Wie hoch ist das Verdichtungsverhältnis eines Verbrennungsmotors?

Eines der wichtigen Konstruktionsmerkmale eines Kolbenverbrennungsmotors ist das Verdichtungsverhältnis. Dieser Parameter beeinflusst die Leistung des Verbrennungsmotors, seinen Wirkungsgrad und auch den Kraftstoffverbrauch. Mittlerweile haben die wenigsten eine wirkliche Vorstellung davon, was mit dem Grad der Kompression gemeint ist. Viele Leute denken, dass dies nur ein Synonym für Komprimierung ist. Letzteres hängt zwar mit dem Grad der Komprimierung zusammen, aber das sind ganz andere Dinge.

Um die Terminologie zu verstehen, müssen Sie verstehen, wie der Zylinder des Triebwerks angeordnet ist, und das Funktionsprinzip des Verbrennungsmotors verstehen. Das brennbare Gemisch wird in die Zylinder eingespritzt und dann von einem Kolben komprimiert, der sich vom unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT) bewegt. Das komprimierte Gemisch zündet irgendwann in der Nähe des OT und brennt aus. Das expandierende Gas verrichtet mechanische Arbeit und drückt den Kolben in die entgegengesetzte Richtung - zum UT. Das mit dem Kolben verbundene Pleuel wirkt auf die Kurbelwelle und versetzt diese in Rotation.

Der von den Innenwänden des Zylinders begrenzte Raum von UT bis OT ist das Arbeitsvolumen des Zylinders. Die mathematische Formel für den Hubraum eines Zylinders lautet wie folgt:

Vₐ = πr²s

wobei r der Radius des inneren Abschnitts des Zylinders ist;

s ist der Abstand von OT zu UT (Länge des Kolbenhubs).

Wenn der Kolben den OT erreicht, ist darüber noch etwas Platz. Das ist die Brennkammer. Die Form des oberen Teils des Zylinders ist komplex und hängt von der spezifischen Konstruktion ab. Daher ist es unmöglich, das Volumen V&subXNUMX; der Verbrennungskammer mit irgendeiner Formel auszudrücken.

Offensichtlich ist das Gesamtvolumen des Zylinders Vₒ gleich der Summe aus dem Arbeitsvolumen und dem Volumen der Brennkammer:

Vₒ = Vₐ + Vₑ

Und das Verdichtungsverhältnis ist das Verhältnis des Gesamtvolumens des Zylinders zum Volumen der Brennkammer:

= (V&subXNUMX;+V&subXNUMX;)/V&subXNUMX;

Dieser Wert ist dimensionslos und charakterisiert die relative Druckänderung vom Moment der Einspritzung des Gemisches in den Zylinder bis zum Moment der Zündung.

Aus der Formel ist ersichtlich, dass es möglich ist, das Verdichtungsverhältnis entweder durch Erhöhen des Arbeitsvolumens des Zylinders oder durch Verringern des Volumens der Verbrennungskammer zu erhöhen.

Bei verschiedenen Verbrennungsmotoren kann dieser Parameter unterschiedlich sein und durch die Art der Einheit und die Merkmale ihrer Konstruktion bestimmt werden. Das Verdichtungsverhältnis moderner Benzin-Verbrennungsmotoren liegt im Bereich von 8 bis 12, in einigen Fällen kann es bis zu 13 ... 14 erreichen. Bei Dieselmotoren ist es höher und erreicht 14 ... 18, dies liegt an den Besonderheiten des Zündvorgangs des Dieselgemischs.

Und was die Kompression betrifft, so ist dies der maximale Druck, der im Zylinder auftritt, wenn sich der Kolben vom UT zum OT bewegt. Die internationale SI-Einheit für Druck ist Pascal (Pa/Pa). Auch Maßeinheiten wie bar (bar) und Atmosphäre (at/at) sind weit verbreitet. Das Einheitsverhältnis ist:

1 at = 0,98 bar;

1 bar = 100 Pa

Neben dem Verdichtungsgrad beeinflussen die Zusammensetzung des Brenngemisches und der technische Zustand der Brennkraftmaschine, insbesondere der Verschleißgrad der Teile der Zylinder-Kolben-Gruppe, die Verdichtung.

Mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis steigt der Druck der Gase auf den Kolben, wodurch letztlich die Leistung steigt und der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors steigt. Eine vollständigere Verbrennung des Gemischs führt zu einer verbesserten Umweltleistung und trägt zu einem sparsameren Kraftstoffverbrauch bei.

Die Möglichkeit, das Verdichtungsverhältnis zu erhöhen, ist jedoch durch die Detonationsgefahr begrenzt. Dabei verbrennt das Luft-Kraftstoff-Gemisch nicht, sondern explodiert. Es wird keine sinnvolle Arbeit geleistet, aber die Kolben, Zylinder und Teile des Kurbeltriebs sind starken Stößen ausgesetzt, die zu einem schnellen Verschleiß führen. Die hohe Temperatur während der Detonation kann zum Durchbrennen der Ventile und der Arbeitsfläche der Kolben führen. Bis zu einem gewissen Grad hilft Benzin mit einer höheren Oktanzahl, mit der Detonation fertig zu werden.

Bei einem Dieselmotor ist ein Klopfen ebenfalls möglich, wird dort jedoch durch eine falsche Einspritzeinstellung, Ruß auf der Innenfläche der Zylinder und andere Gründe verursacht, die nicht mit einem erhöhten Verdichtungsverhältnis zusammenhängen.

Es ist möglich, die vorhandene Einheit zu forcieren, indem das Arbeitsvolumen der Zylinder oder das Verdichtungsverhältnis erhöht wird. Aber hier ist es wichtig, es nicht zu übertreiben und alles sorgfältig zu kalkulieren, bevor man sich kopflos in die Schlacht stürzt. Fehler können zu einem solchen Ungleichgewicht im Betrieb des Geräts und zu Detonationen führen, dass weder hochoktaniges Benzin noch eine Einstellung des Zündzeitpunkts helfen.

Es macht kaum Sinn, einen Motor zu forcieren, der anfangs ein hohes Verdichtungsverhältnis hat. Die Kosten für Aufwand und Geld werden ziemlich hoch sein, und die Leistungssteigerung wird wahrscheinlich unbedeutend sein.

Das gewünschte Ziel kann auf zwei Arten erreicht werden – durch Aufbohren der Zylinder, wodurch das Arbeitsvolumen des Verbrennungsmotors größer wird, oder durch Fräsen der Unterseite (Zylinderkopf).

Zylinderbohrung

Der beste Moment dafür ist, wenn man ohnehin die Zylinder aufbohren muss.

Bevor Sie diesen Vorgang durchführen, müssen Sie die Kolben und Ringe für die neue Größe auswählen. Es wird wahrscheinlich nicht schwierig sein, Teile für die Reparaturmaße für diesen Verbrennungsmotor zu finden, aber das Arbeitsvolumen und die Leistung des Motors werden dadurch nicht merklich erhöht, da der Größenunterschied sehr gering ist. Es ist besser, nach Kolben und Ringen mit größerem Durchmesser für andere Einheiten zu suchen.

Sie sollten nicht versuchen, die Zylinder selbst zu bohren, da dies nicht nur Geschick, sondern auch spezielle Ausrüstung erfordert.

Finalisierung des Zylinderkopfes

Das Fräsen der Unterseite des Zylinderkopfs reduziert die Länge des Zylinders. Der Brennraum, der sich teilweise oder vollständig im Kopf befindet, wird kürzer, was bedeutet, dass das Verdichtungsverhältnis zunimmt.

Für ungefähre Berechnungen kann davon ausgegangen werden, dass das Entfernen einer Schicht von einem Viertel Millimeter das Kompressionsverhältnis um etwa ein Zehntel erhöht. Eine feinere Einstellung ergibt den gleichen Effekt. Sie können das eine auch mit dem anderen kombinieren.

Vergessen Sie nicht, dass die Fertigstellung des Kopfes eine genaue Berechnung erfordert. Dadurch werden ein übermäßiges Kompressionsverhältnis und eine unkontrollierte Detonation vermieden.

Einen Verbrennungsmotor auf diese Weise zu forcieren, ist mit einem weiteren potenziellen Problem behaftet – das Verkürzen des Zylinders erhöht das Risiko, dass die Kolben auf die Ventile treffen.

Unter anderem müssen auch die Ventilsteuerzeiten neu eingestellt werden.

Volumenmessung der Brennkammer

Um das Verdichtungsverhältnis zu berechnen, müssen Sie das Volumen der Brennkammer kennen. Die komplexe Innenform macht es unmöglich, sein Volumen mathematisch zu berechnen. Aber es gibt eine ziemlich einfache Methode, um es zu messen. Dazu ist der Kolben auf den oberen Totpunkt zu stellen und mit einer Spritze mit einem Volumen von ca. 20 cm³ Öl oder eine andere geeignete Flüssigkeit durch die Zündkerzenbohrung einzufüllen, bis diese vollständig gefüllt ist. Zähle, wie viele Würfel du gegossen hast. Dies ist das Volumen der Brennkammer.

Das Arbeitsvolumen eines Zylinders wird ermittelt, indem das Volumen des Verbrennungsmotors durch die Anzahl der Zylinder geteilt wird. Wenn Sie beide Werte kennen, können Sie das Kompressionsverhältnis mit der obigen Formel berechnen.

Ein solcher Vorgang kann beispielsweise erforderlich sein, um auf günstigeres Benzin umzusteigen. Oder Sie müssen im Falle eines erfolglosen Engine-Forcings ein Rollback durchführen. Um dann wieder in ihre ursprüngliche Position zurückzukehren, ist eine verdickte Zylinderkopfdichtung oder ein neuer Kopf erforderlich. Verwenden Sie optional zwei gewöhnliche Abstandshalter, zwischen denen ein Aluminiumeinsatz platziert werden kann. Infolgedessen vergrößert sich der Brennraum und das Verdichtungsverhältnis nimmt ab.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Metallschicht von der Arbeitsfläche der Kolben zu entfernen. Ein solches Verfahren wird jedoch problematisch, wenn die Arbeitsfläche (Boden) eine konvexe oder konkave Form hat. Die komplexe Form des Kolbenbodens dient oft dazu, den Verbrennungsprozess des Gemisches zu optimieren.

Bei älteren Vergaser-ICEs bereitet das Deforcing keine Probleme. Die elektronische Steuerung moderner Einspritz-Verbrennungsmotoren kann sich nach einem solchen Vorgang jedoch beim Einstellen des Zündzeitpunkts verstellen, und dann kann es bei Verwendung von Benzin mit niedriger Oktanzahl zu einer Detonation kommen.