موضوع: محاسبه ضريب كمپرس موتور و حجم بندی محفظه احتراق

Calculating Engine Compression - The Power of Squish

محاسبه كمپرس موتور
Understanding the factors that go into calculating engine compression
درك عوامل موثر در محاسبه ضريب كمپرس موتور
From the February, 2009 issue of Circle Track
By Jeff Honeycutt
Photography by Jeff Honeycutt



Factors such as the dish (or dome) area of the piston, gasket thickness, and combustion chamber volume all have a significant effect on compression ratio.

عواملي مانند تاج پيستون، ضخامت واشر، و حجم محفظه احتراق همگي تأثير قابل توجهي بر ضريب كمپرس دارند.




At first glance, the concept of engine compression is simple enough: It's the ratio of the volume of the combustion chamber and bore when the piston is at bottom dead center (BDC) versus when it is at top dead center (TDC). Easy as pie.

در نظر اول، مفهموم ضريب كمپرس موتور به اندازه كافي ساده است : نسبت حجم محفظه احتراق و قطر سيلندر وقتي كه پيستون در نقطه مرگ پايين قرار دارد در مقابل وقتي كه در نقطه مرگ بالا قرار دارد { كورس پيستون}. ساده مثل پاي.

That's fine in concept, but in stock car racing, where the competitors are so equal, a car that is giving away a few tenths of a point of compression can be at a significant disadvantage. A droplet of race fuel has a specific amount of energy capacity that is released when burned, so it only makes sense that the more fuel you can squeeze into a given area and burn efficiently, the more power you can produce. Increasing the compression effectively does the same thing because you are packing the same amount of air and fuel into a tighter bundle, so when the spark ignites the burn, it packs that much more punch.

بصورت تئوري مطلب حل شده است، اما در اتوموبيلهاي استوك ( اتوموبيل عادي با استفاده ريس ) جايي كه رقبا مساوي هستند، اتوموبيل كه يك دهم ثانيه از نقطه كمپرس را از دست ميدهد بطور قابل توجهي بي فايده است. يك قطره از سوخت مسابقه مقدار قابل توجهي ذخيره انرژي دارد كه موقع احتراق از خود منتشر ميكند، آن تنها اين احساس را ايجاد ميكند كه سوخت بيشتري كه شما ميتوانيد فشرده كنيد در يك محدوده ثابت و سوزاندن موثر آن، قدرت بيشتري ميتوانيد توليد كنيد. افزايش موثر كمپرس هم اين كار را انجام ميدهد چون شما همان مقدار از تركيب سوخت و هوا را در جايي تنگ تر فشرده ميكنيد، بنابراين وقتي كه شمع مخلوط را شعله ور ميكند، ضربه با شدت بيشتري وارد ميشود.

Of course, that's the reason many racing series limit compression--because they know that's one of the surest ways to limit power. That's fine, as long as everybody is following the same rules, but are you sure you are taking advantage of all the compression you are allowed? If you don't know how to precisely calculate your engine compression, there is no way you can know.

البته، اين دليلي است كه در بسياري از مسابقات محدوديت كمپرس وجود دارد، چون آنها ميدانند كه يكي از مطمئن ترين راهها براي محدود كردن قدرت است. اين خوبه، مدت زمان زيادي است كه همه اين كار را انجام ميدهند، اما آيا شما مطمئن هستيد كه به تمام نتايج مجاز حاصله از كمپرس كردن دست يافته ايد ؟ اگر شما نميدانيد كه چگونه بصورت دقيق كمپرس موتور خود را محاسبه كنيد، راهي نيست كه بدانيد.


During the proper process of cc'ing a combustion chamber, make sure you have the same valves and spark plug you plan to install in the head. These components can have an influence on chamber volume.
در طي فرآيند حجم بندي محفظه احتراق، مطمئن باشيد كه شمع و سوپاپ مناسب براي نصب بر روي سرسيلندر را در اختيار داريد. اين تجهيزات بر حجم محفظه احتراق تأثير دارند.



The Basics
مباني
Before you can calculate compression, you have to know your engine's displacement. The easy answer is just to list the displacement listed for your block in the catalog, but we need more precision than that. Displacement is defined simply as the area swept by the top of the piston as it moves up or down the cylinder bore one time. It does not include any area above TDC, meaning the combustion chamber. Let's take a stock Chevy 350 as an example. It has a four-inch bore and 3.48-inch stroke.

قبل از اينكه بتوانيد كمپرس را محاسبه كنيد، شما بايد از جابجايي موتور خود مطلع باشيد. پاسخ ساده اين كه جابجايي هاي فهرست بندي شده بلوك موتور را كه در كاتالوگ آورده شده فهرست بندي كنيد، اما ما به دقتي بيشتر از آنها نياز داريم.
جابجايي به سادگي به اين صورت تعريف ميشود كه به محدوده طي شده توسط تاج پيستون در يك حركت رفت و برگشت در قطر سيلندر. اين محدوده شامل فضاي قرار گرفته در بالاي نقطه مرگ بالا نميباشد، منظور محفظه احتراق است. اجازه بدهيد يك موتور 350 شورلت را مثال بزنيم. كه قطر سيلندر آن 4 اينچ و كورس 3.48 اينچ ميباشد.

The total displacement is eight times 43.73 or 349.84. If you are racing a four-cylinder engine, you would multiply by four instead of eight. That strange number--0.7854--is simply a constant that converts everything to cubic inches.

مقدار نهايي جابجايي 8 بار 43.73 يا 349.84 ميباشد. اگر شما يك موتور 4 سيلندر داريد، شما بايد بجاي 8 در 4 ضرب كنيد. اين عدد ناآشنا – 0.7854- عدد ثابتي است جهت تبديل همه چيز به اينچ مكعب.

The formula for calculating displacement for one cylinder is:
فرمول محاسبه جابجايي هر سيلندر :
Cubic Inches = Bore x Bore x Stroke x 0.7854
In our example, the calculation works out like this:
در مثال ما، محاسبات به اينصورت بوده است :

43.73 = 0.7854 * 3.48 * 4 * 4
cubic inches


Kevin Troutman coats the seat on the valve with Vaseline to promote a good seal. Just make sure to wipe away any excess once the valve has-been slid into place. If the valves are already installed into the head with the springs, this step isn't necessary.
كوين تراتمان سيت سوپاپ را براي آب بندي بهتر با وازلين پوشش ميدهد. فقط از پاك كردن مقادير اضافي اطمينان حاصل كنيد تا سوپاپ بخوبي سرجاي خود قرار بگيرد. اگر سوپاپها بوسيله فنرها بر روي سرسيلندر نصب شده هستند، اين مرحله ضروري نميباشد.


Calculating Compression Ratio
محاسبه ضريب كمپرس
Calculating the displacement is the easy part. All you need to know for that is bore and stroke. To understand the compression ratio, you also need to take into account all of the area that remains in the combustion chamber when the piston is at TDC. Easy enough--that's just the combustion chamber volume, right? Unfortunately, that's only part of the equation. There are more things inside the combustion chamber that can affect compression ratio than Richard Petty has cowboy hats. Chamber design, seat depth, valve pockets, piston dish, ring depth, gasket thickness, the list goes on.

محاسبه جابجايي قيمت آسان كار است. تمام چيزي كه بايد ميدانستيد كورس و قطر پيستون بود. براي محاسبه ضريب كمپرس، شما همچنين نياز به محاسبه تمام نواحي باقيمانده در محفظه احتراق هستيد در لحظه اي كه پيستون در نقطه مرگ بالا قرار دارد. به اندازه كافي ساده است – اين فقط حجم محفظه احتراق است، درسته ؟ متأسفانه، اين فقط يك قسمت از معادله است.
چيزهاي زياد ديگري در محفظه احتراق هستند كه بر ضريب كمپرس تأثير دارند. طراحي محفظه احتراق، عمق سيت ها، برآمدگي سوپاپ ها، شكل تاج پيستون، عمق رينگ، ضخامت واشر سرسيلندر، و اين ليست ادامه دارد ...

The calculation for determining compression ratio works out like this:
محاسبات براي تعيين ضريب كمپرس به اين صورت است :

CR=(D + PV + DC + G + CC) / (PV + DC + G + CC)

ضريب كمپرس = ( جابجايي+حجم پيستون+حجم بالاي نقطه مرگ بالا+حجم واشر سرسيلندر+حجم محفظه احتراق) / حجم پيستون+حجم بالاي نقطه مرگ بالا+حجم واشرسرسيلندر+حجم محفظه احتراق)
CR = Compression Ratio
ضريب كمپرس
D = Displacement
جابجايي
PV = Piston Volume
حجم پيستون
DC = Deck Clearance Volume
حجم بالاي نقطه مرگ بالا
G = Gasket Volume
حجم واشر سرسيلندر
CC = Combustion Chamber Volume
حجم محفظه احتراق

Variables that affect piston volume are domes, dishes (which include valve pockets), and the side clearance (which also includes the open area inside the top ring groove that isn't occupied by the ring). If you are purchasing off-the-shelf pistons, the manufacturer can tell you these volumes. For instance, a 5cc dome on the top of a piston will increase compression ratio versus a flat-top piston. Likewise, large valve pockets will decrease compression. We'll get into the calculations later.

متغيرهاي موثر در حجم پيستون عبارتند از برآمدگي، سطح پيستون ( شامل فرورفتگي جاي سوپاپها) و فاصله از ديواره ( كه همچنين شامل محدوده باز بالاي شيار رينگ كه به وسيله رينگ اشغال نشده است ميشود ) . اگه شما پيستونهاي با توليد انبوه خريده ايد، سازنده ميتواند اطلاعات اين احجام را به شما بدهد. بطور مثال، يك 5cc برآمدگي در بالاي پيستون ميتواند ضريب كمپرس را در مقايسه با يك پيستون با سطح تخت افزايش دهد. بعلاوه، فرورفتگي بزرگتر سوپاپها ميتواند كمپرس را كاهش دهد. كه ما بعدا در محاسبات وارد خواهيم كرد.



Wipe a thin film of Vaseline or grease around the edges of the chamber.
ماليدن يه لايه نازك از روغن يا وازلين در اطراف لبه محفظه احتراق و پاكسازي اظافات آن.



Less critical--but still important--when it comes to understanding compression is the piston's side clearance. Side clearance is the area between the side of the piston and the cylinder bore. It extends from the top edge of the piston down to the top ring. A little-known fact about most racing pistons is that the diameter of the piston above the top ring land is smaller than the rest of the piston. The reason is this part of the piston receives so much heat from combustion, and extra room is required to allow for expansion. Because racing pistons try to minimize the ring depth, the volume of the side clearance is minimal. Most sanctioning bodies that attempt to regulate compression ratio will allow 1 cc for piston side clearance.

نكته نه چندان بحراني – اما هنوز مهم – در زمان يادگيري محاسبه كمپرس لقي رينگ است. لقي رينگ به ناحيه اي گفته ميشود كه بين ديواره پيستون و سيلندر قرار گرفته است. كه از لبه بالاي پيستون تا زير رينگ امتداد مي يابد. يك حقيقت كوچك درباره اكثر پيستونهاي مسابقه اي اين است كه ضخامت پيستون در بالاي رينگ كمتر از مابقي پيستون است. منظور اين است كه اين قسمت از پيستون گرماي بيشتري از احتراق دريافت ميكند، و فضاي اضافي جهت گسترش انبساط لازم است. چون پيستون هاي مسابقه اي سعي در كوچكتر كردن عمق رينگ دارند، تا حجم لقي رينگ به حداقل برسد. اكثرا افراد سختگير تلاش ميكنند تا با لقي رينگ به ميزان 1cc ضريب كمپرس را متعادل كنند.



Deck clearance volume is determined by the distance between the top of the piston at TDC and the deck of the block. Normally, on racing engines, the piston at TDC is between 0.005 inches and 0.020 inches below the deck. It is possible that the piston has a zero deck height (even with the deck of the block) or even extends above the block, in which case it should be given a negative value in our equation. You can measure deck clearance using a bridge and dial indicator with the piston at TDC. Be aware that pistons--especially a cold piston in a cold bore--can rock on its pin, so always measure along the axis of the piston pin.

فاصله بين تاج پيستون و سطح بلوك به اين صورت تعريف ميشه كه : فاصله بين نقطه بالاي پيستون در نقطه مرگ بالا و سطح بلوك . معمولا، در موتورهاي مسابقه اي، پيستون در نقطه مرگ بالا بين 0.005 اينچ و 0.020 اينچ زير سطح بالاي بلوك. ممكن است كه اين فاصله صفر باشد ( حتي با سطح بلوك ) يا حتي بالاتر از سطح بلوك. در اين حالت ممكن است كه داده هاي منفي در محاسبات ما وارد شود. شما ميتوانيد براي محاسبه اين فاصله از يك پل و دستگاه نشاندهنده مدرج هنگامي كه پيستون در نقطه مرگ بالا قرار دارد استفاده كرد. در نظر داشته باشيد كه پيستون ها – مخصوصا در حالت سرد – ميتوانند روي پين خود كمي جابجايي داشته باشند، بنابراين هميشه اندازه گيري بايد در امتداد محور پين پيستون باشد.



Volume checking kits use a clear piece of plastic that is placed over the chamber (the grease provides the seal). You can make the cover yourself. It just needs to have a smooth, flat surface and include a couple of holes for filling the chamber with fluid and venting the air.
كيت بررسي حجم تشكيل شده از يك قطعه پلاستيكي شفاف كه بر روي اطاقك احتراق قرار ميگيرد ( همراه با استفاده از گريس جهت آب بندي ). شما ميتوانيد اين قطعه را خودتان بسازيد. فقط لازم است كه سطح صاف و شفاف داشته باشد و دو سوراخ براي پر كردن محفظه از مايع و خارج شدن هوا.

The formula for determining deck clearance volume is similar to displacement:

فرمول محاسبه حجم محفظه بين پيستون و سطح بلوك شبيه فرمول محاسبه جابجايي است :

DC = Bore x Bore x 0.7854 x Distance between Piston and Deck at TDC

If the piston in our example at TDC is 0.020 down in the bore, then the equation works out like this:

اگر در مثال ما پيستون در نقطه مرگ بالا 0.020 پايينتر باشد، فرمول محاسبه به اين صورت خواهد بود.
0.2513 = 0.020 * 0.7854 * 4 * 4
cubic inches

Gasket volume is almost exactly the same. It is simply the volume contained in the compressed height of the gasket. Properly torque between the head and engine block, a compressed gasket is normally between 0.005- and 0.015-inch thick. The compressed thickness value can be provided by the manufacturer and is usually found in the catalog. Calculate gasket volume exactly the way you would deck clearance volume except use the figure for the compressed gasket thickness in place of your value for the distance between the piston and deck at TDC.

حجم واشر سرسيلندر نيز به همين صورت است. محاسبه حجمي كه شامل واشر سرسيلندر ميشود بسيار ساده است. درست گشتاور بين تاج پيستون و بلوك، يك واشر فشرده شد بطور عادي بين 0.005 و 0.015 اينچ ضخامت دارد. مقدار ضخامت فشرده شده ميتونه بوسيله سازنده داده شده باشه و معمولا در كاتالوگ موجود هست. محاسبه حجم واشر دقيقا به همان روش محاسبه حجم بالاي پيستون است بجز استفاده از ضخامت واشر فشرده شده در محلي كه مقدار فاصله بين تاج پيستون و سطح بلوك در نقطه مرگ بالا است.



Fill the combustion chamber with fluid (Mineral spirits is a good option. Don't use water.) until it completely fills the chamber with no air bubbles trapped against the clear plastic seal.
محفظه احتراق را با مايع ( Mineral Spirits ميتونه گزينه خوبي باشه. از آب استفاده نكنيد) پر كنيد تا كاملا پر شود و حبابهاي هوا از زير سطح شيشه اي خارج شود.

Our last variable is combustion chamber volume. There is no doubt this is the area that has the most effect on compression ratio. Most combustion chambers for racing small-blocks are between 60cc and 90cc, which is huge compared to the 5cc dishes in the piston. Manufacturers will tell you what the chamber volume should be, but that number is rarely accurate once the head has been worked. How deeply the seats are cut, cutting on the chamber walls to un-shroud the valves, angle milling the head, and decking the surface all affect the volume. The best way to make absolutely sure you know your chamber volumes is to cc the heads. This is a simple process that we show in detail in the accompanying photographs.

متغير آخر ما حجم محفظه احتراق است. شكي در اين نيست كه اين مكان بيشترين تأثير را در ضريب كمپرس دارد. اكثر محفظه هاي احتراق موتورهاي با بلوك كوچك براي مسابقات بين 60cc و 90cc هستند، كه در مقايسه با گودي هاي پيستون به حجم 5cc بسيار بزرگ هستند. توليد كنندگان به شما خواهند گفت كه حجم محفظه احتراق چقدر بايد باشد، اما آن عدد در شرايطي كه سرسيلندر كار ميكرده بندرت دقيق است. به چه عمقي سيت ها برش خورده اند، برش خوردن ديواره محفظه احتراق براي نگهداري سوپاپ ها، زاويه فرزكاري سرسيلندر، صاف و سيقلي بودن سطح آن همگي بر روي حجم تأثيرميگزارند. بهترين راه براي حصول اطمينان براي اينكه شما حجم محفظه احتراق خود را بدانيد حجم بندي آن است. اين يك فرآيند ساده است كه ما با جزئيات در عكس ها نشان خواهيم داد.

If you have cut your own valve pockets, fly-cut the top of the valve, or simply just want to check things for yourself, it is easy to use the same method used for cc'ing the heads to find the combined piston and deck clearance volumes. Start with at least one piston (with the top ring installed) installed along with its rod on the crank in the block. Move the piston partway down into the bore and wipe a small amount of grease or Vaseline around the inside of the top of the bore. Move the piston to TDC and wipe away the excess grease above the piston top. What is left should seal the crevice volume, which is the area between the side of the piston and the bore from the top ring up. With the piston sealed, you can now use your burette of fluid to cc the piston at TDC just like you would the combustion chamber.

اگر شما جاي سوپاپ ها روي تاج پيستون را برش داده ايد، بالاي سوپاپ ها ماشين كاري شده، يا به سادگي ميخواهيد چيزها را خودتان بررسي كنيد، بسيار ساده است كه از روشهايي كه براي حجم بندي سرسيلندر براي پيدا كردن احجام پيستون و سرسيلندر گفته شد استفاده كنيد. با حداقل يك پيستون شروع كنيد ( با رينگ بالايي نصب شده ) نصب شده موازي با ميله آن بر روي ميل لنگ در بلوك. پيستون را كمي داخل محفظه سيلندر به پايين فشار دهيد و مقدار كمي گريس يا وازلين دور لبه بالايي داخل محفظه بماليد. پيستون را به سمت نقطه مرگ بالا حركت دهيد و زيادي گريسرا از بالاي پيستون پاك كنيد. چيزي كه باقي مي ماند بايد شكاف را آب بندي كند، محدوده اي كه بين كنار پيستون و محفظه سيلندر باقي مانده است. با پيستون آب بندي شده، شما حالا ميتوانيد از بورت (بورت وسیله‌ای شیشه‌ای است که به شکل استوانه‌ای عمودی مدرج با شیری در انتها ساخته می‌شود.این وسیله برای ریختن حجم دقیقی از واکنشگر‌های مایع در آزمایشهای شيمي استفاده ميشود ) پر شده از مايع خود براي حجم بندي پيستون در نقطه مرگ بالا استفاده كنيد همانطور كه براي حجم بندي محفظه احتراق استفاده كرديد.

More Piston Considerations
ساير ملاحضات در مورد پيستون

When we were researching the effects of compression, Bob Koch of Race Engineering gave us some points worth considering. Race Engineering is atop provider of custom and off-the-shelf pistons to engine builders, and Koch deals with compression ratio problems daily when designing pistons.

وقتي كه ما در مورد تأثيرات فشرده سازي تحقيق ميكرديم، Bob Koch از اعضاي مهندسي مسابقات نكات با ارزشي را به ما گفت. مهندسي مسابقات يك مهيا كننده عالي پيستون هاي سفارشي براي سازندگان موتور است، و Koch بصورت روزانه با مشكلات ضريب كمپرس در موقع طراحي پيستون ها درگير است.

"You almost always want to make changes to the cylinder head rather than the piston when trying to influence compression ratio," he says. "First, because it is so much easier to change compression ratio by simply decking the cylinder head. If you start trying to get a specific compression ratio by making piston changes, you are going to get into custom pistons. A piston manufacturer isn't going to make custom pistons in anything less than groups of four. That means you either have to go without a spare and take your chances or buy four extra. Neither option is smart financially.

اون ميگه "شما هميشه وقتي كه ميخواهيد بر ضريب كمپرس تأثير بگذاريد، بجاي پيستون تلاش ميكنيد بر روي سرسيلندر تغييرات ايجاد كنيد "
"ابتدا، بدليل اينكه كف تراشي سرسيلندر راه ساده اي براي افزايش ضريب كمپرس است. اگر شما شروع كنيد به تلاش براي بدست آوردن يك ضريب كمپرس خاص با تغييرات بر روي پيستون ها، شما پيستون هاي سفارشي بدست خواهيد آورد. يك سازنده پيستون پيستون هاي سفارشي غير از سري هاي 4 تايي را نخواهد ساخت. اين به اين معني است كه شما مجبور هستيد بدون لوازم يدكي ادامه دهيد و شانس خود را امتحان كنيد يا 4 عدد اضافي تهيه كنيد. اين مورد مقرون به صرفه نيست.

"Cutting the deck of the head also helps keep the piston weight down, which is a major consideration when you are trying to reduce your rotating mass. A lot of people aren't aware of this, but a large dome generally adds less weight to a piston than a small dome--which is what you would use if you are trying to influence compression. From 0 to around 7 cc, a positive-displacement dome is going to be solid. You can count on about 2.85 grams of added weight perch of volume. Multiply that by eight and you can get a significant amount of weight. If you go larger than 7 cc, piston manufacturer's can begin to hollow out the area underneath the dome to save weight, but that is always something you need to be concerned about.

" برش سطح سرسيلندر هميشه كمك ميكند كه وزن پيستون ها پايين نگه داشته شود، نكته اي كه بسيار مهم است وقتي كه شما سعي ميكنيد كه جرم دوار خود را كاهش دهيد. بسياري از مردم از اين آگاه نيستند، اما يك گنبد بزرگ بطور كلي وزن كمي به پيستون اضافه ميكند نسبت به يك گنبد كوچك، چيزي كه اگر به دنبال تغيير در ضريب كمپرس هستيد بايد از آن استفاده كنيد. از 0 تا حدود 7cc، يك جابجايي مثبت گنبد ثابت است. شما ميتوانيد حدود 2.85 گرم از حجم اضافه شده داشته باشيد. اگر شما بيشتر از 7cc اضافه كنيد، سازندگان پيستون ميتوانند شروع كنند به خالي گذاشتن زير گنبد تا در وزن صرفه جويي كنند، اما اين چيزي است كه شما هميشه بايد نگران آن باشيد.



By using a marked burette, you can tell how many cc of fluid were used to fill the combustion chamber. This is your chamber volume. Don't forget to convert this number to cubic inches.

با استفاده از يك بورت مدرج، شما ميتوانيد حجمي مايعي را كه براي پركردن محفظه احتراق استفاده ميكنيد را اندازه گيري كنيد. اين حجم محفظه احتراق شماست. فراموش نكنيد كه اين عدد را به اينچ مكعب تبديل كنيد.