Ecco Cos’e ‘il Rapporto di Compressione’ in Realtà Significa E Perché È importante

Viviamo in un’epoca in cui gli ingegneri non possono semplicemente dare più potenza a un motore rendendolo più grande. Cambiare il rapporto di compressione di un motore sta diventando come è fatto.

(A proposito, se stai leggendo questo e sbuffando perché sai già quale rapporto di compressione è, buono per te! Non tutti gli altri lo fanno.)

Ciò che definisce il rapporto di compressione è Super semplice

Un rapporto di compressione è esattamente quello che sembra—un rapporto in cui si sta comprimendo il volume massimo del cilindro nel volume minimo del cilindro. Questo è il volume del cilindro quando un pistone è tutta la strada verso il basso rispetto a tutta la strada fino alla cima. È scritto e detto come un rapporto. Ad esempio, per un motore con un rapporto di compressione 9:1, diresti che è “nove a uno.”

Ora immagina un cilindro nella tua testa. Il pistone si muove su e giù all’interno di quel cilindro. Quando il pistone è nel punto più basso, questo è chiamato Punto morto inferiore. Ecco dove il volume del cilindro è più grande. Quando il pistone è nel punto più alto all’interno del cilindro, questo è chiamato Punto morto superiore, ed è lì che il volume del cilindro è più piccolo. Il confronto di questi due volumi è da dove proviene il tuo rapporto.

Se sei uno studente visivo come me, ti piacerà questa GIF che ho fatto mostrando come funziona un motore a quattro tempi. Vedi come si muove il pistone durante quella corsa di compressione? Questa è tutta l’aria e il carburante che vengono compressi nel cilindro. Se un motore ha un alto rapporto di compressione, significa che un dato volume di aria e carburante nel cilindro viene schiacciato in uno spazio molto più piccolo di un motore con un rapporto di compressione inferiore.

E ora per un esempio con la matematica semplice, il mio tipo preferito.

Far finta di avere un motore il cui cilindro e il volume della camera di combustione è di 10 cc quando il pistone è al punto morto inferiore. Dopo che la valvola di aspirazione si chiude e il pistone si alza durante la corsa di compressione, stringe la miscela di aria e carburante nello spazio di un singolo centimetro cubo. Questo motore ha un rapporto di compressione di 10: 1.

Questo è tutto! Questo è il rapporto di compressione. Volume totale spazzato più volume compresso (compreso il volume della testata e tutto quanto sopra dove il pistone “spazza”) in volume compresso da solo.

Perché è meglio è complicato

Ma capire quale sia il rapporto di compressione è meno importante di capire perché ci preoccupiamo o perché l’alta compressione è una tale aspirazione.

La migliore spiegazione che ho ottenuto in questo è venuto dal mio collega e ingegnere David Tracy, che poi ha contattato altri ingegneri e professori per chiedere aiuto. La migliore risposta di questi è arrivata dal Dr. Andy Randolph, direttore tecnico di ECR Engines. Fa ricerche powertrain per NASCAR, e la sua spiegazione è super chiara:

Dal punto di vista dei profani, la potenza del motore viene generata quando la combustione esercita una forza sul pistone e spinge il pistone lungo il cilindro durante la corsa di espansione.

Maggiore è il pistone nel foro quando inizia la combustione, maggiore sarà la forza esercitata.

All’aumentare del rapporto di compressione, il pistone si sposta più in alto nel foro al punto morto superiore, quindi c’è una forza aggiuntiva per la corsa di espansione (una forza aggiuntiva per la stessa quantità di carburante equivale a una maggiore efficienza).

Ora, dovremmo davvero capire di più sul perché oltre al come, e questo significa che dovremo avventurarci nel regno della termodinamica.

Il punto fondamentale di tutto questo è che un rapporto di compressione più elevato significa che il motore sta ottenendo più lavoro dalla stessa quantità di carburante. Questo è un bene per il potere e anche miglia per gallone.

A spiegare perché un rapporto di compressione più alto produce maggiore efficienza, non abbiamo intenzione di immergersi troppo in profondità in termodinamica, ma che cavolo, basta immergere il nostro tippy dita. È sano e buono per l’anima.

Maggiore compressione significa più lavoro ma più pressione

L’immagine sopra mostra un diagramma P-V, o Pressione-Volume, per un motore a benzina ideale e tipico. Mostra, visivamente, cosa sta succedendo nel tuo motore mentre brucia benzina.

Nel diagramma sopra, quella curva inferiore 1-2 mostra la corsa di compressione.

La linea 2-3 mostra la combustione.

La curva superiore 3-4 mostra il tratto di espansione.

E la linea 4-1 mostra il rifiuto del calore quando la valvola di scarico si apre.

Per essere più tecnici, nel diagramma la curva 1-2 mostra la corsa di compressione in cui la pressione (asse y) aumenta e il volume (asse x) scende mentre il pistone lavora sul gas, schiacciandolo. La linea 2-3 mostra il calore rilasciato durante la combustione, aumentando rapidamente la pressione e la temperatura del gas. La curva 3-4 mostra l’aumento del volume e la caduta di pressione mentre il gas funziona sul pistone durante la corsa di espansione. La linea 4-1 mostra il rifiuto del calore dal gas all’ambiente circostante mentre la pressione ritorna all’ambiente con l’apertura della valvola di scarico. Infine la linea piatta 1-5 sul fondo rappresenta la corsa di scarico e il pistone che ritorna al punto morto superiore alla fine.

L’area all’interno di quelle linee 1-2-3-4 rappresenta quanto lavoro svolto dal motore. Rapporto di compressione superiore significa che le due linee verticali sulla trama si sposteranno verso sinistra e verso l’alto, lasciando più area entro i limiti rispetto a un rapporto di compressione inferiore, e quindi il lavoro viene svolto. Ma come puoi vedere su quel diagramma, colpiresti una pressione più alta. In altre parole, finiresti con più lavoro meccanico dal tuo motore ad alto rapporto di compressione. Si otterrebbe più pressione nel cilindro e sul pistone dall’ingresso di calore dalla combustione.

Maggiore compressione significa anche maggiore efficienza termica

e ‘ anche importante notare che l’apporto di calore e la perdita di calore durante il ciclo del motore riguarda l’efficienza in funzione del rapporto di compressione. Il tutto funziona su due idee. Il primo è che qualunque energia termica entri nel sistema deve essere convertita in lavoro meccanico o calore di scarto. Il secondo è che l’efficienza termica è semplicemente l’output di lavoro diviso per l’input di calore. Quindi è possibile ricavare la relazione tra efficienza termica e rapporto di compressione, come MIT tracciata sulla sua pagina web e mostrata sopra. L’equazione è qui (nu efficienza termica, r è il rapporto di compressione, e la gamma è una proprietà dei fluidi):

Come si può dare un motore di un certo spostamento di un rapporto di compressione più elevato, si spostino il diagramma P-V e a sinistra, e aumentare l’apporto di calore (Qh nel diagramma) più che la perdita di calore (Ql). In altre parole, stai trasformando più della tua energia di input in lavoro. Ecco Jason Fenske di Engineering Spiegato scomponendo quella relazione tra rapporto di compressione, trasferimento di calore ed efficienza:

Comunque, il punto è che la termodinamica impone che l’efficienza termica aumenti con il rapporto di compressione, come puoi vedere da quella trama e dall’equazione sopra. E questo significa più potenza, migliore risparmio di carburante, portafogli più pesanti e sorrisi più grandi. Guidare qualsiasi lento, respiro affannoso, gas-succhiare, vecchio a bassa compressione V8 americano e saprete cosa intendo.

Il rapporto di compressione è anche ciò che rende i motori come il motore Skyactiv-G di Mazda così efficiente. La prima di un’ondata di nuovi motori ad alta compressione e a compressione variabile di Mazda, Nissan/Infiniti e Toyota, la Mazda ha il più alto rapporto di compressione nel business in questo momento, a 14:1, motivo per cui può gestire un elevato risparmio di carburante e cifre di potenza anche senza un turbocompressore.

Perché una compressione più elevata significa che hai bisogno di ottano più alto

Perché non tutti usano solo rapporti di compressione elevati? Bene, l’alta compressione è il motivo per cui molti motori ad alte prestazioni hanno bisogno di carburante premium o benzina ad alto numero di ottani. Le valutazioni di ottano sono, come sottolinea questo articolo, una misura della capacità della benzina di resistere alla detonazione.

Rispetto al gas con un alto numero di ottano, la benzina con un basso numero di ottano è più probabile che si accenda automaticamente a causa delle alte temperature e pressioni di carica dell’aria. Fondamentalmente, vuoi il gas che si accende quando vuoi, non il tipo che si accende quando non lo vuoi. Quel tipo di combustione incontrollata si chiama bussare. Bussare è male; riduce la coppia e può causare danni irreparabili al motore.

L’alta compressione aumenta il rischio di bussare, motivo per cui i motori a compressione molto elevata eseguono gas da corsa ad alto numero di ottani o (più comunemente ora) E85. I gas tendono a riscaldarsi quando sono compressi, quindi l’aumento della densità di calore potrebbe portare al combustibile che brucia prematuramente prima che la candela lo accenda. Per ribadire: Questo è male.

Mazda ha dovuto fare un sacco di lavoro per il suo pistone e il design di scarico per mitigare bussare al suo motore 14:1 in esecuzione sul gas della pompa. I pistoni in un motore Skyactiv-X, ad esempio, hanno una cavità nel mezzo, per consentire a Mazda di sparare una raffica di carburante ricco attorno alla candela di accensione in una miscela altrimenti magra e, sì, c’è un motivo per cui questa non era una tecnologia facile da sviluppare.

Ciò che è anche interessante è che non puoi semplicemente creare un motore con il rapporto di compressione più alto che vuoi. Ho contattato John Hoyenga, proprietario del negozio performance exhaust and rally Nameless Performance, per parlare di rischi e benefici dell’alta compressione.

John sta costruendo un’auto da rally Nissan 240SX in cui sta scambiando un quattro cilindri SR20VE, attualmente facendo circa 250 cavalli alle ruote da soli 2,0 litri. Questo è, sorprendentemente, senza turbo. Tutto ciò che John deve ringraziare è il suo altissimo rapporto di compressione 14.5: 1. “C’è più lavoro fatto dalla compressione”, ha spiegato, “quindi più potenza farà senza boost.”

Detto questo, perché questo è un motore da corsa, lo sta eseguendo con gas da corsa o ottano estremamente alto E85. John ha detto che qualsiasi cosa oltre il rapporto di compressione 14.5: 1 correrebbe il rischio di autoaccensione, e potrebbe sparare un’asta o far girare un cuscinetto. Questo è ciò che è casualmente indicato come ” blowing up.”

C’è un limite a quanto in alto puoi andare

Ho chiesto se questo è il motivo per cui non vediamo persone che non girano con motori che hanno rapporti di compressione significativamente più alti di qualsiasi cosa vediamo oggi. Rapporti oscenamente alti, tipo 60:1. John rise. Ha spiegato che il metallo semplicemente non può sopportare livelli così elevati di stress, e un rapporto di compressione del genere farebbe funzionare le cose così caldo da far saltare in aria qualsiasi motore corrente.

Naturalmente, non tutti noi stiamo costruendo auto da corsa con motori da corsa, quindi alterare i rapporti di compressione non è qualcosa di cui dobbiamo mai preoccuparci. Ma siamo proprietari di auto casuali e appassionati di quasi motori, quindi questa è stata una spiegazione di cosa significhi il rapporto di compressione e perché sia importante. Non devi più fingere, ora sai cos’è.

Ora, vai a trovare quel trapezista e digli come ti senti!