Термічна ефективність і, отже, ефективність, з якою паливо використовується для здійснення корисної роботи, безпосередньо пов'язана зі ступенем стиснення. Чим вище ступінь стиснення, тим менше палива буде використано для отримання тієї ж самої потужності. Типові значення ступенів стиснення від 18: 1 до 22: 1, що використовуються в дизельних двигунах, частково пояснюють, чому вони так ефективно працюють. Додатково до цього, для повної реалізації переваг цієї високого ступеня стиснення, на дизельному двигуні ніколи не використовується дросельна заслінка. Іншими словами, він всмоктує якомога більше повітря, практично так само, як і бензиновий двигун при широко відкритій дросельної заслінки. Замість обмеження кількості повітря, що надходить у двигун, за допомогою дросельної заслінки потужність двигуна регулюється за допомогою зміни кількості палива, що впорскується в циліндр. Це означає, що навіть при низьких рівнях потужності (коли в камеру згоряння впорскується дуже мала кількість палива), дизельний двигун стискає повітря в циліндрі дуже сильно; при цьому виділяється стільки тепла, що його достатньо для займання навіть дуже збідненої суміші. Однак коли дросселируется двигун з іскровим запалюванням (бензиновий двигун), то кількість повітря, що втягується в циліндри, зменшується, і так як це ефективна ступінь стиснення, то в результаті паливна ефективність при частково закритій дросельної заслінки теж зменшується.
Немає сумнівів в тому, що високий ступінь стиснення збільшує потужність. Зображена далі схема показує, що потужність при повному відкриванні дросельної заслінки теоретично поліпшується при збільшенні ступеня стиснення. Наведені дані припускають, що збільшення ступеня стиснення не створює проблем в інших областях, таких як детонація т. Д. Ви помітите, що закон зменшення призводить до досить простого висновку: коли ступінь стиснення йде вгору, то при кожному збільшенні приріст потужності буде все менше. Наприклад, збільшення компресії від 8,0: 1 до 9,0: 1 призводить до більшого збільшення потужності, ніж збільшення стиснення з 11,0: 1 до 12,0: 1 (2% зростання потужності проти 1,3%).
Вказані значення є типовими для двигунів, що використовують розподільні вали з відносно коротким періодом впуску, подібні валів у багатьох форсованих двигунах. Коли тривалість такту впуску збільшується (шляхом установки розподільного вала з більш тривалим періодом впуску), приріст потужності від збільшення ступеня стиснення стає навіть більше. Це відбувається тому, що дані базуються на механічних ступенях стиснення (тобто певних шляхом математичних розрахунків з фіксованого обсягу), а не на динамічних ступенях стиснення, які продовжують збільшуватися, коли ефективність впуску збільшується. Коли система впуску модифікується для поліпшення наповнення, то динамічна ступінь стиснення збільшується дуже схожим чином, як і при збільшенні розміру поршня, т. К. В циліндр поступає додаткова кількість повітря і палива. Ефективність впуску може продовжувати збільшуватися навіть до точки «упаковки« циліндра (об'ємна ефективність вище 100%), як це передбачається деякими комбінаціями впускного і випускного колекторів. Максимальний тиск всередині камери згоряння перед займанням змінюється, коли змінюється щільність подається суміші. Коли система впуску працює з низькою ефективністю, т. Е. Коли дросельні заслінки закриті або впускная система забита, то циліндр наповнюється лише частково і динамічний тиск стиснення низька. Коли система впуску працює з високою об'ємною ефективністю (значення більше 100% досягається на багатьох гоночних двигунах), динамічна ступінь стиснення може створювати тиску, які перевищують тиску, очікувані від механічної (розрахованої) ступеня стиснення. У таких випадках збільшення механічної ступеня стиснення може ввести двигун в режим детонації і зменшити потужність і надійність двигуна.
Збільшення ступеня стиснення не завжди призводять до збільшення потужності. Якщо статична (підрахована) ступінь стиснення вже знаходиться близько межі детонації для використовуваного палива, то подальше збільшення статичної ступеня стиснення може погіршити потужність і / або надійність двигуна. Як раніше згадувалося, це особливо справедливо, коли спеціальний розподільчий вал і системи впуску та випуску домагаються об'ємної ефективності (VE) величиною понад 100%. Коли (VE) збільшується, то динамічна ступінь стиснення також збільшується, так як циліндр «упаковується« сумішшю так, як якщо б працював невидимий нагнітач.
Інший ефект від збільшення ступеня стиснення досить незначний і невідомий деяким творцям двигунів. Коли VE перевищує 100%, що надійшла суміш знаходиться під невеликим позитивним тиском, однак, вона може заповнити тільки простір в циліндрі плюс простір в камері згоряння. Наприклад, якщо обсяг циліндра і камери становить разом 416,2 см3, то це фіксоване простір буде в основному визначати, скільки паливо-повітряної суміші може потрапити в циліндр. Якщо ми вирішуємо збільшити ступінь стиснення шляхом зменшення обсягу камери згоряння або шляхом збільшення розміру опуклості поршня (це найбільш поширені методи), то це простір буде не більше названої величини. Так, циліндр зберігає постійний робочий об'єм - робочий об'єм двигуна не змінювався. Але змінили загальний обсяг циліндра і камери згоряння. Це означає, що простір для надходить робочої суміші зменшується. Таким чином, при збільшенні ступеня стиснення ми майже непомітно зменшили об'ємну ефективність двигуна.
Скористаємося уявним прикладом для з'ясування деталей. Уявімо собі двигун зі ступенем стиснення 2,0: 1 і, просто заради аргументу скажімо, що загальний обсяг (неробочий обсяг) одного циліндра, коли поршень знаходиться в НМТ (нижній мертвій точці), складає 3.278 см3. Це обсяг, який створюється поршнем при одному такті плюс обсяг камери згоряння над поршнем, що знаходиться в положенні ВМП (верхній мертвій точці). Так як ступінь стиснення складає 2,0: 1, то обсяг над поршнем, що знаходиться в ВМТ повинен складати половину від загального обсягу циліндра або 1.639 см3, (т. Е. 1.639 см3 «обраного« обсягу плюс 1.639 см3 камери згоряння рівні 3.278 см3 загального обсягу циліндра). Навіть при 3.278 см3 у всьому циліндрі двигун може втягнути тільки 1.639 см3 свіжої робочої суміші, т. К. Є тиск в колекторі у впускного каналу (у випадку з VE, що дорівнює 100%) і тільки витіснений об'єм поршня може працювати для втягування повітря і палива . Решта 1.639 см3 будуть заповнені вихлопними газами від останнього циклу згоряння.
Додамо тепер до уявного двигуну нагнітач (компресор) і відрегулюємо тиск так, що він буде подавати 3.278 см3 паливо-повітряної суміші циліндр замість вихідних 1.639 см3, які двигун міг «вдихнути« в колишньому стані. З нашим нагнітачем в циліндрі буде знаходитися 3.278. см3 свіжої суміші наприкінці такту впуску і не буде остаточних вихлопних газів. Це істотно поліпшить потужність. Але що станеться, якщо в нерозважливих пошуках додаткової потужності збільшити ступінь стиснення до 3,0: 1, зменшивши обсяг камери згоряння над поршнем у ВМТ со1.639 см3 до 1.092 см3? Коли поршень знаходиться в кінці такту впуску, загальний обсяг циліндра буде тепер тільки 2.731 см3. Якщо не змінювати тиск наддуву, то воно може «втиснути« тільки 2.731 см3 паливо-повітряної суміші в циліндр. Це зменшить обсяг суміші на 547 см3 або приблизно на 17%. Двигун втягує менш запалену суміш, об'ємна ефективність зменшується (на 17%) і потужність знижується. Справедливо те, що 2.731 см3 подається суміші згоряє з більш високою ефективністю завдяки збільшенню ступеня стиснення, але поліпшення ступеня стиснення покриває тільки 5% з. 17% втрат потужності.
Багато з вас можуть тепер реалізувати важливі переваги, отримуючи максимально можливу VE (об'ємну ефективність). Чим вище VE, яку ви зможете отримати, тим нижче буде необхідний ступінь стиснення; а чим нижче ступінь стиснення, тим менше виступ поршня, тим легше фронту полум'я поширюватися в обсязі камери згоряння. Ці співвідношення є деякими з тих методів, які використовують професіонали для збільшення потужності двигунів.
Верхні межі ступеня стиснення і фази газорозподілу розподільного вала досить добре визначені для гоночних двигунів, «звичайні« форсовані двигуни для повсякденного використання як правило працюють при більш низьких рівнях потужності і в основному при частково відкритій дросельної заслінки. Збільшення ступеня стиснення може іноді забезпечити помітний приріст потужності, але це ж саме збільшення ступеня стиснення може дати навіть більше поліпшення паливної економічності. При збільшенні ступеня стиснення від 8,0: 1 до 10,0: 1 потужність при повністю відкритій дросельної заслінки може збільшитися на 3 або 4%. Але економія палива при частково закритій дросельної заслінки може збільшитися більш ніж на 15%. В цьому немає нічого дивного, якщо ви пам'ятаєте, що динамічна ступінь стиснення при частково відкритій дросельної заслінки помітно нижче, ніж статична ступінь стиснення. Збільшення статичної ступеня стиснення додає ефективності в потрібному місці: при частково відкритій дросельної заслінки.
Більш висока ступінь стиснення, звичайно, вимагає використання високооктанового палива і часто наявне пальне має набагато меншу октанове число, ніж хотілося б багатьом. Є кілька шляхів обійти цю проблему. Якщо ви виготовляєте двигун з «нуля" і бажаєте зберегти час, звернувшись до інженера з досвідом виготовлення форсованих двигунів, ви можете отримати рекомендації щодо збільшення ступеня стиснення, що приводить до помітного зростання потужності двигуна. У деяких випадках двигуни зі ступенем стиснення близько 11: 1 успішно використовували бензин з октановим числом 87, але це вимагає підбору всіх деталей двигуна, особливо конструкції розподільного вала і головки блоку циліндрів плюс використання системи упорскування води.
Якщо ви виберете метод виготовлення з «нуля", одним з найлегших шляхів збільшення ступеня стиснення є використання традиційних поршнів для високого ступеня стиснення, що мають мінімальну висоту куполоподібної частини, так що немає сильних перешкод поширенню полум'я. Якщо бажана ступінь стиснення не може бути досягнута шляхом плавного збільшення куполоподібної частини і зменшенням обсягу камери згоряння за допомогою обробки головки блоку (краще кутова обробка), то найкращим шляхом для збільшення ступеня стиснення буде збільшення діаметра отвору циліндра, часто за допомогою розточування блоку. Витримуючи практичні межі для товщини стінок циліндрів (зазвичай допускається збільшення діаметра отвору циліндра не більше ніж на 0,75 - 1,0 мм), ця модифікація може збільшити ступінь стиснення шляхом додавання робочого об'єму, що зменшує необхідність великих «куполів« у поршнів або камер згоряння меншого обсягу.
Якщо проект вашого двигуна більш «помірний«, то, можливо, буде достатньо обробки головки блоку, а вартість обробки головки складає одну з найдешевших операцій по збільшенню потужності і економічності двигуна.