Stopień sprężania

Stopień sprężania wyraża, jak mocno silnik spręża powietrze lub mieszankę paliwowo-powietrzną wewnątrz każdego cylindra podczas suwu sprężania. Definiuje się go jako stosunek dwóch objętości: całkowitej przestrzeni w cylindrze, gdy tłok znajduje się w skrajnym dolnym położeniu, oraz znacznie mniejszej przestrzeni pozostającej, gdy tłok osiąga górne położenie. Wartość 10:1 oznacza na przykład, że mieszanka zostaje sprężona do jednej dziesiątej pierwotnej objętości przed zapłonem. Ta pojedyncza liczba wiele mówi o charakterze silnika, jego wymaganiach paliwowych i sprawności.

Stopień sprężania ma znaczenie, ponieważ mocniejsze sprężenie ładunku przed spalaniem czyni silnik sprawniejszym cieplnie i zdolnym uzyskać więcej pracy z każdej jednostki paliwa. Wyższy stopień sprężania podnosi ciśnienie i temperaturę w cylindrze w momencie zapłonu, co sprawia, że następujące po nim spalanie mocniej napiera na tłok i skuteczniej uwalnia swoją energię. Termodynamika obiegu silnika nagradza wyższe sprężanie większą sprawnością i większą mocą przy danej ilości paliwa, dlatego konstruktorzy zawsze odczuwają pokusę, by podnosić je tak wysoko, jak pozwalają na to warunki.

W silnikach benzynowych istnieje jednak twarda granica narzucana przez spalanie stukowe. Wraz ze wzrostem sprężania rośnie temperatura mieszanki i powyżej pewnego progu paliwo może zapalić się samoczynnie i nierównomiernie, zanim zadziała świeca, wywołując niszczące skoki ciśnienia znane jako spalanie stukowe lub stukanie. Przeciwdziała temu paliwo o wyższej liczbie oktanowej, które spala się w sposób bardziej kontrolowany pod ciśnieniem, dlatego silniki benzynowe o wysokim sprężaniu wymagają paliwa premium. Ten kompromis historycznie ograniczał stopień sprężania silników benzynowych do mniej więcej zakresu od 9:1 do 13:1, przy czym wyższe wartości zarezerwowano dla silników projektowanych pod paliwo wysokooktanowe lub wyposażonych w przemyślaną kontrolę spalania.

Silniki wysokoprężne zamieniają to ograniczenie w zaletę, opierając się na samym sprężaniu jako źródle zapłonu paliwa. Pracują przy znacznie wyższym stopniu sprężania, zwykle od około 15:1 wzwyż, ponieważ ciepło wytworzone samym sprężaniem powietrza musi wystarczyć do zapalenia oleju napędowego wtryśniętego u góry suwu. Nie ma tu świecy zapłonowej; wysokie sprężanie jest źródłem zapłonu. To zasadniczy powód, dla którego silniki wysokoprężne buduje się solidniej niż benzynowe, gdyż muszą wytrzymać znacznie większe ciśnienia, jakie takie stopnie sprężania wytwarzają.

Nowoczesna technologia poluzowała część tych dawnych ograniczeń. Bezpośredni wtrysk paliwa chłodzi napływający ładunek, gdy paliwo odparowuje wewnątrz cylindra, co pozwala silnikom benzynowym pracować na nieco wyższym sprężaniu bez stukania, podczas gdy doładowanie, które tłoczy więcej powietrza, na ogół wymaga niższego stopnia geometrycznego, aby utrzymać szczytowe ciśnienia w ryzach. Niektóre zaawansowane silniki zmieniają nawet stopień sprężania w trakcie jazdy, by wyważyć sprawność i moc. Stopień sprężania leży więc w sercu konstrukcji silnika, ściśle powiązany z pojemnością skokową, konstrukcją tłoka i szerszym zachowaniem silnika spalinowego.