Kompresjonsforhold - Compression ratio

fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Statisk kompresjonsforhold bestemmes ved bruk av sylindervolumet når stempelet er på toppen og bunnen av bevegelsen.

Den kompresjonsforhold er forholdet mellom volumet av sylinderen og forbrenningskammeret i en forbrenningsmotor ved sine maksimums- og minimumsverdier.

En grunnleggende spesifikasjon for slike motorer, det måles på to måter: det statiske kompresjonsforholdet , beregnet ut fra de relative volumene til forbrenningskammeret og sylinderen når stempelet er i bunnen av sitt slag , og volumet på forbrenningskammeret når stemplet er på toppen av sitt slag .

Det dynamiske kompresjonsforholdet er en mer avansert beregning som også tar hensyn til gasser som kommer inn og ut av sylinderen under kompresjonsfasen.

Effekt og typiske forhold

Et høyt kompresjonsforhold er ønskelig fordi det tillater en motor å trekke ut mer mekanisk energi fra en gitt masse luft-drivstoffblanding på grunn av sin høyere termiske effektivitet . Dette skjer fordi forbrenningsmotorer er varmemotorer , og høyere kompresjonsforhold tillater at samme forbrenningstemperatur oppnås med mindre drivstoff, samtidig som det gir en lengre ekspansjonssyklus, noe som gir mer mekanisk effekt og senker eksosstemperaturen.

Bensinmotorer

I bensinmotorer (bensinmotorer) som har blitt brukt i personbiler de siste 20 årene, har kompresjonsforholdene typisk vært mellom 8 and1 og 12∶1. Flere produksjonsmotorer har brukt høyere kompresjonsforhold, inkludert:

  • Biler bygget fra 1955–1972 som var designet for bly med høy oktan , som tillot kompresjonsforhold opp til 13∶1.
  • Noen Mazda SkyActiv- motorer gitt ut siden 2012 har kompresjonsforhold på opptil 14∶1. SkyActiv-motoren oppnår dette kompresjonsforholdet med vanlig blyfri bensin (95 RON i Storbritannia) gjennom forbedret fjerning av eksosgasser (som sikrer at sylindertemperaturen er så lav som mulig før inntaksslaget), i tillegg til direkte injeksjon.
  • 2014 Ferrari 458 Speciale har også et kompresjonsforhold på 14∶1.

Når tvungen induksjon (f.eks. En turbolader eller kompressor ) brukes, er kompresjonsforholdet ofte lavere enn naturlig sugede motorer . Dette skyldes at turboladeren / kompressoren allerede har komprimert luften før den kommer inn i sylindrene. Motorer som bruker drivstoffinjeksjon av port, kjører vanligvis lavere boosttrykk og / eller kompresjonsforhold enn motorer med direkte injeksjon fordi drivstoffinjeksjon i havnen fører til at luft / drivstoffblandingen varmes sammen, noe som fører til detonasjon. Omvendt kan direkte injiserte motorer løpe høyere, fordi oppvarmet luft ikke vil detonere uten drivstoff.

Høyere kompresjonsforhold kan gjøre bensinmotorer utsatt for motorbanking (også kjent som "detonasjon", "pre-ignition" eller "pinging") hvis drivstoff med lavere oktan benyttes. Dette kan redusere effektiviteten eller skade motoren hvis det ikke er bankesensorer for å endre tenningstiden.

Dieselmotorer

Dieselmotorer bruker høyere kompresjonsforhold enn bensinmotorer, fordi mangelen på tennplugg betyr at kompresjonsforholdet må øke lufttemperaturen i sylinderen tilstrekkelig til å antenne diesel ved hjelp av kompresjonstennelse . Kompresjonsforhold er ofte mellom 14∶1 og 23∶1 for dieselmotorer med direkte innsprøytning, og mellom 18∶1 og 23∶1 for dieselmotorer med indirekte injeksjon .

Andre drivstoff

Kompresjonsforholdet kan være høyere i motorer som utelukkende kjører på flytende petroleumsgass (LPG eller "propan autogas") eller komprimert naturgass , på grunn av den høyere oktanverdien til disse drivstoffene.

Parafinmotorer bruker vanligvis et kompresjonsforhold på 6,5 eller lavere. Den bensin-parafin motor versjon av Ferguson TE20 traktoren hadde et kompresjonsforhold på 4.5:1 for operasjon på traktoren fordampende olje med et oktantall på mellom 55 og 70.

Motorsportmotorer

Motorsportmotorer går ofte på bensin med høy oktan og kan derfor bruke høyere kompresjonsforhold. Motorsykkelmotorer kan for eksempel bruke kompresjonsforhold så høyt som 14,7∶1, og det er vanlig å finne motorsykler med kompresjonsforhold over 12,0∶1 designet for 86 eller 87 oktan drivstoff.

Etanol og metanol kan ta betydelig høyere kompresjonsforhold enn bensin. Racermotorer som brenner metanol og etanolbrensel har ofte et kompresjonsforhold på 14∶1 til 16∶1.

Matematisk formel

I en stempelmotor er det statiske kompresjonsforholdet ( ) forholdet mellom volumet til sylinderen og forbrenningskammeret når stemplet er i bunnen av sitt slag , og volumet på forbrenningskammeret når stempelet er på toppen av hjerneslag . Det beregnes derfor av formelen

Hvor:

= forskyvningsvolum. Dette er volumet inne i sylinderen forskjøvet av stempelet fra begynnelsen av kompresjonsslaget til slutten av slaget.
= klareringsvolum. Dette er volumet av rommet i sylinderen som er igjen på slutten av kompresjonsslaget.

kan estimeres ved den sylindervolumet formel

Hvor:

= Sylinderboringen (diameter)
= Stempelslag lengde

På grunn av den komplekse formen måles det vanligvis direkte. Dette gjøres ofte ved å fylle sylinderen med væske og deretter måle volumet på den brukte væsken.

Motorer med variabelt kompresjonsforhold

De fleste motorer bruker et fast kompresjonsforhold, men en motor med variabelt kompresjonsforhold er i stand til å justere kompresjonsforholdet mens motoren er i drift. Den første produksjonsmotoren med et variabelt kompresjonsforhold ble introdusert i 2019.

Variabelt kompresjonsforhold er en teknologi for å justere kompresjonsforholdet til en forbrenningsmotor mens motoren er i drift. Dette gjøres for å øke drivstoffeffektiviteten under varierende belastning. Motorer med variabel komprimering gjør at volumet over stemplet i øverste dødpunkt kan endres.

Høyere belastninger krever lavere forhold for å øke effekten, mens lavere belastninger trenger høyere forhold for å øke effektiviteten, dvs. for å redusere drivstofforbruket. For bilbruk må dette gjøres ettersom motoren går som svar på belastning og kjørekrav.

2019 Infiniti QX50 er den første kommersielt tilgjengelige bilen som bruker en motor med variabelt kompresjonsforhold.

Forholdet til trykkforholdet

Kompresjonsforhold versus trykkforhold for luft

Basert på antagelsene om at adiabatisk kompresjon utføres (dvs. at det ikke tilføres varmeenergi til gassen som komprimeres, og at en hvilken som helst temperaturstigning bare skyldes kompresjonen) og at luft er en perfekt gass , forholdet mellom kompresjonsforholdet og det totale trykkforholdet er som følger:

Kompresjonsforhold 2∶1 3∶1 5∶1 10∶1 15∶1 20∶1 25∶1 35∶1
Trykkforhold 2.64∶1 4,66∶1 9.52∶1 25.12∶1 44,31∶1 66,29∶1 90,60∶1 145∶1

Dette forholdet er avledet av følgende ligning:

hvor er forholdet mellom spesifikke varmer (luft: ca. 1,4)

I de fleste forbrenningsmotorer endres imidlertid forholdet mellom spesifikke varmer med temperaturen og at det vil oppstå betydelige avvik fra adiabatisk oppførsel.

Dynamisk kompresjonsforhold

Det statiske kompresjonsforholdet som er diskutert ovenfor - beregnet utelukkende basert på sylinder- og forbrenningskammervolumene - tar ikke hensyn til gasser som kommer inn eller ut av sylinderen under kompresjonsfasen. I de fleste bilmotorer foregår stengingen av inntaksventilen (som tetter sylinderen) under kompresjonsfasen (dvs. etter bunnens dødpunkt , BDC), noe som kan føre til at noen av gassene skyves ut gjennom inntaksventilen. På den annen side kan innstilling av inntaksport og rensing føre til at større mengde gass blir fanget i sylinderen enn det statiske volumet antyder. Det dynamiske kompresjonsforholdet står for disse faktorene.

Det dynamiske kompresjonsforholdet er høyere med mer konservativ kamaksel timing (dvs. kort tid etter BDC), og lavere med mer radikal kamaksel timing (dvs. senere etter BDC). Uansett er det dynamiske kompresjonsforholdet alltid lavere enn det statiske kompresjonsforholdet.

Det absolutte sylindertrykket brukes til å beregne det dynamiske kompresjonsforholdet ved å bruke følgende formel:

hvor er en polytropisk verdi for forholdet mellom spesifikke varmer for forbrenningsgassene ved tilstedeværende temperaturer (dette kompenserer for temperaturstigningen forårsaket av kompresjon, så vel som tapet varme til sylinderen)

Under ideelle (adiabatiske) forhold ville forholdet mellom spesifikke varmer være 1,4, men en lavere verdi, vanligvis mellom 1,2 og 1,3, blir brukt, siden mengden varmetap vil variere mellom motorer basert på design, størrelse og anvendte materialer. For eksempel, hvis det statiske kompresjonsforholdet er 10∶1, og det dynamiske kompresjonsforholdet er 7,5∶1, vil en nyttig verdi for sylindertrykket være 7,5 1,3 x atmosfærisk trykk eller 13,7  bar (i forhold til atmosfæretrykk).

De to korreksjonene for dynamisk kompresjonsforhold påvirker sylindertrykket i motsatt retning, men ikke i samme styrke. En motor med høyt statisk kompresjonsforhold og sen inntaksventillukking vil ha et dynamisk kompresjonsforhold som ligner på en motor med lavere kompresjon, men tidligere inntaksventillukking.

Se også

Referanser