Увеличение степени сжатия двигателя для газа

Дорогие комрады!
Давно вынашиваю идею о переводе своего УМЗ 421 на газ. Делается это сугубо по финансовым побуждениям. Цены на бензин АИ-92 и природный газ ни для кого не секрет, поэтому подробно останавливаться на этом вопросе не буду. Так же слегка напрягает «качество» нашего бензина. Всё ж, надеюсь, подмешивать свои чудо присадки в газ производители пока не торопятся. Что, возможно, благотворно скажется на работе двигателя.
Итак, немного предыстории. Имеется УМЗ 421 в карбюраторной версии. Собственноручно мной переведённый на Аи-92. И система микропроцессорного зажигания «майя». Вещь, конечно, интересная, но с характером. Основным её преимуществом является возможность изменения калибровок, что называется «на лету» и хранения в памяти 4 наборов калибровок: две на газ и две на бензин. Переключаются наборы либо тумблерами, либо датчиком на газовом клапане. Но не в этом суть. Главное что с переходом на газ перенастроить зажигание для меня не составит никакой проблемы.
Переход на 92 бензин лично у меня никаких технических проблем не вызвал и в целом произведёнными переделками я доволен.
Теперь вот встаёт такой вопрос. Октановое число природного газа в разных источниках заявляется примерно 100 – 105. И возникает мысль этим воспользоваться. Увеличить степень сжатия до 11 – 12 единиц.
В своих дальнейших рассуждениях я буду опираться на данную статью:
http://icarbio.ru/articles/vlijanie-stepeni-szhatija.html .

Если верить вышеприведённой статье, при увеличении степени сжатия можно добиться некоторой экономии топлива. За счёт повышения КПД двигателя.
При простом переходе на газ (без увеличения степени сжатия) газо – воздушная смесь горит медленнее бензо – воздушной. Значит больший по времени процесс горения частично приходиться на так сжатия, где он не производит никакой полезной работы и частично на такт расширения, где собственно и производиться полезная работа. Обладатели газифицированных машин часто жалуются на прогоревшие клапана. Мне кажется, что это так же является следствием слишком долгого горения смеси, при котором выделившаяся тепловая энергия не может полностью преобразоваться в механическую и просто выбрасывается через выпускной клапан.
Опять же ссылаясь на статью:
«Зависимость КПД η теоретического цикла от соотношения долей топлива, сгоревшего при постоянном объёме V и давлении p, показана на рис. 3. Если сгорает 100 % топлива при постоянном объёме, то достигается максимальное значение КПД. Если 100 % топлива сгорает при постоянном давлении, то этот КПД минимален, так как топливо, которое догорает в процессе продолжительного расширения, для совершения работы имеет в своем распоряжении только малую часть пути, проходимого поршнем. Падение КПД особенно заметно, если при постоянном объеме сгорает менее 60 % топлива.»
Нам, получается, невыгодно «размазывать» процесс горения по времени. А куда как выгоднее уместить его в период, когда поршень наиболее близок в ВМТ. В это время горение будет происходить при условно постоянном объёме. Именно увеличение степени сжатия (а значит давления и температуры) должно привести к ускорению химической реакции, коей и является горение топлива.

Следующий момент, дросселирование воздуха во впускном трубопроводе бензинового двигателя при частичной нагрузке приводит к тому, что давление конца сжатия в цилиндре значительно снижается. Это хорошо показано на рис.4, приведённом в статье. В левой его части представлена зависимость для двигателя со степенью сжатия 8,5, а в правой с 12,5.
«При большом дросселировании заряда во впускном трубопроводе значение реальной степени сжатия падает до ε = 3,5 [для двигателя с ε = 8,5] … При малой нагрузке [в двигателе с ε = 12,5] реальная степень сжатия повышается на 2,5 единицы [относительно двигателя с ε = 8,5], что соответствует улучшению КПД на 10 %.»
Получается в двигателе, с большей степенью сжатия при одинаковом дросселировании, горение смеси происходит быстрее и соответственно большая часть тепловой энергии переходит в механическую. Что в свою очередь снижает расход топлива на малых и средних нагрузках.
Ну и третье. В двигателях используют смесь близкую к стехеометрической. С лямбда около 0,9. Это обуславливается не только качеством сгорания смеси, но и тем что слишком обеднённую смесь намного труднее поджигать. Не помню первоисточник, где приходилось читать, но в нём утверждалось, что с увеличением давления можно очень сильно обеднять смесь без потери её свойств к воспламенению и горению. Если другим языком, то увеличивая степень сжатия можно уменьшать лямбду смеси. Особенно в области режимов полного открытия дросселя. Что, по идее, должно ещё сэкономить нам немного топлива.

Предвидя Ваши вопросы, уточню, что подачей газа в моём двигателе при установке ГБО будет не карбюратор, а отдельный контроллер с обратной связью по лямбда-зонду. Что позволит варьировать состав смеси по моему желанию.
А для запусков и прогревов двигателя можно раскошелиться и на 95 – 98 бензин, благо ездить на нём не планируется и расходы не должны сильно увеличиться.

Вот собственно и вопрос: прав я, собираясь стачивать ещё немного ГБЦ приближая степень сжатия к 11 – 12 единицам, или ну его нафиг?
Затратами на работы можно пренебречь, благо есть где и когда сделать всё самому. По технологии, методам измерений объёмов камеры сгорания и расчётов толщины снимаемого слоя с ГБЦ у меня то же вопросов нет.
Заморачиваться или нет? — вот в чём вопрос! :confused: Может там такие подводные камни, что я потом за новой стандартной ГБЦ пойду, чтоб вернуть всё как было.

Увеличение степени сжатия двигателя для газа

Дорогие комрады!
Давно вынашиваю идею о переводе своего УМЗ 421 на газ. Делается это сугубо по финансовым побуждениям. Цены на бензин АИ-92 и природный газ ни для кого не секрет, поэтому подробно останавливаться на этом вопросе не буду. Так же слегка напрягает «качество» нашего бензина. Всё ж, надеюсь, подмешивать свои чудо присадки в газ производители пока не торопятся. Что, возможно, благотворно скажется на работе двигателя.
Итак, немного предыстории. Имеется УМЗ 421 в карбюраторной версии. Собственноручно мной переведённый на Аи-92. И система микропроцессорного зажигания «майя». Вещь, конечно, интересная, но с характером. Основным её преимуществом является возможность изменения калибровок, что называется «на лету» и хранения в памяти 4 наборов калибровок: две на газ и две на бензин. Переключаются наборы либо тумблерами, либо датчиком на газовом клапане. Но не в этом суть. Главное что с переходом на газ перенастроить зажигание для меня не составит никакой проблемы.
Переход на 92 бензин лично у меня никаких технических проблем не вызвал и в целом произведёнными переделками я доволен.
Теперь вот встаёт такой вопрос. Октановое число природного газа в разных источниках заявляется примерно 100 – 105. И возникает мысль этим воспользоваться. Увеличить степень сжатия до 11 – 12 единиц.
В своих дальнейших рассуждениях я буду опираться на данную статью:
http://icarbio.ru/articles/vlijanie-. -szhatija.html .

Если верить вышеприведённой статье, при увеличении степени сжатия можно добиться некоторой экономии топлива. За счёт повышения КПД двигателя.
При простом переходе на газ (без увеличения степени сжатия) газо – воздушная смесь горит медленнее бензо – воздушной. Значит больший по времени процесс горения частично приходиться на так сжатия, где он не производит никакой полезной работы и частично на такт расширения, где собственно и производиться полезная работа. Обладатели газифицированных машин часто жалуются на прогоревшие клапана. Мне кажется, что это так же является следствием слишком долгого горения смеси, при котором выделившаяся тепловая энергия не может полностью преобразоваться в механическую и просто выбрасывается через выпускной клапан.
Опять же ссылаясь на статью:
«Зависимость КПД η теоретического цикла от соотношения долей топлива, сгоревшего при постоянном объёме V и давлении p, показана на рис. 3. Если сгорает 100 % топлива при постоянном объёме, то достигается максимальное значение КПД. Если 100 % топлива сгорает при постоянном давлении, то этот КПД минимален, так как топливо, которое догорает в процессе продолжительного расширения, для совершения работы имеет в своем распоряжении только малую часть пути, проходимого поршнем. Падение КПД особенно заметно, если при постоянном объеме сгорает менее 60 % топлива.»
Нам, получается, невыгодно «размазывать» процесс горения по времени. А куда как выгоднее уместить его в период, когда поршень наиболее близок в ВМТ. В это время горение будет происходить при условно постоянном объёме. Именно увеличение степени сжатия (а значит давления и температуры) должно привести к ускорению химической реакции, коей и является горение топлива.

Следующий момент, дросселирование воздуха во впускном трубопроводе бензинового двигателя при частичной нагрузке приводит к тому, что давление конца сжатия в цилиндре значительно снижается. Это хорошо показано на рис.4, приведённом в статье. В левой его части представлена зависимость для двигателя со степенью сжатия 8,5, а в правой с 12,5.
«При большом дросселировании заряда во впускном трубопроводе значение реальной степени сжатия падает до ε = 3,5 [для двигателя с ε = 8,5] … При малой нагрузке [в двигателе с ε = 12,5] реальная степень сжатия повышается на 2,5 единицы [относительно двигателя с ε = 8,5], что соответствует улучшению КПД на 10 %.»
Получается в двигателе, с большей степенью сжатия при одинаковом дросселировании, горение смеси происходит быстрее и соответственно большая часть тепловой энергии переходит в механическую. Что в свою очередь снижает расход топлива на малых и средних нагрузках.
Ну и третье. В двигателях используют смесь близкую к стехеометрической. С лямбда около 0,9. Это обуславливается не только качеством сгорания смеси, но и тем что слишком обеднённую смесь намного труднее поджигать. Не помню первоисточник, где приходилось читать, но в нём утверждалось, что с увеличением давления можно очень сильно обеднять смесь без потери её свойств к воспламенению и горению. Если другим языком, то увеличивая степень сжатия можно уменьшать лямбду смеси. Особенно в области режимов полного открытия дросселя. Что, по идее, должно ещё сэкономить нам немного топлива.

Предвидя Ваши вопросы, уточню, что подачей газа в моём двигателе при установке ГБО будет не карбюратор, а отдельный контроллер с обратной связью по лямбда-зонду. Что позволит варьировать состав смеси по моему желанию.
А для запусков и прогревов двигателя можно раскошелиться и на 95 – 98 бензин, благо ездить на нём не планируется и расходы не должны сильно увеличиться.

Вот собственно и вопрос: прав я, собираясь стачивать ещё немного ГБЦ приближая степень сжатия к 11 – 12 единицам, или ну его нафиг?
Затратами на работы можно пренебречь, благо есть где и когда сделать всё самому. По технологии, методам измерений объёмов камеры сгорания и расчётов толщины снимаемого слоя с ГБЦ у меня то же вопросов нет.
Заморачиваться или нет? — вот в чём вопрос! Может там такие подводные камни, что я потом за новой стандартной ГБЦ пойду, чтоб вернуть всё как было.

Увеличение степени сжатия

СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ

Объем камеры сгорания влияет на конечную степень сжатия двигателя.

Камера сгорания, это объем образуемый головкой блока и поршнем в момент нахождения поршня в верхней мертвой точке. Степень сжатия, это отношение объемов цилиндров от максимального до минимального. Максимальный объем камеры сгорания получается, когда поршень находится в нижней мертвой точке. Минимальный при нахождении поршня в верхней мертвой точке цилиндра.

Объем цилиндра без учета камеры сгорания можно узнать, поделив паспортный рабочий объем двигателя на количество цилиндров.

Объем камеры сгорания состоит из суммы 3 объемов:

1 Объем камеры сгорания на головке блока
2 Объем, образуемый толщиной прокладки головки блока
3 Объем вогнутого пространства в днище поршня.
Справедливости ради стоит сказать, что существует масса вариантов когда поршни выпуклые и при вычислениях они не добавляют, а наоборот уменьшают пространство камеры сгорания. И это нужно учитывать при расчетах.

Степень сжатия и компрессия, это не одно и тоже и различается тем, что степень сжатия это геометрическая величина, а компрессия динамическая. Так как двигатель при вращении обладает некоторыми насосными свойствами, плюс воздух при сжатии нагревается, то величина компрессии будет отличаться от степени сжатия в большую сторону. Компрессия обычно больше в 1.4 раза чем степень сжатия.

Увеличение степени сжатия является одной из основных методик поднятия мощности двигателя, так как чем больше сжать топливовоздушную смесь, тем больше она сможет расшириться относительно сжатого объема при сгорании. Тем самым можно получить больше мощности с того же объема сгоревшего топлива. Одним словом мощность повысится, а расход останется на прежнем уровне. Возникает вопрос, а почему с завода не поднимают степень сжатия до максимально возможного уровня? Дело все в характеристиках бензина не позволяющим поднимать степень сжатия больше определенного уровня, без образования аномальных, нежелательных процессов горения (детонация и др). Октановое число как раз и является основным показателем величины детонационной стойкости топлива и чем это число выше, тем большую степень сжатия можно использовать в двигателе, без образования детонации.

То есть проще говоря, если мы значительно повысим степень сжатия то мощность у нас повысится, но придется заправляться более высокооктановым топливом, а оно стоит дороже. Но с другой стороны, двигатель теперь работает более эффективно и на той мощности на которой вы ездили раньше, он будет потреблять меньше топлива и разность в цене как бы нивелируется! Но правда все же такова, что вы не будете ездить на малой мощности. Иначе зачем нужно было все это затевать?

Степень сжатия можно повысить двумя самыми эффективными способами:

1 установка более тонкой прокладки головки блока, либо спиливание нижней части головки блока. При таком варианте, клапана приближаются к поршню и необходимо делать или увеличивать выборки под них. Изменяются фазы работы ГРМ так как высота цепи или ремня, ответственная за синхронизацию распредвала изменяется на величину, уменьшения высоты позиционирования головки блока. При верхневальном двигателе (распределительный вал находится в головке блока). Настроить работу распределительного вала можно с помощью резрезной шестерни, либо шестерни с несколькими позициями под шпонку. При нижневальном, когда распредвал стоит внизу (в блоке цилиндров) и связь с клапанами происходит посредством толкателей также изменяется кинематика клапанного механизма без гидроусилителей, а с гидроусилителями может не хватить их хода и придется ставить меньшие по длине толкатели. При использовании метода на V образном двигателе при спиливании головок изменится расстояние между посадочными отверстиями впускного коллектора, что потребует его подгонки.

2 Растачивание цилиндров под больший по диаметру поршень. Такая процедура требует замены поршней, но этот метод увеличивает рабочий объем двигателя и одновременно повышает степень сжатия, так как камера сгорания остается прежней но объем цилиндра увеличивается. Отношение возросшего цилиндра к прежней камере сгорания покажет большую величину степени сжатия. Метод кроме замены поршней и расточки цилиндра не требует больше каких либо переделок и более предпочтителен для увеличения степени сжатия.

Прибавка мощности за счет степени сжатия тем выше, чем под более низкую степень сжатия изначально настроен двигатель. Простыми словами, повышение мощности более эффективно при поднятии степени сжатия с 8 до 9 чем с 13 до 14.

Примеры прибавок в процентах:

с 8 до 9 = 2.0 % прибавка мощности
с 9 до 10 = 1.7 % прибавка мощности
с 10 до 11 = 1.5 % прибавка мощности
с 11 до 12 = 1.3 % прибавка мощности
с 12 до 13 = 1.2 % прибавка мощности
с 13 до 14 = 1.1 % прибавка мощности
с 14 до 15 = 1.0 % прибавка мощности
с 15 до 16 = 0.9 % прибавка мощности
с 16 до 17 = 0.8 % прибавка мощности
Промежуточные результаты суммируются, например поднятие степени сжатия с 8 до 14 даст прибавку 8.7 %

Примеры перехода на более высокооктановое топливо при повышении (СС)

менее 8 — 76 бензин
от 8 до 9 — 80 бензин
от 9 до 10.5 — 92 бензин
от 10 до 12.5 — 95 бензин
от 12 до 14.5 — 98 бензин
от 13.5 до 16 — 102 бензин
от 15.5 до 18 — 109 бензин
Минимальное октановое число топлива применяемое в каждом конкретном двигателе зависит не только от степени сжатия но и в некоторой степени от конструкции формы камеры сгорания, алгоритма работы клапанного механизма, системы зажигания итд. Поэтому более совершенные двигатели могут работать с большими величинами степени сжатия без повышения качества топлива.