Ya has escuchado el término relación de compresión antes, pero ¿alguna vez te has preguntado exactamente qué significa? Bueno, es hora de explicar exactamente qué relación de compresión es, y por qué cada fabricante de automóviles está ahora obsesionado con ella como si fuera el Santo Grial.
La relación de compresión, sin duda, es más complicada de lo que parece al principio. No sirve de nada que sea uno de esos términos que escuchas en reuniones de automóviles y en comunicados de prensa sin mucha explicación seria. Es una de esas cosas que pretendes entender al tratar de impresionar a ese trapecista que conociste en el circo el pasado fin de semana.
Sabemos que la compresión alta es buena y que la compresión baja es mala. Sabemos que el nuevo motor Skyactiv-X ” Holy Grail ” de Mazda es de alta compresión, junto con el ” diesel slayer ” de Infiniti y la serie ” Dynamic Force ” de Toyota que anuncian más potencia junto con más eficiencia.
Vivimos en una época en la que los ingenieros no pueden darle más potencia a un motor haciéndolo más grande. Cambiar la relación de compresión de un motor se está convirtiendo en cómo se hace.
(Por cierto, si estás leyendo esto y bufando porque ya sabes qué relación de compresión es, ¡es bueno para ti! No todos los demás lo hacen).
Lo que define la relación de compresión es súper simple
Una relación de compresión es exactamente lo que parece: una proporción en la que está comprimiendo el volumen máximo del cilindro en el volumen mínimo del cilindro. Ese es el volumen del cilindro cuando un pistón está completamente abajo en comparación con todo el camino hasta la parte superior. Está escrito y dicho como una relación. Por ejemplo, para un motor con una relación de compresión 9: 1, dirías 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, se llama Bottom Dead Center. Ahí es donde el volumen del cilindro es mayor. Cuando el pistón está en el punto más alto dentro del cilindro, se llama Top Dead Center, y ahí es donde el volumen del cilindro es más pequeño. La comparación de estos dos volúmenes es de dónde proviene su relación.
Si eres un estudiante 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 está siendo comprimido en un espacio mucho más pequeño que un motor con una relación de compresión más baja.
Y ahora para un ejemplo con matemáticas simples, mi clase favorita.
Supongamos que tiene un motor cuyo cilindro y volumen de la cámara de combustión es 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, exprime 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. El volumen barrido total más el volumen comprimido (incluido el volumen de la culata y todo lo que está por encima de donde “barre” el pistón) solo en volumen comprimido .
Por qué es mejor es complicado
Pero entender qué proporción de compresión es menos importante que comprender por qué nos importa, 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 contactó a otros ingenieros y profesores en busca de ayuda. La mejor respuesta proviene del Dr. Andy Randolph, Director Técnico de ECR Engines. Él hace investigación de powertrain para NASCAR, y su explicación es súper clara:
Desde la perspectiva de un lego, la potencia del motor se genera cuando la combustión ejerce una fuerza sobre el pistón y empuja al pistón hacia abajo del cilindro durante la carrera de expansión.
Cuanto más alto esté el pistón en el orificio cuando comience la combustión, mayor será la fuerza ejercida.
A medida que aumenta la relación de compresión, el pistón se mueve más alto en el orificio en el punto muerto superior, por lo tanto hay una fuerza adicional para la carrera de expansión (la fuerza adicional para la misma cantidad de combustible equivale a una mayor eficiencia).
Ahora, realmente deberíamos entender más acerca del por qué, además del cómo , y eso significa que vamos a tener que aventurarnos en el campo de la termodinámica.
El punto básico de todo esto es que una relación de compresión más alta significa que el motor está obteniendo más trabajo de la misma cantidad de combustible. Eso es bueno para el poder y también 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 demonios, sumergirnos en los dedos de los pies. Es saludable y bueno para el alma.
Una mayor compresión significa más trabajo pero más presión
La imagen de arriba muestra un diagrama de PV, o volumen de presión, para un motor de gasolina ideal y típico. Muestra, visualmente, lo que está sucediendo en su motor ya que quema gasolina.
En el diagrama de arriba, esa curva inferior 1-2 muestra la carrera de compresión.
La línea 2-3 muestra la combustión.
La curva superior 3-4 muestra la carrera de expansión.
Y la línea 4-1 muestra rechazo de calor cuando la válvula de escape se abre.
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) disminuye a medida que el pistón trabaja en 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 trabaja en el pistón durante la carrera de expansión. La línea 4-1 muestra el rechazo de calor del gas al entorno a medida que la presión vuelve a la normal con la válvula de escape abriéndose. Finalmente, la línea plana 1-5 en la parte inferior representa la carrera de escape y el pistón regresando al punto muerto superior en el extremo.
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 de la gráfica se moverán hacia la izquierda y hacia arriba, dejando más área dentro de los límites que con una relación de compresión más baja, y así se hará el trabajo. Pero como pueden ver en ese diagrama, presionarían más. 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 por la entrada de calor de la combustión.
Mayor compresión también significa más eficiencia térmica
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 en dos ideas. La primera es que cualquier energía de calor que ingrese al sistema debe convertirse en trabajo mecánico o calor residual. El segundo es que la eficiencia térmica es simplemente la salida de trabajo dividida por la entrada de calor. Entonces puedes derivar la relación entre la eficiencia térmica y la relación de compresión, como MIT trazada en su página web y 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) :
Cuando le da a un motor de un 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, estás convirtiendo más energía de entrada en trabajo. Aquí está Jason Fenske de Engineering Explained , que analiza 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 se puede ver en la gráfica y la ecuación anterior. Y eso significa más potencia, mejor economía de combustible, billeteras más pesadas y sonrisas más grandes. Conduce cualquier V8 americano viejo de baja compresión, lento, con respiración sibilante y con gas, y sabrás a qué me refiero.
La relación de compresión también es lo que hace que los motores como el Skyactiv-G de Mazda sean tan eficientes. 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, en 14: 1, por lo que puede administrar combustible alto cifras de economía y potencia incluso sin un turbocompresor.
Por qué una mayor compresión significa que necesita un octano más alto
¿Por qué no todos usan solo altas relaciones de compresión? Bueno, la alta compresión es la razón por la cual muchos motores de alto rendimiento necesitan combustible premium o gasolina de alto octanaje. Las calificaciones de Octane son, como este How Stuff Works articseñala, una medida de la capacidad de la gasolina para resistir la detonación.
En comparación con el gas con un alto índice de octanaje, la gasolina que tiene un índice de octanaje bajo es más probable que se auto-encienda debido a las altas temperaturas y presiones de carga de aire. Básicamente, desea que el gas se encienda cuando lo desee, no del tipo que se enciende cuando usted no lo desea. Ese tipo de combustión incontrolada se llama golpeteo. Golpear es malo; reduce el torque y puede causar daños irreparables a su motor.
La alta compresión aumenta el riesgo de golpeteo, por lo que los motores de compresión muy alta funcionan con gas de carrera de alto octanaje o (más comúnmente ahora) E85. Los gases tienden a calentarse cuando están comprimidos, por lo que la mayor densidad de calor podría provocar 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 el golpeteo en su motor 14: 1 que funciona con bomba de gas. Los pistones de un motor Skyactiv-X, por ejemplo, tienen una cavidad en el medio , 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 esto no fue posible. No es una tecnología fácil de desarrollar.
Lo que también es interesante es que no se puede hacer un motor con una relación de compresión tan alta como se desee. Me comuniqué con John Hoyenga, propietario del escaparate de rendimiento y taller de rally de Nameless Performance , para conversar sobre los riesgos y los beneficios de la alta compresión.
John está construyendo un auto de rally Nissan 240SX en el que está intercambiando un cuatro cilindros SR20VE, que actualmente produce unos 250 caballos de fuerza en las ruedas desde solo 2.0 litros. Esto es, sorprendentemente, sin turbo. Todo lo que John tiene que agradecer es su muy alta relación de compresión de 14.5: 1. “Hay más trabajo hecho por compresión”, explicó, “por lo que más potencia [un motor] hará sin impulso”.
Dicho eso, porque este es un motor de carrera, lo está ejecutando con gas de carrera o E85 de muy alto octanaje. John dijo que cualquier relación de compresión superior a 14.5: 1 correría el riesgo de autoencendido, y podría disparar una varilla o girar un rodamiento. Esto es lo que casualmente se conoce como “explosión”.
Hay un límite a lo alto que puede llegar
Le pregunté si es por eso que no vemos gente que no esté corriendo con motores que tienen relaciones de compresión significativamente más altas que cualquier otra cosa que veamos hoy. Proporciones 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 así funcionaría tanto que haría explotar cualquier motor actual.
Por supuesto, no todos estamos construyendo autos de carrera con motores de carrera, por lo que no es necesario preocuparnos por modificar las relaciones de compresión. Pero somos propietarios ocasionales de automóviles y entusiastas cuasi motores, por lo que esta fue una explicación de lo que significa la relación de compresión y por qué es importante. Ya no tienes que fingir más, ahora sabes lo que es.
¡Ahora ve y encuentra a ese trapecista y cuéntale cómo te sientes!
