Uwzględniając podobieństwo fonetyczne w/w dwóch parametrów diagnostycznych silnika spalinowego (podanych w tytule) chciałbym w tej publikacji przedstawić ich różnicę i zależności między nimi.

Bardzo często w warsztatach samochodowych, stacjach diagnostycznych młody mechanik(diagnosta)  chce pożyczyć przyrząd (próbnik), aby zmierzyć stopień sprężania silnika. Oczywiście przyrząd do w/w 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 w/w parametrami występują wówczas, gdy nie znamy wartości ciśnienia sprężania przed pomiarem lecz tylko stopień sprężania. Stosując określone wzory (w dalszej części publikacji) możemy w łatwy sposób obliczyć ciśnienie sprężania jakie jest wymagane w sprawdzanym pojeździe.

Cykle pracy silnika spalinowego wiążą się z charakterystycznymi jego objętościami oznaczonymi V_c ,V_s  i V_k, które występują w zależności od położenia tłoka od DMP (dolnego martwego punktu) do GMP (górnego martwego punktu).

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

V_s =

V_s – objętość skokowa cylindra (cm³)

D – średnica cylindra (cm)

S – skok tłoka (cm)

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

zdjęcie 1

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

                                                                         V_c  = V_k + V_s                

Objętość skokowa silnika (V_ss) – 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 (V_c) do najmniejszej (V_k) w suwach dolotu i pracy lub odwrotnie w suwach sprężania i wylotu. Stosunek całkowity objętości cylindra (V_c) do objętości komory spalania (V_k) nazywamy stopniem sprężania i oznaczany grecka literą ε (epsilon).

ε = =

Z powyższego wzoru możemy wyliczyć objętość komory spalania V_k

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

Założenie:   V_s = 110 cm³

                    V_k = 10 cm³

                    V_c = V_s + V_k = 110 cm³ + 10 cm³ = 120 cm³

 

                                        ε =   

Z rysunku 1a wynika, że w objętości całkowitej V_c objętość V_k 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 rysunek 3, zdjęcie 3) lub wtryskiwaczu badanego cylindra (SPCS-50 do silników ZS rysunek 4, zdjęcie 4).   

rysunek 4

zdjęcie 4

W/w 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.

Ciśnienie sprężania mierzy się kolejno na wszystkich cylindrach przy zachowaniu następujących warunków wstępnych:

-  przed pomiarem nagrzać silnik do temperatury eksploatacyjnej (temperatura  oleju min. 70^oC)

- wykręcamy wszystkie świece zapłonowe (wtryskiwacze) z silnika

- wyregulować luzy zaworowe

- przepustnice musza 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 koncówkę 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

- przesunąć kasetę diagramu na następna pozycje pomiarową

- analogicznie dokonujemy następne pomiary w pozostałych cylindrach

Próbnik ciśnienia sprężania SPCS-15 do silników ZI.

Możemy obsługiwać w dwie osoby. Jedna wciska do oporu pedał przyspieszenia – otwierając przepustnicę oraz włącznikiem zapłonu obraca układ tłokowo-korbowy. Druga natomiast osoba obsługuje próbnik przy silniku wciskając jego gumową końcówkę w gniazdo otworu wykręconej świecy zapłonowej.

Konstrukcja w/w próbnika umożliwia także jego obsługę przez jedną osobę. Wykorzystujemy wówczas dwa przewody, które podłączamy do uchwytu próbnika i łączymy je według schematu na rysunku 2. Łącząc 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.

Próbnik ciśnienia sprężania SPCS-50 do silników ZS.

Przed pomiarem ciśnienia sprężania tym próbnikiem należy go odpowiednio zmontować (rysunek 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% najwyższego odczytu. Silnik w dostatecznie dobrym stanie technicznym nie powinien pokazywać większego spadku ciśnienia sprężania niż 15÷20 % wartości nominalnej. Jeżeli nie znamy wartości nominalnej ciśnienia sprężania sprawdzanego pojazdu – wówczas możemy korzystać z niżej podanych wzorów:

a). silniki  czterosuwowe z zapłonem iskrowym

                  P_spr = 0,125 x ε

b). silniki czterosuwowe z zapłonem samoczynnym

                  P_spr = 0,21 x ε

      gdzie:

           P_spr – ciśnienie sprężania w (MPa)

           ε – stopień sprężania badanego silnika

           0,125 i 0,21 – wartości stałe 

Przykład 1.

Np. VWGolf 1600 (silnik ZI) – stopień sprężania tego silnika wynosi ε = 9,0.

      Ciśnienie sprężania obliczamy w następujący sposób:

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

Przykład 2.

Np. Mercedes 190D (silnik ZS), stopień sprężania tego silnika wynosi ε = 22.

     Ciśnienie sprężania obliczamy w następujący sposób:

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

W celu dokładniejszego zlokalizowania usterki w silniku o zapłonie iskrowym przeprowadzamy tzw. „próbę olejową”. Próba ta polega na wlaniu na denko tłoka od 5÷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

Inne usterki występujące podczas pomiaru ciśnienia sprężania.

a). wypalona uszczelka pod głowicą na I cylindrze (przedmuch poprzez  uszczelkę na zewnątrz głowicy) —
(zdjęcie 6)(diagram 1)

b). wypalona uszczelka pod głowicą w obszarze mostków między II i III  cylindrem — (zdjęcie 7)(diagram 2)

diagram 2

zdjęcie 7

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 8)(diagram 3) oraz  (diagram 4) tj. wykres po próbie olejowej, która potwierdza wypalenie grzybka zaworu.

diagram 3

diagram 4

zdjęcie 8

Przyczyny nadpalenia grzybków zaworu:

 - zmienne obciążenie cieplne przy wysokich temperaturach pracy (650^o÷800^oC)  są najczęstszą przyczyną (w ponad 30%) uszkodzeń zaworów – co prowadzi  do wypalenia (wykruszenia) talerzyka zaworu;

 - 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 – nie spełnione 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.

diagram 5

diagram 6

e). przepalone denko tłoka (diagram 7)(zdjęcie 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 0,3MPa (lub 3kg/cm²) w czasie pomiaru ciśnienia sprężania z w/w usterką nie ma żadnej wartości na diagramie.
Używając jednak próbnika ciśnienia sprężania bez diagramu (zdjęcie nr 5) o zakresie pomiarowym od 0÷1,6 MPa, który posiada dokładniejszą skalę pomiaru w fazie początkowej możemy odczytać niewielkie ciśnienie sprężania        (od 0,1÷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).

diagram 8

    Reasumując całość 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.