Статическая и эффективная компрессия: почему более высокая эффективная компрессия не требует бензина с более высоким октановым числом?

tl;dr: Они делают. Только сложно сказать сколько.

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

Подумайте о детонации (она же преждевременное воспламенение топливно-воздушной смеси). Обычно мы рассматриваем две причины: сжатие (изменение пространства внутри цилиндра при движении поршня вверх и вниз) и температуру (например, измеренную температуру всасываемого воздуха).

На самом деле есть только температура.

Вернемся к закону идеального газа :

PV = nRT

где Pдавление, Vобъем и Tтемпература (помните, в градусах Кельвина!), а остальные — интересные константы, которые не имеют отношения к данному обсуждению. Сжатие заставляет это Vзначение уменьшаться и Pувеличиваться. В идеальном мире на этом бы все и закончилось: сжатие цилиндра было бы на 100 % эффективным процессом без повышения температуры.

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

Короче говоря, сжатие делает газы более горячими. Но почему это плохо?

Подумайте об этом так: у вас есть фиксированный температурный баланс для газа с определенным октановым числом. Если Tстановится больше, чем T_ignition, удар. Итак, как вы указываете, вы можете добавить в систему интеркулер, снизив температуру воздуха на входе.

Точно так же вы можете изменить сумму, которая Vизменяется. Это увеличивает величину повышения температуры, которую может выдержать ваш двигатель перед детонацией.

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

Это съедает мой температурный бюджет. Если бы я использовал газ с более низким октановым числом, это снизило бы порог детонации, а при наддуве я мог бы увидеть повреждение двигателя.

Итак, после всего этого, что вы делаете?

1. Исследования исследования исследования: не стройте в вакууме. Скопируйте макеты других людей или улучшите их.
2. Измерьте температуру воздуха на впуске до и после турбины.
3. Найдите лучший газ, который вы можете.
4. Настройте компьютер двигателя, чтобы ваш двигатель не взорвался.

О настройке: одна вещь, которую может сделать ЭБУ, это добавить дополнительное топливо в смесь, тем самым охладив смесь. По общему признанию, использование топлива в качестве охлаждающей жидкости не способствует абсолютной эффективности, но не должно быть проблемой при движении без наддува. Как всегда, меньше правой ноги = меньше расход газа.

Все вышеперечисленное обсуждается в книге Корки Белла о турбонаддуве « Максимальное ускорение » — очень интересное чтение для гиков вроде меня.

Некоторое время спустя я заметил конкретный вопрос о статической степени сжатия 9,1 при наддуве 10 фунтов на квадратный дюйм. Например, мой WRX работает 8:1 при давлении около 13,5 фунтов на квадратный дюйм, поэтому, на первый взгляд, 9:1 при 10 фунтов на квадратный дюйм кажется достижимым.

Давайте посмотрим на одно из наиболее разумных уравнений для эффективной степени сжатия (которое, как мы уже отмечали, по-прежнему является приближением довольно сложной термодинамики):

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

Где ECR«эффективная степень сжатия» и CR«статическая степень сжатия» (то, с чего вы начали, прежде чем добавлять наддув). boostизмеряется в psi (фунтах на квадратный дюйм). Помните, цель этого уравнения — сказать нам, осуществима ли наша предложенная установка вообще и сможет ли она работать на бензине, который я могу купить на улице, а не на гоночной трассе.

Итак, на примере моей машины:

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

Используя это уравнение, следует, что моя эффективная степень сжатия составляет около 11: 1 при пиковом наддуве. Это в пределах того, что вы могли бы ожидать от двигателя без наддува на бензине (октановое число 93). И, доказательство существованием, моя машина прекрасно работает на 93-м октановом числе.

Итак, давайте посмотрим на рассматриваемую установку:

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

Как указано в справке, 12: 1 на самом деле настолько далеко, насколько вы можете продвинуться с уличным автомобилем, поэтому эта настройка все еще будет в этих пределах.

Для полноты отметим, что есть еще одно уравнение ECR, которое бродит по Интернету и не включает 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 мотор на уличном газе.

2. ECR в любом случае является приблизительным: реальный ответ на вопрос «сколько наддува я могу запустить?» зависит от критических факторов, таких как температура всасываемого воздуха и эффективность компрессора. Если вы используете приближение, не используйте тот, который немедленно дает вам бесполезные ответы (см. пункт 1).

Одна из причин того, что турбоустановка с эквивалентной эффективной компрессией более щадящая бензин с низким октановым числом, чем установка статической компрессии, заключается в том, что вы не постоянно находитесь на этой степени сжатия. Взять, к примеру, эту хонду. При статическом передаточном числе 9:1 вы можете работать с октановым числом 87 в течение всего дня, если вы не будете форсировать его. Когда вы начнете увеличивать наддув, датчики детонации сработают, и двигатель ДОЛЖЕН реагировать по-разному — возможно, сократить подачу топлива, искру или замедлить синхронизацию, что должно привести к снижению наддува (не то, чтобы я это рекомендовал).

В случае статической компрессии, даже когда вы просто пытаетесь работать на холостом ходу или вести машину красиво, вы все равно будете преддетонировать на бензине с более низким октановым числом, чем требуется. Это относится и к нагнетателям без сцепления, здесь нет переключателя «выключено» или преимущества «я хорошо вожу». Вы заперты в этой более высокой степени сжатия.

Опять же, не для того, чтобы рекомендовать практику, у меня был 270-сильный Ford Probe 2,2 л с турбонаддувом, и при полном наддуве (~ 21 фунт / кв. Дюйм) и статической степени сжатия 7,8: 1 я бы никогда не осмелился попытаться достичь его на чем-либо, кроме октанового числа 93. Однако иногда в длительных поездках я заправлялся 87 октановым числом и устанавливал свой буст-контроллер на 7 фунтов на квадратный дюйм или ниже, и не регистрировал никакой активности датчика детонации. Даже если бы я не опускал буст-контроллер, можно просто «покататься красиво», если есть желание рискнуть (но соблазн довольно велик). Я смог получить 36 миль на галлон из 87 октанового числа, когда я был хорош в этом (довольно экономичный). Я сравниваю это с 427-сильным 4,6-литровым V8 моего отца с наддувом, который дает 12 миль на галлон, когда вы хорошо к нему относитесь, 8 миль на галлон, когда вы не любите, и у вас нет выбора ничего, кроме премиум-класса.

В дополнение к хорошему ответу @Bob:

Есть несколько приемов, которые можно использовать для облегчения проблемы:

• Датчик детонации для обнаружения преждевременной детонации (и регулировки давления наддува). Например, Saab APC позволяет безопасно использовать топливо с более низким октановым числом.

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

• Термометры выхлопных газов по цилиндрам (и последовательный впрыск/зажигание)