Калькулятор ступеня стиснення двигуна
Введіть діаметр циліндра, хід поршня, кількість циліндрів, об’єм камери згоряння, параметри прокладки, поршня і зазору до площини блока (deck) — і отримаєте статичну та динамічну ступінь стиснення, а також повний робочий об’єм двигуна в кубічних сантиметрах, літрах і кубічних дюймах.
Обчислення статичної ступені стиску, робочого об’єму та динамічної ступені стиску
Формула ступеня стиснення
Де:
- \(B\) — діаметр циліндра, виміряний на рівні поршня (см)
- \(S\) — хід поршня (см)
- \(V_{ch}\) — об’єм камери згоряння в головці, на один циліндр (куб. см)
- \(V_{g}\) — об’єм прокладки головки, \( \tfrac{\pi}{4}B_{g}^{2}t \), де \(B_{g}\) — внутрішній діаметр прокладки (вогневого кільця), а \(t\) — товщина стиснутої прокладки (куб. см)
- \(V_{deck}\) — об’єм зазору між поршнем і площиною блока \(= \tfrac{\pi}{4}B^{2}d\), де \(d\) — відстань від днища поршня до верхньої площини блока (deck) у ВМТ; додатна, коли поршень лежить нижче площини (куб. см)
- \(V_{p}\) — об’єм поршня: додатний для опуклого днища (купола), від’ємний для виїмки або виточок під клапани, 0 — для плоского днища (куб. см)
Усі лінійні розміри внутрішньо переводяться в сантиметри, тому всі об’єми виходять у кубічних сантиметрах. Формула описує статичну ступінь стиснення: повний об’єм циліндра в нижній мертвій точці (НМТ) ділиться на об’єм, що залишається над поршнем, коли той перебуває у верхній мертвій точці (ВМТ). Опукле днище (купол) зменшує цей об’єм, а виїмка чи виточки під клапани — збільшують.
Ступінь стиснення — приклад розрахунку
Приклад: V8 «малого блока» об’ємом 350 ci — діаметр 4 дюйми, хід поршня 3,48 дюйма, 8 циліндрів, об’єм камери 64 куб. см, діаметр прокладки 4,1 дюйма, товщина стиснутої прокладки 0,04 дюйма, поршні з виїмкою на 7 куб. см (вводиться як −7), зазор до площини блока 0,015 дюйма, довжина шатуна 5,7 дюйма і закриття впускного клапана на 60° після НМТ. Це стандартні значення, уже введені в калькулятор.
\[ V_{swept} = \tfrac{\pi}{4}(10.16)^{2}(8.8392) = 716.62\ \text{cc} \]
\[ V_{clear} = 64 + 8.65 + 3.09 + 7 = 82.74\ \text{cc} \]
\[ CR = \frac{716.62 + 82.74}{82.74} = 9.66 \]
Результат: статична ступінь стиснення 9,66 : 1, динамічна ступінь стиснення 8,00 : 1, робочий об’єм 716,62 куб. см на циліндр і 5733 куб. см (5,73 л, 349,8 ci) загалом.
Як користуватися калькулятором ступеня стиснення
- Введіть діаметр і хід поршня одного циліндра та оберіть дюйми або міліметри в меню одиниць.
- Задайте кількість циліндрів (1–16), щоб калькулятор міг підсумувати робочий об’єм двигуна.
- Введіть об’єм камери згоряння у кубічних сантиметрах — камера в головці, на один циліндр. Якщо виробник не публікує цю цифру, виміряйте її, «проливши» головку з мірної бюретки (метод cc'ing).
- Введіть діаметр прокладки (вогневе кільце або отвір прокладки) і товщину стиснутої прокладки; введіть 0, щоб нехтувати прокладкою.
- Введіть об’єм поршня: додатний — для купола, від’ємний — для виїмки чи виточок під клапани, 0 — для плоского днища.
- Введіть зазор до площини блока — додатний, коли днище поршня в ВМТ лежить нижче площини блока, від’ємний, якщо поршень виступає над нею.
- Щоб отримати динамічну ступінь, заповніть поля Закриття впускного клапана (градуси після НМТ) і Довжина шатуна (між центрами). Залиште одне з цих полів порожнім, щоб пропустити динамічний результат.
- Зчитайте ступінь стиснення, робочий об’єм у кубічних сантиметрах, літрах і кубічних дюймах, а також розбивку об’ємів — вона показує, звідки береться кожен кубічний сантиметр об’єму над поршнем у ВМТ.
Що таке ступінь стиснення?
Ступінь стиснення порівнює об’єм усередині циліндра, коли поршень перебуває в НМТ, з об’ємом, що залишається в положенні ВМТ. Співвідношення 9,66 : 1 означає, що паливо-повітряний заряд перед займанням від іскри стискається приблизно до однієї десятої початкового об’єму. Це суто геометрична величина: її визначають діаметр циліндра, хід поршня, розмір камери, прокладка, форма днища поршня і висота площини блока, а не налаштування двигуна.
Ступінь стиснення важлива, бо водночас визначає термодинамічний ККД і вимоги до октанового числа пального. Вища ступінь видобуває більше роботи з кожної одиниці пального, покращуючи крутний момент і економічність, але вона також підвищує піковий тиск і температуру в циліндрі, що штовхає двигун до детонації. Тому вибір ступені — це компроміс: нарощуйте стиснення саме настільки, наскільки витерпить пальне, на якому ви плануєте їздити.
Статична ступінь — лише половина картини. У працюючому двигуні циліндр герметизується лише після закриття впускного клапана, тому розподільний вал із пізнім закриттям впуску дає частині заряду витекти назад у впускний канал, перш ніж почнеться справжнє стиснення. Це враховує динамічна ступінь стиснення (DCR): її обчислюють за об’ємом, фактично замкненим від моменту ефективного закриття впускного клапана, з використанням довжини шатуна й точного положення поршня в кривошипно-шатунному механізмі. Тривалий вал знижує динамічну ступінь помітно нижче статичної — ось чому гоночні вали і звичайне заправочне пальне рідко поєднуються з високою статичною ступінню.
Орієнтовно більшість «вуличних» двигунів на звичайному заправочному пальному найкраще працюють із динамічною ступінню в межах 7,5 : 1 — 8,5 : 1. Таблиця розбивки об’ємів у результатах показує кожну складову окремо — камеру, прокладку, зазор до площини блока і поршень — тож ви бачите, яка саме зміна (тонша прокладка, фрезерована головка, інші поршні) і наскільки зсуває ступінь.
Припущення, обмеження та практичні поради
- Користуйтеся виміряними об’ємами камер, коли це можливо. Заявлені «номінальні» камери часто відрізняються на 1–3 куб. см, і цього достатньо, щоб зсунути ступінь на кілька десятих.
- Завжди вводьте товщину стиснутої прокладки, а не товщину «з коробки». Прокладка, встановлена з товщиною 0,04 дюйма, у коробці може мати 0,06 дюйма.
- Стежте за знаками: купол — додатний і зменшує об’єм над поршнем у ВМТ, виїмка — від’ємна і збільшує його. Якщо поршень виступає над площиною блока, зазор до площини вводиться від’ємним.
- Якщо об’єм над поршнем у ВМТ наближається до нуля, результат недійсний — надмірно великий купол, поршень, що виступає, або порожня камера не лишають нічого стискати.
- Динамічна ступінь — це геометрична оцінка. Вона не враховує швидкість руху клапанів, тиск у впускному колекторі, висоту над рівнем моря й температуру заряду, тому розглядайте її як орієнтир для вибору розподільного вала, а не як вимірювання компресії при прокручуванні стартером.
- Зона гасіння (quench), кут випередження запалювання, температура охолоджувальної рідини і конструкція камери згоряння впливають на схильність до детонації не менше, ніж сама ступінь, тому наведена нижче таблиця пального — лише відправна точка.
| Статична ступінь | Типове пальне | Типове застосування |
|---|---|---|
| 8,0–9,5 : 1 | Регулярне, октанове число 87 | Серійні й старовинні двигуни, вуличні проєкти з наддувом |
| 9,5–10,5 : 1 | Від середнього до преміум | Типовий атмосферний вуличний двигун; із чавунними головками — ближче до нижньої межі |
| 10,5–12,0 : 1 | Преміум або 100+ октанів | Алюмінієві головки, щільна зона гасіння, ретельне налаштування |
| Понад 12 : 1 | Гоночне пальне або E85 | Змагальні двигуни |
Коли двигун знову зібрано й запущено, наш калькулятор вартості пального, калькулятор витрати пального і калькулятор строків техобслуговування авто допоможуть вам стежити за щоденними витратами на експлуатацію.
Часті запитання
Як обчислити ступінь стиснення вручну?
Підсумуйте об’єм над поршнем у ВМТ: куб. см камери + об’єм прокладки (\( \tfrac{\pi}{4} \times \) квадрат діаметра прокладки × стиснута товщина) + об’єм зазору до площини блока (\( \tfrac{\pi}{4} \times \) квадрат діаметра циліндра × зазор) − куб. см купола. Далі обчисліть робочий об’єм циліндра \( \tfrac{\pi}{4}B^2S \) і поділіть: \( CR = (V_{swept} + V_{clear}) / V_{clear} \). Працюйте в узгоджених одиницях — із сантиметрами об’єми виходять одразу в кубічних сантиметрах.
Яка ступінь стиснення безпечна для звичайного заправочного пального?
Орієнтовно: 87 октанів відповідає приблизно 8,0–9,5 : 1, для 9,5–10,5 : 1 потрібне пальне від середнього до преміум, а все, що понад орієнтовно 10,5 : 1, потребує преміум або краще. Алюмінієві головки трохи «терплячіші» за чавунні, бо швидше відводять тепло. Схильність до детонації залежить також від зони гасіння, конструкції камери, фаз газорозподілу й налаштувань, тому сприймайте ці діапазони як відправну точку, а не гарантію.
Як виміряти об’єм камери згоряння та поршня?
Камера: вкрутіть свічку, покладіть на камеру прозору акрилову пластину, ущільнену мастилом, і заповніть камеру рідиною з мірної бюретки — моторобітники називають це «проливом» головки (cc'ing). Поршень: установіть його в циліндрі на відомій глибині, ущільніть кільця мастилом, накрийте пластиною та пролийте так само, а потім відніміть від витраченої рідини об’єм «ідеального» циліндра, який ви створили, — отримаєте значення виїмки (від’ємне) або купола (додатне).
Наскільки фрезерування головок або тонша прокладка змінюють ступінь?
Зрізання 0,010 дюйма з головки «малого блока» зазвичай дає близько 1 куб. см зменшення камери на кожен дюйм діаметра — приблизно 0,2–0,6 пункта стиснення для двигуна з діаметром циліндрів 4 дюйми. Зміна товщини прокладки діє так само: зміна об’єму дорівнює \( \tfrac{\pi}{4} \times \) квадрат діаметра × різниця товщин. Прогоніть свої дані в калькуляторі двічі — до і після, — щоб побачити точний ефект саме для вашого двигуна.
Чому мій результат нижчий або вищий за заводський?
Найчастіше причина в даних, а не в математиці: використано товщину прокладки «з коробки» замість стиснутої (в коробці вона часто на 0,010–0,020 дюйма товща), покладанося на номінальні об’єми камер, які гуляють на 1–3 куб. см, чи зазор до площини блока було взято «на око». Вимірювання фактичної висоти поршня індикатором годинникового типу та «пролив» головок зазвичай узгоджують розбіжність. Також перевірте знак об’єму поршня: виїмка — мінус, купол — плюс.
Чи змінює турбіна або компресор статичну ступінь стиснення?
Ні — статична ступінь суто геометрична і не змінюється. Наддув змінює ефективну, тобто динамічну картину: заряд нагнітається під тиском, вищим за атмосферний, тому тиски в циліндрі зростають значно швидше, ніж можна було б припустити за даної статичної ступені. Саме тому вуличні проєкти з наддувом зазвичай тримають статичне стиснення близько 8,0–9,5 : 1 і покладаються на турбіну в плані густини заряду.
На яку динамічну ступінь стиснення цілитися з більшим розподільним валом?
Для вуличного двигуна на звичайному заправочному пальному звична ціль — приблизно 7,5 : 1 — 8,5 : 1. Тривалий вал закриває впускний клапан пізніше, тому замкнена частина заряду менша, і це дозволяє більшу статичну ступінь без детонації. Якщо ваша DCR виходить помітно нижче 7,5 : 1, вал, імовірно, завеликий для наявного стиснення, і двигун на низьких обертах буде «м’яким», попри непогану статичну цифру.