Compresión estática vs. efectiva: ¿Por qué una compresión más alta y efectiva no requiere un gas de mayor octanaje?

tl; dr: Lo hacen. Es más difícil decir cuánto.

La respuesta más larga es que lo hacen y que la compresión efectiva le está fallando como una aproximación de los efectos reales.

Piense en la detonación (también conocido como encendido prematuro de la mezcla de combustible y aire). Normalmente consideramos dos causas: la compresión (el cambio en el espacio encerrado por el cilindro cuando el pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo) y la temperatura (por ejemplo, la temperatura medida del aire de admisión).

En realidad, solo hay temperatura.

Volvamos a la ley de los gases ideales :

PV = nRT

donde Pes presión, Ves volumen y Tes temperatura (en grados Kelvin, ¡recuerda!) y el resto son constantes interesantes que no están relacionadas con esta discusión. La compresión hace que ese Vvalor disminuya y Paumente. En un mundo ideal , eso sería el final: la compresión del cilindro sería un proceso 100% eficiente sin aumento de temperatura.

Desafortunadamente, vivimos en un mundo real más que ideal. El mejor modelo simple de lo que sucede en el motor es que es un sistema de entropía constante . Esto significa que estamos restringidos por la relación de capacidad calorífica de los gases en el sistema. Si usamos una relación de capacidad calorífica de 1,3 y una relación de compresión de ejemplo de 10:1, estamos observando una duplicación aproximada de la temperatura (¡grados Kelvin!).

En resumen, la compresión hace que los gases se calienten. ¿Por qué es esto malo, sin embargo?

Piénselo de esta manera: tiene un presupuesto de temperatura fijo para un cierto octanaje de gas. Si Tes más alto que T_ignition, bang. Entonces, como usted señala, puede agregar un intercooler al sistema, reduciendo la temperatura del aire de entrada.

Así mismo, puedes cambiar la cantidad que Vcambia. Esto aumenta la cantidad de aumento de temperatura que su motor puede tolerar antes de detonar.

Ahora, agregar un turbo en el aire de admisión comprime la presión atmosférica normal a algo significativamente más alto, lo que resulta en un cambio en esas otras constantes que eliminé previamente (consulte la eficiencia volumétrica del turbo para obtener más información) y aumenta la temperatura.

Eso consume mi presupuesto de temperatura. Si usara gasolina de menor octanaje, eso reduciría el umbral de detonación y, al aumentar, podría estar viendo daños en el motor.

Entonces, después de todo eso, ¿qué haces?

1. Investigación investigación investigación: no construyas en el vacío. Copie los diseños de otras personas o mejórelos.
2. Mide la temperatura del aire de admisión, antes y después del turbo.
3. Encuentra la mejor gasolina que puedas.
4. Ajuste la computadora del motor para evitar que su motor explote.

Sobre el ajuste: una cosa que la ECU puede hacer es agregar combustible adicional a la mezcla, enfriando así la mezcla. Es cierto que el uso de combustible como refrigerante no conduce a una eficiencia absoluta, pero no debería ser un problema cuando se conduce sin impulso. Como siempre, menos pie derecho = menos gas gastado.

Todo lo anterior se analiza en el libro Turbocharging de Corky Bell, Maximum Boost , una lectura muy entretenida para gente geek como yo.

Seguimiento algún tiempo después : acabo de notar la pregunta específica sobre la relación de compresión estática 9.1 con 10 psi de impulso. Como ejemplo, mi WRX funciona 8:1 a aproximadamente 13,5 psi, por lo que, a primera vista, parece factible lograr 9:1 con 10 psi.

Veamos una de las ecuaciones posiblemente más sensatas para la relación de compresión efectiva (que, como notamos, sigue siendo una aproximación de la termodinámica bastante compleja):

ECR = sqrt((boost+14.7)/14.7) * CR 

¿Dónde ECRestá la "relación de compresión efectiva" y CRla "relación de compresión estática" (con lo que comenzó antes de agregar impulso). boostse mide en psi (libras por pulgada cuadrada). Recuerde, el objetivo de esta ecuación es decirnos si nuestra configuración propuesta es factible y si podrá funcionar con gasolina que puedo comprar en la calle o en la pista de carreras.

Entonces, usando mi auto como ejemplo:

ECR = sqrt((13.5 + 14.7) / 14.7) * 8 = sqrt(1.92) * 8 = 11.08

Usando esta ecuación, la implicación es que mi relación de compresión efectiva es de aproximadamente 11: 1 en el impulso máximo. Eso está dentro de los límites de lo que podría esperar al hacer funcionar un motor de aspiración normal con bomba de gasolina (93 octanos). Y, prueba por existencia, mi auto funciona bien con 93 octanos.

Entonces, echemos un vistazo a la configuración en cuestión:

ECR = sqrt((10 + 14.7) / 14.7) * 9.1 = sqrt(1.68) * 9.1 = 11.79

Como se cita en la referencia, 12:1 es realmente lo más lejos que puede llegar con un tranvía, por lo que esta configuración aún estaría dentro de esos límites.

Para completar, debemos tener en cuenta que también hay otra ecuación ECR que vaga por Internet que omite la raíz cuadrada. Hay dos problemas con esa función:

1. Primero, eso daría como resultado una ECR para mi auto de 15:1. Eso es un poco ridículo: ni siquiera me gustaría encender un motor así con gas de la calle.

2. ECR es una aproximación de todos modos: la respuesta real a la pregunta "¿cuánto impulso puedo ejecutar?" se deriva de factores críticos como la temperatura del aire de admisión y la eficiencia del compresor. Si estás usando una aproximación, no uses una que inmediatamente te dé respuestas inútiles (ver punto 1).

Una de las razones por las que una configuración turbo con la compresión efectiva equivalente es más indulgente con el gas de bajo octanaje que una configuración de compresión estática es que no se está en esa relación de compresión todo el tiempo. Tome ese honda, por ejemplo. Con una relación estática de 9: 1, puede ejecutar 87 octanos todo el día siempre que no presione ningún impulso. Cuando comience a empujar un poco de impulso por su garganta, los sensores de detonación se activarán y el motor DEBERÍA responder de varias maneras, tal vez cortando el combustible, la chispa o retrasando el tiempo, lo que debería forzar el impulso hacia abajo (no es que yo lo recomiendo).

En el caso de la compresión estática, incluso cuando solo está tratando de funcionar en ralentí o conducir bien, todavía va a estar predetonando con gasolina de octanaje inferior al requerido. Esto también se aplicaría a los supercargadores sin embrague, no hay un interruptor de "apagado" o el beneficio "Estoy conduciendo bien". Estás encerrado en esa relación de compresión más alta.

Una vez más, para no recomendar la práctica, tenía un Ford Probe 2.2L turbo de 270 hp y con un impulso máximo (~ 21 psi) y una relación de compresión estática de 7.8: 1, nunca me atrevería a intentar alcanzarlo con nada más que 93 octanos. Sin embargo, a veces, en viajes largos, me llenaba con 87 octanos y configuraba mi controlador de impulso a 7 psi o menos, y no registraba ninguna actividad del sensor de detonación. Incluso si no bajé el controlador de impulso, puedes simplemente 'conducir bien' si quieres arriesgarte (pero la tentación es bastante fuerte). Pude obtener 36 MPG de 87 octanos cuando me fue bien (bastante económico). Lo comparo con el motor V8 supercargado de 4.6 L y 427 hp de mi padre que obtiene 12 MPG cuando eres agradable, 8 MPG cuando no lo eres, y no tienes la opción de nada más que premium.

Además de la buena respuesta de @Bob:

Hay algunos trucos que se pueden utilizar para aliviar el problema:

• Un sensor de detonación para detectar detonaciones prematuras (y ajustar la presión de sobrealimentación). Por ejemplo, Saab APC permite el uso seguro de combustibles de menor octanaje.

• Inyectar agua para enfriar las cámaras de combustión (en lugar de exceso de combustible)

• Termómetros de escape por cilindro (e inyección/encendido secuencial)