Статическое и эффективное сжатие: почему для более высокого эффективного сжатия не требуется газ с более высоким октановым числом?

Задний план

В последнее время я пытался провести много исследований в области наддува, потому что в будущем я планирую запустить умеренную турбо-настройку на своей машине с ежедневным / легким режимом и авто-автокс. Я пытаюсь разобраться в физике вещей, чтобы, когда я делаю свою сборку, я не просто шлепал детали и надеялся на лучшее, а вместо этого проектировал мотор для работы.

Вопрос

Мой главный вопрос заключается в следующем. Я читал эту статью, и, хотя это углубило мое понимание сжатия, у меня остался такой вопрос: я знаю, что для двигателей, работающих с более высокой степенью статического сжатия, требуется более высокое октановое топливо для предотвращения детонации, так почему же двигатели с более высокими эффективными коэффициентами сжатия не требует высокооктанового топлива?

Я обычно слышу о людях, которые работают с турбонаддувом и просто используют обычный насос, и у них нет проблем, хотя эффективная степень сжатия будет намного выше, чем у большинства безнаддувных двигателей. Например, установка, которую я рассматривал, была бы Honda d16a6 с турбонаддувом, которая имеет статическую степень сжатия 9,1: 1, с усилением 10 фунтов на квадратный дюйм, что дает эффективное сжатие примерно 15: 1.

TL; д-р: они делают. Сложнее сказать сколько.

Более длинный ответ заключается в том, что они это делают, и что эффективное сжатие не дает вам возможности приблизиться к реальным эффектам.

Подумайте о детонации (АКА преждевременное воспламенение топливовоздушной смеси). Обычно мы рассматриваем две причины: сжатие (изменение пространства, окруженного цилиндром при движении поршня вверх и вниз) и температуру (например, измеренную температуру всасываемого воздуха).

На самом деле есть только температура.

Вернемся к закону об идеальном газе :

PV = nRT

где Pдавление, Vобъем и Tтемпература (в градусах Кельвина, помните!), а остальные представляют собой интересные константы, которые не имеют отношения к этому обсуждению. Сжатие приводит к тому, что это Vзначение уменьшается и Pувеличивается. В идеальном мире это было бы концом: сжатие цилиндра было бы эффективным на 100% процессом без повышения температуры.

К сожалению, мы живем в реальном, а не идеальном мире. Лучшая простая модель того, что происходит в двигателе, это то, что это система постоянной энтропии . Это означает, что мы ограничены отношением теплоемкости газов в системе. Если мы используем коэффициент теплоемкости 1,3 и примерный коэффициент сжатия 10: 1, мы наблюдаем приблизительное удвоение температуры (градусы Кельвина!).

Короче говоря, сжатие делает газы более горячими. Почему это плохо, хотя?

Подумайте об этом так: у вас есть фиксированный температурный бюджет для определенного октанового газа. Если Tстановится выше, чем T_ignition, взрыв. Итак, как вы указали, вы можете добавить в систему интеркулер, снижая температуру воздуха на входе.

Кроме того, вы можете изменить сумму, которая Vизменяется. Это увеличивает степень повышения температуры, которую ваш двигатель может выдержать до детонации.

Теперь, добавление турбины на впускном воздухе сжимает нормальное атмосферное давление до чего-то значительно более высокого, что приводит к изменению тех других констант, которые я ранее чистил (проверьте объемную эффективность турбины для получения дополнительной информации) и повышает температуру.

Это съедает мой температурный бюджет. Если бы я использовал газ с более низким октановым числом, это снизило бы порог детонации, и при повышении я мог бы смотреть на повреждение двигателя.

Итак, после всего этого, что ты делаешь?

1. Научно-исследовательские исследования: не строить в вакууме. Копируйте макеты других людей или улучшайте их.
2. Измерьте температуру воздуха на впуске до и после турбокомпрессора.
3. Найдите лучший бензин, какой только сможете.
4. Настройте компьютер двигателя, чтобы предотвратить его взрыв.

При настройке: одна вещь, которую может сделать ECU, это добавить дополнительное топливо в смесь, тем самым охлаждая смесь. По общему признанию, использование топлива в качестве охлаждающей жидкости не способствует абсолютной эффективности, но не должно быть проблемой при движении вне ускорения. Как всегда, меньше правой ноги = меньше потраченного газа.

Все вышеперечисленное обсуждается в книге Corky Bell «Турбокомпрессор Maximum Boost» - очень увлекательное чтение для таких отвратительных людей, как я.

Спустя некоторое время : я только что заметил конкретный вопрос о степени статического сжатия 9,1 при ускорении 10 фунтов на квадратный дюйм. Например, мой WRX работает со скоростью 8: 1 при давлении около 13,5 фунтов на квадратный дюйм, поэтому, на первый взгляд, 9: 1 с 10 фунтами на квадратный дюйм кажется достижимым.

Давайте посмотрим на одно из наиболее разумных уравнений для эффективной степени сжатия (которое, как мы отметили, все еще является приближением довольно сложной термодинамики):

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

Где ECR«эффективная степень сжатия» и CR«статическая степень сжатия» (с чего вы начали до добавления форсирования). boostизмеряется в фунтах на квадратный дюйм (фунтов на квадратный дюйм). Помните, цель этого уравнения состоит в том, чтобы сказать нам, является ли наша предложенная установка вообще осуществимой, и сможет ли она работать на газе, который я могу купить на улице против ипподрома.

Итак, используя мою машину в качестве примера:

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

Используя это уравнение, мы получаем, что моя эффективная степень сжатия составляет около 11: 1 при пиковом увеличении. Это в пределах того, что вы могли бы ожидать, если бы двигатель с наддувом работал на насосе (93 октана). И, как доказательство существования, моя машина работает на 93 октане просто отлично.

Итак, давайте посмотрим на настройку, о которой идет речь:

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

Как указано в ссылке, 12: 1 - это действительно то, что вы можете сделать с уличной машиной, поэтому эта установка все еще будет в этих пределах.

Для полноты, мы должны отметить, что есть еще одно уравнение ECR, которое блуждает по Интернету, которое пропускает квадратный корень. Есть две проблемы с этой функцией:

1. Во-первых, это привело бы к ECR для моей машины 15: 1. Это немного смешно: я бы даже не хотел заводить такой двигатель с уличного газа.

2. В любом случае, ECR - это приближение: реальный ответ на вопрос «насколько я могу ускориться?» определяется критическими факторами, такими как температура всасываемого воздуха и эффективность компрессора. Если вы используете приближение, не используйте тот, который сразу дает бесполезные ответы (см. Пункт 1).

Одна из причин того, что турбоустановка с эквивалентным эффективным сжатием является более щадящим для газа с низким октановым числом, чем статическая компрессия, заключается в том, что вы не используете такую ​​степень сжатия все время. Возьми эту Хонду, например. При статическом соотношении 9: 1 вы можете работать с октановым числом 87 в течение всего дня, пока вы не увеличите его. Когда вы начнете толкать какой-то наддув в горло, датчики детонации сработают, и двигатель ДОЛЖЕН отреагировать по-разному - возможно, будет срезано топливо, искра или замедление, что должно привести к понижению наддува (не то, чтобы я это рекомендовал).

В случае статического сжатия, даже когда вы просто пытаетесь просто работать на холостом ходу или ездить на автомобиле, вы все равно будете предтонировать газом с октановым числом ниже требуемого. Это относится и к нагнетателям без сцепления, здесь нет выключателя «выкл» или «я еду красиво». Вы заперты в этой более высокой степени сжатия.

Опять же, чтобы не рекомендовать эту практику, у меня был Ford Probe 2.2L с турбонаддувом мощностью 270 л.с., а при полной форсировке (~ 21 фунт / кв. Дюйм) и степени статического сжатия 7,8: 1 я бы никогда не осмелился попытаться достичь этого ни на чем, кроме 93 октанового числа. Однако иногда в длительных поездках я заполнял 87 октаном и устанавливал свой контроллер наддува на 7 фунтов на квадратный дюйм или ниже, и не регистрировал активность датчика детонации. Даже если бы я не опускал буст-контроллер, вы можете просто «хорошо ездить», если хотите рискнуть (но соблазн довольно сильный). Я был в состоянии получить 36 миль на галлон из 87 октанов, когда я был к этому хорош (довольно экономичен). Я сравниваю это с наддувом моего 427hp 4.6L V8 моего отца, который получает 12 миль на галлон, когда вам это приятно, 8 миль на галлон, когда нет, и у вас нет выбора, кроме как премиум.

В дополнение к хорошему ответу @Bob:

Есть несколько приемов, которые можно использовать для облегчения проблемы:

• Датчик детонации для обнаружения преждевременных детонаций (и регулировки давления наддува). Например, Saab APC позволяет безопасно использовать низкооктановое топливо.

• Ввод воды для охлаждения камер сгорания (вместо избыточного топлива)

• Термометры выхлопных газов для каждого цилиндра (и последовательный впрыск / зажигание)