В карбюраторном двигателе горючая смесь сжимается в 6−7 раз (степень сжатия), а в дизельном двигателе степень сжатия 17. Почему в карбюраторных двигателях нельзя больше чем в 6 − 7 раз сжимать горючую смесь?

Для ответа на данный вопрос необходимо рассмотреть основные физические процессы, происходящие в двигателях внутреннего сгорания, а также свойства горючих смесей и условия их возгорания.

Двигатели внутреннего сгорания работают на принципах термодинамики, где топливо сгорает, выделяя теплоту, которая преобразуется в механическую работу. В двигателе происходит последовательность процессов: заполнение цилиндра горючей смесью, ее сжатие, воспламенение, расширение (рабочий ход) и выброс продуктов сгорания.

Карбюраторный двигатель работает на основе использования горючей смеси, состоящей из воздуха и легковоспламеняющихся паров жидкого топлива (обычно бензина).

Основные этапы работы карбюраторного двигателя:
1. Сжатие горючей смеси в цилиндре двигателя. При этом давление и температура смеси возрастают.
2. Воспламенение смеси происходит при помощи искры (электрического разряда) от свечи зажигания.
3. После воспламенения горючая смесь быстро сгорает, выделяя большое количество тепла и увеличивая давление в цилиндре, что приводит к рабочему ходу поршня.

Дизельный двигатель отличается от карбюраторного тем, что в цилиндр подается чистый воздух, который сжимается до высокой температуры (в результате адиабатического процесса), а затем в раскаленный воздух впрыскивается жидкое топливо (дизельное), которое самовоспламеняется без помощи внешнего источника искры.

Основные этапы работы дизельного двигателя:
1. Сжатие воздуха в цилиндре. При высокой степени сжатия его температура значительно увеличивается (до 700–900°C), что достаточно для воспламенения дизельного топлива.
2. Впрыск топлива. Топливо самовоспламеняется при контакте с раскаленным воздухом.
3. Сгорание топлива приводит к увеличению давления и рабочего хода поршня.

Теперь перейдем к анализу, почему степень сжатия в карбюраторном двигателе ограничена.

Причина ограничения степени сжатия в карбюраторных двигателях

В карбюраторных двигателях горючая смесь состоит из бензина и воздуха. Бензин является легковоспламеняющимся веществом, которое при определённых условиях может самопроизвольно воспламениться без искры от свечи зажигания. Этот процесс называют детонацией.

Детонация в карбюраторном двигателе:
− Если горючая смесь сжимается слишком сильно, её температура и давление значительно возрастают (согласно уравнению состояния идеального газа и адиабатическому закону термодинамики). В результате, при достижении критической температуры смеси, может произойти её самопроизвольное воспламенение.
− Самопроизвольное воспламенение происходит неравномерно, с ударной волной, которая разрушает нормальную работу двигателя. Это сопровождается характерным шумом и может привести к повреждению деталей двигателя.

Факторы, влияющие на детонацию:
1. Топливо. Бензин имеет определённое октановое число, которое характеризует его устойчивость к детонации. Чем выше октановое число, тем меньшая вероятность детонации при высокой степени сжатия.
2. Температура смеси. Чем выше степень сжатия, тем больше нагревается смесь, что увеличивает вероятность её самовоспламенения.
3. Давление в цилиндре. Высокое давление также способствует самовоспламенению смеси.
4. Скорость реакции. У бензина скорость реакции горения в условиях детонации значительно выше, чем при нормальном сгорании, что приводит к ударной волне.

Степень сжатия в карбюраторных двигателях обычно ограничивают до 6−7, чтобы избежать детонации. При такой степени сжатия температура и давление смеси остаются ниже критических значений, позволяя горючей смеси воспламеняться только от искры свечи зажигания.

Почему дизельный двигатель допускает высокую степень сжатия?

В дизельных двигателях используется принцип самовоспламенения топлива. Высокая степень сжатия (17 и более) необходима для нагрева воздуха до температур, достаточных для самовоспламенения дизельного топлива при его впрыске. Дизельное топливо имеет гораздо более высокую температуру вспышки, чем бензин, поэтому оно не детонирует преждевременно даже при высокой степени сжатия.

К тому же, процесс сгорания дизельного топлива происходит постепенно, без ударных волн, что снижает риск повреждений двигателя.

Итак, ограничение степени сжатия в карбюраторных двигателях связано с предотвращением детонации бензиновой смеси, которая может разрушить двигатель. В отличие от этого, в дизельных двигателях высокая степень сжатия является необходимым условием работы и не вызывает вредных последствий благодаря особенностям дизельного топлива и принципу его сгорания.