oto co”współczynnik kompresji”faktycznie oznacza i dlaczego ma znaczenie

słyszałeś już termin współczynnik kompresji, ale czy kiedykolwiek zastanawiałeś się dokładnie, co to znaczy? Czas wyjaśnić, czym jest współczynnik kompresji i dlaczego każdy producent samochodów ma teraz obsesję na jego punkcie, jakby to był Święty Graal.

współczynnik kompresji, co prawda, jest bardziej skomplikowany niż się wydaje na początku. Nie pomaga to, że jest to jeden z tych terminów, które słyszysz rzucając się na spotkaniach samochodowych i w komunikatach prasowych bez poważnego wyjaśnienia. To jedna z tych rzeczy, które w większości udajesz, że rozumiesz, próbując zaimponować temu artyście trapezowemu, którego spotkałeś w cyrku w zeszły weekend.

wiemy, że wysoka kompresja jest dobra, a niska jest zła. Wiemy, że nowy silnik Mazdy Skyactiv – X ” Święty Graal „ma wysoką kompresję, wraz z serią” diesel slayer „Infiniti i serią” Dynamic Force ” Toyoty, które reklamują więcej mocy i większą wydajność.

żyjemy w czasach, w których inżynierowie nie mogą po prostu dać silnikowi większej mocy, czyniąc go większym. Zmiana stopnia sprężania silnika staje się sposobem jej wykonania.

(przy okazji, jeśli to czytasz i wciągasz, bo już wiesz, jaki jest współczynnik kompresji, to dobrze dla ciebie! Nie wszyscy inni.)

to, co definiuje Stopień sprężania, jest bardzo proste

stopień sprężania jest dokładnie tym, jak to brzmi—współczynnikiem, w którym kompresujesz maksymalną objętość cylindra do minimalnej objętości cylindra. To jest objętość cylindra, gdy tłok jest w dół w porównaniu do całej drogi do góry. To jest napisane i powiedziane jako stosunek. Na przykład, dla silnika o współczynniku sprężania 9: 1, można powiedzieć, że jest to ” dziewięć do jednego.”

teraz wyobraź sobie cylinder w głowie. Tłok porusza się w górę iw dół wewnątrz cylindra. Gdy tłok znajduje się w najniższym punkcie, nazywa się to dolnym martwym środkiem. Tam objętość cylindra jest największa. Gdy tłok znajduje się w najwyższym punkcie cylindra, nazywa się to górnym martwym środkiem, i tam objętość cylindra jest najmniejsza. Porównanie tych dwóch tomów jest, skąd bierze się twój stosunek.

Jeśli jesteś wzrokowcem takim jak ja, spodoba ci się ten GIF, który zrobiłem pokazujący, jak działa silnik czterosuwowy. Widzisz, jak tłok porusza się w górę podczas suwu sprężania? To wszystko powietrze i paliwo są sprężane w cylindrze. Jeśli silnik ma wysoki stopień sprężania, oznacza to, że dana objętość powietrza i paliwa w cylindrze jest ściskana na znacznie mniejszą przestrzeń niż silnik o niższym stopniu sprężania.

a teraz przykład z prostą matematyką, mój ulubiony rodzaj.

masz silnik, którego pojemność cylindra i komory spalania wynosi 10 cm3, gdy tłok znajduje się na dole. Po zamknięciu zaworu wlotowego i podniesieniu tłoka podczas suwu sprężania, ściska on mieszankę powietrza i paliwa w Przestrzeń jednego centymetra sześciennego. Ten silnik ma stopień sprężania 10: 1.

To jest to! To jest stopień sprężania. Całkowita objętość skokowa plus objętość sprężona (w tym objętość głowicy cylindrów i wszystko powyżej, gdzie tłok „wymiata”) do samej objętości sprężonej.

dlaczego jest lepiej jest skomplikowane

ale zrozumienie, jaki jest współczynnik kompresji, jest mniej ważne niż zrozumienie, dlaczego nam na tym zależy, lub dlaczego wysoka kompresja jest takim aspiracją.

najlepsze wyjaśnienie, jakie otrzymałem, pochodzi od mojego współpracownika i inżyniera Davida Tracy, który następnie zwrócił się o pomoc do innych inżynierów i profesorów. Najlepszą odpowiedzią na te pytania był dr Andy Randolph, Dyrektor Techniczny ECR Engines. Prowadzi badania nad układem napędowym dla NASCAR, a jego wyjaśnienie jest bardzo jasne:

z laickiego punktu widzenia, moc silnika jest generowana, gdy spalanie wywiera siłę na tłok i popycha tłok w dół cylindra podczas suwu rozprężania.

im wyższy tłok znajduje się w otworze, gdy rozpoczyna się spalanie, tym większa siła zostanie wywierana.

wraz ze wzrostem stopnia sprężania tłok porusza się wyżej w otworze w górnym martwym środku, stąd pojawia się dodatkowa siła dla skoku rozprężnego (Dodatkowa siła dla tej samej ilości paliwa oznacza wyższą wydajność).

teraz naprawdę powinniśmy zrozumieć więcej na temat dlaczego oprócz tego jak, a to oznacza, że będziemy musieli wkroczyć w sferę termodynamiki.

podstawowym punktem tego wszystkiego jest to, że wyższy stopień sprężania oznacza, że silnik pracuje więcej z tej samej ilości paliwa. To dobre dla mocy, a także mil na galon.

aby wyjaśnić, dlaczego wyższy stopień sprężania daje lepszą wydajność, nie będziemy zanurkować zbyt głęboko w termodynamikę, ale co tam, po prostu zanurzmy nasze palce. To jest zdrowe i dobre dla duszy.

wyższa Kompresja oznacza więcej pracy, ale większe ciśnienie

powyższy obraz przedstawia schemat P-V lub ciśnienie-objętość dla idealnego i typowego silnika benzynowego. Wizualnie pokazuje, co dzieje się w Twoim silniku, gdy pali benzynę.

na powyższym diagramie dolna krzywa 1-2 pokazuje skok kompresji.

linia 2-3 pokazuje spalanie.

górna krzywa 3-4 pokazuje skok ekspansji.

i linia 4-1 pokazuje odrzucenie ciepła, gdy otwiera się zawór wydechowy.

aby być bardziej technicznym, na wykresie krzywa 1-2 pokazuje skok sprężania, w którym ciśnienie (oś y) wzrasta, a objętość (oś x) spada, gdy tłok pracuje na gazie, ściskając go. Linia 2-3 pokazuje ciepło uwalniane podczas spalania, szybko zwiększając ciśnienie i temperaturę gazu. Krzywa 3-4 pokazuje wzrost objętości i spadek ciśnienia, gdy gaz pracuje na tłoku podczas suwu rozprężania. Linia 4-1 pokazuje odrzucenie ciepła z gazu do otoczenia, gdy ciśnienie powraca do otoczenia z otwieranym zaworem wydechowym. Wreszcie płaska linia 1-5 na dole reprezentuje skok wydechu i tłok wracający do górnego martwego środka na końcu.

obszar w tych liniach 1-2-3-4 przedstawia ile pracy wykonał silnik. Wyższy współczynnik kompresji oznacza, że dwie pionowe linie na wykresie przesuwają się w lewo i w górę, pozostawiając więcej obszaru w granicach niż przy niższym współczynniku kompresji, a tym samym wykonywaną pracę. Ale jak widać na tym wykresie, uderzylibyśmy w wyższe ciśnienie. Innymi słowy, otrzymałbyś więcej pracy mechanicznej dzięki silnikowi o wysokim stopniu sprężania. Uzyskałbyś większe ciśnienie w cylindrze i na tłoku od ciepła wprowadzanego przez spalanie.

wyższa Kompresja oznacza również większą sprawność cieplną

ważne jest również, aby pamiętać, że pobór ciepła i straty ciepła podczas cyklu silnika odnoszą się do wydajności jako funkcji stopnia sprężania. Całość opiera się na dwóch pomysłach. Po pierwsze, niezależnie od tego, jaka energia cieplna trafia do systemu, musi zostać przekształcona na pracę mechaniczną lub ciepło odpadowe. Po drugie, sprawność cieplna to po prostu wydajność pracy podzielona przez wkład ciepła. Następnie można uzyskać zależność między wydajnością cieplną a stopniem sprężania, jak MIT na stronie internetowej i pokazanej powyżej. Równanie jest tutaj (nu to sprawność cieplna, r to stopień sprężania, a gamma to własność płynu):

gdy nadajesz silnikowi o określonej pojemności skokowej wyższy stopień sprężania, skutecznie przesuwasz diagram P-V w górę i w lewo i zwiększasz wkład ciepła (QH na diagramie) bardziej niż straty ciepła (QL). Mówiąc inaczej, zamieniasz więcej energii wejściowej na pracę. Jason Fenske z działu inżynierii wyjaśnił, że zależność między współczynnikiem sprężania, transferem ciepła i wydajnością:

w każdym razie, chodzi o to, że Termodynamika nakazuje, że sprawność cieplna wzrasta wraz ze współczynnikiem sprężania, jak widać na powyższym wykresie i równaniu. A to oznacza więcej koni mechanicznych, lepsze zużycie paliwa, cięższe portfele i większy uśmiech. Przejedź każdą ospałą, świszczącą, ssącą Gaz, starą, niskoprężną amerykańską V8, a będziesz wiedział, o co mi chodzi.

Współczynnik sprężania jest również tym, co sprawia, że silniki takie jak silnik SKYACTIV-G Mazdy są tak wydajne. Pierwszy z fali nowych silników o wysokim kompresji i zmiennym kompresji Mazda, Nissan/Infiniti i Toyota, Mazda ma najwyższy stopień sprężania w branży teraz, na 14: 1, dlatego może zarządzać wysoką oszczędność paliwa i dane mocy nawet bez turbosprężarki.

dlaczego wyższa Kompresja oznacza, że potrzebujesz wyższej liczby oktanowej

Dlaczego nie wszyscy po prostu używają wysokich współczynników kompresji? Cóż, wysoki kompresja jest powodem, dla którego wiele wydajnych silników potrzebuje paliwa premium, lub wysokooktanowej benzyny. Liczba oktanowa jest, jak wskazuje artykuł, miarą odporności benzyny na detonację.

w porównaniu z gazem o wysokiej liczbie oktanowej benzyna o niskiej liczbie oktanowej jest bardziej narażona na samozapłon z powodu wysokich temperatur i ciśnień ładunku powietrza. Zasadniczo, chcesz gazu, który zapala się, kiedy chcesz, a nie takiego, który zapala się, kiedy nie chcesz. Ten rodzaj niekontrolowanego spalania nazywa się pukaniem. Pukanie jest złe; zmniejsza moment obrotowy i może spowodować nieodwracalne uszkodzenie silnika.

wysoki stopień sprężania zwiększa ryzyko stukania, dlatego silniki o bardzo wysokim stopniu sprężania napędzają wysokooktanowy gaz ziemny lub (obecnie częściej) E85. Gazy mają tendencję do nagrzewania się podczas sprężania, więc zwiększona gęstość ciepła może prowadzić do przedwczesnego spalania paliwa, zanim zapali go świeca zapłonowa. Powtarzam: to źle.

Mazda musiała sporo popracować nad konstrukcją tłoka i układu wydechowego, aby złagodzić stukanie w silnik 14:1 pracujący na gazie pompy. Tłoki w silniku Skyactiv-X, na przykład, mają wgłębienie w środku, aby Mazda mogła wystrzelić strumień bogatego paliwa wokół zapalającej się świecy zapłonowej w skądinąd chudej mieszance i, tak, jest powód, dla którego nie była to łatwa technologia do opracowania.

interesujące jest to, że nie można po prostu zrobić silnika o tak wysokim stopniu sprężania, jak chcesz. Skontaktowałem się z Johnem Hoyenga, właścicielem performance exhaust i rally shop Nameless Performance, aby porozmawiać o zagrożeniach i korzyściach płynących z wysokiej kompresji.

John buduje samochód rajdowy Nissan 240SX, do którego zamienia czterocylindrowy SR20VE, obecnie robi około 250 koni mechanicznych na kołach z zaledwie 2,0 litra. Jest to, co zaskakujące, bez turbo. Wszystko, co John musi podziękować, to bardzo wysoki współczynnik kompresji 14,5: 1. „Jest więcej pracy wykonanej przez kompresję,” wyjaśnił ,” więc więcej mocy będzie bez boost.”

To powiedziawszy, ponieważ jest to silnik wyścigowy, jeździ nim na gazie wyścigowym lub ekstremalnie wysokooktanowym E85. John powiedział, że wszystko, co przekracza stopień sprężania 14,5:1, może powodować ryzyko samozapłonu i może wystrzelić pręt lub obrócić łożysko. To jest to, co od niechcenia określa się jako „wysadzenie.”

jest granica tego, jak wysoko można jechać

zapytałem, czy dlatego nie widzimy ludzi, którzy nie biegają z silnikami o znacznie wyższym współczynniku sprężania niż cokolwiek, co widzimy dzisiaj. Nieprzyzwoicie wysokie proporcje, jak 60:1. John zaśmiał się. Wyjaśnił, że metal po prostu nie może wytrzymać tak wysokiego poziomu naprężeń, a taki stopień sprężania doprowadzałby rzeczy do tak wysokiej temperatury, że wysadzałby Każdy obecny silnik.

oczywiście nie każdy z nas buduje samochody wyścigowe z silnikami wyścigowymi, więc zmiana współczynnika kompresji nie jest czymś, o co nigdy nie musimy się martwić. Ale jesteśmy zwykłymi właścicielami samochodów i entuzjastami quasi-silników, więc to było wyjaśnienie, co oznacza stopień sprężania i dlaczego ma znaczenie. Nie musisz już udawać, teraz wiesz, co to jest.

a teraz idź i znajdź tego trapezowego artystę i powiedz mu, co czujesz!