här är vad”kompressionsförhållande”egentligen betyder och varför det betyder

Du har hört termen kompressionsförhållande tidigare, men har du någonsin undrat exakt vad det betyder? Tja, det är dags att förklara exakt vad kompressionsförhållandet är, och varför varje biltillverkare nu är besatt av det som om det var den Heliga Gralen.

kompressionsförhållande är visserligen mer komplicerat än det verkar först. Det hjälper inte att det är en av de termer du hör kastas runt på bilmöten och i pressmeddelanden utan mycket allvarlig förklaring. Det är en av de saker som du mest låtsas förstå när du försöker imponera på den trapezeartisten du träffade på cirkusen förra helgen.

Vi vet att hög komprimering är bra, och att låg komprimering är dålig. Vi vet att Mazdas nya Skyactiv-X ”Holy Grail” – motor är hög kompression, tillsammans med Infinitis ”diesel slayer” och Toyotas ”Dynamic Force” – serie som alla annonserar mer kraft tillsammans med mer effektivitet.

vi lever i en tid där ingenjörer inte bara kan ge en motor mer kraft genom att göra den större. Att ändra motorns kompressionsförhållande blir hur det görs.

(förresten, om du läser detta och snortar eftersom du redan vet vilket kompressionsförhållande som är bra för dig! Inte alla andra gör det.)

vad definierar kompressionsförhållande är Super enkelt

ett kompressionsförhållande är precis vad det låter som—ett förhållande där du komprimerar den maximala cylindervolymen till minsta cylindervolym. Det är volymen på cylindern när en kolv är hela vägen ner jämfört med hela vägen upp till toppen. Det skrivs ut och sägs som ett förhållande. Till exempel, för en motor med ett 9:1 kompressionsförhållande, skulle du säga att det är ”nio till en.”

Nu bild en cylinder i huvudet. Kolven rör sig upp och ner inuti den cylindern. När kolven är på den lägsta punkten kallas det botten dödcentrum. Det är där cylindervolymen är störst. När kolven är på den högsta punkten i cylindern kallas det Top Dead Center, och det är där cylindervolymen är minsta. Jämförelsen av dessa två volymer är där ditt förhållande kommer ifrån.

Om du är en visuell elev som jag är, Gillar du den här GIF jag gjorde som visar hur en fyrtaktsmotor fungerar. Se hur kolven rör sig upp under det kompressionsslaget? Det är all luft och bränsle som komprimeras i cylindern. Om en motor har ett högt kompressionsförhållande betyder det att en given volym luft och bränsle i cylindern pressas in i ett mycket mindre utrymme än en motor med ett lägre kompressionsförhållande.

och nu för ett exempel med enkel matematik, min favorit typ.

låtsas att du har en motor vars cylinder-och förbränningskammarvolym är 10 cc när kolven är i botten dödcentrum. När inloppsventilen stängs och kolven stiger upp under kompressionsslaget, pressar den luft-och bränsleblandningen in i utrymmet på en enda kubikcentimeter. Denna motor har ett kompressionsförhållande på 10: 1.

det är det! Det är kompressionsförhållande. Total svept volym plus komprimerad volym (inklusive cylinderhuvudets volym och allt ovanför där kolven ”sveper”) i komprimerad volym ensam.

varför det är bättre är komplicerat

men att förstå vad kompressionsförhållande är är mindre viktigt än att förstå varför vi bryr oss om det, eller varför hög kompression är en sådan aspiration.

den bästa förklaringen jag fick i detta kom från min kollega och ingenjör David Tracy, som sedan nådde ut till andra ingenjörer och professorer för hjälp. Det bästa svaret från dem kom från Dr Andy Randolph, teknisk chef på ECR Engines. Han gör drivlineforskning för NASCAR, och hans förklaring är superklar:

från en lekmans perspektiv genereras motoreffekt när förbränning utövar en kraft på kolven och skjuter kolven ner i cylindern under expansionsslaget.

ju högre kolven är i borrningen när förbränningen börjar, desto mer kraft kommer att utövas.

När kompressionsförhållandet ökar rör sig kolven högre i borrningen vid övre dödcentrum, varför det finns ytterligare kraft för expansionsslaget (ytterligare kraft för samma mängd bränsle är lika med högre effektivitet).

nu borde vi verkligen förstå mer om varför förutom hur, och det betyder att vi måste våga oss in i termodynamikens rike.

grundpunkten för allt detta är att ett högre kompressionsförhållande innebär att motorn får mer arbete av samma mängd bränsle. Det är bra för makt och även miles per gallon.

för att förklara varför ett högre kompressionsförhållande ger bättre effektivitet, kommer vi inte att dyka för djupt in i termodynamiken, men vad i helvete, låt oss bara doppa våra tippy tår i. Det är hälsosamt och bra för själen.

högre kompression betyder mer arbete men MER Tryck

bilden ovan visar ett p-V-eller Tryckvolym-diagram för en idealisk och typisk bensinmotor. Det visar visuellt vad som händer i din motor när den bränner bensin.

i diagrammet ovan visar den nedre 1-2-kurvan kompressionsslaget.

2-3-linjen visar förbränning.

den övre 3-4-kurvan visar expansionsslaget.

och 4-1-linjen visar värmeavstötning när avgasventilen öppnas.

för att vara mer teknisk visar diagrammet 1-2-kurvan kompressionsslaget där trycket (y-axeln) stiger och volymen (x-axeln) sjunker när kolven fungerar på gasen och klämmer den. 2-3-linjen visar värmen som frigörs vid förbränning, vilket snabbt ökar gasens tryck och temperatur. 3-4-kurvan visar volymen stiger och trycket sjunker när gasen fungerar på kolven under expansionsslaget. 4-1-linjen visar värmeavstötning från gasen till omgivningen när trycket återgår till omgivningen med avgasventilen öppnad. Slutligen representerar den platta 1-5-linjen på botten avgasslaget och kolven som återgår till toppdödcentrum i slutet.

området inom dessa 1-2-3-4 linjer representerar hur mycket arbete som utförs av motorn. Högre kompressionsförhållande innebär att de två vertikala linjerna på tomten flyttas åt vänster och uppåt, vilket lämnar mer område inom gränserna än med ett lägre kompressionsförhållande, och därmed görs arbete. Men som du kan se på det diagrammet skulle du träffa ett högre tryck. På ett annat sätt skulle du sluta med mer mekaniskt arbete från din motor med högt kompressionsförhållande. Du skulle få mer tryck i cylindern och på kolven från värmetillförseln från förbränning.

högre komprimering betyder också mer termisk effektivitet

det är också viktigt att notera att värmetillförseln och värmeförlusten under motorns cykel relaterar till effektiviteten som en funktion av kompressionsförhållandet. Det hela fungerar på två ideer. Den första är att oavsett värmeenergi som kommer in i systemet måste omvandlas till antingen mekaniskt arbete eller spillvärme. Den andra är att termisk effektivitet helt enkelt är arbetsutgången dividerad med värmeingången. Så då kan du härleda förhållandet mellan termisk effektivitet och kompressionsförhållande, som MIT ritas på sin webbsida och visas ovan. Ekvationen är här (nu är termisk effektivitet, R är kompressionsförhållande och gamma är en egenskap hos vätskan):

As du ger en motor med en viss förskjutning ett högre kompressionsförhållande, du förskjuter effektivt p-v-diagrammet upp och till vänster och ökar värmeinmatningen (QH i diagrammet) mer än värmeförlust (QL). Sätt på ett annat sätt, du förvandlar mer av din inmatningsenergi till arbete. Här är Jason Fenske of Engineering förklarade att bryta ner det förhållandet mellan kompressionsförhållande, värmeöverföring och effektivitet:

hur som helst, poängen är att termodynamik dikterar att termisk effektivitet går upp med kompressionsförhållande, som du kan se av den plot och ekvationen ovan. Och det betyder mer hästkrafter, bättre bränsleekonomi, tyngre plånböcker och större leenden. Kör någon trög, väsande, gas-sugande, gammal Lågkompression amerikansk V8 och du vet vad jag menar.

kompressionsförhållande är också det som gör motorer som Mazdas Skyactiv-G-Motor så effektiv. Den första av en våg av nya motorer med hög kompression och variabel kompression från Mazda, Nissan/Infiniti och Toyota, Mazda har det högsta kompressionsförhållandet i branschen just nu, klockan 14:1, Varför den kan hantera hög bränsleekonomi och kraftfigurer även utan turboladdare.

varför högre komprimering betyder att du behöver högre oktan

Varför använder inte alla bara höga kompressionsförhållanden? Tja, hög kompression är varför många prestandamotorer behöver premiumbränsle eller högoktanbensin. Oktan betyg är, som detta hur saker fungerar artikeln påpekar, en mätning av bensinens förmåga att motstå detonation.

jämfört med gas med hög oktantal är bensin som har låg oktantal mer sannolikt att antändas automatiskt på grund av höga luftladdningstemperaturer och tryck. I grund och botten vill du ha gasen som antänds när du vill ha den, inte den typ som antänds när du inte vill ha den. Den typen av okontrollerad förbränning kallas knackning. Knackning är dåligt; det minskar vridmomentet och kan orsaka irreparabel skada på din motor.

hög kompression ökar risken för knackning, varför mycket höga kompressionsmotorer kör högoktangas eller (oftare nu) E85. Gaser tenderar att värma upp när de komprimeras, så den ökade värmedensiteten kan leda till att bränslet förbränns i förtid innan tändstiftet antänds. Att upprepa: det är dåligt.

Mazda var tvungen att göra mycket arbete med sin kolv-och avgasdesign för att mildra knackning på sin 14:1-motor som körs på pumpgas. Kolvarna i en Skyactiv-X-motor har till exempel ett hålrum i mitten, så att Mazda kan skjuta en explosion av rikt bränsle runt den antändande tändstiftet i en annars mager blandning och ja, det finns en anledning till att det inte var en lätt teknik att utveckla.

det som också är intressant är att du inte bara kan göra en motor med så högt kompressionsförhållande som du vill. Jag räckte ut till John Hoyenga, en ägare på performance exhaust and rally shop Nameless Performance, för att prata om risker och fördelar med hög kompression.

John bygger en Nissan 240SX rallybil i vilken han byter en SR20VE fyrcylindrig, som för närvarande gör cirka 250 hästkrafter vid hjulen från bara 2,0 liter. Detta är överraskande, utan turbo. Allt John har att tacka är dess mycket höga kompressionsförhållande på 14,5: 1. ”Det finns mer arbete gjort av kompression, ”förklarade han,” så ju mer kraft kommer att göra utan boost.”

som sagt, eftersom det här är en tävlingsmotor, kör han den med rasgas eller extremt högoktan E85. John sa att allt över 14,5:1 kompressionsförhållande skulle riskera automatisk tändning, och det kunde skjuta ut en stång eller snurra ett lager. Detta är vad som nonchalant kallas ” blåser upp.”

det finns en gräns för hur högt du kan gå

Jag frågade om det är därför vi inte ser att folk inte springer runt med motorer som har betydligt högre kompressionsförhållanden än vad vi ser idag. Obscenely höga förhållanden, som 60: 1. John skrattade. Han förklarade att Metall helt enkelt inte tål så höga stressnivåer, och ett sådant kompressionsförhållande skulle köra saker så heta att det skulle spränga någon aktuell motor.

naturligtvis bygger vi inte alla racerbilar med tävlingsmotorer, så att ändra kompressionsförhållanden är inte något vi någonsin behöver oroa oss för. Men vi är avslappnade bilägare och kvasi-motorentusiaster, så det var en förklaring till vad kompressionsförhållande betyder och varför det betyder något. Du behöver inte förfalska det längre, du vet nu vad det är.

nu, gå och hitta den trapeze artisten och berätta för honom hur du känner!