Rata compresiei - Compression ratio

Raportul de compresie static este determinat folosind volumul cilindrului atunci când pistonul este în partea de sus și de jos a cursei sale.

Raportul de compresie este raportul dintre volumul cilindrului și camera de ardere într-un motor cu ardere internă la valorile maxime și minime ale acestora.

O specificație fundamentală pentru astfel de motoare, este măsurată în două moduri: raportul de compresie statică , calculat pe baza volumelor relative ale camerei de ardere și ale cilindrului atunci când pistonul se află la partea de jos a cursei sale și volumul camerei de ardere atunci când pistonul se află în vârful cursei sale .

Raportul de compresie dinamică este un calcul mai avansat, care ia în considerare și gazele care intră și ies din cilindru în timpul fazei de compresie.

Efect și rapoarte tipice

Este de dorit un raport ridicat de compresie, deoarece permite unui motor să extragă mai multă energie mecanică dintr-o anumită masă de amestec aer-combustibil datorită eficienței sale termice mai mari . Acest lucru se întâmplă deoarece motoarele cu ardere internă sunt motoare cu căldură , iar raporturile de compresie mai mari permit atingerea aceleiași temperaturi de ardere cu mai puțin combustibil, oferind în același timp un ciclu de expansiune mai lung, creând o putere mecanică mai mare și scăzând temperatura de evacuare.

Motoare pe benzină

În motoarele pe benzină (pe benzină) utilizate în autoturisme în ultimii 20 de ani, raporturile de compresie au fost de obicei între 8∶1 și 12∶1. Mai multe motoare de producție au folosit rapoarte de compresie mai mari, inclusiv:

• Mașini construite între anii 1955–1972 care au fost proiectate pentru benzină cu plumb cu octanie ridicată , care permiteau rapoarte de compresie de până la 13∶1.
• Unele motoare Mazda SkyActiv lansate din 2012 au rapoarte de compresie de până la 14∶1. Motorul SkyActiv atinge acest raport de compresie cu benzină obișnuită fără plumb (95 RON în Regatul Unit) prin eliminarea îmbunătățită a gazelor de eșapament (care asigură că temperatura cilindrului este cât mai scăzută posibil înainte de cursa de admisie), pe lângă injecția directă.
• Motorul Toyota Dynamic Force are un raport de compresie de până la 14∶1.
• Ferrari 458 Speciale din 2014 are, de asemenea, un raport de compresie de 14∶1.

Când se folosește inducția forțată (de exemplu, un turbocompresor sau un supraîncărcător ), raportul de compresie este adesea mai mic decât motoarele aspirate natural . Acest lucru se datorează turbocompresorului / supraîncărcătorului care a comprimat deja aerul înainte de a intra în cilindri. Motoarele care utilizează injecția de combustibil în port au de obicei presiuni de creștere mai mici și / sau rapoarte de compresie decât motoarele cu injecție directă , deoarece injecția de combustibil în port determină încălzirea amestecului de aer / combustibil împreună, ducând la detonare. În schimb, motoarele cu injecție directă pot avea un impuls mai mare, deoarece aerul încălzit nu va detona fără a fi prezent un combustibil.

Rapoarte de compresie mai mari pot face ca motoarele pe benzină (benzină) să fie supuse lovirii motorului (cunoscut și sub denumirea de „detonare”, „pre-aprindere” sau „ping”) dacă se folosește combustibil cu o valoare octanică mai mică. Acest lucru poate reduce eficiența sau poate deteriora motorul dacă nu sunt prezenți senzori de lovire pentru a modifica sincronizarea aprinderii.

Motoare diesel

Motoarele diesel utilizează rapoarte de compresie mai mari decât motoarele pe benzină, deoarece lipsa unei bujii înseamnă că raportul de compresie trebuie să mărească temperatura aerului din cilindru suficient pentru a aprinde motorina utilizând aprinderea prin compresie . Raporturile de compresie sunt adesea între 14∶1 și 23∶1 pentru motoarele diesel cu injecție directă și între 18∶1 și 23∶1 pentru motoarele diesel cu injecție indirectă .

Alți combustibili

Raportul de compresie poate fi mai mare la motoarele care funcționează exclusiv pe gaz petrolier lichefiat (GPL sau „propan autogaz”) sau gaz natural comprimat , datorită ratingului octanic mai mare al acestor combustibili.

Motoarele cu kerosen utilizează de obicei un raport de compresie de 6,5 sau mai mic. Versiunea cu motor benzină-parafină a tractorului Ferguson TE20 avea un raport de compresie de 4,5∶1 pentru funcționarea pe ulei de vaporizare a tractorului cu o clasificare octanică între 55 și 70.

Motoare cu motor

Motorsport motoare de multe ori circula cu benzină cu cifră octanică ridicată și , prin urmare , se poate utiliza un raport de compresie mai mari. De exemplu, motoarele de curse de motociclete pot utiliza rapoarte de compresie de până la 14,7∶1 și este obișnuit să găsiți motociclete cu rapoarte de compresie peste 12,0∶1 concepute pentru combustibil 86 sau 87 octanici.

Etanolul și metanolul pot avea un raport de compresie semnificativ mai mare decât benzina. Motoarele de curse care ard metanol și etanol au adesea un raport de compresie de 14,1 până la 16,1.

Formula matematică

Într-un motor cu piston , raportul de compresie static ( ) este raportul dintre volumul cilindrului și camera de ardere atunci când pistonul se află în partea de jos a cursei sale și volumul camerei de ardere atunci când pistonul este în partea de sus a acestuia accident vascular cerebral . Prin urmare, este calculat prin formula ${\ displaystyle CR}$

${\ displaystyle {CR} = {\ frac {V_ {d} + V_ {c}} {V_ {c}}}}$

Unde:

${\ displaystyle V_ {d}}$= volumul deplasării. Acesta este volumul din interiorul cilindrului deplasat de piston de la începutul cursei de compresie până la sfârșitul cursei.

${\ displaystyle V_ {c}}$= volumul clearance-ului. Acesta este volumul spațiului din cilindru rămas la sfârșitul cursei de compresie.

${\ displaystyle V_ {d}}$poate fi estimat prin formula volumului cilindrului

${\ displaystyle V_ {d} = {\ tfrac {\ pi} {4}} b ^ {2} s}$

Unde:

${\ displaystyle b}$= alezaj cilindru (diametru)

${\ displaystyle s}$= lungimea cursei pistonului

Datorită formei sale complexe , este de obicei măsurată direct. Acest lucru se face adesea prin umplerea cilindrului cu lichid și apoi măsurarea volumului lichidului folosit. ${\ displaystyle V_ {c}}$

Motoare cu raport de compresie variabil

Majoritatea motoarelor utilizează un raport de compresie fix, totuși un motor cu raport de compresie variabil este capabil să regleze raportul de compresie în timp ce motorul este în funcțiune. Primul motor de producție cu un raport de compresie variabil a fost introdus în 2019.

Raportul de compresie variabil este o tehnologie pentru reglarea raportului de compresie al unui motor cu ardere internă în timp ce motorul este în funcțiune. Acest lucru se face pentru a crește eficiența consumului de combustibil în timp ce se află sub sarcini diferite. Motoarele cu compresie variabilă permit schimbarea volumului de deasupra pistonului în punctul mort superior.

Sarcinile mai mari necesită rapoarte mai mici pentru a crește puterea, în timp ce sarcinile mai mici au nevoie de rapoarte mai mari pentru a crește eficiența, adică pentru a reduce consumul de combustibil. Pentru utilizarea auto, acest lucru trebuie făcut, deoarece motorul funcționează ca răspuns la solicitările de încărcare și conducere.

Infiniti QX50 2019 este prima mașină disponibilă comercial care folosește un motor cu raport de compresie variabil.

Relația cu raportul de presiune

Raportul de compresie versus raportul de presiune pentru aer

Pe baza ipotezelor că se efectuează compresia adiabatică (adică că nu se furnizează energie termică gazului comprimat și că orice creștere a temperaturii se datorează exclusiv compresiei) și că aerul este un gaz perfect , relația dintre raportul de compresie și raportul de presiune totală este după cum urmează:

Această relație este derivată din următoarea ecuație:

${\ displaystyle P_ {1} V_ {1} ^ {\ gamma} = P_ {2} V_ {2} ^ {\ gamma} \ Rightarrow {\ frac {P_ {2}} {P_ {1}}} = \ stânga ({\ frac {V_ {1}} {V_ {2}}} \ dreapta) ^ {\ gamma}}$

unde este raportul dintre căldurile specifice (aerul: aproximativ 1,4)${\ displaystyle \ gamma}$

Cu toate acestea, în majoritatea motoarelor cu ardere internă din viața reală, raportul dintre căldurile specifice se modifică odată cu temperatura și că vor apărea abateri semnificative de la comportamentul adiabatic.

Raportul de compresie dinamic

Raportul de compresie static discutat mai sus - calculat numai pe baza cilindrului și a volumelor camerei de ardere - nu ia în considerare gazele care intră sau ies din cilindru în timpul fazei de compresie. În majoritatea motoarelor auto, închiderea supapei de admisie (care etanșează cilindrul) are loc în timpul fazei de compresie (adică după punctul mort de jos , BDC), ceea ce poate determina împingerea înapoi a unor gaze prin supapa de admisie. Pe de altă parte, de tuning portul de admisie și de eliminare poate provoca o cantitate mai mare de gaze care urmează să fie prins în cilindru decât volumul statică ar sugera. Raportul de compresie dinamică ia în considerare acești factori.

Raportul de compresie dinamic este mai mare cu temporizarea mai conservatoare a arborelui cu came de admisie (adică la scurt timp după BDC) și mai scăzută cu temporizarea arborelui cu came cu admisie mai radicală (adică mai târziu după BDC). Indiferent, raportul de compresie dinamică este întotdeauna mai mic decât raportul de compresie static.

Presiunea absolută a cilindrului este utilizată pentru a calcula raportul de compresie dinamică, utilizând următoarea formulă:

${\ displaystyle P _ {\ text {cilindru}} = P _ {\ text {atmosferic}} \ times {\ text {CR}} ^ {\ gamma}}$

unde este o valoare poltropică pentru raportul dintre căldurile specifice pentru gazele de ardere la temperaturile prezente (aceasta compensează creșterea temperaturii cauzată de compresie, precum și căldura pierdută în cilindru)${\ displaystyle \ gamma}$

În condiții ideale (adiabatice), raportul de călduri specifice ar fi de 1,4, dar se utilizează o valoare mai mică, în general între 1,2 și 1,3, deoarece cantitatea de căldură pierdută va varia între motoare în funcție de design, dimensiune și materiale utilizate. De exemplu, dacă raportul de compresie static este de 10∶1, iar raportul de compresie dinamic este de 7,5∶1, o valoare utilă pentru presiunea cilindrului ar fi 7,5 ^1,3 × presiunea atmosferică sau 13,7  bari (relativ la presiunea atmosferică).

Cele două corecții pentru raportul de compresie dinamic afectează presiunea cilindrului în direcții opuse, dar nu în rezistență egală. Un motor cu un raport de compresie static ridicat și închiderea supapei de admisie târzie va avea un raport de compresie dinamic similar cu un motor cu compresie mai mică, dar închiderea mai timpurie a supapei de admisie.

Vezi si

• Presiunea efectivă medie

Referințe