Степень сжатия и компрессия двигателя: в чём разница

Степень сжатия является отношением объёмов, а компрессометр измеряет давление при прокрутке двигателя. Объясняем, почему 10:1 не равно 10 бар и как читать замеры.

Степень сжатия показывает отношение двух объёмов цилиндра и записывается, например, как 10:1. Компрессией в автосервисе обычно называют давление, которое компрессометр показывает при прокрутке двигателя, например 12 бар. Это связанные, но разные величины: запись 10:1 не означает 10 бар, а давление нельзя перевести в степень сжатия одной формулой. Дальше вы сможете проверить геометрический расчёт, понять условия измерения компрессии и осмысленно сравнить цилиндры. Главное практическое правило простое: степень сжатия сверяют с конструкцией двигателя, а показания компрессометра со спецификацией и процедурой именно для этого двигателя.

В статье вы узнаете:

• Что измеряют два похожих показателя
• Как рассчитать степень сжатия
• Почему отношение 10:1 не равно 10 бар
• Как получают показание компрессометра
• Что можно понять по результатам
• Когда меняется степень сжатия, а когда только давление

Что измеряют два похожих показателя

Представьте цилиндр как шприц с поршнем. Когда поршень находится внизу, над ним помещается большой объём газа. Когда поршень поднимается, пространство уменьшается, а газ нагревается и давит сильнее. На этом сходство двух терминов заканчивается.

Степень сжатия описывает геометрию. Она сравнивает объём над поршнем в нижней мёртвой точке, НМТ, с объёмом в верхней мёртвой точке, ВМТ. У отношения нет единиц. Значение 10:1 читается так: внизу объём в десять раз больше, чем наверху.

Компрессия описывает результат проверки. Компрессометр подключают к цилиндру вместо свечи и прокручивают двигатель стартером. Прибор удерживает наибольшее достигнутое давление. Результат записывают в барах, килопаскалях или psi. На него влияет не только размер пространства, но и то, сколько воздуха попало в цилиндр, когда закрылись клапаны, насколько герметичны кольца и клапаны, с какой скоростью крутит стартер и прогрет ли двигатель.

Поэтому у исправного двигателя есть паспортная степень сжатия, но нет единственного «правильного числа компрессии» для всех моторов с таким же отношением объёмов. Нужны методика и пределы производителя конкретной модели.

Как рассчитать степень сжатия

Для расчёта нужны два объёма одного цилиндра. Рабочий объём Vs поршень вытесняет между НМТ и ВМТ. Остаточный объём Vc остаётся над поршнем в ВМТ. В него входят полость головки, отверстие в сжатой прокладке, зазор до поршня и выемка в его днище. Выпуклость поршня, наоборот, отнимает часть пространства.

Степень сжатия считают так:

ε = (Vs + Vc) / Vc

Допустим, рабочий объём одного цилиндра равен 500 см³, а остаточный 50 см³. В НМТ над поршнем находится 500 + 50 = 550 см³. В ВМТ остаётся 50 см³. Делим 550 на 50 и получаем 11. Степень сжатия равна 11:1.

Это можно проверить в калькуляторе степени сжатия двигателя: введите 500 см³ рабочего и 50 см³ остаточного объёма. Обратный режим решает другую полезную задачу. Если известны 500 см³ и цель 11:1, он покажет требуемые 50 см³ над поршнем в ВМТ.

Если известны диаметр цилиндра и ход поршня, сначала найдите рабочий объём. Для цилиндра круглого сечения он равен площади поршня, умноженной на ход. В калькуляторе объёма цилиндра можно выполнить этот промежуточный расчёт, но результат нужно брать для одного цилиндра. Общий объём четырёхцилиндрового двигателя 2000 см³ даёт по 500 см³ на цилиндр, а не 2000 см³ в каждом.

Номинальная степень сжатия почти не меняется от пробега сама по себе. Изношенное кольцо пропускает газ, но не передвигает ВМТ и НМТ. Геометрическое отношение остаётся прежним, а измеренное давление может упасть. Вот почему два показателя полезно держать в разных ящиках головы.

Почему отношение 10:1 не равно 10 бар

Если объём уменьшился в десять раз, давление не обязано увеличиться ровно в десять. Сжимаемый газ одновременно нагревается, поэтому его давление растёт быстрее, чем при воображаемом сжатии с постоянной температурой.

Для идеального адиабатического процесса, в котором газ не успевает обменяться теплом со стенками, используют модель:

p₂ / p₁ = r^γ

Здесь r обозначает отношение объёмов, а γ зависит от свойств газа. Для воздуха в упрощённом примере берут около 1,4. При r = 10 получаем 10^1,4 ≈ 25,1. Если начать примерно с 1 бара абсолютного давления, идеальная модель даст около 25 бар абсолютного давления, а не 10. Абсолютную шкалу отсчитывают от вакуума, поэтому обычная атмосфера уже даёт около 1 бара. Манометр компрессометра обнулён на воздухе и показывает давление сверх атмосферы: 25 бар абсолютного давления соответствовали бы примерно 24 барам на таком приборе. NASA использует эту связь при разборе идеального цикла Отто и отдельно предупреждает, что настоящий двигатель несёт тепловые и механические потери NASA Glenn Research Center.

Показание компрессометра не обязано совпасть и с этими 25 барами. Впускной клапан закрывается не в самой нижней точке, часть заряда может вернуться во впуск. Воздух отдаёт тепло стенкам. Через кольца и клапаны происходят утечки. Стартер вращает мотор гораздо медленнее, чем тот работает после запуска. Наконец, автомобильный прибор обычно показывает избыточное давление относительно атмосферы, а в идеальном примере мы начали с абсолютного.

Формула полезна для одного вывода: между отношением объёмов и давлением есть физическая связь, но равенства чисел нет. Использовать её как таблицу перевода «10:1 = столько-то бар» нельзя.

Как получают показание компрессометра

Во время проверки коленвал делает несколько оборотов, а манометр через обратный клапан запоминает максимальное давление. Чтобы сравнение имело смысл, все цилиндры проверяют в одинаковых условиях. В сервисных инструкциях обычно фиксируют температуру двигателя, состояние батареи или скорость прокрутки, положение дросселя и число оборотов коленвала.

Например, в технической процедуре BMW для одного семейства двигателей требуется довести мотор до рабочей температуры и дать каждому цилиндру одинаковое число оборотов; четыре оборота документ называет отраслевым стандартом. Допустимая разница там относится только к указанным моторам и не становится общей нормой для любого автомобиля. У другого двигателя будут свои давление, скорость стартера и предел расхождения.

На результат особенно влияют пять условий.

Подача воздуха. Закрытый дроссель ограничивает наполнение цилиндра и может снизить показание. Поэтому процедуру выполняют в положении, которое указал производитель.

Скорость прокрутки. Разряженная батарея вращает стартер медленнее. Утечкам остаётся больше времени, а сравнение с паспортной процедурой теряет смысл.

Температура и масло. Прогретые детали имеют рабочие зазоры, а масляная плёнка помогает кольцам уплотнять цилиндр. Холодный и тёплый замеры нельзя смешивать в один ряд без поправки на методику.

Клапанные фазы. Давление начинает заметно расти после закрытия впускного клапана, а он может закрыться позже НМТ. Два двигателя с одинаковой статической степенью сжатия, но разными распредвалами, способны дать разные показания при прокрутке.

Герметичность и прибор. На результат влияют кольца, клапаны, прокладка, резьбовое соединение шланга, обратный клапан самого компрессометра и его калибровка.

Самостоятельная работа рядом с горячим мотором, стартером, топливом и системой зажигания требует процедуры безопасности для конкретного автомобиля. Если её нет, правильнее поручить измерение сервису, чем собирать универсальную инструкцию из пяти разных форумов.

Что можно понять по результатам

Допустим, четыре цилиндра в одной проверке показали 12,6; 12,4; 12,5 и 9,8 бар. Максимум и минимум отличаются на 2,8 бар, или примерно на 22% относительно максимального значения. Это учебный набор, а не готовый допуск. Он показывает только то, что четвёртый цилиндр ведёт себя иначе и измерение стоит сначала подтвердить по правильной процедуре.

Первый шаг после странного ряда скучный, зато дешёвый: проверить одинаковое число оборотов, заряд батареи, положение дросселя, герметичность соединения и повторяемость результата. Если повтор сохраняет картину, значения сравнивают с сервисной документацией. Производитель может задавать и минимальное давление, и максимально допустимую разницу между цилиндрами.

Низкое показание не называет виновника. Давление может теряться через кольца, клапаны, прокладку головки или повреждение цилиндра. Одинаково низкий ряд тоже не доказывает равномерный износ: причиной могут оказаться условия проверки, фазы клапанов или неточный прибор.

Влажная проверка добавляет в цилиндр небольшое количество масла и повторяет измерение по сервисной методике. Временное улучшение уплотнения между кольцами и стенкой может повысить показание. Это усиливает подозрение на утечку в этой зоне, но не превращает тест в окончательный диагноз. Количество масла и допустимость процедуры нужно брать из инструкции к двигателю.

Проверка утечек, или leak-down, отвечает на другой вопрос. В цилиндр при закрытых клапанах подают воздух через прибор с ограничителем и сравнивают входное давление с тем, что удержал цилиндр. Выход воздуха во впуске, выпуске или картере помогает локализовать путь утечки. FAA описывает этот принцип для авиационных поршневых двигателей, но конкретные давления, положение поршня и допустимые потери задаёт соответствующая процедура. Автомобильный двигатель требует своей документации.

Получается последовательность, а не гадание по одному числу: повторяем измерение, сравниваем со спецификацией, проверяем утечки и только затем решаем, что разбирать. Компрессометр хорошо замечает повод продолжить диагностику. Название детали для заказа он на циферблате не пишет, как бы этого ни хотелось.

Когда меняется степень сжатия, а когда только давление

Степень сжатия меняется, когда меняются реальные объёмы в крайних положениях поршня. Более тонкая прокладка головки, фрезеровка плоскости, поршень с другой выемкой или выпуклостью и изменение хода способны изменить геометрическое отношение. Нагар тоже уменьшает свободное пространство, но его форма и влияние плохо подходят для расчёта на глаз.

Износ колец, негерметичный клапан и слабая батарея обычно меняют результат проверки, а не паспортную геометрию. Позднее закрытие впускного клапана может снизить давление при прокрутке при той же статической степени сжатия. Наддув повышает массу и давление заряда во время работы, хотя при стартерной проверке турбина не создаёт обычного рабочего наддува.

Поэтому степень сжатия нельзя напрямую превращать в мощность, требуемое октановое число или прогноз ресурса. На детонацию и нагрузку влияют форма камеры, температура, состав смеси, зажигание, наддув и управление двигателем. Два мотора с одинаковым отношением 10:1 могут требовать разного топлива и показывать разную компрессию.

Практический порядок такой. Для подбора геометрии считайте рабочий и остаточный объёмы в калькуляторе степени сжатия. Для оценки состояния измеряйте давление по сервисной процедуре и сравнивайте одинаково полученные результаты со спецификацией. Эти числа разговаривают друг с другом через физику двигателя, но каждый отвечает на свой вопрос.

Есть что добавить?

Напишите своё мнение, комментарий или предложение.