– stopień sprężania i ciśnienie sprężania

Uwzględniając podobieństwo fonetyczne ww. dwóch parametrów diagnostycznych silnika spalinowego (stopień sprężania i ciśnienie sprężania), chciałbym w tej publikacji przedstawić ich różnicę i zależności między nimi. Bardzo często w warsztatach samochodowych czy stacjach diagnostycznych młody mechanik (diagnosta) chce pożyczyć przyrząd (próbnik), aby zmierzyć stopień sprężania silnika. Oczywiście przyrząd do ww. pomiaru nie istnieje, ponieważ stopień sprężania jest stałym parametrem silnika (pod warunkiem, że nie dokonano planowania głowicy) podawanym w każdej instrukcji obsługi pojazdu. Parametr ten występuje bez miana (jednostki). Nadmienić należy, że planowanie głowicy powoduje zmniejszenie komory spalania, doprowadzając do zwiększenia stopnia sprężania. Parametrem, który mierzymy jest ciśnienie sprężania. Pomiar ten wykonujemy za pomocą manometru (próbnika) w jednostkach (MPa) – starsze mierniki w kg/cm2 lub w barach. Powiązania techniczne między ww. parametrami występują wówczas, gdy nie znamy wartości ciśnienia sprężania przed pomiarem, lecz tylko stopień sprężania. Stosując określone wzory możemy w łatwy sposób obliczyć ciśnienie sprężania, jakie jest wymagane w sprawdzanym pojeździe. Cykle pracy silnika spalinowego wiążą się z charakterystycznymi jego objętościami oznaczonymi Vc,Vs i Vk, które występują w zależności od położenia tłoka od DMP (dolnego martwego punktu) do GMP (górnego martwego punktu).



Zdj. 1.

Objętość skokowa cylindra (Vs) – jest to stała objętość zawarta między GMP i DMP przesunięcia się tłoka. Objętość tę możemy obliczyć ze wzoru:

Vs – objętość skokowa cylindra (cm3)
D – średnica cylindra (cm)
S – skok tłoka (cm)

Objętość komory spalania (sprężania) (Vk) – jest to objętość przestrzeni cylindra zamknięta nad tłokiem znajdującym się w GMP (zdjęcie 1).

Zdj. 2.

Objętość całkowita cylindra (Vc) – jest to przestrzeń znajdująca się nad tłokiem w jego DMP. Objętość całkowita cylindra składa się z objętości skokowej (Vs) i objętości komory spalania Vk - (zdjęcie 2).

Vc = Vk + Vs

Objętość skokowa silnika (Vss) – składa się z sumy objętości skokowych wszystkich cylindrów silnika.

Stopień sprężania silnika
W czasie przemieszczania się tłoka w cylindrze objętość będąca nad tłokiem zmienia się w sposób ciągły od największej (Vc) do najmniejszej (Vk) w suwach dolotu i pracy lub odwrotnie w suwach sprężania i wylotu. Stosunek całkowity objętości cylindra (Vc) do objętości komory spalania (Vk) nazywamy stopniem sprężania i oznaczany grecka literą ε (epsilon).



Z powyższego wzoru możemy wyliczyć objętość komory spalania Vk




Stopień sprężania określa nam ile razy w czasie suwu sprężania zmniejsza się objętość nad tłokiem, czyli jak mocno wstępnie sprężono mieszankę. Rys. 1a

Rys. 1. Podstawowe wymiary silnika.

Założenie:
Vs = 110 cm3
Vk = 10 cm3
Vc = Vs + Vk = 110 cm3 + 10 cm3 = 120 cm3

Zdj. 3

Z rysunku 1a wynika, że w objętości całkowitej Vc objętość Vk mieści się 12 razy, a zatem stopień sprężania wynosi 12. Wartość ta występuje bez jednostki (bez miana). W aktualnie produkowanych silnikach o zapłonie iskrowym stopień sprężania wynosi: ε = 8 ÷ 12, a w silnikach z zapłonem samoczynnym: ε = 14 ÷ 23.

Pomiar ciśnienia sprężania
Pomiar ciśnienia sprężania umożliwia ocenę szczelności wszystkich elementów zamykających komorę spalania, tj. szczelność tłoków wraz z pierścieniami tłokowymi, gładzi cylindrów, zaworów ssących i wydechowych oraz uszczelki pod głowicą. Ciśnienie sprężania mierzy się specjalnym próbnikiem (manometrem), który mocuje się w otworze świecy zapłonowej (SPCS-15 do silników ZI – rys. 3, zdjęcie 3) lub wtryskiwaczu badanego cylindra (SPCS-50 do silników ZS – rys. 4, zdjęcie 4).

Rys. 2. Próbnik do pomiaru ciśnienia sprężania SPCS-15 podłączony do rozrusznika i akumulatora.

Ww. manometry posiadają kasety z diagramami, które w czasie pomiaru na bieżąco rejestrują przyrost ciśnienia. Używa się także przyrządów (manometrów), które bezpośrednio mierzą ciśnienie sprężania (bez kaset z diagramami) – zdjęcie 5.

Rys. 3. Przyrząd do badania ciśnienia sprężania silników ZI SPCS-15.

Ciśnienie sprężania mierzy się kolejno na wszystkich cylindrach przy zachowaniu następujących warunków wstępnych:
- przed pomiarem należy nagrzać silnik do temperatury eksploatacyjnej (temperatura oleju min. 70OC);
- wykręcamy wszystkie świece zapłonowe (wtryskiwacze) z silnika;
- następnie trzeba wyregulować luzy zaworowe;
- przepustnice muszą być całkowicie otwarte (pedał przyspieszenia wciskamy do oporu) w celu lepszego napełniania cylindrów;
- rozrusznik musi być pełnosprawny i akumulator w pełni naładowany – w celu uzyskania minimum 150÷200 obr./min wału korbowego;
- w otwór gniazda świecy pierwszego cylindra wciskamy końcówkę próbnika i przy użyciu włącznika zapłonu wprowadzamy w ruch układ tłokowo-korbowy do chwili, gdy rysik przyrządu zajmie skrajne położenie (maksymalne ciśnienie);
- odpowietrzamy próbnik, wciskając iglicę (lub przycisk przyrządu SPCS-50), powodując przesunięcie rysika w pozycję wyjściową;
- następnie musimy przesunąć kasetę diagramu na następną pozycję pomiarową;
- analogicznie dokonujemy następne pomiary w pozostałych cylindrach.

Zdj. 4

Próbnik ciśnienia sprężania SPCS-15 do silników ZI
Próbnik ciśnienia możemy obsługiwać w dwie osoby. Jedna wciska do oporu pedał przyspieszenia, otwierając przepustnicę oraz włącznikiem zapłonu obraca układ tłokowo-korbowy. Druga osoba obsługuje próbnik przy silniku, wciskając jego gumową końcówkę w gniazdo otworu wykręconej świecy zapłonowej. Konstrukcja próbnika umożliwia także jego obsługę przez jedną osobę. Wykorzystujemy wówczas dwa przewody, które podłączamy do uchwytu próbnika i łączymy je według schematu (rys. 2) – jeden przewód z plusem akumulatora, a drugi z wyłącznikiem elektromagnesu rozrusznika. Obroty wału korbowego są uruchamiane przez klawiszowy przycisk w rękojeści próbnika. Otwarcie przepustnicy w tym przypadku dokonuje się przez zablokowanie pedału przyspieszenia za pomocą rozpieracza.

Rys. 4. Przyrząd do sprawdzania ciśnienia sprężania SPCS50 w silnikach ZS.

Próbnik ciśnienia sprężania SPCS-50 do silników ZS
Przed pomiarem ciśnienia sprężania tym próbnikiem należy go odpowiednio zmontować (rys. 4), tj. szczelnie połączyć przewód elastyczny oraz prawidłowo “uzbroić” wymontowany z silnika wtryskiwacz. Uzbrojenie wtryskiwacza polega na tym, że wymontowujemy z niego rozpylacz i w jego miejsce, dopasowując gabarytowo, montujemy jeden z dławików (A, B, C, D), które są w wyposażeniu przyrządu. Powyższe dławiki stosuje się w celu złagodzenia gwałtownych “uderzeń” ciśnienia podczas pomiaru, które wskutek bezwładności mechanizmu próbnika mogą spowodować niewłaściwe wskazania lub nawet uszkodzić przyrząd. Tak zmontowany próbnik w wąż elastyczny i wtryskiwacz z dławikiem instalujemy w pierwszym cylindrze silnika. Uwzględniając wcześniej opisane warunki wstępne, dokonujemy pomiaru ciśnienia sprężania w poszczególnych cylindrach, pamiętając o każdorazowym odpowietrzeniu próbnika, aby rysik diagramu wycofał się w pozycję wyjściową przyrządu.

Analiza otrzymanych wyników pomiaru
Zmierzone ciśnienie sprężone we wszystkich cylindrach należy porównać z wartością nominalną podaną w instrukcji fabrycznej badanego samochodu. Różnice ciśnień sprężania między poszczególnymi cylindrami nie powinny być większe jak 10 proc. najwyższego odczytu. Silnik w dostatecznie dobrym stanie technicznym nie powinien pokazywać większego spadku ciśnienia sprężania niż 15÷20 proc. wartości nominalnej. Jeżeli nie znamy wartości nominalnej ciśnienia sprężania sprawdzanego pojazdu, wówczas możemy korzystać z niżej podanych wzorów:

a) silniki czterosuwowe z zapłonem iskrowym

Pspr = 0,125 x ε

b) silniki czterosuwowe z zapłonem samoczynnym

Pspr = 0,21 x ε

gdzie:
Pspr – ciśnienie sprężania w (MPa)
ε – stopień sprężania badanego silnika
0,125 i 0,21 – wartości stałe

Przykład 1
Np. VW Golf 1600 (silnik ZI) – stopień sprężania tego silnika wynosi ε = 9,0. Ciśnienie sprężania obliczamy w następujący sposób:

Pspr = 0,125 x ε = 0,125 x 9,0 = 1,125 (MPa) (≈11,25 bara)

Przykład 2
Np. Mercedes 190D (silnik ZS), stopień sprężania tego silnika wynosi ε = 22.
Ciśnienie sprężania obliczamy w następujący sposób:

Pspr = 0,21 x ε = 0,21 x 22 = 4,62 (MPa) = (46,2 bara)

Zdj. 6

Zdj. 7

Zdj. 8

W celu dokładniejszego zlokalizowania usterki w silniku o zapłonie iskrowym przeprowadzamy tzw. próbę olejową. Próba ta polega na wlaniu na denko tłoka od 5 do 10(cm3) czystego oleju silnikowego przez otwór świecy zapłonowej. Olej wlewamy tylko do tego cylindra, w którym ciśnienie sprężania było najniższe. Następnie włącznikiem zapłonu uruchamiamy obroty wału korbowego – w celu równomiernego rozprowadzenia oleju na obrzeżach denka tłoka. Teraz próbnikiem SPCS-15 dokonujemy jeszcze raz w tym cylindrze pomiaru ciśnienia sprężania.

Porównujemy wynik pomiaru z obu prób (bez oleju i z olejem):
- jeżeli ciśnienie sprężania z olejem wzrosło (zbliżyło się do wartości nominalnej), świadczy to o usterce w połączeniu tłok-pierścienie tłokowe-gładź cylindrowa – najczęściej są to zapieczone lub popękane pierścienie tłokowe;
- jeżeli ciśnienie sprężania z olejem nie wzrosło, świadczy to o nieszczelności zaworów i ich gniazd, lub nieszczelnej uszczelce pod głowicą;
- jeżeli ciśnienie sprężania podczas tej próby wzrosło nieznacznie, świadczy to o nieszczelności zaworów i pierścieni tłokowych.

Zdj. 5

Inne usterki występujące podczas pomiaru ciśnienia sprężania
a) wypalona uszczelka pod głowicą na I cylindrze (przedmuch poprzez uszczelkę na zewnątrz głowicy) – (zdjęcie nr 6, diagram 1).
b) wypalona uszczelka pod głowicą w obszarze mostków między II i III cylindrem – (zdjęcie nr 7, diagram 2).

Przyczyną wypalenia uszczelki pod głowicą jest:
- Przegrzanie silnika – na skutek osadów w układzie chłodzenia (szlam, rdza), które pogarszają przewodność cieplną, także uszkodzony termostat lub wyłącznik termiczny elektrycznego wentylatora chłodnicy. Ponadto stosowanie świec zapłonowych o nieprawidłowej wartości cieplnej i paliwa o niewłaściwej liczbie oktanowej. Natomiast w silnikach z zapłonem samoczynnym przegrzanie silnika występuje od źle ustawionego początku wtrysku, nieszczelnych wtryskiwaczy, nieodpowiedniej uszczelki pod głowicą, niewłaściwej liczby cetanowej paliwa.
- Spalanie stukowe – jest częstą przyczyną uszkodzenia (wypalenia) uszczelki pod głowicą przeważnie w silnikach ZI na skutek nagłego samozapłonu, gdzie temperatura i ciśnienie wzrasta nagle, powodując niszczenie metalowego obramowania uszczelki, co prowadzi do utraty mocy i kompresji.

c) Nadpalony grzybek zaworu na I cylindrze – (zdjęcie nr 8, diagram 3) oraz diagram 4, tj. wykres po próbie olejowej, która potwierdza wypalenie grzybka zaworu.

Przyczyny nadpalenia grzybków zaworu:
- zmienne obciążenie cieplne przy wysokich temperaturach pracy (650o÷800oC) są najczęstszą przyczyną (w ponad 30 proc.) uszkodzeń zaworów – co prowadzi do wypalenia (wykruszenia) talerzyka zaworu;
- b zbyt mały luz zaworowy – powoduje nie domykanie się zaworu – co prowadzi do silnych przeciążeń cieplnych w obszarze grzybka zaworu i w efekcie wypalenia przylgni.

d) niesprawny akumulator – niespełnione warunki wstępne przed pomiarem.

Niesprawny akumulator – powoduje, że obroty wału korbowego podczas pomiaru ciśnienia sprężania są zbyt niskie – co może sugerować o zużyciu całego silnika i niepotrzebnym demontażu. Ciśnienie sprężania wówczas jest na wszystkich cylindrach w miarę równe, lecz mocno zaniżone - diagram 5 oraz diagram 6, tj. wykres ze sprawnym akumulatorem.

e) przepalone denko tłoka (zdjęcie nr 9, diagram 7)

Jest usterką rzadziej występującą w silnikach spalinowych – powodującą całkowitą utratę kompresji w danym cylindrze oraz obniżenie mocy silnika, np. w silniku czterocylindrowym pracują tylko trzy cylindry.

Przyczyny przepalenia denka tłoka to:
- przegrzanie silnika połączone ze spalaniem stukowym (wcześniej opisane jako przyczyny wypalenia uszczelki pod głowicą).

W związku z tym, że skala diagramu przyrządu SPCS-15 zaczyna się od 0,3 MPa (lub 3kg/cm2), w czasie pomiaru ciśnienia sprężania z ww. usterką nie ma żadnej wartości na diagramie. Używając jednak próbnika ciśnienia sprężania bez diagramu (zdjęcie nr 5) o zakresie pomiarowym od 0 do 1,6 MPa, który posiada dokładniejszą skalę pomiaru w fazie początkowej, możemy odczytać niewielkie ciśnienie sprężania (od 0,1 do 0,2 MPa), co wiąże się z wielkością wypalonego otworu i jeszcze czynną powierzchnią denka tłoka.

f) prawidłowe wyniki pomiaru ciśnienia sprężania – przyrządem SPCS-50 do silników wysokoprężnych (zdjęcie 4) na silniku Ursus C-360 (diagram 8).

Zdj. 9

Reasumując uważam, że stopień sprężania i ciśnienie sprężania po tej publikacji nie będą stanowiły problemu dla młodych mechaników i diagnostów podczas pracy w warsztatach samochodowych i stacjach diagnostycznych.

Opracował:
mgr inż. Edward Rymaszewski