Taxa de compressão - Compression ratio

A taxa de compressão estática é determinada usando o volume do cilindro quando o pistão está na parte superior e inferior de seu curso.

A taxa de compressão é a razão entre o volume do cilindro e a câmara de combustão em um motor de combustão interna em seus valores máximo e mínimo.

Uma especificação fundamental para tais motores, é medido de duas maneiras: a taxa de compressão estática , calculada com base nos volumes relativos da câmara de combustão e do cilindro quando o pistão está no fundo de seu curso , e o volume da câmara de combustão quando o pistão está no topo de seu curso .

A taxa de compressão dinâmica é um cálculo mais avançado que também leva em consideração os gases que entram e saem do cilindro durante a fase de compressão.

Efeito e proporções típicas

Uma alta taxa de compressão é desejável porque permite que um motor extraia mais energia mecânica de uma determinada massa da mistura ar-combustível devido à sua maior eficiência térmica . Isso ocorre porque os motores de combustão interna são motores térmicos e as taxas de compressão mais altas permitem que a mesma temperatura de combustão seja atingida com menos combustível, ao mesmo tempo que dá um ciclo de expansão mais longo, criando mais potência mecânica e reduzindo a temperatura de exaustão.

Motores a gasolina

Nos motores a gasolina (gasolina) usados ​​em automóveis de passageiros nos últimos 20 anos, as taxas de compressão têm estado normalmente entre 8∶1 e 12∶1. Vários motores de produção têm usado taxas de compressão mais altas, incluindo:

  • Carros construídos de 1955 a 1972, projetados para gasolina de alta octanagem com chumbo , que permitia taxas de compressão de até 13 × 1.
  • Alguns motores Mazda SkyActiv lançados desde 2012 têm taxas de compressão de até 14 × 1. O motor SkyActiv atinge essa taxa de compressão com gasolina comum sem chumbo (95 RON no Reino Unido) por meio da eliminação aprimorada dos gases de escapamento (o que garante que a temperatura do cilindro seja a mais baixa possível antes do curso de admissão), além da injeção direta.
  • O motor Toyota Dynamic Force tem uma taxa de compressão de até 14∶1.
  • O Ferrari 458 Speciale 2014 também tem uma taxa de compressão de 14∶1.

Quando a indução forçada (por exemplo, um turbocompressor ou supercompressor ) é usada, a taxa de compressão é frequentemente menor do que os motores naturalmente aspirados . Isso se deve ao fato de o turbocompressor / sobrealimentador já ter comprimido o ar antes de entrar nos cilindros. Os motores que usam injeção de combustível de porta normalmente funcionam com pressões de reforço e / ou taxas de compressão mais baixas do que os motores de injeção direta porque a injeção de combustível de porta faz com que a mistura de ar / combustível seja aquecida junto, levando à detonação. Por outro lado, os motores injetados diretamente podem funcionar com maior impulso porque o ar aquecido não detonará sem a presença de combustível.

Taxas de compressão mais altas podem tornar os motores a gasolina (gasolina) sujeitos a batidas do motor (também conhecido como "detonação", "pré-ignição" ou "ping") se for usado combustível com menor octanagem. Isso pode reduzir a eficiência ou danificar o motor se os sensores de detonação não estiverem presentes para modificar o tempo de ignição.

Motores a diesel

Os motores a diesel usam taxas de compressão mais altas do que os motores a gasolina, porque a falta de uma vela de ignição significa que a taxa de compressão deve aumentar a temperatura do ar no cilindro o suficiente para acender o diesel usando a ignição por compressão . As taxas de compressão costumam estar entre 14∶1 e 23∶1 para motores a diesel com injeção direta e entre 18∶1 e 23∶1 para motores a diesel com injeção indireta .

Outros combustíveis

A taxa de compressão pode ser maior em motores movidos exclusivamente a gás liquefeito de petróleo (GLP ou "propano autogás") ou gás natural comprimido , devido à maior octanagem desses combustíveis.

Os motores a querosene normalmente usam uma taxa de compressão de 6,5 ou inferior. A versão com motor a gasolina-parafina do trator Ferguson TE20 tinha uma taxa de compressão de 4,5∶1 para operação em óleo de vaporização de trator com uma octanagem entre 55 e 70.

Motorsport motores

Os motores de esportes motorizados geralmente funcionam com gasolina de alta octanagem e, portanto, podem usar taxas de compressão mais altas. Por exemplo, motores de corrida de motocicleta podem usar taxas de compressão de até 14,7∶1, e é comum encontrar motocicletas com taxas de compressão acima de 12,0∶1 projetadas para combustível de 86 ou 87 octanas.

O etanol e o metanol podem ter taxas de compressão significativamente maiores do que a gasolina. Motores de corrida que queimam metanol e etanol geralmente têm uma taxa de compressão de 14∶1 a 16∶1.

Fórmula matemática

Em um motor a pistão , a taxa de compressão estática ( ) é a razão entre o volume do cilindro e a câmara de combustão quando o pistão está na parte inferior de seu curso e o volume da câmara de combustão quando o pistão está no topo de seu AVC . Portanto, é calculado pela fórmula

Onde:

= volume de deslocamento. Este é o volume dentro do cilindro deslocado pelo pistão desde o início do curso de compressão até o final do curso.
= volume de depuração. Este é o volume do espaço no cilindro deixado no final do curso de compressão.

pode ser estimado pela fórmula de volume do cilindro

Onde:

= furo do cilindro (diâmetro)
= comprimento do curso do pistão

Por causa da forma complexa , geralmente é medido diretamente. Isso geralmente é feito enchendo o cilindro com líquido e medindo o volume do líquido usado.

Mecanismos de taxa de compressão variável

A maioria dos motores usa uma taxa de compressão fixa, no entanto, um motor de taxa de compressão variável é capaz de ajustar a taxa de compressão enquanto o motor está em operação. O primeiro motor de produção com uma taxa de compressão variável foi introduzido em 2019.

A taxa de compressão variável é uma tecnologia para ajustar a taxa de compressão de um motor de combustão interna enquanto o motor está em operação. Isso é feito para aumentar a eficiência do combustível enquanto sob cargas variadas. Os motores de compressão variável permitem que o volume acima do pistão no ponto morto superior seja alterado.

Cargas mais altas requerem relações mais baixas para aumentar a potência, enquanto cargas mais baixas precisam de relações mais altas para aumentar a eficiência, ou seja, para diminuir o consumo de combustível. Para uso automotivo, isso precisa ser feito porque o motor está funcionando em resposta às demandas de carga e direção.

O 2019 Infiniti QX50 é o primeiro carro disponível comercialmente que usa um motor de taxa de compressão variável.

Relação com a razão de pressão

Razão de compressão versus razão de pressão para ar

Com base nas suposições de que a compressão adiabática é realizada (ou seja, que nenhuma energia térmica é fornecida ao gás sendo comprimido e que qualquer aumento de temperatura é exclusivamente devido à compressão) e que o ar é um gás perfeito , a relação entre a taxa de compressão e a razão de pressão geral é a seguinte:

Taxa de compressão 2∶1 3∶1 5∶1 10∶1 15∶1 20∶1 25∶1 35∶1
Relação de pressão 2,64∶1 4,66∶1 9,52∶1 25,12∶1 44,31∶1 66,29∶1 90,60∶1 145∶1

Essa relação é derivada da seguinte equação:

onde é a proporção de calores específicos (ar: aproximadamente 1,4)

No entanto, na maioria dos motores de combustão interna da vida real, a proporção de calores específicos muda com a temperatura e ocorrem desvios significativos do comportamento adiabático.

Taxa de compressão dinâmica

A taxa de compressão estática discutida acima - calculada exclusivamente com base nos volumes do cilindro e da câmara de combustão - não leva em consideração os gases que entram ou saem do cilindro durante a fase de compressão. Na maioria dos motores automotivos, o fechamento da válvula de admissão (que veda o cilindro) ocorre durante a fase de compressão (isto é, após o ponto morto inferior , BDC), o que pode fazer com que alguns dos gases sejam empurrados de volta pela válvula de admissão. Por outro lado, o ajuste e a eliminação da porta de entrada podem fazer com que uma quantidade maior de gás fique presa no cilindro do que o volume estático sugeriria. A taxa de compressão dinâmica é responsável por esses fatores.

A taxa de compressão dinâmica é maior com a sincronização da árvore de cames de admissão mais conservadora (ou seja, logo após o BDC), e menor com a sincronização da árvore de cames de admissão mais radical (ou seja, mais tarde após o BDC). Independentemente disso, a taxa de compressão dinâmica é sempre menor do que a taxa de compressão estática.

A pressão absoluta do cilindro é usada para calcular a taxa de compressão dinâmica, usando a seguinte fórmula:

onde é um valor politrópico para a proporção de calores específicos para os gases de combustão nas temperaturas presentes (isso compensa o aumento de temperatura causado pela compressão, bem como a perda de calor para o cilindro)

Em condições ideais (adiabáticas), a proporção de calores específicos seria 1,4, mas um valor menor, geralmente entre 1,2 e 1,3 é usado, uma vez que a quantidade de calor perdido irá variar entre os motores com base no design, tamanho e materiais usados. Por exemplo, se a taxa de compressão estática for 10∶1 e a taxa de compressão dinâmica for 7,5∶1, um valor útil para a pressão do cilindro seria 7,5 1,3 × pressão atmosférica ou 13,7  bar (em relação à pressão atmosférica).

As duas correções para a taxa de compressão dinâmica afetam a pressão do cilindro em direções opostas, mas não com a mesma resistência. Um motor com alta taxa de compressão estática e fechamento da válvula de admissão tardia terá uma taxa de compressão dinâmica semelhante a um motor com compressão mais baixa, mas com fechamento anterior da válvula de admissão.

Veja também

Referências