камеры сгорания.
Степень сжатия двухтактного двигателя с полусферической камерой сгорания можно повысить до 8,5÷9,0, но при этом придется применять топливо с октановым числом 93 и выше. При форсировке методом повышения сжатия неизбежно возрастают среднее эффективное давление в цилиндрах и соответственно силы, действующие на все детали цилиндро-поршневой группы и кривошипно-шатунного механизма. Возрастает частота вращения коленвала. Эти причины неизбежно вызывают уменьшение моторесурса и снижение надежности двигателя.
Пример расчета для определения величины подрезки головки блока. Имеется двигатель с параметрами D = 5 см; S = 4,4 см; Vc = 17,2 см3; ε = 6,5 (первоначальная степень сжатия). Требуется увеличить ее до εt = 8,5.
Рабочий объем цилиндра:
Определим, какой объем камеры сгорания необходимо обеспечить:
Разница объемов камер сгорания серийного и форсированного двигателей составит:
Определим толщину слоя металла, снимаемого с торца головки блока цилиндров:
Следует учитывать, что степень сжатия отечественных потребительских подвесных моторов увеличивать свыше 8,5 не рекомендуется. К тому же одно только повышение степени сжатия еще не означает существенного увеличения мощности двигателя.