Ha escuchado el término relación de compresión antes, pero alguna vez se ha preguntado exactamente qué significa? Bueno, es hora de explicar exactamente qué es la relación de compresión, y por qué todos los fabricantes de automóviles están obsesionados con ella como si fuera el Santo Grial.
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la relación de Compresión, sin duda, es más complicado de lo que parece a primera. No ayuda que es uno de esos términos que escuche llegar arrojada en coche se encuentra y en comunicados de prensa sin mucha seriedad explicación. Es una de esas cosas que sobre todo pretendes entender mientras intentas impresionar a ese trapecista que conociste en el circo el fin de semana pasado.
Sabemos que la compresión alta es buena, y que la compresión baja es mala. Sabemos que el nuevo motor Skyactiv-X «Holy Grail» de Mazda es de alta compresión, junto con la serie «diesel slayer» de Infiniti y la serie «Dynamic Force» de Toyota, que anuncian más potencia y más eficiencia.
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Vivimos en una época en la que los ingenieros no pueden darle más potencia a un motor haciéndolo más grande. Cambiar la relación de compresión de un motor se está convirtiendo en cómo se hace.
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(Por cierto, si estás leyendo esto y resoplando porque ya sabes qué es la relación de compresión, ¡bien por ti! No todos los demás lo hacen.)
Lo que define la relación de compresión Es Súper simple
Una relación de compresión es exactamente lo que parece, una relación en la que se comprime el volumen máximo del cilindro en el volumen mínimo del cilindro. Ese es el volumen del cilindro cuando un pistón está todo el camino hacia abajo en comparación con todo el camino hacia arriba hasta la parte superior. Está escrito y dicho como una proporción. Por ejemplo, para un motor con una relación de compresión de 9:1, dirías que es «nueve a uno.»
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Ahora imagina un cilindro en tu cabeza. El pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo dentro de ese cilindro. Cuando el pistón está en el punto más bajo, eso se llama Centro muerto inferior. Ahí es donde el volumen del cilindro es mayor. Cuando el pistón está en el punto más alto dentro del cilindro, eso se llama Centro Muerto Superior, y ahí es donde el volumen del cilindro es más pequeño. La comparación de estos dos volúmenes es de donde viene su relación.
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Si eres un aprendiz visual como yo, te gustará este GIF que hice que muestra cómo funciona un motor de cuatro tiempos. ¿Ves cómo el pistón se mueve hacia arriba durante esa carrera de compresión? Es todo el aire y el combustible que se comprime en el cilindro. Si un motor tiene una alta relación de compresión, significa que un volumen dado de aire y combustible en el cilindro se está exprimiendo en un espacio mucho más pequeño que un motor con una relación de compresión más baja.
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Y ahora un ejemplo con una simple matemática, mi tipo favorito.
Imagine que tiene un motor cuyo volumen de cilindro y cámara de combustión es de 10 cc cuando el pistón está en el centro muerto inferior. Después de que la válvula de admisión se cierra y el pistón se eleva durante la carrera de compresión, comprime la mezcla de aire y combustible en el espacio de un solo centímetro cúbico. Este motor tiene una relación de compresión de 10: 1.
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Eso es todo! Es la relación de compresión. Volumen de barrido total más volumen comprimido (incluido el volumen de la culata y todo lo que está por encima de donde el pistón «barre») en volumen comprimido solo.
Por qué es Mejor Es Complicado
Pero entender qué es la relación de compresión es menos importante que entender por qué nos importa, o por qué la alta compresión es una aspiración.
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La mejor explicación que obtuve en esto vino de mi compañero de trabajo e ingeniero David Tracy, quien luego contactó con otros ingenieros y profesores para obtener ayuda. La mejor respuesta vino del Dr. Andy Randolph, Director Técnico de ECR Engines. Hace investigación de tren motriz para NASCAR, y su explicación es súper clara:
Desde una perspectiva de lego, la potencia del motor se genera cuando la combustión ejerce una fuerza sobre el pistón y empuja el pistón hacia abajo durante la carrera de expansión.
Cuanto más alto esté el pistón en el orificio cuando comience la combustión, más fuerza se ejercerá.
A medida que aumenta la relación de compresión, el pistón se mueve más alto en el orificio en el centro muerto superior, por lo tanto, hay una fuerza adicional para la carrera de expansión (la fuerza adicional para la misma cantidad de combustible equivale a una mayor eficiencia).
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Ahora, realmente deberíamos entender más sobre el por qué además del cómo, y eso significa que vamos a tener que aventurarnos en el reino de la termodinámica.
El punto básico de todo esto es que una relación de compresión más alta significa que el motor está obteniendo más trabajo con la misma cantidad de combustible. Eso es bueno para la potencia y también millas por galón.
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Para explicar por qué una relación de compresión más alta produce una mejor eficiencia, no vamos a sumergirnos demasiado en la termodinámica, pero qué demonios, sumerjámonos en nuestros dedos de los pies. Es saludable y bueno para el alma.
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Una compresión más alta Significa Más Trabajo Pero Más Presión
La imagen de arriba muestra un diagrama P-V, o Presión-Volumen, para un motor de gasolina ideal y típico. Muestra, visualmente, lo que está pasando en su motor mientras quema gasolina.
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En el diagrama de arriba, la curva 1-2 inferior muestra el trazo de compresión.
La línea 2-3 muestra la combustión.
La curva superior 3-4 muestra la carrera de expansión.
Y la línea 4-1 muestra rechazo de calor cuando la válvula de escape se abre.
Para ser más técnico, en el diagrama, la curva 1-2 muestra la carrera de compresión en la que la presión (eje y) aumenta y el volumen (eje x) disminuye a medida que el pistón trabaja sobre el gas, apretándolo. La línea 2-3 muestra el calor liberado durante la combustión, aumentando rápidamente la presión y la temperatura del gas. La curva 3-4 muestra el aumento de volumen y la caída de presión a medida que el gas funciona en el pistón durante la carrera de expansión. La línea 4-1 muestra el rechazo del calor del gas al entorno a medida que la presión vuelve al ambiente con la apertura de la válvula de escape. Finalmente, la línea plana 1-5 en la parte inferior representa la carrera de escape y el pistón que regresan al centro muerto superior al final.
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El área dentro de los 1-2-3-4 líneas representa la cantidad de trabajo realizado por el motor. Una relación de compresión más alta significa que las dos líneas verticales en la gráfica se moverán hacia la izquierda y hacia arriba, dejando más área dentro de los límites que con una relación de compresión más baja, y por lo tanto se está trabajando. Pero como pueden ver en ese diagrama, alcanzarían una presión más alta. Dicho de otra manera, terminaría con más trabajo mecánico de su motor de alta relación de compresión. Obtendrías más presión en el cilindro y en el pistón por la entrada de calor de la combustión.
Mayor Compresión También Significa Más Eficiencia Térmica
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también Es importante tener en cuenta que la entrada de calor y la pérdida de calor durante el ciclo de su motor se refiere a la eficiencia como una función de la relación de compresión. Todo funciona con dos ideas. La primera es que cualquier energía térmica que ingrese al sistema debe convertirse en trabajo mecánico o calor residual. La segunda es que la eficiencia térmica es simplemente la salida de trabajo dividida por la entrada de calor. Entonces se puede derivar la relación entre la eficiencia térmica y la relación de compresión, como el MIT trazado en su página web y mostrado arriba. La ecuación está aquí (nu es eficiencia térmica, r es relación de compresión y gamma es una propiedad del fluido):
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Como se le da a un motor de cierto desplazamiento una relación de compresión más alta, se desplaza efectivamente el diagrama P-V hacia arriba y hacia la izquierda y se aumenta la entrada de calor (Qh en el diagrama) más que la pérdida de calor (Ql). Dicho de otra manera, estás convirtiendo más de tu energía de entrada en trabajo. Aquí está Jason Fenske, de Ingeniería, que explicó la relación entre la relación de compresión, la transferencia de calor y la eficiencia:
De todos modos, el punto es que la termodinámica dicta que la eficiencia térmica aumenta con la relación de compresión, como se puede ver en la gráfica y la ecuación anteriores. Y eso significa más potencia, mejor economía de combustible, carteras más pesadas y sonrisas más grandes. Conduce cualquier V8 americano de baja compresión, lento, con sibilancias, que succione gasolina y sabrás a lo que me refiero.
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La relación de compresión es también lo que hace que motores como el Skyactiv-G de Mazda sean tan eficientes. El primero de una ola de nuevos motores de alta compresión y compresión variable de Mazda, Nissan/Infiniti y Toyota, el Mazda tiene la relación de compresión más alta en el negocio en este momento, a 14:1, por lo que puede manejar altas cifras de ahorro de combustible y potencia incluso sin un turbocompresor.
Por qué una compresión más Alta Significa Que Necesita un Octanaje Más Alto
¿Por qué no todos usan relaciones de compresión altas? Bueno, la alta compresión es la razón por la que muchos motores de alto rendimiento necesitan combustible de primera calidad o gasolina de alto octanaje. Las clasificaciones de octanaje son, como señala este artículo de How Stuff Works, una medida de la capacidad de la gasolina para resistir la detonación.
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En comparación con el gas con un índice de octanaje alto, la gasolina que tiene un índice de octanaje bajo es más probable que se encienda automáticamente debido a las altas temperaturas y presiones de carga de aire. Básicamente, quieres el gas que se enciende cuando quieres, no el que se enciende cuando no quieres. Ese tipo de combustión incontrolada se llama golpear. Golpear es malo; reduce el par y puede causar daños irreparables a su motor.
La compresión alta aumenta el riesgo de golpear, por lo que los motores de compresión muy alta funcionan con gas de carrera de alto octanaje o (más comúnmente ahora) E85. Los gases tienden a calentarse cuando se comprimen, por lo que el aumento de la densidad de calor podría provocar que el combustible se queme prematuramente antes de que la bujía lo encienda. Para reiterar: Eso es malo.
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Mazda tuvo que hacer mucho trabajo en su diseño de pistón y escape para mitigar los golpes en su motor 14:1 que funciona con gas de bomba. Los pistones de un motor Skyactiv-X, por ejemplo, tienen una cavidad en el medio, para permitir que Mazda dispare una ráfaga de combustible rico alrededor de la bujía de encendido en una mezcla magra y, sí, hay una razón por la que esta no fue una tecnología fácil de desarrollar.
Lo que también es interesante es que no puedes hacer un motor con una relación de compresión tan alta como quieras. Contacté con John Hoyenga, propietario de la tienda performance Exhaust and rally Performance Sin nombre, para hablar sobre los riesgos y beneficios de la alta compresión.
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John está construyendo un coche de rally Nissan 240SX en el que está intercambiando un SR20VE de cuatro cilindros, que actualmente genera unos 250 caballos de fuerza en las ruedas con solo 2,0 litros. Esto es, sorprendentemente, sin turbo. Todo lo que John tiene que agradecer es su muy alta relación de compresión de 14.5:1. «Hay más trabajo hecho por compresión», explicó, » por lo que más potencia generará sin impulso.»
Dicho esto, debido a que este es un motor de carrera, lo está ejecutando con gas de carrera o E85 de octanaje extremadamente alto. John dijo que cualquier relación de compresión superior a 14,5:1 correría el riesgo de autoignición, y podría disparar una varilla o girar un rodamiento. Esto es lo que casualmente conoce como «la voladura.»
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Hay un Límite de Lo alto que Puedes Llegar
Pregunté si es por eso que no vemos que la gente no esté corriendo con motores que tienen ratios de compresión significativamente más altos que cualquier cosa que veamos hoy en día. Proporciones obscenamente altas, como 60:1. John se rió. Explicó que el metal simplemente no puede soportar niveles tan altos de estrés, y una relación de compresión como esa haría funcionar las cosas tan calientes que explotaría cualquier motor actual.
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Por supuesto, no todos estamos construyendo autos de carreras con motores de carreras, por lo que alterar las relaciones de compresión no es algo de lo que tengamos que preocuparnos. Pero somos propietarios casuales de automóviles y entusiastas de los cuasi motores, por lo que esta fue una explicación de lo que significa la relación de compresión y por qué importa. Ya no tienes que fingirlo, ahora sabes lo que es.
Ahora, ve a buscar a ese trapecista y dile cómo te sientes.
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el Escritor en Jalopnik y consumidor de muchos de los fideos.