Kompresja statyczna a efektywna: Dlaczego wyższa efektywna kompresja nie wymaga gazu oktanowego?

tło

Ostatnio próbuję przeprowadzić wiele badań nad doładowaniem, ponieważ w przyszłości planuję uruchomić umiarkowaną konfigurację turbodoładowania w moim codziennym / lekkim autoxie. Próbuję zagłębić się w fizykę rzeczy, aby po ukończeniu budowy nie tylko uderzać częściami i mieć nadzieję na najlepsze, ale zaprojektować silnik do pracy.

Pytanie

Moje główne pytanie brzmi: Czytałem ten artykuł i chociaż pogłębiłem moją wiedzę na temat sprężania, pozostawia mi to pytanie: wiem, że silniki pracujące z wyższym współczynnikiem sprężania statycznego wymagają wyższych paliw oktanowych, aby zapobiec detonacji, więc dlaczego silniki o wyższych skutecznych współczynnikach sprężania nie wydaje się wymagać wyższych paliw oktanowych?

Zwykle słyszę o ludziach, którzy ustawiają turbodoładowanie i po prostu używają zwykłej pompy gazowej i nie mają problemów, chociaż efektywny stopień sprężania byłby znacznie wyższy niż w większości silników wolnossących. Na przykład konfiguracja, którą rozważałem, to turbodoładowana Honda d16a6, która ma statyczny współczynnik kompresji 9,1: 1, z 10 psi doładowania, co daje w przybliżeniu efektywną kompresję 15: 1.

tl; dr: Robią. Po prostu trudniej powiedzieć, ile.

Dłuższą odpowiedzią jest to, że tak robią i że skuteczna kompresja zawodzi w przybliżeniu rzeczywistych efektów.

Pomyśl o detonacji (przedwczesny zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej AKA). Zwykle bierzemy pod uwagę dwie przyczyny: kompresję (zmianę przestrzeni zamkniętej przez cylinder, gdy tłok porusza się w górę i w dół) i temperaturę (np. Zmierzoną temperaturę powietrza wlotowego).

W rzeczywistości jest tylko temperatura.

Wróćmy do idealnego prawa gazowego :

PV = nRT

gdzie Pjest ciśnienie, Vobjętość i Ttemperatura (w stopniach Kelvina, pamiętaj!), a reszta to interesujące stałe, które nie są związane z tą dyskusją. Kompresja powoduje, że ta Vwartość maleje i Prośnie. W idealnym świecie byłby to koniec: sprężanie cylindra byłoby procesem w 100% sprawnym bez wzrostu temperatury.

Niestety żyjemy w prawdziwym, a nie idealnym świecie. Najlepszym prostym modelem tego, co dzieje się w silniku, jest układ o stałej entropii . Oznacza to, że jesteśmy ograniczeni współczynnikiem pojemności cieplnej gazów w układzie. Jeśli zastosujemy współczynnik pojemności cieplnej 1,3 i przykładowy współczynnik kompresji 10: 1, to przyjrzymy się przybliżonemu podwojeniu temperatury (stopnie Kelvina!).

Krótko mówiąc, kompresja powoduje, że gazy są cieplejsze. Dlaczego to takie złe?

Pomyśl o tym w ten sposób: masz budżet o stałej temperaturze dla określonego gazu oktanowego. Jeśli Tstaje się wyższy niż T_ignition, huk. Jak więc zauważyłeś, możesz dodać intercooler do systemu, obniżając temperaturę powietrza na wejściu.

Podobnie możesz zmienić kwotę, która się Vzmienia. Zwiększa to wzrost temperatury, który silnik może tolerować przed detonacją.

Teraz dodanie turbosprężarki na wlocie powietrza powoduje kompresję normalnego ciśnienia atmosferycznego do czegoś znacznie wyższego, co powoduje zmianę innych stałych, które wcześniej odkurzyłem (sprawdź wydajność objętościową turbiny, aby uzyskać więcej informacji) i podwyższa temperaturę.

To zjada mój budżet temperaturowy. Gdybym użył gazu o niższej liczbie oktanowej, obniżyłoby to próg detonacji, a przy doładowaniu mógłbym patrzeć na uszkodzenie silnika.

Więc po tym wszystkim, co robisz?

1. Badania naukowe Badania naukowe: nie buduj w próżni. Skopiuj układy innych osób lub popraw je.
2. Zmierz temperaturę powietrza dolotowego przed i za turbo.
3. Znajdź najlepszy gaz, jaki możesz.
4. Dostosuj komputer silnika, aby silnik nie wybuchł.

Podczas strojenia: jedno, co ECU może zrobić, to dodać dodatkowe paliwo do mieszanki, schładzając w ten sposób mieszaninę. Trzeba przyznać, że stosowanie paliwa jako chłodziwa nie sprzyja absolutnej wydajności, ale nie powinno stanowić problemu podczas jazdy poza doładowaniem. Jak zawsze, mniejsza prawa stopa = mniej zużytego gazu.

Wszystkie powyższe omówiono w książce Corky Bell's Turbocharging, Maximum Boost - bardzo zabawna lektura dla maniaków takich jak ja.

Po jakimś czasie : właśnie zauważyłem konkretne pytanie dotyczące współczynnika kompresji statycznej 9,1 przy 10 psi doładowania. Jako przykład, mój WRX działa w stosunku 8: 1 przy około 13,5 psi, więc na pierwszy rzut oka 9: 1 z 10 psi wydaje się osiągalne.

Spójrzmy na jedno z bardziej uzasadnionych równań dla efektywnego współczynnika kompresji (które, jak zauważyliśmy, wciąż jest przybliżeniem dość złożonej termodynamiki):

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

Gdzie ECRjest „efektywny współczynnik kompresji” i CR„statyczny współczynnik kompresji” (od czego zacząłeś przed dodaniem wzmocnienia). boostjest mierzony w psi (funtach na cal kwadratowy). Pamiętaj, że celem tego równania jest powiedzenie nam, czy proponowana konfiguracja jest w ogóle wykonalna i czy będzie w stanie zasilać ją benzyną, którą mogę kupić na ulicy, a nie na torze wyścigowym.

Korzystając z mojego samochodu jako przykładu:

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

Stosując to równanie, implikuje to, że mój efektywny współczynnik kompresji wynosi około 11: 1 przy szczytowym wzmocnieniu. Jest to w granicach tego, czego można oczekiwać od normalnie zasysanego silnika z pompą gazu (93 oktany). I dowód na to, że mój samochód dobrze jeździ na 93 oktanach.

Spójrzmy więc na omawianą konfigurację:

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

Jak zacytowano w odnośniku, 12: 1 jest naprawdę tak daleko, jak to możliwe, jadąc samochodem ulicznym, więc ta konfiguracja nadal byłaby w tych granicach.

Dla kompletności należy zauważyć, że istnieje również inne równanie ECR, które wędruje po Internecie, pomijając pierwiastek kwadratowy. Istnieją dwie problemy z tą funkcją:

1. Po pierwsze, spowodowałoby to ECR dla mojego samochodu 15: 1. To trochę śmieszne: nawet nie chciałbym uruchamiać takiego silnika z gazem ulicznym.

2. ECR i tak jest przybliżeniem: prawdziwa odpowiedź na pytanie „ile doładowań mogę uruchomić?” wynika z czynników krytycznych, takich jak temperatura powietrza dolotowego i wydajność sprężarki. Jeśli używasz przybliżenia, nie używaj takiego, który natychmiast daje bezużyteczne odpowiedzi (patrz punkt 1).

Jednym z powodów, dla których ustawienie turbodoładowania z równoważną skuteczną kompresją jest bardziej wybaczające dla gazu o niskiej liczbie oktanowej niż w przypadku kompresji statycznej, jest to, że cały czas nie jesteś w tym stopniu kompresji. Weźmy na przykład tę hondę. Przy współczynniku statycznym 9: 1 możesz uruchomić 87 oktanów przez cały dzień, o ile nie przyspieszysz. Kiedy zaczniesz wciskać jakieś przyspieszenie do gardła, czujniki stukowe wyłączą się, a silnik POWINIEN reagować na różne sposoby - być może odcinając paliwo, iskrę lub opóźniając taktowanie, co powinno wymusić przyspieszenie (nie polecam tego).

W przypadku kompresji statycznej, nawet jeśli po prostu próbujesz bezczynnie lub dobrze prowadzić, nadal będziesz predetonował się w ilości niższej niż wymagana liczby oktanowej. Odnosi się to również do bezsprzęgłowych sprężarek, nie ma wyłącznika ani korzyści „ładnie jeżdżę”. Jesteś zamknięty w tym wyższym stopniu kompresji.

Ponownie, nie polecając tej praktyki, miałem turbodoładowany Ford Probe 2.2L o mocy 270 KM, a przy pełnym doładowaniu (~ 21 psi) i współczynniku kompresji statycznej 7,8: 1 nigdy nie odważyłbym się osiągnąć tego na niczym poza 93 oktanem. Czasami jednak podczas długich podróży uzupełniałem 87 oktanem i ustawiałem kontroler doładowania na 7 psi lub niższy i nie rejestrowałem żadnej aktywności czujnika stukania. Nawet jeśli nie obniżyłem kontrolera doładowania, możesz po prostu „jeździć ładnie”, jeśli chcesz zaryzykować (ale pokusa jest dość silna). Byłem w stanie uzyskać 36 MPG z 87 oktanowej, kiedy byłem do tego miły (dość ekonomiczny). Porównuję to z doładowaniem 427 KM mojego ojca z 427 KM V8, które dostaje 12 MPG, gdy jesteś do tego miły, 8 MPG, gdy nie jesteś, i nie masz opcji, tylko premium.

Oprócz dobrej odpowiedzi @Bob:

Istnieje kilka sztuczek, które można wykorzystać w celu złagodzenia problemu:

• Czujnik stukowy do wykrywania przedwczesnych detonacji (i regulacji ciśnienia doładowania). Np. Saab APC pozwala na bezpieczne stosowanie paliw o niższej liczbie oktanowej.

• Wtryskiwanie wody w celu schłodzenia komór spalania (zamiast nadmiernego paliwa)

• Termometry odsysające na cylinder (i sekwencyjny wtrysk / zapłon)