Compresión estática versus efectiva: ¿Por qué una compresión efectiva más alta no requiere un gas de mayor octanaje?

Fondo

Últimamente he estado tratando de investigar mucho sobre el impulso porque estoy planeando ejecutar una configuración turbo moderada en mi auto diario / ligero-autox en el futuro. Estoy tratando de entrar en la física de las cosas para que cuando haga mi construcción, no solo esté golpeando partes y esperando lo mejor, sino que en cambio esté diseñando un motor para que funcione.

La pregunta

Mi pregunta principal es esta. He estado leyendo este artículo y, si bien ha profundizado mi comprensión de la compresión, me deja con esta pregunta: sé que los motores que funcionan con una relación de compresión estática más alta requieren combustibles de mayor octanaje para evitar la detonación, entonces, ¿por qué los motores con relaciones de compresión efectivas más altas? no parece requerir combustibles de mayor octanaje?

Por lo general, escucho sobre personas que ejecutan configuraciones de turbo y simplemente usan gas de bomba regular y no tienen problemas, a pesar de que la relación de compresión efectiva sería mucho mayor que la mayoría de los motores de aspiración natural. Por ejemplo, la configuración que estaba considerando sería un Honda d16a6 turboalimentado, que tiene una relación de compresión estática de 9.1: 1, con 10 psi de impulso, lo que le da una compresión efectiva de aproximadamente 15: 1.

tl; dr: lo hacen. Es más difícil decir cuánto.

La respuesta más larga es que sí lo hacen y que la compresión efectiva le está fallando como una aproximación a los efectos reales.

Piense en la detonación (también conocida como ignición prematura de la mezcla de combustible y aire). Normalmente consideramos dos causas: compresión (el cambio en el espacio encerrado por el cilindro a medida que el pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo) y la temperatura (p. Ej., Temperatura medida del aire de admisión).

En realidad, solo hay temperatura.

Volvamos a la ley del gas ideal :

PV = nRT

donde Pestá la presión, el Vvolumen y la Ttemperatura (en grados Kelvin, ¡recuerda!) y el resto son constantes interesantes que no están relacionadas con esta discusión. La compresión hace que ese Vvalor disminuya y Paumente. En un mundo ideal , ese sería el final: la compresión del cilindro sería un proceso 100% eficiente sin aumento de temperatura.

Desafortunadamente, vivimos en un mundo real en lugar de ideal. El mejor modelo simple para lo que sucede en el motor es que es un sistema de entropía constante . Esto significa que estamos restringidos por la relación de capacidad calorífica de los gases en el sistema. Si utilizamos una relación de capacidad calorífica de 1.3 y una relación de compresión de ejemplo de 10: 1, estamos observando una duplicación aproximada de la temperatura (¡grados Kelvin!).

En resumen, la compresión hace que los gases sean más calientes. ¿Por qué es esto malo?

Piénselo de esta manera: tiene un presupuesto de temperatura fijo para un gas de cierto octanaje. Si se Tpone más alto que T_ignition, bang. Entonces, como señala, puede agregar un intercooler al sistema, reduciendo la temperatura del aire de entrada.

Del mismo modo, puede cambiar la cantidad que Vcambia. Esto aumenta la cantidad de aumento de temperatura que su motor puede tolerar antes de detonar.

Ahora, agregar un turbo en el aire de admisión comprime la presión atmosférica normal a algo significativamente más alto, lo que resulta en un cambio en esas otras constantes que eliminé anteriormente (verifique la eficiencia volumétrica del turbo para obtener más información) y aumenta la temperatura.

Eso se come en mi presupuesto de temperatura. Si usara gas de menor octanaje, eso reduciría el umbral para la detonación y, en el impulso, podría estar observando daños en el motor.

Entonces, después de todo eso, ¿qué haces?

1. Investigación investigación investigación: no construir en el vacío. Copie los diseños de otras personas o mejore sobre ellos.
2. Mida la temperatura de entrada de aire, antes y después del turbo.
3. Encuentra el mejor gas que puedas.
4. Ajuste la computadora del motor para evitar que su motor explote.

En el ajuste: una cosa que la ECU puede hacer es agregar combustible adicional a la mezcla, enfriando así la mezcla. Es cierto que el uso de combustible como refrigerante no conduce a la eficiencia absoluta, pero no debería ser un problema al conducir fuera del impulso. Como siempre, menos pie derecho = menos gas gastado.

Todo lo anterior se analiza en el libro Turbocharging de Corky Bell, Maximum Boost , una lectura muy entretenida para personas geek como yo.

Después de un tiempo más tarde : acabo de notar la pregunta específica sobre la relación de compresión estática 9.1 con 10 psi de impulso. Como ejemplo, mi WRX funciona 8: 1 a aproximadamente 13.5 psi, por lo que, a primera vista, 9: 1 con 10 psi parece alcanzable.

Echemos un vistazo a una de las ecuaciones más razonables para una relación de compresión efectiva (que, como señalamos, sigue siendo una aproximación de la termodinámica bastante compleja):

ECR = sqrt((boost+14.7)/14.7) * CR 

¿Dónde ECRestá la "relación de compresión efectiva" y CRes la "relación de compresión estática" (con lo que comenzó antes de agregar impulso)? boostse mide en psi (libras por pulgada cuadrada). Recuerde, el objetivo de esta ecuación es decirnos si nuestra configuración propuesta es factible y si podrá funcionar con gasolina que pueda comprar en la calle frente a la pista de carreras.

Entonces, usando mi auto como ejemplo:

ECR = sqrt((13.5 + 14.7) / 14.7) * 8 = sqrt(1.92) * 8 = 11.08

Usando esta ecuación, la implicación es que mi relación de compresión efectiva es de aproximadamente 11: 1 en el pico de refuerzo. Eso está dentro de los límites de lo que podría esperar para hacer funcionar un motor normalmente aspirado con bomba de gas (93 octanos). Y, como prueba de la existencia, mi auto funciona con 93 octanos muy bien.

Entonces, veamos la configuración en cuestión:

ECR = sqrt((10 + 14.7) / 14.7) * 9.1 = sqrt(1.68) * 9.1 = 11.79

Como se cita en la referencia, 12: 1 es realmente lo más lejos que puede llegar con un tranvía, por lo que esta configuración aún estaría dentro de esos límites.

Para completar, debemos tener en cuenta que también hay otra ecuación de ECR que deambula por Internet que omite la raíz cuadrada. Hay dos problemas con esa función:

1. Primero, eso resultaría en una ECR para mi automóvil de 15: 1. Eso es un poco ridículo: ni siquiera quisiera arrancar un motor así con gas de la calle.

2. ECR es una aproximación de todos modos: la respuesta real a la pregunta "¿cuánto impulso puedo ejecutar?" se deriva de factores críticos como la temperatura del aire de admisión y la eficiencia del compresor. Si está usando una aproximación, no use una que le dé inmediatamente respuestas inútiles (vea el punto 1).

Una de las razones por las que una configuración de turbo con la compresión efectiva equivalente es más indulgente con el gas de bajo octanaje que una configuración de compresión estática es que no tiene esa relación de compresión todo el tiempo. Toma esa honda, por ejemplo. Con una relación estática de 9: 1, puede correr 87 octanos todo el día, siempre y cuando no lo impulse. Cuando comience a empujar un poco más por su garganta, los sensores de detonación se apagarán y el motor DEBERÍA responder de varias maneras, tal vez cortando combustible, chispa o retardando el tiempo, lo que debería forzar el impulso hacia abajo (no es que lo recomiendo).

En el caso de la compresión estática, incluso cuando solo está tratando de ralentí o conducir bien, todavía va a predetonar con gas de octano por debajo de lo requerido. Esto también se aplicaría a los sobrealimentadores sin embrague, no hay un interruptor de "apagado" o un beneficio de "Estoy conduciendo bien". Estás encerrado en esa relación de compresión más alta.

Una vez más, para no recomendar la práctica, tenía un Ford Probe 2.2L turbo de 270 hp, y con un aumento total (~ 21 psi) y una relación de compresión estática de 7.8: 1, nunca me atrevería a intentar alcanzarlo con nada más que 93 octanos. Sin embargo, a veces en viajes largos me llenaba con 87 octanos y configuraba mi controlador de impulso a 7 psi o menos, y no registraba ninguna actividad del sensor de detonación. Incluso si no bajé el controlador de impulso, puedes simplemente 'conducir bien' si quieres arriesgarte (pero la tentación es bastante fuerte). Pude obtener 36MPG de 87 octanos cuando fui amable (bastante económico). Comparo eso con el V8 4.6L de 427 hp sobrealimentado de mi padre que obtiene 12MPG cuando eres amable, 8MPG cuando no lo eres, y no tienes la opción de nada más que premium.

Además de la buena respuesta de @Bob:

Hay algunos trucos que se pueden usar para aliviar el problema:

• Un sensor de detonación para detectar detonaciones prematuras (y ajustar la presión de refuerzo). Por ejemplo, Saab APC permite el uso seguro de combustibles de bajo octanaje.

• Inyectar agua para enfriar las cámaras de combustión (en lugar de combustible excesivo)

• Termómetros de escape por cilindro (e inyección secuencial / ignición)