Esto es lo que realmente significa la 'relación de compresión' y por qué es importante

Nuevo motor de alta compresión “Dynamic Force” de Toyota.

Ha escuchado el término relación de compresión antes, pero ¿alguna vez se ha preguntado exactamente qué significa? Bueno, es hora de explicar exactamente qué es la relación de compresión y por qué todos los fabricantes de automóviles ahora están obsesionados con ella como si fuera el Santo Grial.

La relación de compresión, es cierto, es más complicada de lo que parece al principio. No ayuda que sea uno de esos términos que se escuchan en las reuniones de autos y en los comunicados de prensa sin una explicación seria. Es una de esas cosas que sobre todo finges entender mientras intentas impresionar al trapecista que conociste en el circo el fin de semana pasado.

Sabemos que una alta compresión es buena y que una baja compresión es mala. Sabemos que el nuevo motor Skyactiv-X " Holy Grail " de Mazda es de alta compresión, junto con las series " Diesel Slayer " de Infiniti y " Dynamic Force " de Toyota, que anuncian más potencia y más eficiencia.

Vivimos en una época en la que los ingenieros no pueden simplemente darle más potencia a un motor haciéndolo más grande. Cambiar la relación de compresión de un motor se está convirtiendo en la forma en que se hace.

(Por cierto, si estás leyendo esto y resoplando porque ya sabes qué es la relación de compresión, ¡bien por ti! No todos los demás lo saben).

Una relación de compresión es exactamente lo que parece: una relación en la que se comprime el volumen máximo del cilindro en el volumen mínimo del cilindro. Ese es el volumen del cilindro cuando un pistón está completamente hacia abajo en comparación con todo el camino hacia arriba. Está escrito y expresado como una proporción. Por ejemplo, para un motor con una relación de compresión de 9: 1, diría que es "nueve a uno".

Ahora imagina un cilindro en tu cabeza. El pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo dentro de ese cilindro. Cuando el pistón está en el punto más bajo, eso se llama Centro Muerto Inferior. Ahí es donde el volumen del cilindro es mayor. Cuando el pistón está en el punto más alto dentro del cilindro, eso se llama Top Dead Center, y ahí es donde el volumen del cilindro es más pequeño. La comparación de estos dos volúmenes es de donde proviene su relación.

Si eres un aprendiz visual como yo, te gustará este GIF que hice mostrando cómo funciona un motor de cuatro tiempos. ¿Ves cómo se mueve el pistón durante esa carrera de compresión? Eso es todo el aire y el combustible comprimidos en el cilindro. Si un motor tiene una relación de compresión alta, significa que un volumen dado de aire y combustible en el cilindro se está comprimiendo en un espacio mucho más pequeño que un motor con una relación de compresión más baja.

Y ahora, un ejemplo con matemáticas simples, mi tipo favorito.

Imagina que tienes un motor cuyo cilindro y cámara de combustión tienen un volumen de 10 cc cuando el pistón está en el punto muerto inferior. Después de que la válvula de admisión se cierra y el pistón se eleva durante la carrera de compresión, aprieta la mezcla de aire y combustible en el espacio de un solo centímetro cúbico. Este motor tiene una relación de compresión de 10: 1.

¡Eso es! Esa es la relación de compresión. Volumen total barrido más volumen comprimido (incluido el volumen de la culata y todo lo que se encuentra arriba donde el pistón “barre”) en volumen comprimido solo .

Pero comprender qué es la relación de compresión es menos importante que comprender por qué nos preocupamos por ella o por qué la alta compresión es una aspiración.

La mejor explicación que obtuve en esto vino de mi compañero de trabajo e ingeniero David Tracy, quien luego se acercó a otros ingenieros y profesores en busca de ayuda. La mejor respuesta vino del Dr. Andy Randolph, director técnico de ECR Engines. Él investiga el sistema de propulsión para NASCAR y su explicación es muy clara:

Ahora, realmente deberíamos entender más sobre el por qué además del cómo , y eso significa que tendremos que aventurarnos en el ámbito de la termodinámica.

El punto básico de todo esto es que una relación de compresión más alta significa que el motor está trabajando más con la misma cantidad de combustible. Eso es bueno para la potencia y también las millas por galón.

Para explicar por qué una relación de compresión más alta produce una mejor eficiencia, no vamos a sumergirnos demasiado en la termodinámica, pero qué diablos, simplemente sumerjamos los dedos de los pies. Es saludable y bueno para el alma.

La imagen de arriba muestra un diagrama de PV, o presión-volumen, para un motor de gasolina ideal y típico. Muestra, visualmente, lo que está sucediendo en su motor mientras quema gasolina.

En el diagrama anterior, esa curva 1-2 inferior muestra la carrera de compresión.

La línea 2-3 muestra combustión.

La curva superior 3-4 muestra la carrera de expansión.

Y la línea 4-1 muestra rechazo de calor cuando se abre la válvula de escape.

Para ser más técnico, en el diagrama, la curva 1-2 muestra la carrera de compresión en la que la presión (eje y) aumenta y el volumen (eje x) cae a medida que el pistón trabaja sobre el gas, apretándolo. La línea 2-3 muestra el calor liberado durante la combustión, aumentando rápidamente la presión y la temperatura del gas. La curva 3-4 muestra el aumento de volumen y la caída de presión a medida que el gas actúa sobre el pistón durante la carrera de expansión. La línea 4-1 muestra el rechazo de calor del gas a los alrededores cuando la presión vuelve a la temperatura ambiente con la válvula de escape abriéndose. Finalmente, la línea plana 1-5 en la parte inferior representa la carrera de escape y el pistón regresa al punto muerto superior al final.

El área dentro de esas líneas 1-2-3-4 representa la cantidad de trabajo realizado por el motor. Una relación de compresión más alta significa que las dos líneas verticales en el gráfico se moverán hacia la izquierda y hacia arriba, dejando más área dentro de los límites que con una relación de compresión más baja, y por lo tanto se está trabajando. Pero como puede ver en ese diagrama, golpearía una presión más alta. Dicho de otra manera, terminaría con más trabajo mecánico de su motor de alta relación de compresión. Tendría más presión en el cilindro y en su pistón debido a la entrada de calor de la combustión.

También es importante tener en cuenta que la entrada de calor y la pérdida de calor durante el ciclo de su motor se relacionan con la eficiencia en función de la relación de compresión. Todo funciona con dos ideas. La primera es que cualquier energía térmica que ingrese al sistema debe convertirse en trabajo mecánico o calor residual. La segunda es que la eficiencia térmica es simplemente la producción de trabajo dividida por la entrada de calor. Entonces puede derivar la relación entre la eficiencia térmica y la relación de compresión, como MIT trazada en suhttp://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/node25.htmly se muestra arriba. La ecuación está aquí (nu es la eficiencia térmica, r es la relación de compresión y gamma es una propiedad del fluido) : 

A medida que le da a un motor de cierto desplazamiento una relación de compresión más alta, efectivamente desplaza el diagrama PV hacia arriba y hacia la izquierda, y aumenta la entrada de calor (Qh en el diagrama) más que la pérdida de calor (Ql). Dicho de otra manera, está convirtiendo más de su energía de entrada en trabajo. Aquí está Jason Fenske de Ingeniería Explicado desglosando la relación entre la relación de compresión, la transferencia de calor y la eficiencia:

De todos modos, el punto es que la termodinámica dicta que la eficiencia térmica aumenta con la relación de compresión, como puede ver en el gráfico y la ecuación anteriores. Y eso significa más caballos de fuerza, mejor economía de combustible, carteras más pesadas y sonrisas más grandes. Conduce un V8 americano viejo de baja compresión, lento, sibilante, succionador de gas y sabrás a qué me refiero.

La relación de compresión también es lo que hace que motores como el de Mazda http://www.mazda.com/en/innovation/technology/skyactiv/skyactiv-g/motor tan eficiente. El primero de una ola de nuevos motores de alta compresión y compresión variable de Mazda, Nissan / Infiniti y Toyota, el Mazda tiene la relación de compresión más alta en el negocio en este momento, con 14: 1, por lo que puede manejar un alto nivel de combustible. cifras de economía y potencia incluso sin turbocompresor.

¿Por qué no todo el mundo usa relaciones de compresión altas? Bueno, la alta compresión es la razón por la que muchos motores de alto rendimiento necesitan combustible premium o gasolina de alto octanaje. Los índices de octanaje son, como estehttps://auto.howstuffworks.com/compression-ratio-octane-ratings1.htm señala el artículo, una medida de la capacidad de la gasolina para resistir la detonación.

En comparación con el gas con un índice de octanaje alto, es más probable que la gasolina que tiene un índice de octanaje bajo se encienda automáticamente debido a las altas temperaturas y presiones de carga de aire. Básicamente, desea que el gas se encienda cuando lo desee, no el tipo que se encienda cuando no lo desee. Ese tipo de combustión incontrolada se llama golpeteo. Golpear es malo; reduce el par y puede causar daños irreparables a su motor.

La alta compresión aumenta el riesgo de golpe, razón por la cual los motores de muy alta compresión funcionan con gas de carrera de alto octanaje o (más comúnmente ahora) E85. Los gases tienden a calentarse cuando se comprimen, por lo que el aumento de la densidad de calor podría hacer que el combustible se queme prematuramente antes de que la bujía lo encienda. Para reiterar: eso es malo.

Mazda tuvo que trabajar mucho en el diseño de su pistón y escape para mitigar los golpes en su motor 14: 1 que funciona con gasolina. Los pistones de un motor Skyactiv-X, por ejemplo,http://www.mazda.com/en/innovation/technology/skyactiv/skyactiv-g/, para permitir que Mazda dispare una ráfaga de combustible rico alrededor de la bujía de encendido en una mezcla pobre y, sí, hay una razón por la cual esta no fue una tecnología fácil de desarrollar.

Lo que también es interesante es que no puede simplemente hacer un motor con una relación de compresión tan alta como desee. Me comuniqué con John Hoyenga, propietario de la tienda de rally y escape de alto rendimiento.http://namelessperformance.com/, para conversar sobre los riesgos y beneficios de la alta compresión.

John está construyendo un automóvil de rally Nissan 240SX en el que está cambiando un SR20VE de cuatro cilindros, que actualmente genera alrededor de 250 caballos de fuerza en las ruedas con solo 2.0 litros. Esto es, sorprendentemente, sin turbo. Todo lo que John tiene que agradecer es su altísima relación de compresión de 14,5: 1. "Se hace más trabajo por compresión", explicó, "por lo que más potencia producirá [un motor] sin impulso".

Dicho esto, debido a que este es un motor de carrera, lo está ejecutando con gasolina de carrera o E85 de octanaje extremadamente alto. John dijo que cualquier relación de compresión superior a 14,5: 1 correría el riesgo de autoignición y podría disparar una varilla o hacer girar un rodamiento. Esto es lo que casualmente se conoce como "explosión".

Pregunté si es por eso que no vemos que la gente no esté corriendo con motores que tienen relaciones de compresión significativamente más altas que cualquier otra cosa que vemos hoy. Relaciones obscenamente altas, como 60: 1. John se rió. Explicó que el metal simplemente no puede soportar niveles tan altos de estrés, y una relación de compresión como esa haría que las cosas se calientan tanto que explotaría cualquier motor actual.

Por supuesto, no todos estamos construyendo autos de carrera con motores de carrera, por lo que alterar las relaciones de compresión no es algo de lo que tengamos que preocuparnos. Pero somos propietarios de automóviles casuales y entusiastas de los cuasimotores, por lo que esta fue una explicación de lo que significa la relación de compresión y por qué es importante. Ya no tienes que fingirlo, ahora sabes lo que es.

¡Ahora, ve a buscar a ese trapecista y dile cómo te sientes!

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