Статическое и эффективное сжатие: почему для более высокого эффективного сжатия не требуется более высокооктановый бензин?

Одна из причин, по которой турбокомпрессор с эквивалентной эффективной степенью сжатия более терпим к низкооктановому бензину, чем двигатель со статической степенью сжатия, заключается в том, что вы не используете эту степень сжатия постоянно. Возьмём, к примеру, Honda. При статической степени сжатия 9:1 вы можете целый день ездить на 87-м бензине, если не будете использовать наддув. Когда вы начнёте подавать в двигатель немного больше топлива, сработают датчики детонации, и двигатель ДОЛЖЕН отреагировать соответствующим образом — возможно, уменьшить подачу топлива, искру или опережение зажигания, что должно привести к снижению подачи топлива (хотя я не рекомендую этого делать).

В случае статической компрессии, даже если вы просто пытаетесь работать на холостом ходу или ехать на небольшой скорости, вы всё равно будете сталкиваться с преждевременным воспламенением при использовании бензина с октановым числом ниже требуемого. Это относится и к нагнетателям без сцепления, у которых нет функции «выключения» или «я еду на небольшой скорости». Вы привязаны к более высокой степени сжатия.

Опять же, не в качестве рекомендации, но у меня был Ford Probe с 2,2-литровым турбодвигателем мощностью 270 л. с., и при полной подаче воздуха (~21 фунт на кв. дюйм) и статической степени сжатия 7,8:1 я бы никогда не осмелился использовать что-то, кроме бензина с октановым числом 93. Однако иногда во время длительных поездок я заправлялся бензином с октановым числом 87 и устанавливал регулятор подачи воздуха на 7 фунтов на кв. дюйм или ниже, и датчик детонации не регистрировал никакой активности. Даже если я не буду снижать мощность, вы можете просто «ехать аккуратно», если хотите рискнуть (но соблазн довольно велик). Я смог добиться расхода 87-го бензина в 36 миль на галлон, когда ехал аккуратно (довольно экономично). Я сравниваю его с 427-сильным 4,6-литровым двигателем V8 с наддувом, который мой отец водит с удовольствием. Он расходует 12 миль на галлон, когда с ним хорошо обращаются, и 8 миль на галлон, когда с ним плохо обращаются, и у вас нет другого выбора, кроме как заправляться только на заправках премиум-класса.

В дополнение к хорошему ответу @Bob:

Есть несколько хитростей, которые помогут решить эту проблему:

• Датчик детонации для обнаружения преждевременных детонаций (и регулировки давления наддува). Например, Saab APC позволяет безопасно использовать топливо с более низким октановым числом.




• Подача воды для охлаждения камер сгорания (вместо избыточного количества топлива)




• Термометры для измерения температуры выхлопных газов (и последовательного впрыска/воспламенения)

Вкратце: Они это делают. Просто сложно сказать, насколько часто.

Если отвечать подробнее, то да, они это делают, и эффективное сжатие не подходит для приблизительной оценки реальных эффектов.

Подумайте о детонации (она же преждевременное воспламенение топливно-воздушной смеси). Обычно мы рассматриваем две причины: сжатие (изменение объёма пространства, ограниченного цилиндром, при движении поршня вверх и вниз) и температуру (например, измеренную температуру всасываемого воздуха).

На самом деле существует только температура.

Давайте вернёмся к закону идеального газа:

PV = nRT

где P — давление, V — объём, T — температура (в градусах Кельвина, помните!), а остальные — интересные константы, которые не имеют отношения к нашему разговору. При сжатии значение V уменьшается, а P увеличивается. В идеальном мире на этом бы всё и закончилось: сжатие в цилиндре было бы на 100 % эффективным процессом без повышения температуры.

К сожалению, мы живём в реальном, а не в идеальном мире. Лучшая простая модель того, что происходит в двигателе, — это система с постоянной энтропией. Это означает, что мы ограничены коэффициентом теплоёмкости газов в системе. Если мы используем коэффициент теплоёмкости 1,3 и примерное соотношение сжатия 10:1, то получим примерно двукратное повышение температуры (в градусах Кельвина!).

Короче говоря, при сжатии газы нагреваются. Но почему это плохо?

Подумайте вот о чём: у вас есть фиксированный температурный диапазон для определённого октанового числа бензина. Если T становится выше T_ignition, происходит взрыв. Поэтому, как вы и отметили, можно добавить в систему промежуточный охладитель, чтобы снизить температуру поступающего воздуха.

Аналогичным образом вы можете изменить значение V . Это увеличит допустимый диапазон повышения температуры двигателя до детонации.

Теперь добавим турбокомпрессор на впуске, который сжимает обычный атмосферный воздух до значительно более высокого давления, что приводит к изменению других констант, о которых я ранее упоминал (для получения дополнительной информации см. турбонаддув с объёмным КПД), и повышает температуру.

Это влияет на температурный режим. Если бы я использовал бензин с более низким октановым числом, это снизило бы порог детонации, и при увеличении мощности я мог бы повредить двигатель.

Итак, что же вы делаете после всего этого?

1. Изучайте, изучайте, изучайте: не стройте вслепую. Копируйте макеты других людей или улучшайте их.


2. Измерьте температуру воздуха на впуске до и после турбонаддува.


3. Найдите самый лучший газ, какой только сможете.


4. Настройте бортовой компьютер так, чтобы двигатель не взорвался.

Что касается настройки: ЭБУ может добавлять в смесь дополнительное топливо, тем самым охлаждая её. Следует признать, что использование топлива в качестве охлаждающей жидкости не способствует абсолютной эффективности, но это не должно быть проблемой при движении без наддува. Как всегда, чем меньше вы нажимаете на педаль газа, тем меньше расходуется топливо.

Всё вышеперечисленное обсуждается в книге Корки Белла «Турбонаддув» Maximum Boost — очень увлекательном чтиве для таких гиков, как я.

Некоторое время спустя: я только что заметил конкретный вопрос о степени сжатия 9,1 при давлении наддува 10 фунтов на квадратный дюйм. Например, мой WRX работает со степенью сжатия 8:1 при давлении около 13,5 фунтов на квадратный дюйм, так что, на первый взгляд, степень сжатия 9:1 при давлении 10 фунтов на квадратный дюйм вполне достижима.

Давайте рассмотрим одно из более разумных, на наш взгляд, уравнений для определения эффективной степени сжатия (которая, как мы уже отмечали, по-прежнему является приблизительным показателем довольно сложной термодинамики):

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

Где ECR — «эффективная степень сжатия», а CR — «статическая степень сжатия» (то, с чего вы начинали до добавления наддува). boost измеряется в фунтах на квадратный дюйм (psi). Помните, что цель этого уравнения — показать нам, осуществима ли вообще предложенная нами установка и сможет ли она работать на бензине, который я могу купить на улице, а не на гоночной трассе.

Итак, в качестве примера возьмём мою машину:

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

Используя это уравнение, можно сделать вывод, что моя эффективная степень сжатия составляет примерно 11: 1 при пиковом ускорении. Это в пределах того, что вы могли бы ожидать от атмосферного двигателя с бензиновым двигателем (93-октановое число). И, доказательство тому, что моя машина действительно работает с 93-октановым числом.

Итак, давайте рассмотрим данную систему:

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

Как указано в источнике, 12:1 — это максимум, на который способен уличный автомобиль, так что эта установка всё равно будет в пределах допустимого.

Для полноты картины следует отметить, что в интернете можно найти ещё одно уравнение ECR, в котором отсутствует квадратный корень. С этой функцией связаны две проблемы:

1. Во-первых, это привело бы к тому, что коэффициент сжатия для моего автомобиля составил бы 15:1. Это немного нелепо: я бы даже не стал запускать такой двигатель на обычном бензине.




2. ECR в любом случае является приблизительным значением: реальный ответ на вопрос «на какую степень наддува я могу рассчитывать?» зависит от таких важных факторов, как температура всасываемого воздуха и эффективность компрессора. Если вы используете приблизительное значение, не выбирайте то, которое сразу же даёт вам бесполезные ответы (см. пункт 1).