Komprimeringsforhold - Compression ratio

Statisk kompresjonsforhold bestemmes ved hjelp 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, den måles på to måter: det statiske kompresjonsforholdet , beregnet basert på de relative volumene i forbrenningskammeret og sylinderen når stemplet er i bunnen av slaglengden , og volumet til 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 komprimeringsfasen.

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 dens 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, skaper mer mekanisk effekt og senker avgastemperaturen.

Bensinmotorer

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

• Biler bygget fra 1955-1972 som ble utformet for høy- oktan blyholdig bensin , som tillater kompresjonsforhold opp til 13:01.
• Noen Mazda SkyActiv -motorer utgitt siden 2012 har kompresjonsforhold på opptil 14∶1. SkyActiv -motoren oppnår dette kompresjonsforholdet med vanlig blyfri bensin (95 RON i Storbritannia) gjennom forbedret rensing av avgasser (som sikrer at sylinderens temperatur er så lav som mulig før inntaksslaget), i tillegg til direkte injeksjon.
• Toyota Dynamic Force -motoren har et kompresjonsforhold på opptil 14∶1.
• 2014 Ferrari 458 Speciale har også et kompresjonsforhold på 14∶1.

Når tvungen induksjon (f.eks. En turbolader eller superlader ) brukes, er kompresjonsforholdet ofte lavere enn naturlig aspirerte motorer . Dette skyldes at turboladeren/kompressoren allerede har komprimert luften før den kommer inn i sylindrene. Motorer som bruker drivstoffinnsprøytning i porten kjører vanligvis lavere boosttrykk og/eller kompresjonsforhold enn direkte injiserte motorer fordi drivstoffinnsprøytning i porten får luften/drivstoffblandingen til å bli oppvarmet sammen, noe som fører til detonasjon. Motsatt kan direkte injiserte motorer kjøre høyere boost fordi oppvarmet luft ikke vil detonere uten at det er drivstoff tilstede.

Høyere kompresjonsforhold kan gjøre bensinmotorer (bensin) utsatt for motorstøt (også kjent som "detonasjon", "fortenning" eller "pinging") hvis det brukes lavere drivstoff med lavere oktan. Dette kan redusere effektiviteten eller skade motoren hvis det ikke er banksensorer for å endre tenningstidspunktet.

Dieselmotorer

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

Andre drivstoff

Kompresjonsforholdet kan være høyere i motorer som utelukkende går 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. For eksempel kan motorsykkelløpsmotorer 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 etanoldrivstoff har ofte et kompresjonsforhold på 14∶1 til 16∶1.

Matematisk formel

I en stempelmotor er det statiske kompresjonsforholdet ( ) forholdet mellom sylindervolumet og forbrenningskammeret når stemplet er nederst i slaglengden , og brennkammerets volum når stempelet er øverst på sitt slag . Det beregnes derfor med formelen ${\ displaystyle CR}$

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

Hvor:

${\ displaystyle V_ {d}}$= forskyvningsvolum. Dette er volumet inne i sylinderen forskjøvet av stempelet fra begynnelsen av kompresjonsslaget til slutten av slaget.

${\ displaystyle V_ {c}}$= klareringsvolum. Dette er volumet av plassen i sylinderen som er igjen på slutten av kompresjonsslaget.

${\ displaystyle V_ {d}}$kan estimeres ved den sylindervolumet formel

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

Hvor:

${\ displaystyle b}$= Sylinderboringen (diameter)

${\ displaystyle s}$= Stempelslag lengde

På grunn av den komplekse formen blir den vanligvis målt direkte. Dette gjøres ofte ved å fylle sylinderen med væske og deretter måle volumet av den brukte væsken. ${\ displaystyle V_ {c}}$

Variable kompresjonsforholdsmotorer

De fleste motorer bruker et fast kompresjonsforhold, men en motor med variabelt kompresjonsforhold kan justere kompresjonsforholdet mens motoren er i drift. Den første produksjonsmotoren med 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 mens den er under varierende belastning. Variable komprimeringsmotorer gjør at volumet over stemplet på topp 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 belastningen og kjørekravene.

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

Forholdet til trykkforholdet

Kompresjonsforhold kontra trykkforhold for luft

Basert på forutsetningene om at adiabatisk komprimering utføres (dvs. at det ikke tilføres varmeenergi til gassen som komprimeres, og at enhver temperaturstigning utelukkende skyldes kompresjonen) og at luft er en perfekt gass , er forholdet mellom kompresjonsforholdet og det totale trykkforholdet er som følger:

Dette forholdet er avledet fra følgende ligning:

${\ displaystyle P_ {1} V_ {1}^{\ gamma} = P_ {2} V_ {2}^{\ gamma} \ Høyre pil {\ frac {P_ {2}} {P_ {1}}} = \ venstre ({\ frac {V_ {1}} {V_ {2}}} \ høyre)^{\ gamma}}$

hvor er forholdet mellom spesifikke varme (luft: ca. 1,4)${\ displaystyle \ gamma}$

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

Dynamisk komprimeringsforhold

Det statiske kompresjonsforholdet som er diskutert ovenfor - beregnet utelukkende basert på sylinder- og forbrenningskammervolumene - tar ikke hensyn til eventuelle gasser som kommer inn eller ut av sylinderen under kompresjonsfasen. I de fleste bilmotorer skjer inntaksventilens lukking (som tetter sylinderen) under kompresjonsfasen (dvs. etter bunn dødpunkt , BDC), noe som kan føre til at noen av gassene skyves tilbake gjennom inntaksventilen. På den annen side, inntaksåpningen tuning og fjerning kan føre til at en større mengde gass å bli fanget i sylinderen enn det statiske volum skulle tilsi. Det dynamiske komprimeringsforholdet står for disse faktorene.

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

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

${\ displaystyle P _ {\ text {cylinder}} = P _ {\ text {atmosfærisk}} \ ganger {\ text {CR}}^{\ gamma}}$

hvor er en polytropisk verdi for forholdet mellom spesifikke varmer for forbrenningsgassene ved nåværende temperaturer (dette kompenserer for temperaturstigningen forårsaket av kompresjon, samt varme tapt for sylinderen)${\ displaystyle \ gamma}$

Under ideelle (adiabatiske) forhold vil forholdet mellom spesifikke varmer være 1,4, men en lavere verdi, vanligvis mellom 1,2 og 1,3, brukes, siden mengden varme som går tapt vil variere mellom motorer basert på design, størrelse og materialer som brukes. For eksempel, hvis det statiske kompresjonsforholdet er 10∶1, og det dynamiske kompresjonsforholdet er 7,5∶1, vil en nyttig verdi for sylindertrykk være 7,5 ^1,3 × atmosfærisk trykk eller 13,7  bar (i forhold til atmosfæretrykk).

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

Se også

• Gjennomsnittlig effektivt trykk

Referanser