Compactação estática vs. efetiva: Por que a compactação efetiva mais alta não requer gás octanal mais alto?

fundo

Ultimamente, tenho tentado fazer muita pesquisa sobre o impulso porque estou planejando executar uma configuração turbo moderada no meu carro diário / autox de serviço leve no futuro. Estou tentando entrar na física das coisas, de modo que, quando faço minha construção, não estou apenas dando palpites e esperando o melhor, mas sim criando um motor para funcionar.

A questão

Minha principal pergunta é essa. Estive lendo este artigo e, enquanto aprofundou meu entendimento sobre compressão, me deixa com esta pergunta: eu sei que os motores que executam uma taxa de compressão estática mais alta exigem combustíveis de octanagem mais altos para impedir a detonação, então por que motores com taxas de compressão efetivas mais altas não parece exigir combustíveis com mais octanas?

Normalmente, ouço falar de pessoas executando configurações turbo e simplesmente usando gasolina normal e sem problemas, mesmo que a taxa de compressão efetiva seja muito maior do que a maioria dos motores aspirados naturalmente. Por exemplo, a configuração que eu estava considerando seria uma Honda d16a6 turbo, que tem uma taxa de compressão estática de 9,1: 1, com 10 psi de impulso, proporcionando uma compressão efetiva de aproximadamente 15: 1.

tl; dr: Eles fazem. É apenas mais difícil dizer quanto.

A resposta mais longa é que sim e que a compressão efetiva está falhando com você como uma aproximação para os efeitos reais.

Pense em detonação (AKA, ignição prematura da mistura combustível-ar). Normalmente, consideramos duas causas: compressão (a mudança no espaço fechado pelo cilindro à medida que o pistão se move para cima e para baixo) e temperatura (por exemplo, temperatura medida do ar de admissão).

Na realidade, existe apenas temperatura.

Vamos voltar até a lei do gás ideal :

PV = nRT

onde Pestá a pressão, o Vvolume e a Ttemperatura (em graus Kelvin, lembre-se!) e o resto são constantes interessantes que não são pertinentes a essa discussão. A compactação faz com que esse Vvalor diminua e Paumente. Em um mundo ideal , isso seria o fim: a compressão do cilindro seria um processo 100% eficiente sem aumento de temperatura.

Infelizmente, vivemos em um mundo real e não ideal. O melhor modelo simples para o que está acontecendo no mecanismo é que é um sistema de entropia constante . Isso significa que somos restringidos pela razão de capacidade térmica dos gases no sistema. Se usarmos uma taxa de capacidade térmica de 1,3 e uma taxa de compressão de exemplo de 10: 1, estamos observando uma duplicação aproximada de temperatura (graus Kelvin!).

Em resumo, a compressão torna os gases mais quentes. Por que isso é ruim?

Pense desta maneira: você tem um orçamento de temperatura fixo para um determinado gás octanal. Se Tficar maior que T_ignition, bang. Assim, como você indica, você pode adicionar um intercooler ao sistema, reduzindo a temperatura do ar de entrada.

Da mesma forma, você pode alterar a quantidade que Vmuda. Isso aumenta a quantidade de aumento de temperatura que seu motor pode tolerar antes da detonação.

Agora, adicionar um turbo no ar de admissão comprime a pressão atmosférica normal para algo significativamente mais alto, resultando em uma alteração nas outras constantes que eu limpei anteriormente (verifique a eficiência volumétrica do turbo para obter mais informações) e aumenta a temperatura.

Isso consome meu orçamento de temperatura. Se eu usasse gás com octanas mais baixas, isso reduziria o limiar de detonação e, no impulso, eu poderia estar observando os danos no motor.

Então, depois de tudo isso, o que você faz?

1. Pesquisa pesquisa: não construa no vácuo. Copie os layouts de outras pessoas ou aprimore-os.
2. Meça a temperatura da entrada de ar, antes e depois do turbo.
3. Encontre o melhor gás possível.
4. Ajuste o computador do motor para impedir que ele exploda.

Sobre o ajuste: uma coisa que a ECU pode fazer é adicionar combustível extra à mistura, resfriando a mistura. É certo que o uso de combustível como refrigerante não é propício à eficiência absoluta, mas não deve ser um problema ao sair do impulso. Como sempre, menos pé direito = menos gás gasto.

Tudo isso é discutido no livro Maximum Boost, de Corky Bell - uma leitura muito divertida para pessoas nerds como eu.

Seguindo algum tempo depois : Acabei de notar a pergunta específica sobre a taxa de compressão estática de 9,1 executando 10 psi de aumento. Como um exemplo, meu WRX roda 8: 1 a cerca de 13,5 psi, então, aparentemente, 9: 1 com 10 psi parece viável.

Vejamos uma das equações mais discutíveis para a taxa de compressão efetiva (que, como observamos, ainda é uma aproximação da termodinâmica bastante complexa):

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

Onde ECRestá a "taxa de compactação efetiva" e CRa "taxa de compactação estática" (o que você iniciou antes de adicionar o aumento). boosté medido em psi (libras por polegada quadrada). Lembre-se, o objetivo desta equação é nos dizer se nossa configuração proposta é viável e será capaz de funcionar com o gás que eu posso comprar na rua versus na pista de corrida.

Então, usando meu carro como exemplo:

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

Usando esta equação, a implicação é que minha taxa de compressão efetiva é de 11: 1 no pico de impulso. Isso está dentro dos limites do que você poderia esperar para operar um motor normalmente aspirado com gás de bomba (93 octanas). E, como prova da existência, meu carro funciona com 93 octanas muito bem.

Então, vejamos a configuração em questão:

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

Como citado na referência, 12: 1 é realmente o mais longe possível de um carro de rua, portanto essa configuração ainda estaria dentro desses limites.

Para completar, devemos observar que também há outra equação de ECR que vagueia pela Internet que omite a raiz quadrada. Há dois problemas com essa função:

1. Primeiro, isso resultaria em um ECR para o meu carro de 15: 1. Isso é um pouco ridículo: eu nem gostaria de ligar um motor assim com gasolina de rua.

2. A ECR é uma aproximação de qualquer maneira: a resposta real para a pergunta "quanto impulso posso executar?" é derivado de fatores críticos como temperatura do ar de admissão e eficiência do compressor. Se você estiver usando uma aproximação, não use uma que dê respostas imediatamente inúteis (consulte o ponto 1).

Uma das razões pelas quais uma configuração turbo com a compressão efetiva equivalente perdoa mais o gás com baixa octanagem do que uma configuração estática é que você não está nessa taxa de compressão o tempo todo. Veja essa honda, por exemplo. Na proporção estática de 9: 1, você pode executar 87 octanas o dia todo, desde que não apresse. Quando você começa a empurrar algum impulso pela garganta, os sensores de batida disparam e o motor DEVE responder de várias maneiras - talvez cortando combustível, faísca ou retardando o tempo, o que deve forçar o impulso para baixo (não que eu recomende).

No caso de compressão estática, mesmo quando você está apenas tentando ocultar ou dirigir bem, você ainda estará predetectando o gás octanal abaixo do necessário. Isso também se aplica a superalimentadores sem embreagem, não há interruptor "desligado" ou benefício "estou dirigindo bem". Você está preso a essa maior taxa de compressão.

Novamente, para não recomendar a prática, eu tinha um Ford Probe 2.2L turbo de 270 cv e, com aceleração máxima (~ 21 psi) e taxa de compressão estática de 7,8: 1, nunca ousaria tentar alcançá-lo com nada menos que 93 octanas. No entanto, às vezes em viagens longas, eu preenchia 87 octanas e ajustava meu controlador de impulso em 7psi ou menos, e não obtinha nenhuma atividade de sensor de batida registrada. Mesmo que eu não abaixe o controlador de impulso, você pode simplesmente 'dirigir bem' se quiser arriscar (mas a tentação é forte). Eu era capaz de obter 36MPG de 87 octanas quando eu era legal (bastante econômico). Eu comparo isso com o sobrealimentado 427cv 4.6L V8 do meu pai que obtém 12MPG quando você é legal, 8MPG quando não é, e você não tem a opção de nada além de premium.

Além da boa resposta do @Bob:

Existem alguns truques que podem ser usados ​​para facilitar o problema:

• Um sensor de detonação para detectar detonações prematuras (e ajustar a pressão de impulso). Por exemplo, a Saab APC permite o uso seguro de combustíveis com baixa octanagem.

• Injetar água para resfriar as câmaras de combustão (em vez de combustível excessivo)

• Termômetros de exaustão por cilindro (e injeção / ignição sequencial)