Annath

Statische vs. effektive Kompression: Warum benötigt eine höhere effektive Kompression kein Oktan?


Motor Performance Oktan Kompression Turbolader Auto

Hintergrund


Ich habe in letzter Zeit viel über Boost geforscht, weil ich plane, in Zukunft ein moderates Turbo-Setup auf meinem täglichen / leichten Auto zu fahren. Ich versuche, in die Physik der Dinge einzudringen, damit ich nicht nur Teile teile und auf das Beste hoffe, sondern einen Motor entwickle, der funktioniert.

Die Frage


Meine Hauptfrage ist das. Ich habe diesen Artikel gelesen und während ich mein Verständnis von Kompression vertieft habe, hinterlasse ich folgende Frage: Ich weiß, dass Motoren mit einer höheren statischen Verdichtung höhere Oktanzahlen benötigen, um eine Detonation zu verhindern. Warum also Motoren mit höheren effektiven Verdichtungsverhältnissen? scheinen keine Kraftstoffe mit höherer Oktanzahl zu benötigen?

Normalerweise höre ich von Leuten, die Turbo-Setups fahren und einfach normales Pumpgas verwenden und keine Probleme haben, obwohl das effektive Kompressionsverhältnis viel höher wäre als bei den meisten Saugmotoren. Zum Beispiel, das Setup, das ich in Erwägung zog, wäre ein turboaufgeladener Honda d16a6, der eine statische Kompressionsrate von 9.1: 1 mit 10 psi Boost hat, was eine effektive Kompression von ungefähr 15: 1 ergibt.

Annath
Ich beantworte hier vielleicht meine eigene Frage, aber mir ist gerade ein Gedanke gekommen. Wäre das, weil die meisten turbocharged Setups eine Art Ladeluftkühler benutzen, die Ansaugtanktemperatur senkend?

Bob Cross♦
Sie benötigen für diesen Motor höheren Oktan-Kraftstoff. Sehen Sie meine sehr lange Antwort für warum. Richtig eingestellt, sollte es dir gut in Mainstream-Premium (93 Oktan, wo ich lebe).

Anonymous
Bob. Ich glaube nicht, dass ich jemals so gut erklärt gesehen habe. Sehr schöne Qualität, Sir.

Antworten


Bob Cross

tl; dr: Sie tun es. Es ist nur schwer zu sagen, wie viel.

Die längere Antwort ist, dass sie es tun und dass effektive Komprimierung Sie als eine Annäherung für tatsächliche Effekte versagt.

Denken Sie an Detonation (AKA vorzeitige Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches). Normalerweise betrachten wir zwei Ursachen: Kompression (die Änderung des Raums, der vom Zylinder eingeschlossen wird, wenn sich der Kolben auf und ab bewegt) und Temperatur (z. B. gemessene Temperatur der Ansaugluft).

In Wirklichkeit gibt es nur Temperatur.

Lasst uns zurück zum idealen Gasgesetz gehen :

 PV = nRT 

wo P ist Druck, V ist Volumen und T ist Temperatur (in Grad Kelvin, erinnere dich!) und der Rest sind interessante Konstanten, die nicht zu dieser Diskussion relevant sind. Die Komprimierung bewirkt, dass der V Wert abnimmt und P zunimmt. In einer idealen Welt wäre das das Ende: Die Kompression des Zylinders wäre ein 100% effizienter Prozess ohne Temperaturanstieg.

Leider leben wir in einer tatsächlichen und nicht in einer idealen Welt. Das beste einfache Modell für das, was in der Engine passiert, ist, dass es ein System konstanter Entropie ist . Dies bedeutet, dass wir durch das Wärmekapazitätsverhältnis der Gase im System eingeschränkt sind. Wenn wir ein Wärmekapazitätsverhältnis von 1,3 und ein beispielhaftes Kompressionsverhältnis von 10: 1 verwenden, betrachten wir eine ungefähre Verdoppelung der Temperatur (Grad Kelvin!).

Kurz gesagt, Kompression macht Gase heißer. Warum ist das aber schlimm?

Denken Sie so: Sie haben ein festes Temperaturbudget für ein bestimmtes Oktangas. Wenn T höher als T_ignition , bang. Wie Sie darauf hinweisen, können Sie dem System einen Ladeluftkühler hinzufügen, um die Temperatur der eintretenden Luft zu reduzieren.

Ebenso können Sie den Betrag ändern, den V ändert. Dies erhöht den Temperaturanstieg, den Ihr Motor vor dem Detonieren tolerieren kann.

Jetzt wird durch Hinzufügen eines Turboladers auf die Ansaugluft der normale Atmosphärendruck auf etwas wesentlich höher komprimiert, was zu einer Änderung dieser anderen Konstanten führt, die ich zuvor weggebürstet habe (siehe Turbovolumetrieeffizienz für weitere Informationen) und die Temperatur erhöht.

Das isst in mein Temperaturbudget ein. Wenn ich Gas mit niedrigerer Oktanzahl verwenden würde, würde das die Schwelle für die Detonation senken und bei einem Schub könnte ich auf einen Motorschaden schauen.

Also, nach allem, was machst du?

  1. Forschungsforschung: Bauen Sie nicht im Vakuum. Kopiere die Layouts anderer Leute oder verbessere sie.
  2. Messen Sie Ihre Ansaugtemperatur vor und nach dem Turbo.
  3. Finde das beste Gas, das du kannst.
  4. Stellen Sie den Motorcomputer so ein, dass der Motor nicht explodiert.

Beim Tuning: Eine Sache, die die ECU tun kann, ist, der Mischung zusätzliches Benzin hinzuzufügen und dadurch die Mischung abzukühlen. Zugegeben, die Verwendung von Kraftstoff als Kühlmittel ist nicht förderlich für absolute Effizienz, sollte aber kein Problem sein, wenn man aus dem Boost heraus fährt. Wie immer weniger rechter Fuß = weniger ausgegebenes Gas.

All dies wird in Corky Bells Turboaufladungsbuch Maximum Boost diskutiert - eine sehr unterhaltsame Lektüre für geekige Leute wie mich.

Etwas später : Ich habe gerade die spezifische Frage bezüglich des statischen Kompressionsverhältnisses von 10,1 psi Boost bemerkt. Als Beispiel, meine WRX läuft 8: 1 bei etwa 13,5 psi, so dass auf den ersten Blick, 9: 1 mit 10 psi erreichbar scheint.

Schauen wir uns eine der besser diskutierbaren Gleichungen für eine effektive Kompressionsrate an (die, wie wir bereits festgestellt haben, immer noch eine Annäherung an ziemlich komplexe Thermodynamik ist):

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

Wobei ECR das "effektive Kompressionsverhältnis" und CR das "statische Kompressionsverhältnis" ist (was hast du angefangen, bevor du Boost hinzufügst). boost wird in psi (Pfund pro Quadratzoll) gemessen. Denken Sie daran, dass das Ziel dieser Gleichung darin besteht, uns zu sagen, ob unser vorgeschlagenes Setup überhaupt möglich ist und ob es in der Lage ist, mit Benzin zu fahren, das ich auf der Straße gegen die Rennstrecke kaufen kann.

Also, mit meinem Auto als Beispiel:

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

Unter Verwendung dieser Gleichung besteht die Implikation darin, dass meine effektive Kompressionsrate bei Spitzenverstärkung etwa 11: 1 beträgt. Das ist im Rahmen dessen, was Sie erwarten könnten, um einen Saugmotor mit Pumpgas (93 Oktan) zu betreiben. Und, Beweis für Existenz, läuft mein Auto auf 93 Oktan gut.

Sehen wir uns das fragliche Setup an:

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

Wie in der Referenz zitiert, ist 12: 1 wirklich so weit, wie Sie mit einem Straßenauto fahren können, so dass dieses Setup immer noch innerhalb dieser Grenzen wäre.

Der Vollständigkeit halber sollten wir beachten, dass es auch eine andere ECR-Gleichung gibt, die im Internet wandert und die Quadratwurzel auslässt. Es gibt zwei Probleme mit dieser Funktion:

  1. Erstens würde das zu einer ECR für mein Auto von 15: 1 führen. Das ist ein bisschen lächerlich: Ich würde nicht einmal einen solchen Motor mit Straßengas starten wollen.

  2. Die ECR ist ohnehin eine Annäherung: die eigentliche Antwort auf die Frage "Wie viel Schub kann ich fahren?" wird von kritischen Faktoren wie der Ansauglufttemperatur und der Verdichtereffizienz abgeleitet. Wenn Sie eine Approximation verwenden, verwenden Sie keine, die Ihnen sofort sinnlose Antworten gibt (siehe Punkt 1).

Annath
+1 Das ist genau das, was ich gesucht habe, danke! Das erklärt einiges.

Bob Cross♦
@Annath, gern geschehen.

DucatiKiller♦
@BobCross Mein Neid für diese Antwort ist hellgrün, nicht waldgrün ... aber trotzdem grün. Sieht so aus, als ob GoFaster denkt, dass es auch die Knie der Biene sind. Fandom muss hart für dich sein. :-)

sweber
Ähm ... Wenn Sie V in Ihrer Gleichung verringern, muss auch T abnehmen, um die Gleichheit aufrechtzuerhalten, wenn alles andere konstant ist! Aber es gibt auch den Druck p , der sich um V erhöht. Deshalb nimmt T tatsächlich zu. (Auch die Formel T_1/T_2=V_2/V_1 ist nicht die richtige, da p=const ). Sie haben hier einen adiabatischen Prozess mit T_1/T_2=(V_2/V_1)^(κ-1) wobei κ eine (Halb-) Konstante in der Größenordnung von 1,3 ist. Was Sie jedoch über V und T schreiben, ist absolut richtig und ergibt eine insgesamt gute Antwort (+1).

Bob Cross♦
@Sweber Wow, du hast vollkommen recht. Ich frage mich, welcher Entwurf dieser Antwort mir erlaubte, eine Gleichheit zu einer Ungleichheit zu machen. Natürlich ist der Druck keine Konstante oder der Motor würde überhaupt nicht funktionieren. Diesen Teil jetzt neu schreiben.

Ehryk

Einer der Gründe dafür, dass ein Turbo-Setup mit der äquivalenten effektiven Kompression bei niedrigen Oktangehalten fehlerverzeihender ist als bei einer statischen Komprimierung, ist, dass Sie nicht ständig bei dieser Kompressionsrate sind. Nimm zum Beispiel diesen Honda. Bei einem statischen Verhältnis von 9: 1 können Sie den ganzen Tag über 87 Oktan laufen lassen, solange Sie keinen Boost darauf ausüben. Wenn Sie anfangen, etwas Schub in seine Kehle zu drücken, gehen die Klopfsensoren aus und der Motor SOLLTE auf verschiedene Arten reagieren - vielleicht Kraftstoff-, Zündfunken- oder Verzögerungs-Timing, was den Boost nach unten drücken sollte (nicht, dass ich es empfehle).

Im Fall der statischen Komprimierung werden Sie auch dann, wenn Sie nur versuchen, im Leerlauf zu arbeiten oder zu fahren, immer noch auf weniger als das erforderliche Oktangas vorkonditionieren. Dies gilt auch für kupplungslose Kompressoren, es gibt keinen "Aus" -Schalter oder "Ich fahre gut". Sie sind an diese höhere Komprimierungsrate gebunden.

Nochmals, um das Training nicht zu empfehlen, hatte ich einen 270 PS Ford Probe 2.2L Turbo, und bei voller Boost (~ 21psi) und 7,8: 1 statischem Kompressionsverhältnis würde ich es nie wagen, es mit irgendetwas außer 93 Oktan zu erreichen. Aber manchmal würde ich auf langen Fahrten 87 Oktan auffüllen und meinen Boost-Controller auf 7 psi oder niedriger einstellen und keine Klopfsensoraktivität protokollieren. Selbst wenn ich den Boost-Controller nicht absenke, kannst du einfach "schön fahren", wenn du es riskieren willst (aber die Versuchung ist ziemlich stark). Ich war in der Lage, 36MPG von 87 Oktan zu bekommen, wenn ich nett war (ziemlich sparsam). Ich vergleiche das mit dem aufgeladenen 427 PS 4,6L V8 meines Vaters bekommt 12MPG, wenn Sie nett dazu sind, 8MPG, wenn Sie nicht sind, und Sie haben nicht die Wahl von irgendetwas aber premium.

Bob Cross♦
"Wenn Sie anfangen, einen Schub in den Hals zu drücken, gehen die Klopfsensoren aus und der Motor SOLLTE auf verschiedene Arten reagieren" - richtig, Sie hoffen, dass ein reaktives System das Symptom erkennt und rechtzeitig reagiert, um katastrophalen Schaden zu vermeiden Das Problem ist, dass es nicht rechtzeitig für einige nicht null Prozent der Situationen arbeiten wird.

Ehryk
Oh, ich stimme zu 120% zu, und ich habe zweimal reingeschickt. Ich empfehle das nicht. Es ist jedoch der Grund, warum man mit Turbo-Gas mit niedrigerer Oktanzahl und einigen Kompressor-Setups durchkommt, die man nicht in einem statischen Kompressionsverhältnis hätte Konfiguration.

jkj

Neben guter Antwort von @Bob:

Es gibt einige Tricks, mit denen das Problem gemildert werden kann:

  • Ein Klopfsensor zum Erkennen von vorzeitigen Detonationen (und zum Einstellen des Ladedrucks). ZB ermöglicht Saab APC die sichere Verwendung von Kraftstoffen mit niedrigerer Oktanzahl.

  • Einspritzen von Wasser zur Kühlung der Brennkammern (anstelle von übermäßigem Brennstoff)

  • Pro Zylinder-Exhaust-Thermometer (und sequentielle Einspritzung / Zündung)

For any question please email answer.adv@gmail.com