Voici Ce Que ‘Taux De Compression’ Signifie Réellement Et Pourquoi Cela Compte

Vous avez déjà entendu le terme taux de compression, mais vous êtes-vous déjà demandé exactement ce que cela signifie? Eh bien, il est temps d’expliquer exactement ce qu’est le taux de compression, et pourquoi chaque constructeur est maintenant obsédé par cela comme si c’était le Saint Graal.

Le taux de compression, certes, est plus compliqué qu’il n’y paraît au premier abord. Cela n’aide pas que ce soit l’un de ces termes que vous entendez se faire jeter lors des réunions de voitures et dans les communiqués de presse sans explication sérieuse. C’est une de ces choses que vous faites surtout semblant de comprendre en essayant d’impressionner le trapéziste que vous avez rencontré au cirque le week-end dernier.

Nous savons qu’une compression élevée est bonne et qu’une compression faible est mauvaise. Nous savons que le nouveau moteur Skyactiv-X « Holy Grail” de Mazda est à haute compression, ainsi que les séries « diesel slayer” d’Infiniti et « Dynamic Force” de Toyota qui annoncent toutes plus de puissance et plus d’efficacité.

Nous vivons à une époque où les ingénieurs ne peuvent pas simplement donner plus de puissance à un moteur en le rendant plus grand. Changer le taux de compression d’un moteur devient la façon dont cela se fait.

(Au fait, si vous lisez ceci et que vous reniflez parce que vous savez déjà quel est le taux de compression, tant mieux pour vous! Tout le monde ne le fait pas.)

Ce qui définit le Taux de compression Est Super Simple

Un taux de compression est exactement ce à quoi il ressemble — un rapport où vous compressez le volume de cylindre maximum dans le volume de cylindre minimum. C’est le volume du cylindre lorsqu’un piston est tout en bas par rapport à tout le chemin vers le haut. C’est écrit et dit comme un rapport. Par exemple, pour un moteur avec un taux de compression de 9: 1, vous diriez que c’est « neuf contre un. »

Imaginez maintenant un cylindre dans votre tête. Le piston se déplace de haut en bas à l’intérieur de ce cylindre. Lorsque le piston est au point le plus bas, c’est ce qu’on appelle le point mort bas. C’est là que le volume du cylindre est le plus élevé. Lorsque le piston est au point le plus élevé dans le cylindre, c’est ce qu’on appelle le point mort haut, et c’est là que le volume du cylindre est le plus petit. La comparaison de ces deux volumes est d’où vient votre ratio.

Si vous êtes un apprenant visuel comme moi, vous aimerez ce GIF que j’ai fait montrant comment fonctionne un moteur à quatre temps. Voyez comment le piston monte pendant cette course de compression? C’est tout l’air et le carburant qui se compressent dans le cylindre. Si un moteur a un taux de compression élevé, cela signifie qu’un volume donné d’air et de carburant dans le cylindre est comprimé dans un espace beaucoup plus petit qu’un moteur avec un taux de compression inférieur.

Et maintenant pour un exemple avec des mathématiques simples, mon genre préféré.

Supposons que vous ayez un moteur dont le volume du cylindre et de la chambre de combustion est de 10 cc lorsque le piston est au point mort bas. Une fois que la soupape d’admission se ferme et que le piston se lève pendant la course de compression, il comprime le mélange d’air et de carburant dans l’espace d’un seul centimètre cube. Ce moteur a un taux de compression de 10: 1.

C’est tout! C’est le taux de compression. Volume total balayé plus volume comprimé (y compris le volume de la culasse et tout ce qui se trouve au-dessus où le piston « balaie”) en volume comprimé seul.

Pourquoi C’est mieux Est Compliqué

Mais comprendre ce qu’est le taux de compression est moins important que de comprendre pourquoi nous nous en soucions, ou pourquoi une compression élevée est une telle aspiration.

La meilleure explication que j’ai eue à ce sujet est venue de mon collègue et ingénieur David Tracy, qui a ensuite contacté d’autres ingénieurs et professeurs pour obtenir de l’aide. La meilleure réponse de ceux-ci est venue du Dr Andy Randolph, directeur technique chez ECR Engines. Il fait des recherches sur le groupe motopropulseur pour la NASCAR, et son explication est très claire:

Du point de vue des profanes, la puissance du moteur est générée lorsque la combustion exerce une force sur le piston et pousse le piston vers le bas du cylindre pendant la course d’expansion.

Plus le piston est haut dans l’alésage lorsque la combustion commence, plus la force sera exercée.

À mesure que le taux de compression augmente, le piston se déplace plus haut dans l’alésage au point mort haut, d’où une force supplémentaire pour la course de détente (une force supplémentaire pour la même quantité de carburant équivaut à un rendement plus élevé).

Maintenant, nous devrions vraiment mieux comprendre le pourquoi en plus du comment, et cela signifie que nous allons devoir nous aventurer dans le domaine de la thermodynamique.

Le point fondamental de tout cela est qu’un taux de compression plus élevé signifie que le moteur tire plus de travail de la même quantité de carburant. C’est bon pour la puissance et aussi les miles par gallon.

Pour expliquer pourquoi un taux de compression plus élevé donne une meilleure efficacité, nous n’allons pas plonger trop profondément dans la thermodynamique, mais bon sang, trempons nos orteils. C’est sain et bon pour l’âme.

Une compression plus élevée Signifie Plus de travail Mais Plus de pression

L’image ci-dessus montre un diagramme P-V, ou Pression-Volume, pour un moteur à essence idéal et typique. Il montre, visuellement, ce qui se passe dans votre moteur lorsqu’il brûle de l’essence.

Dans le diagramme ci-dessus, cette courbe inférieure 1-2 montre la course de compression.

La ligne 2-3 montre la combustion.

La courbe supérieure 3-4 montre la course d’expansion.

Et la ligne 4-1 montre un rejet de chaleur lorsque la soupape d’échappement s’ouvre.

Pour être plus technique, dans le diagramme, la courbe 1-2 montre la course de compression dans laquelle la pression (axe y) augmente et le volume (axe x) diminue lorsque le piston travaille sur le gaz, le pressant. La ligne 2-3 montre la chaleur dégagée lors de la combustion, augmentant rapidement la pression et la température du gaz. La courbe 3-4 montre l’augmentation du volume et la chute de pression lorsque le gaz travaille sur le piston pendant la course de détente. La conduite 4-1 montre le rejet de chaleur du gaz vers l’environnement lorsque la pression revient à la température ambiante avec l’ouverture de la soupape d’échappement. Enfin, la ligne plate 1-5 en bas représente la course d’échappement et le piston revenant au point mort haut à la fin.

La zone dans ces 1-2-3-4 lignes représente le travail effectué par le moteur. Un taux de compression plus élevé signifie que les deux lignes verticales du tracé se déplaceront vers la gauche et vers le haut, laissant plus de surface dans les limites qu’avec un taux de compression plus faible, et donc le travail est effectué. Mais comme vous pouvez le voir sur ce diagramme, vous frapperiez une pression plus élevée. Autrement dit, vous vous retrouveriez avec plus de travail mécanique de votre moteur à taux de compression élevé. Vous auriez plus de pression dans le cylindre et sur votre piston à cause de l’apport de chaleur de la combustion.

Une Compression Plus Élevée Signifie Également Plus D’Efficacité Thermique

Il est également important de noter que l’apport de chaleur et la perte de chaleur pendant le cycle de votre moteur sont liés au rendement en fonction du taux de compression. Le tout fonctionne sur deux idées. La première est que toute énergie thermique entrant dans le système doit être convertie en travail mécanique ou en chaleur résiduelle. La seconde est que l’efficacité thermique est simplement la production de travail divisée par l’apport de chaleur. Ainsi, vous pouvez dériver la relation entre l’efficacité thermique et le taux de compression, comme le MIT tracé sur sa page Web et illustré ci-dessus. L’équation est ici (nu est l’efficacité thermique, r est le taux de compression et gamma est une propriété du fluide) :

Lorsque vous donnez un taux de compression plus élevé à un moteur d’une certaine cylindrée, vous déplacez efficacement le diagramme P-V vers le haut et vers la gauche, et augmentez l’apport de chaleur (Qh dans le diagramme) plus que la perte de chaleur (Ql). Autrement dit, vous transformez davantage votre énergie d’entrée en travail. Voici Jason Fenske de l’ingénierie A expliqué décomposer cette relation entre le taux de compression, le transfert de chaleur et l’efficacité:

Quoi qu’il en soit, le fait est que la thermodynamique dicte que l’efficacité thermique augmente avec le taux de compression, comme vous pouvez le voir par ce graphique et cette équation ci-dessus. Et cela signifie plus de puissance, une meilleure économie de carburant, des portefeuilles plus lourds et des sourires plus grands. Conduisez n’importe quel vieux V8 américain à faible compression lent, sifflant, suceur de gaz et vous saurez ce que je veux dire.

Le taux de compression est également ce qui rend les moteurs comme le moteur Skyactiv-G de Mazda si efficaces. Première d’une vague de nouveaux moteurs à compression élevée et à compression variable de Mazda, Nissan / Infiniti et Toyota, la Mazda a le taux de compression le plus élevé de l’industrie en ce moment, à 14: 1, c’est pourquoi elle peut gérer des économies de carburant et des chiffres de puissance élevés même sans turbocompresseur.

Pourquoi Une Compression Plus Élevée Signifie Que Vous Avez Besoin d’Un Indice d’Octane plus élevé

Pourquoi tout le monde n’utilise-t-il pas simplement des taux de compression élevés? Eh bien, une compression élevée est la raison pour laquelle de nombreux moteurs performants ont besoin de carburant de qualité supérieure ou d’essence à indice d’octane élevé. Les indices d’octane sont, comme le souligne cet article How Stuff Works, une mesure de la capacité de l’essence à résister à la détonation.

Par rapport au gaz à indice d’octane élevé, l’essence à indice d’octane faible est plus susceptible de s’enflammer automatiquement en raison de températures et de pressions de charge d’air élevées. Fondamentalement, vous voulez le gaz qui s’enflamme quand vous le voulez, pas le genre qui s’enflamme quand vous ne le voulez pas. Ce type de combustion incontrôlée s’appelle frapper. Frapper est mauvais; cela réduit le couple et peut causer des dommages irréparables à votre moteur.

Une compression élevée augmente le risque de cliquetis, c’est pourquoi les moteurs à très haute compression fonctionnent au gaz de course à indice d’octane élevé ou (plus communément maintenant) au E85. Les gaz ont tendance à chauffer lorsqu’ils sont comprimés, de sorte que la densité de chaleur accrue pourrait entraîner une combustion prématurée du carburant avant que la bougie ne l’enflamme. Pour répéter: C’est mauvais.

Mazda a dû faire beaucoup de travail sur la conception de son piston et de son échappement pour atténuer les chocs sur son moteur 14:1 fonctionnant à l’essence de la pompe. Les pistons d’un moteur Skyactiv-X, par exemple, ont une cavité au milieu, pour permettre à Mazda de tirer une rafale de carburant riche autour de la bougie d’allumage dans un mélange autrement maigre et, oui, il y a une raison pour laquelle ce n’était pas une technologie facile à développer.

Ce qui est également intéressant, c’est que vous ne pouvez pas simplement créer un moteur avec un taux de compression aussi élevé que vous le souhaitez. J’ai contacté John Hoyenga, propriétaire du magasin performance exhaust and rally shop Nameless Performance, pour discuter des risques et des avantages d’une compression élevée.

John construit une voiture de rallye Nissan 240SX dans laquelle il échange un quatre cylindres SR20VE, développant actuellement environ 250 chevaux aux roues à partir de seulement 2,0 litres. C’est, étonnamment, sans turbo. Tout ce que John doit remercier, c’est son taux de compression très élevé de 14,5:1. ”Il y a plus de travail effectué par compression », a-t-il expliqué, « donc plus la puissance sera élevée sans boost. »

Ceci étant dit, parce que c’est un moteur de course, il le fait fonctionner avec du gaz de course ou un indice d’octane extrêmement élevé E85. John a dit que tout rapport de compression supérieur à 14,5: 1 risquerait d’auto-allumage et qu’il pourrait tirer une tige ou faire tourner un roulement. C’est ce que l’on appelle par désinvolture « exploser. »

Il y a Une Limite À La Hauteur Que Vous Pouvez Atteindre

J’ai demandé si c’est pour cette raison que nous ne voyons pas que les gens ne tournent pas avec des moteurs qui ont des taux de compression nettement plus élevés que tout ce que nous voyons aujourd’hui. Des ratios obscénement élevés, comme 60:1. John a ri. Il a expliqué que le métal ne pouvait tout simplement pas résister à des niveaux de stress aussi élevés, et qu’un taux de compression comme celui-ci ferait tourner les choses si chaudes qu’il ferait exploser n’importe quel moteur actuel.

Bien sûr, nous ne construisons pas tous des voitures de course avec des moteurs de course, donc modifier les taux de compression n’est pas quelque chose dont nous devons nous inquiéter. Mais nous sommes des propriétaires de voitures occasionnels et des passionnés de quasi-moteur, c’était donc une explication de ce que signifie le taux de compression et pourquoi cela compte. Vous n’avez plus à le simuler, vous savez maintenant ce que c’est.

Maintenant, allez trouver ce trapéziste et dites-lui ce que vous ressentez!