Hier ist, was ‚Kompressionsverhältnis‘ eigentlich bedeutet und warum es wichtig ist

Sie haben den Begriff Kompressionsverhältnis schon einmal gehört, aber haben Sie sich jemals gefragt, was genau er bedeutet? Nun, es ist an der Zeit, genau zu erklären, was das Verdichtungsverhältnis ist und warum jeder Autobauer jetzt davon besessen ist, als wäre es der Heilige Gral.

Das Kompressionsverhältnis ist zugegebenermaßen komplizierter als es zunächst scheint. Es hilft nicht, dass es einer dieser Begriffe ist, die man hört, wenn man bei Autotreffen und in Pressemitteilungen ohne ernsthafte Erklärung herumgeworfen wird. Es ist eines dieser Dinge, die Sie meistens vorgeben zu verstehen, während Sie versuchen, den Trapezkünstler zu beeindrucken, den Sie letztes Wochenende im Zirkus getroffen haben.

Wir wissen, dass hohe Komprimierung gut und niedrige Komprimierung schlecht ist. Wir wissen, dass Mazdas neuer Skyactiv-X „Holy Grail“ -Motor eine hohe Kompression aufweist, zusammen mit Infinitis „Diesel Slayer“ und Toyotas „Dynamic Force“ -Serie, die alle für mehr Leistung und Effizienz werben.

Wir leben in einer Zeit, in der Ingenieure einem Motor nicht einfach mehr Leistung verleihen können, indem Sie ihn größer machen. Das Ändern des Verdichtungsverhältnisses eines Motors wird zur Vorgehensweise.

(Übrigens, wenn Sie dies lesen und schnauben, weil Sie bereits wissen, was Kompressionsverhältnis ist, gut für Sie! Nicht alle anderen tun es.)

Was das Kompressionsverhältnis definiert, ist super einfach

Ein Kompressionsverhältnis ist genau das, wonach es sich anhört — ein Verhältnis, bei dem Sie das maximale Zylindervolumen in das minimale Zylindervolumen komprimieren. Das ist das Volumen des Zylinders, wenn ein Kolben ganz unten ist, verglichen mit ganz oben. Es ist ausgeschrieben und als Verhältnis gesagt. Für einen Motor mit einem Verdichtungsverhältnis von 9: 1 würden Sie beispielsweise „neun zu eins“ sagen.“

Stellen Sie sich jetzt einen Zylinder in Ihrem Kopf vor. Der Kolben bewegt sich innerhalb dieses Zylinders auf und ab. Wenn sich der Kolben am tiefsten Punkt befindet, wird dies als unterer Totpunkt bezeichnet. Dort ist das Zylindervolumen am größten. Wenn sich der Kolben am höchsten Punkt innerhalb des Zylinders befindet, wird dies als Oberer Totpunkt bezeichnet, und dort ist das Zylindervolumen am kleinsten. Der Vergleich dieser beiden Bände ist, woher Ihr Verhältnis kommt.

Wenn Sie ein visueller Lerner wie ich sind, werden Sie dieses GIF mögen, das ich gemacht habe, um zu zeigen, wie ein Viertaktmotor funktioniert. Sehen Sie, wie sich der Kolben während dieses Kompressionshubs nach oben bewegt? Das ist die ganze Luft und der Kraftstoff, die im Zylinder komprimiert werden. Wenn ein Motor ein hohes Verdichtungsverhältnis hat, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Luft- und Kraftstoffvolumen im Zylinder in einen viel kleineren Raum gepresst wird als ein Motor mit einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis.

Und jetzt für ein Beispiel mit einfacher Mathematik, meine Lieblingsart.

Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Motor, dessen Zylinder- und Brennraumvolumen 10 ccm beträgt, wenn sich der Kolben im unteren Totpunkt befindet. Nachdem das Einlassventil geschlossen ist und der Kolben während des Kompressionshubs ansteigt, drückt er das Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Raum eines einzelnen Kubikzentimeters. Dieser Motor hat ein Verdichtungsverhältnis von 10:1.

Das war’s! Das ist Kompressionsverhältnis. Gesamtvolumen plus komprimiertes Volumen (einschließlich des Volumens des Zylinderkopfes und alles darüber, wo der Kolben „fegt“) in komprimiertes Volumen allein.

Warum es besser ist, ist kompliziert

Aber zu verstehen, was Kompressionsverhältnis ist, ist weniger wichtig als zu verstehen, warum wir uns darum kümmern oder warum hohe Kompression ein solches Bestreben ist.

Die beste Erklärung, die ich dabei bekam, kam von meinem Kollegen und Ingenieur David Tracy, der sich dann an andere Ingenieure und Professoren wandte Hilfe. Die beste Antwort kam von Dr. Andy Randolph, Technischer Direktor bei ECR Engines. Er macht Antriebsstrangforschung für NASCAR, und seine Erklärung ist super klar:

Aus der Sicht eines Laien wird Motorleistung erzeugt, wenn die Verbrennung eine Kraft auf den Kolben ausübt und den Kolben während des Expansionshubs in den Zylinder drückt.

Je höher der Kolben zu Beginn der Verbrennung in der Bohrung ist, desto mehr Kraft wird ausgeübt.

Mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis bewegt sich der Kolben in der Bohrung im oberen Totpunkt höher, daher gibt es eine zusätzliche Kraft für den Expansionshub (zusätzliche Kraft für die gleiche Kraftstoffmenge entspricht einem höheren Wirkungsgrad).

Jetzt sollten wir wirklich mehr über das Warum zusätzlich zum Wie verstehen, und das bedeutet, dass wir uns in den Bereich der Thermodynamik wagen müssen.

Der grundlegende Punkt dabei ist, dass ein höheres Verdichtungsverhältnis bedeutet, dass der Motor mehr Arbeit aus der gleichen Kraftstoffmenge herausholt. Das ist gut für Energie und auch Meilen pro Gallone.

Um zu erklären, warum ein höheres Kompressionsverhältnis zu einer besseren Effizienz führt, werden wir nicht zu tief in die Thermodynamik eintauchen, aber was zum Teufel, tauchen wir einfach unsere Zehen ein. Es ist gesund und gut für die Seele.

Höhere Kompression bedeutet mehr Arbeit, aber mehr Druck

Das Bild oben zeigt ein P-V- oder Druck-Volumen-Diagramm für einen idealen und typischen Benzinmotor. Es zeigt visuell, was in Ihrem Motor vor sich geht, wenn er Benzin verbrennt.

Im obigen Diagramm zeigt die untere 1-2-Kurve den Kompressionshub.

Die Zeile 2-3 zeigt die Verbrennung.

Die obere 3-4 Kurve zeigt den Expansionshub.

Und die 4-1 linie zeigt wärme ablehnung, wenn die abgas ventil öffnet up.

Um technischer zu sein, zeigt die Kurve 1-2 im Diagramm den Kompressionshub, bei dem der Druck (y-Achse) ansteigt und das Volumen (x-Achse) sinkt, wenn der Kolben am Gas arbeitet und es zusammendrückt. Die Linie 2-3 zeigt die während der Verbrennung freigesetzte Wärme, wodurch der Druck und die Temperatur des Gases schnell erhöht werden. Die Kurve 3-4 zeigt den Volumenanstieg und den Druckabfall, wenn das Gas während des Expansionshubs auf den Kolben einwirkt. Die Linie 4-1 zeigt die Wärmeabfuhr vom Gas zur Umgebung, wenn der Druck bei geöffnetem Auslassventil in die Umgebung zurückkehrt. Schließlich die flache 1-5 linie auf der unterseite stellt die auspuff hub und kolben rückkehr zu top totpunkt am ende.

Der Bereich innerhalb dieser 1-2-3-4 Zeilen gibt an, wie viel Arbeit der Motor leistet. Ein höheres Kompressionsverhältnis bedeutet, dass sich die beiden vertikalen Linien auf dem Diagramm nach links und oben bewegen, sodass mehr Fläche innerhalb der Grenzen verbleibt als bei einem niedrigeren Kompressionsverhältnis. Aber wie Sie in diesem Diagramm sehen können, würden Sie einen höheren Druck erreichen. Anders ausgedrückt, Sie würden mehr mechanische Arbeit von Ihrem Motor mit hohem Verdichtungsverhältnis erhalten. Sie würden durch den Wärmeeintrag durch die Verbrennung mehr Druck im Zylinder und auf Ihrem Kolben bekommen.

Höhere Kompression bedeutet auch mehr thermische Effizienz

Es ist auch wichtig zu beachten, dass sich der Wärmeeintrag und der Wärmeverlust während des Zyklus Ihres Motors auf den Wirkungsgrad als Funktion des Verdichtungsverhältnisses beziehen. Das Ganze funktioniert auf zwei Ideen. Die erste ist, dass jede Wärmeenergie, die in das System eintritt, entweder in mechanische Arbeit oder in Abwärme umgewandelt werden muss. Der zweite ist, dass der thermische Wirkungsgrad einfach die Arbeitsleistung geteilt durch den Wärmeeintrag ist. So können Sie die Beziehung zwischen dem thermischen Wirkungsgrad und dem Kompressionsverhältnis ableiten, wie es auf seiner Webseite dargestellt und oben gezeigt ist. Die Gleichung lautet hier (nu ist der thermische Wirkungsgrad, r ist das Kompressionsverhältnis und gamma ist eine Eigenschaft des Fluids):

Wenn Sie einem Motor mit einem bestimmten Hubraum eine bei einem höheren Kompressionsverhältnis verschieben Sie das P-V-Diagramm effektiv nach oben und nach links und erhöhen den Wärmeeintrag (Qh im Diagramm) stärker als den Wärmeverlust (Ql). Mit anderen Worten, Sie verwandeln mehr von Ihrer Eingangsenergie in Arbeit. Hier erklärt Jason Fenske von Engineering, wie er diese Beziehung zwischen Kompressionsverhältnis, Wärmeübertragung und Effizienz aufschlüsselt:

Wie auch immer, der Punkt ist, dass die Thermodynamik vorschreibt, dass der thermische Wirkungsgrad mit dem Kompressionsverhältnis steigt, wie Sie sehen können durch diese Handlung und Gleichung oben. Und das bedeutet mehr Leistung, besseren Kraftstoffverbrauch, schwerere Brieftaschen und ein größeres Lächeln. Fahren Sie einen trägen, keuchenden, gassaugenden, alten amerikanischen V8 mit niedriger Kompression und Sie werden wissen, was ich meine.

Das Verdichtungsverhältnis macht Motoren wie den Skyactiv-G-Motor von Mazda auch so effizient. Als erster einer Welle neuer Motoren mit hoher und variabler Verdichtung von Mazda, Nissan / Infiniti und Toyota hat der Mazda mit 14: 1 das derzeit höchste Verdichtungsverhältnis im Geschäft, weshalb er auch ohne Turbolader hohe Kraftstoffeinsparungen und Leistungswerte erzielen kann.

Warum höhere Kompression bedeutet, dass Sie eine höhere Oktanzahl benötigen

Warum verwendet nicht jeder nur hohe Kompressionsraten? Nun, hohe Kompression ist der Grund, warum viele Leistungsmotoren Premium-Kraftstoff oder Benzin mit hoher Oktanzahl benötigen. Oktanzahl sind, wie dieser Artikel How Stuff Works zeigt, ein Maß für die Fähigkeit des Benzins, einer Detonation zu widerstehen.

Im Vergleich zu Gas mit hoher Oktanzahl entzündet sich Benzin mit niedriger Oktanzahl aufgrund hoher Luftladetemperaturen und -drücke eher automatisch. Grundsätzlich wollen Sie das Gas, das sich entzündet, wenn Sie es wollen, nicht die Art, die sich entzündet, wenn Sie es nicht wollen. Diese Art der unkontrollierten Verbrennung wird als Klopfen bezeichnet. Klopfen ist schlecht; Es reduziert das Drehmoment und kann Ihren Motor irreparabel beschädigen.

Hohe Verdichtung erhöht das Klopfrisiko, weshalb Motoren mit sehr hoher Verdichtung Renngas mit hoher Oktanzahl oder (häufiger) E85 betreiben. Gase neigen dazu, sich zu erwärmen, wenn sie komprimiert werden, so dass die erhöhte Wärmedichte dazu führen kann, dass der Kraftstoff vorzeitig verbrennt, bevor die Zündkerze ihn zündet. Um es noch einmal zu wiederholen: Das ist schlecht.

Mazda musste viel an seinem Kolben- und Auspuffdesign arbeiten, um das Klopfen an seinem 14: 1-Motor, der mit Pumpengas betrieben wird, zu mildern. Die Kolben in einem Skyactiv-X-Motor, zum Beispiel, haben einen Hohlraum in der Mitte, damit Mazda einen Ausbruch von fettem Kraftstoff um die Zündkerze in einer ansonsten mageren Mischung schießen kann und, ja, es gibt einen Grund, warum dies nicht der Fall war eine einfache Technologie zu entwickeln.

Interessant ist auch, dass man nicht einfach einen Motor mit so hohem Verdichtungsverhältnis bauen kann, wie man will. Ich wandte mich an John Hoyenga, einen Besitzer des Performance-Auspuff- und Rallye-Shops Nameless Performance, um über Risiken und Vorteile einer hohen Kompression zu sprechen.

John baut ein Nissan 240SX Rallye-Auto, in das er einen SR20VE Vierzylinder tauscht, der derzeit etwa 250 PS an den Rädern von nur 2,0 Litern leistet. Überraschenderweise ohne Turbo. Alles, was John zu verdanken hat, ist sein sehr hohes Kompressionsverhältnis von 14,5: 1. „Es wird mehr Arbeit durch Kompression geleistet“, erklärte er, „je mehr Leistung ohne Boost erzielt wird.“

Davon abgesehen, weil dies ein Rennmotor ist, fährt er ihn mit Renngas oder extrem hochoktanigem E85. John sagte, dass alles über 14,5: 1 Kompressionsverhältnis das Risiko einer Selbstentzündung laufen würde, und es könnte eine Stange herausschießen oder ein Lager drehen. Dies wird beiläufig als „Sprengen“ bezeichnet.“

Es gibt eine Grenze, wie hoch man gehen kann

Ich habe gefragt, ob das der Grund ist, warum wir nicht sehen, dass Leute nicht mit Motoren herumlaufen, die deutlich höhere Verdichtungsverhältnisse haben als alles, was wir heute sehen. Obszön hohe Verhältnisse, wie 60:1. John lachte. Er erklärte, dass Metall einer so hohen Belastung einfach nicht standhalten kann, und ein solches Verdichtungsverhältnis würde die Dinge so heiß laufen lassen, dass es jeden aktuellen Motor in die Luft jagen würde.

Natürlich bauen nicht alle von uns Rennwagen mit Rennmotoren, daher müssen wir uns keine Sorgen machen, die Verdichtungsverhältnisse zu ändern. Aber wir sind gelegentliche Autobesitzer und Quasi-Motorenthusiasten, daher war dies eine Erklärung dafür, was das Verdichtungsverhältnis bedeutet und warum es wichtig ist. Sie müssen es nicht mehr fälschen, Sie wissen jetzt, was es ist.

Jetzt geh und finde diesen Trapezkünstler und sag ihm, wie du dich fühlst!