Compression statique ou efficace: Pourquoi une compression efficace supérieure ne nécessite-t-elle pas un indice d'octane supérieur?

Contexte

J'ai essayé de faire beaucoup de recherches sur le boost récemment, parce que je prévois de faire fonctionner un turbo modéré sur ma voiture quotidienne / légère-autox. J'essaie d'entrer dans la physique des choses afin que, lorsque je construis, je ne fais pas que claquer des pièces et espérer le meilleur, mais plutôt faire en sorte qu'un moteur fonctionne.

La question

Ma question principale est la suivante. J'ai lu Cet article et alors que cela approfondit ma compréhension de la compression, cela me laisse avec cette question: je sais que les moteurs fonctionnant avec un taux de compression statique plus élevé nécessitent des carburants à indice d'octane supérieur pour empêcher la détonation, alors pourquoi efficace les taux de compression ne semblent pas nécessiter des carburants à indice d'octane plus élevé?

J'ai l'habitude d'entendre parler de personnes utilisant des configurations turbo, utilisant simplement de l'essence à pompe normale et ne présentant aucun problème, même si le taux de compression effectif serait bien supérieur à celui de la plupart des moteurs à aspiration naturelle. Par exemple, la configuration que j’envisageais serait une Honda d16a6 à turbocompresseur, avec un taux de compression statique de 9.1: 1, avec une accélération de 10 psi, lui donnant une compression effective d’environ 15: 1.

tl; dr: Ils font. C'est juste plus difficile de dire combien.

La réponse la plus longue est qu’ils le font et que la compression effective vous échoue en tant qu’approximation des effets réels.

Pensez à la détonation (AKA, inflammation prématurée du mélange air-carburant). Normalement, nous considérons deux causes: la compression (la modification de l’espace délimité par le cylindre lorsque le piston monte et descend) et la température (par exemple, la température mesurée de l’air admis).

En réalité, il n'y a que la température.

Revenons tout le chemin à la loi des gaz parfaits :

PV = nRT

où P est la pression, V est le volume et T est la température (en degrés Kelvin, rappelez-vous!) et le reste sont des constantes intéressantes qui ne sont pas propices à cette discussion. La compression provoque que V valeur à diminuer et P augmenter. Dans un idéal monde, ce serait la fin: la compression du cylindre serait un processus efficace à 100% sans augmentation de la température.

Malheureusement, nous vivons dans un réel plutôt qu'un monde idéal. Le meilleur modèle simple pour ce qui se passe dans le moteur est qu’il s’agit d’un système de entropie constante . Cela signifie que nous sommes limités par le ratio de capacité thermique des gaz dans le système. Si nous utilisons un rapport de capacité calorifique de 1,3 et un exemple de taux de compression de 10: 1, nous envisageons un doublement de la température (en degrés Kelvin!).

En bref, la compression rend les gaz plus chauds. Pourquoi est-ce si mauvais?

Pensez-y de cette façon: vous avez un budget de température fixe pour un certain indice d'octane. Si T devient plus haut que T_ignition, bang. Ainsi, comme vous l'avez indiqué, vous pouvez ajouter un refroidisseur intermédiaire au système, réduisant ainsi la température de l'air entrant.

De même, vous pouvez modifier le montant V changements. Cela augmente l’augmentation de température que votre moteur peut tolérer avant de détoner.

Maintenant, l'ajout d'un turbo dans l'air d'admission comprime la pression atmosphérique normale à un niveau beaucoup plus élevé, ce qui modifie les autres constantes que j'ai précédemment effacées (vérifiez l'efficacité turbo volumétrique pour plus d'informations) et augmente la température.

Cela rentre dans mon budget de température. Si j'utilisais du gaz à indice d'octane inférieur, le seuil de détonation serait abaissé et, au moment de l'accélération, les dommages au moteur pourraient en résulter.

Alors, après tout ça, tu fais quoi?

1. Recherche Recherche Recherche: ne construisez pas en vase clos. Copiez les mises en page d'autres personnes ou améliorez-les.
2. Mesurez la température de votre prise d’air, avant et après le turbo.
3. Trouvez le meilleur gaz possible.
4. Réglez l'ordinateur du moteur pour empêcher votre moteur d'exploser.

Lors du réglage: l’écu peut ajouter du carburant au mélange et le refroidir. Certes, l’utilisation de carburant comme liquide de refroidissement n’est pas propice à une efficacité absolue, mais ne devrait pas être un problème lorsqu’on est à l’abri du boost. Comme toujours, moins de pied droit = ​​moins de gaz dépensé.

Tout ce qui précède est discuté dans le livre Turbocharging de Corky Bell Boost maximum - une lecture très divertissante pour les geek comme moi.

Suivi quelque temps plus tard : Je viens de noter la question spécifique sur le taux de compression statique 9.1 avec une accélération de 10 psi. Par exemple, mon WRX fonctionne en 8: 1 à environ 13,5 psi, de sorte que, à première vue, 9: 1 à 10 psi semble réalisable.

Regardons l'un des équations plus discutablement raisonnables pour le taux de compression effectif (qui, comme nous l’avons noté, est encore une approximation de la thermodynamique assez complexe):

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

Où ECR est le "taux de compression effectif" et CR est le "taux de compression statique" (ce que vous avez commencé avant d'ajouter boost). boost est mesurée en psi (livres par pouce carré). N'oubliez pas que l'objectif de cette équation est de nous dire si la configuration proposée est réalisable et si elle sera capable de fonctionner à l'essence que je peux acheter dans la rue plutôt que sur le circuit.

Donc, en prenant ma voiture comme exemple:

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

En utilisant cette équation, l’implication est que mon taux de compression effectif est d’environ 11: 1 au maximum. C'est dans les limites de ce que vous pourriez espérer faire fonctionner un moteur à aspiration normale avec du gaz de pompe (93 octanes). Et, preuve par existence, ma voiture fonctionne bien à 93 octanes.

Alors, regardons la configuration en question:

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

Comme indiqué dans la référence, le format 12: 1 correspond à peu près à ce que vous pouvez faire avec un tramway, de sorte que cette configuration resterait dans ces limites.

Pour être complet, notons qu'il existe également une autre équation ECR qui erre sur Internet et qui omet la racine carrée. Il y a deux problèmes avec cette fonction:

1. Premièrement, cela se traduirait par un ECR de 15: 1 pour ma voiture. C'est un peu ridicule: je ne voudrais même pas démarrer un moteur comme celui-là avec du gaz de ville.

2. ECR est quand même une approximation: la vraie réponse à la question "combien de boost puis-je utiliser?" est dérivé de facteurs critiques tels que la température de l'air d'admission et l'efficacité du compresseur. Si vous utilisez une approximation, n'utilisez pas celle qui vous donne immédiatement des réponses inutiles (voir le point 1).

L'une des raisons pour lesquelles une configuration turbo avec une compression effective équivalente est plus tolérante pour une essence à faible indice d'octane qu'une configuration de compression statique est que vous n'êtes pas à ce taux de compression tout le temps. Prenez cette Honda, par exemple. À un rapport statique de 9: 1, vous pouvez utiliser 87 octanes toute la journée, à condition de ne pas augmenter les performances. Lorsque vous commencez à pousser un peu trop fort dans la gorge, les capteurs de cognement s'éteignent et le moteur DEVRAIT réagir de différentes manières, par exemple en coupant le carburant, en produisant une étincelle ou en retardant le calage, ce qui devrait forcer le ralentissement (non recommandé par moi).

Dans le cas de la compression statique, même lorsque vous essayez simplement de conduire au ralenti ou de conduire correctement, vous continuerez à prédétoner avec un indice d'octane inférieur à celui requis. Cela s’appliquerait également aux compresseurs sans embrayage: il n’ya pas d’interrupteur «arrêt» ni d’avantage «je conduis bien». Vous êtes enfermé dans ce taux de compression plus élevé.

Encore une fois, pour ne pas recommander la pratique, j'avais un Ford Probe 2.2L turbo de 270 ch, et à pleine accélération (~ 21 psi) et un taux de compression statique de 7.8: 1, je n'oserais jamais tenter de l'atteindre à moins de 93 octanes. Cependant, parfois lors de longs trajets, je me remplissais de 87 octanes et réglais mon contrôleur de suralimentation à 7 psi ou moins, sans enregistrer aucune activité de capteur de cognement. Même si je n’ai pas baissé le contrôleur de boost, vous pouvez simplement «conduire gentil» si vous voulez prendre le risque (mais la tentation est plutôt forte). J'ai été capable d'obtenir 36MPG sur 87 octane quand j'étais gentil avec elle (assez économique). Je compare cela avec le V8 427hp suralimenté de 4,6 litres de mon père qui obtient 12MPG quand vous êtes gentil, 8MPG quand vous n'êtes pas, et vous n'avez l'option que de la prime.

En plus d'une bonne réponse de @Bob:

Quelques astuces peuvent être utilisées pour résoudre le problème:

• Capteur de frappe pour détecter les détonations prématurées (et ajuster la pression de suralimentation). Par exemple. Saab APC permet une utilisation sûre des carburants à faible indice d'octane.

• Injection d'eau refroidir les chambres de combustion (au lieu de carburant excessif)

• Thermomètres d'échappement par cylindre (et injection séquentielle / allumage)