静态与有效压缩:为什么较高的有效压缩不需要较高的辛烷值气体?


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背景


最近,我一直在尝试进行大量研究,因为将来我计划在日常/轻型自动驾驶汽车上运行适度的涡轮增压设置。我正在尝试研究事物的物理特性,以便在进行构建时,我不仅在拍打零件并希望获得最好的效果,还设计了一种能够工作的电动机。

问题


我的主要问题是这个。我一直在阅读这篇文章,虽然它加深了我对压缩的理解,但是却给我留下了一个问题:我知道运行更高静态压缩比的发动机需要使用更高的辛烷值燃料来防止爆震,所以为什么具有更高有效压缩比的电动机似乎不需要更高的辛烷值燃料?

我通常会听到人们在运行涡轮增压装置,只是使用常规的泵送气体而没有问题,即使有效压缩比比大多数自然吸气发动机要高得多。例如,我考虑的设置是涡轮增压的本田d16a6,它的静态压缩比为9.1:1,增压为10 psi,有效压缩率约为15:1。


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我可能会在这里回答我自己的问题,但是我想到了一个想法。这是因为大多数涡轮增压装置都使用某种中冷器来降低进气温度吗?
安娜(Annath)2011年

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您将需要该发动机更高的辛烷值燃料。请参阅我的冗长答案,以了解原因。适当调整后,您在主流保费(我居住的93辛烷值)上应该没问题。
鲍勃·克罗斯

鲍勃 我认为我从未见过这么好的解释。先生,质量很好。

Answers:


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tl; dr:他们有。很难说出多少钱。

更长的答案是它们确实在起作用,而有效的压缩使您无法逼近实际效果。

考虑一下爆炸(也就是燃油-空气混合物过早着火)。通常,我们考虑两个原因:压缩(随着活塞向上和向下移动,气缸包围的空间的变化)和温度(例如,测得的进气温度)。

实际上,只有温度。

让我们回到理想的气体定律

PV = nRT

这里P的压力,V体积和T温度(以开尔文为单位,请记住!),其余的是有趣的常数,与本讨论无关。压缩会导致该V值减少和P增加。在理想的世界中,这将是它的终结:气缸的压缩将是100%有效的过程,而不会导致温度升高。

不幸的是,我们生活在现实世界而不是理想世界。关于引擎中发生的事情的最好的简单模型是,它是一个恒定熵的系统。这意味着我们受到系统中气体的热容量比的限制。如果我们使用1.3的热容比和10:1的示例压缩率,那么我们将看到温度大约翻倍(开氏度!)。

简而言之,压缩会使气体变热。为什么这样不好?

这样想:您对某种辛烷值气体有固定的温度预算。如果T高于T_ignition,则爆炸。因此,正如您所指出的,您可以在系统中添加一个中冷器,从而降低输入空气温度。

同样,您可以更改更改的数量V。这增加了发动机在引爆之前可以忍受的温度升高量。

现在,在进气上增加一个涡轮将正常大气压压缩到明显更高的水平,从而导致我之前刷掉的其他常数发生变化(请检查涡轮容积效率以获得更多信息)并提高温度。

那吞噬了我的体温预算。如果我使用较低的辛烷值气体,那将降低爆震阈值,并且在加速时,我可能正在研究发动机损坏。

那么,毕竟,您会怎么做?

  1. 研究研究:不要在真空中建立。复制或布局其他人的布局。
  2. 在涡轮增压之前和之后测量进气温度。
  3. 找到最好的汽油。
  4. 调整引擎计算机,以防止引擎爆炸。

关于调整:ECU可以做的一件事是向混合物中添加额外的燃料,从而冷却混合物。诚然,使用燃料作为冷却剂不利于绝对效率,但在加速行驶时不应该成为问题。与往常一样,更少的右脚=更少的汽油消耗。

以上所有内容均在Corky Bell的涡轮增压书Maximum Boost中进行了讨论-对于像我这样的怪异人来说,这是非常有趣的一本书。

稍后再跟进:我刚刚注意到一个有关9.1静态压缩比(运行10 psi提升时)的具体问题。例如,我的WRX在大约13.5 psi的压力下以8:1运行,因此从表面上看,可以实现9:1和10 psi的压力。

让我们看一下有效压缩比的一个更合理的方程式(正如我们所指出的,它仍然是相当复杂的热力学的近似值):

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

其中ECR“有效压缩率”和CR“静态压缩率”(添加增强之前的开始)是哪里。 boost单位为psi(磅/平方英寸)。请记住,这个方程式的目的是告诉我们我们建议的设置是否完全可行,并且是否能够在街上与赛道上购买的汽油上运行。

因此,以我的汽车为例:

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

使用该方程式,可以得出结论,我在峰值加速时的有效压缩比约为11:1。这是在使用泵气(93辛烷)运行正常吸气发动机的预期范围之内。而且,以事实证明,我的汽车确实可以在93辛烷值下运行。

因此,让我们看一下有问题的设置:

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

正如参考文献中所引用的那样,12:1确实是您可以乘坐有轨电车行驶的范围,因此该设置仍将在这些限制之内。

为了完整起见,我们应该注意,还有一个ECR方程在互联网上徘徊,它忽略了平方根。该函数有两个问题:

  1. 首先,这将导致我的汽车的ECR为15:1。这有点荒谬:我什至不想用街道煤气来启动这样的电动机。

  2. 无论如何,ECR都是一个近似值:对“我可以运行多少助力?”这个问题的真正答案。取决于进气温度和压缩机效率等关键因素。如果使用的是近似值,请不要使用那种会立即给您带来无用答案的近似值(请参阅第1点)。


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+1这正是我想要的东西,谢谢!这解释了很多。
安娜丝,2011年

@BobCross我对这个答案的嫉妒是浅绿色,不是森林绿色...但是还是绿色。看起来gofaster也认为这也是蜜蜂的膝盖。同伴一定对你很难。:-)
DucatiKiller

1
嗯...如果您减少V方程式,T那么在其他所有条件不变的情况下,也必须减少等式以保持相等!但是也有压力p,它会增加,而V会减小。这就是为什么T实际上增加。(甚至T_1/T_2=V_2/V_1假设该公式也不正确p=const)。这里有一个绝热过程,T_1/T_2=(V_2/V_1)^(κ-1)其中κ(半)常数为1.3左右。但是,您所写VT绝对正确的答案给出了一个很好的总体答案(+1)。
sweber's

@sweber哇,你完全正确。我不知道这个答案的哪个草案能使我将平等变成不平等。当然,压力不是恒定的,否则发动机根本无法工作。立即重写该部分。
鲍勃·克罗斯

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与等效压缩设置相比,具有等效有效压缩的涡轮设置比低静态压缩设置对低辛烷值气体的宽容度更高的原因之一是,您始终不会处于该压缩比。以那个本田为例。在9:1的静态比率下,只要不增加任何压力,您就可以整天运行87辛烷值。当您确实开始向下推动助推器时,爆震传感器将关闭,发动机应以各种方式做出响应-可能会减少燃油,火花或延迟正时,这会迫使助推器向下推(我不建议这样做)。

在静态压缩的情况下,即使您只是试图怠速或行驶良好,您仍将在低于所需辛烷值的气体下起爆。这也适用于无离合器增压器,没有“关闭”开关或“我驾驶得很好”的好处。您被锁定在更高的压缩比中。

再次,不建议这样做,我安装了270hp的福特Probe 2.2L涡轮增压发动机,并在完全增压(〜21psi)和7.8:1静态压缩比的情况下,除了93辛烷值外,我永远都不会尝试达到这一标准。但是,有时在长途旅行中,我会充满87辛烷值,并将升压控制器设置为7psi或更低,并且不会记录任何爆震传感器活动。即使我没有降低升压控制器,如果您想冒险,也可以“驾驶得很好”(但诱惑力很强)。当我很好的时候,我能够从87辛烷值中得到36 MPG(非常经济)。我将其与父亲的增压427hp 4.6L V8进行比较,当您对它感到满意时,它的功率为12MPG,当您不满意时为8MPG,并且您除了保费外别无选择。


“当您确实开始向下推动助力器时,爆震传感器将关闭,发动机应以各种方式做出响应”-对,您希望反应系统能够及时发现症状并及时做出反应,以防止灾难性损害问题是它无法在某些非零百分比的情况下及时工作
鲍勃·克罗斯

噢,我120%同意,我不建议这样做-但这就是为什么您可以在涡轮增压/某些增压装置中以较低的辛烷值气体“逃脱”而无法采用静态压缩比的原因设定。
Ehryk

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除了@Bob的好答案之外:

有一些技巧可以用来缓解问题:

  • 爆震传感器,用于检测过早的爆震(并调节增压压力)。例如,萨博APC可以安全地使用低辛烷值的燃料。

  • 注入水冷却燃烧室(而不是过量的燃料)

  • 每缸排气温度计(和顺序喷射/点火)

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