Statische vs. effektive Komprimierung: Warum erfordert eine effektivere Komprimierung kein Gas mit höherer Oktanzahl?

Hintergrund

Ich habe in letzter Zeit versucht, viel über Boost zu recherchieren, weil ich plane, in Zukunft ein moderates Turbo-Setup für mein tägliches / leichtes Autox-Auto durchzuführen. Ich versuche, in die Physik der Dinge einzusteigen, damit ich bei meinem Build nicht nur Teile aufschlage und auf das Beste hoffe, sondern stattdessen einen Motor zum Laufen bringe.

Die Frage

Meine Hauptfrage ist dies. Ich habe diesen Artikel gelesen und während er mein Verständnis der Komprimierung vertieft, bleibt mir folgende Frage: Ich weiß, dass Motoren mit einem höheren statischen Kompressionsverhältnis Kraftstoffe mit höherer Oktanzahl benötigen, um eine Detonation zu verhindern. Warum also Motoren mit höheren effektiven Kompressionsverhältnissen? scheinen keine Kraftstoffe mit höherer Oktanzahl zu erfordern?

Normalerweise höre ich von Leuten, die Turbo-Setups betreiben und einfach normales Pumpgas verwenden und keine Probleme haben, obwohl das effektive Kompressionsverhältnis viel höher wäre als bei den meisten Saugmotoren. Das Setup, das ich in Betracht gezogen habe, wäre beispielsweise ein Honda d16a6 mit Turbolader, der ein statisches Kompressionsverhältnis von 9,1: 1 mit 10 psi Auftrieb aufweist, was einer effektiven Kompression von etwa 15: 1 entspricht.

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

Die längere Antwort ist, dass dies der Fall ist und dass die effektive Komprimierung Sie als Näherung für die tatsächlichen Effekte scheitert.

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

In Wirklichkeit gibt es nur Temperatur.

Kehren wir zum idealen Gasgesetz zurück :

PV = nRT

Wo Pist Druck, VVolumen und TTemperatur (in Kelvin, denken Sie daran!) und der Rest sind interessante Konstanten, die für diese Diskussion nicht relevant sind. Die Komprimierung bewirkt, dass dieser VWert abnimmt und Pzunimmt. In einer idealen Welt wäre das das Ende: Die Komprimierung des Zylinders wäre ein zu 100% effizienter Prozess ohne Temperaturerhöhung.

Leider leben wir eher in einer tatsächlichen als in einer idealen Welt. Das beste einfache Modell für das, was in der Maschine 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, sehen wir eine ungefähre Verdopplung der Temperatur (Grad Kelvin!).

Kurz gesagt, durch die Kompression werden Gase heißer. Warum ist das so schlimm?

Stellen Sie sich das so vor: Sie haben ein festes Temperaturbudget für ein bestimmtes Oktangas. Wenn es Thöher wird als T_ignition, Knall. Wie Sie bereits betont haben, können Sie dem System einen Ladeluftkühler hinzufügen, um die Zulufttemperatur zu senken.

Ebenso können Sie den Betrag ändern, der sich Vändert. Dies erhöht die Temperaturerhöhung, die Ihr Motor vor der Detonation tolerieren kann.

Wenn Sie der Ansaugluft einen Turbo hinzufügen, wird der normale atmosphärische Druck auf einen wesentlich höheren Wert komprimiert, was zu einer Änderung der anderen Konstanten führt, die ich zuvor entfernt habe (überprüfen Sie den volumetrischen Turbowirkungsgrad für weitere Informationen) und die Temperatur erhöht.

Das verschlingt mein Temperaturbudget. Wenn ich Benzin mit niedrigerer Oktanzahl verwenden würde, würde dies den Schwellenwert für die Detonation senken, und beim Boosten könnte ich den Motorschaden untersuchen.

Also, nach all dem, was machst du?

1. Forschung Forschung Forschung: Nicht im luftleeren Raum bauen. Kopieren Sie die Layouts anderer Personen oder verbessern Sie sie.
2. Messen Sie Ihre Lufteintrittstemperatur vor und nach dem Turbo.
3. Finden Sie das beste Gas, das Sie können.
4. Stellen Sie den Motorcomputer so ein, dass Ihr Motor nicht explodiert.

Beim Einstellen: Das Steuergerät kann dem Gemisch zusätzlichen Kraftstoff hinzufügen und dadurch das Gemisch abkühlen. Zugegebenermaßen ist die Verwendung von Kraftstoff als Kühlmittel für die absolute Effizienz nicht förderlich, sollte aber kein Problem sein, wenn Sie außerhalb des Ladedrucks fahren. Wie immer, weniger rechter Fuß = weniger Benzin.

All dies wird in Corky Bells Turbocharging-Buch Maximum Boost behandelt - eine sehr unterhaltsame Lektüre für geekige Leute wie mich.

Einige Zeit später folgte : Ich bemerkte gerade die spezielle Frage zum statischen Kompressionsverhältnis von 9,1 mit einem Boost von 10 psi. Zum Beispiel läuft mein WRX 8: 1 mit ungefähr 13,5 psi, so dass auf den ersten Blick 9: 1 mit 10 psi erreichbar zu sein scheint.

Schauen wir uns eine der wahrscheinlich sinnvolleren Gleichungen für das effektive Kompressionsverhältnis an (die, wie wir festgestellt haben, immer noch eine Annäherung an die ziemlich komplexe Thermodynamik darstellt):

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

Wo ECRist das "effektive Kompressionsverhältnis" und CRist das "statische Kompressionsverhältnis" (was Sie vor dem Hinzufügen von Boost begonnen haben). boostwird in psi (Pfund pro Quadratzoll) gemessen. Denken Sie daran, das Ziel dieser Gleichung ist es, uns mitzuteilen, ob unser vorgeschlagenes Setup überhaupt machbar ist und ob es mit Benzin betrieben werden kann, das ich auf der Straße gegen die Rennstrecke kaufen kann.

Also, am Beispiel meines Autos:

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

Unter Verwendung dieser Gleichung impliziert dies, dass mein effektives Kompressionsverhältnis bei Spitzenverstärkung etwa 11: 1 beträgt. Dies liegt im Rahmen dessen, was Sie erwarten können, wenn Sie einen Saugmotor mit Pumpgas (93 Oktan) betreiben. Und, ein Beweis der Existenz, mein Auto fährt mit 93 Oktan genau richtig.

Schauen wir uns also 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, geht es bei 12: 1 wirklich darum, wie weit man mit einer Straßenbahn fahren kann, sodass sich dieses Setup immer noch innerhalb dieser Grenzen bewegen würde.

Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass es im Internet noch eine andere ECR-Gleichung gibt, bei der die Quadratwurzel weggelassen wird. Es gibt zwei Probleme mit dieser Funktion:

1. Erstens würde das eine ECR für mein Auto von 15: 1 ergeben. Das ist ein bisschen lächerlich: Ich möchte nicht einmal einen solchen Motor mit Straßengas starten.

2. 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 dem Kompressorwirkungsgrad abgeleitet. Wenn Sie eine Näherung verwenden, verwenden Sie keine, die sofort unbrauchbare Antworten liefert (siehe Punkt 1).

Einer der Gründe, warum ein Turbo-Setup mit der gleichwertigen effektiven Komprimierung Gas mit niedriger Oktanzahl mehr verzeiht als ein statisches Komprimierungs-Setup, ist, dass Sie nicht immer bei diesem Kompressionsverhältnis sind. Nehmen Sie zum Beispiel diese Honda. Bei einem statischen Verhältnis von 9: 1 können Sie den ganzen Tag 87 Oktan laufen lassen, solange Sie keinen Schub darauf ausüben. Wenn Sie anfangen, einen Schub in die Kehle zu drücken, gehen die Klopfsensoren aus und der Motor MUSS auf verschiedene Arten reagieren - vielleicht durch Absenken von Kraftstoff, Funken oder Verzögerung, was den Schub verringern sollte (was ich nicht empfehle).

Im Fall der statischen Komprimierung werden Sie auch dann, wenn Sie nur versuchen, im Leerlauf zu fahren oder ordentlich zu fahren, mit weniger als erforderlichem Oktangas prädetonieren. Dies würde auch für kupplungslose Lader gelten, da es keinen "Aus" -Schalter oder "Ich fahre gut" -Vorteil gibt. Sie sind an dieses höhere Kompressionsverhältnis gebunden.

Um die Praxis nicht weiter zu empfehlen, hatte ich einen Ford Probe 2.2L mit 270 PS, und bei voller Beschleunigung (~ 21 psi) und einem statischen Kompressionsverhältnis von 7,8: 1 würde ich mich niemals trauen, es mit etwas anderem als 93 Oktan zu erreichen. Bei längeren Fahrten füllte ich mich manchmal mit 87 Oktan und stellte meinen Boost-Regler auf 7 psi oder niedriger ein, ohne dass Klopfsensoren aufgezeichnet wurden. Auch wenn ich den Boost-Regler nicht abgesenkt habe, kann man einfach "schön fahren", wenn man es riskieren will (aber die Versuchung ist ziemlich groß). Ich war in der Lage, 36MPG aus 87 Oktan heraus zu erhalten, als ich zu ihm nett war (ziemlich ökonomisch). Ich vergleiche das mit dem aufgeladenen 4,6-Liter-V8-Motor meines Vaters mit 427 PS, der 12 MPG liefert, wenn Sie nett dazu sind, 8 MPG, wenn Sie nicht sind, und Sie haben keine andere Option als Premium.

Neben einer guten Antwort von @Bob:

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

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

• Einspritzen von Wasser zur Kühlung der Brennräume (anstelle von zu viel Kraftstoff)

• Exthaustthermometer pro Zylinder (und sequentielle Einspritzung / Zündung)