Степен на сгъстяване

Степента на сгъстяване изразява колко плътно двигателят сгъстява въздуха или сместа въздух-гориво във всеки цилиндър по време на такта на сгъстяване. Тя се определя като отношението между два обема: цялото пространство в цилиндъра, когато буталото е в най-долната точка на своя ход, и много по-малкото пространство, оставащо когато буталото достигне горната точка. Стойност 10:1 например означава, че сместа се сгъстява до една десета от първоначалния си обем преди запалването. Това единствено число разкрива много за характера на двигателя, изискванията му към горивото и неговата ефективност.

Отношението има значение, защото по-силното сгъстяване на сместа преди горенето прави двигателя термично по-ефективен и способен да извлече повече работа от всяка единица гориво. По-високата степен на сгъстяване повишава налягането и температурата в цилиндъра в момента на запалването, което означава, че последвалото горене натиска буталото по-силно и освобождава енергията си по-ефективно. Термодинамиката на работния цикъл възнаграждава по-високото сгъстяване с по-голяма ефективност и повече мощност за дадено количество гориво, поради което инженерите винаги са изкушени да го повишават дотолкова, доколкото условията позволяват.

При бензиновите двигатели обаче съществува твърд таван, наложен от детонацията. С нарастването на сгъстяването нараства и температурата на сместа, и след определена точка горивото може да се възпламени самопроизволно и неравномерно, преди свещта да даде искра, пораждайки разрушителните скокове на налягането, известни като детонация. Противодействието на това изисква гориво с по-високо октаново число, което изгаря по-контролирано под налягане, така че бензиновите двигатели с висока степен на сгъстяване изискват гориво с по-високо качество. Този компромис исторически ограничава степента на сгъстяване при бензиновите двигатели приблизително в диапазона от 9:1 до 13:1, като по-високите стойности са запазени за двигатели, проектирани за високооктаново гориво или с интелигентно управление на горенето.

Дизеловите двигатели превръщат това ограничение в предимство, разчитайки на самото сгъстяване, за да възпламенят горивото. Те работят с далеч по-високи степени, обикновено от около 15:1 нагоре, защото топлината, породена единствено от сгъстяването на въздуха, трябва да е достатъчна да възпламени дизела, впръскан в горната точка на хода. Няма запалителна свещ; високото сгъстяване е източникът на запалването. Това е основната причина дизеловите двигатели да са изградени по-здраво от бензиновите, тъй като трябва да издържат на много по-голямото налягане, което такива степени пораждат.

Съвременните технологии разхлабиха някои от тези стари граници. Директното впръскване на горивото охлажда постъпващата смес, докато горивото се изпарява вътре в цилиндъра, което позволява на бензиновите двигатели да работят с малко по-висока степен на сгъстяване без детонация, докато турбонагнетяването, което вкарва повече въздух, обикновено изисква по-ниска геометрична степен, за да задържи пиковите налягания под контрол. Някои съвременни двигатели дори променят степента си на сгъстяване в движение, за да балансират ефективността и мощността. Така степента на сгъстяване стои в сърцето на конструкцията на двигателя, тясно свързана с работния обем, формата на буталото и по-широкото поведение на двигателя с вътрешно горене.