Índice de compresión

Tasa de compresión estatica se determina utilizando el volumen del cilindro cuando el pistón está en la parte superior e inferior de su viaje.

La relación de compresión es la relación entre el volumen del cilindro y la cámara de combustión en un motor de combustión interna en sus valores máximo y mínimo.

Una especificación fundamental para este tipo de motores, se mide de dos maneras: la relación de compresión estática, calculada en base a los volúmenes relativos de la cámara de combustión y el cilindro cuando el pistón está en la parte inferior de su carrera, y el volumen de la cámara de combustión cuando el pistón está en la parte superior de su carrera.

La relación de compresión dinámica es un cálculo más avanzado que también tiene en cuenta los gases que entran y salen del cilindro durante la fase de compresión.

Efecto y proporciones típicas

Es deseable una relación de compresión alta porque permite que un motor extraiga más energía mecánica de una masa dada de mezcla de aire y combustible debido a su mayor eficiencia térmica. Esto ocurre porque los motores de combustión interna son motores térmicos y las relaciones de compresión más altas permiten alcanzar la misma temperatura de combustión con menos combustible, al tiempo que brindan un ciclo de expansión más largo, crean más potencia mecánica y reducen la temperatura de escape.

Motores de gasolina

En los motores de gasolina (gasolina) utilizados en automóviles de pasajeros durante los últimos 20 años, las relaciones de compresión han estado normalmente entre 8:1 y 12:1. Varios motores de producción han utilizado relaciones de compresión más altas, que incluyen:

• Autos construidos de 1955-1972 que fueron diseñados para gasolina con plomo de alto otano, lo que permitió ratios de compresión de hasta 13:1.
• Algunos motores Mazda SkyActiv lanzados desde 2012 tienen ratios de compresión de hasta 16:1. El motor SkyActiv logra esta relación de compresión con gasolina sin plomo (95 RON en el Reino Unido) mediante un mejor estafado de gases de escape (que asegura que la temperatura de los cilindros sea lo más baja posible antes de la ingestión), además de la inyección directa.
• Toyota Dynamic El motor de fuerza tiene una relación de compresión de hasta 14:1.
• El Ferrari 2014 458 Speciale también tiene una relación de compresión de 14:1.

Cuando se utiliza la inducción forzada (p. ej., un turbocompresor o supercargador), la relación de compresión suele ser más baja que la de los motores de aspiración natural. Esto se debe a que el turbocompresor/sobrealimentador ya ha comprimido el aire antes de que entre en los cilindros. Los motores que usan inyección de combustible en el puerto generalmente funcionan con presiones de sobrealimentación y/o relaciones de compresión más bajas que los motores de inyección directa porque la inyección de combustible en el puerto hace que la mezcla de aire y combustible se caliente juntas, lo que provoca la detonación. Por el contrario, los motores de inyección directa pueden funcionar con mayor impulso porque el aire caliente no detonará sin que haya combustible presente.

Las relaciones de compresión más altas pueden hacer que los motores de gasolina estén sujetos a golpeteo (también conocido como "detonación", "preencendido" o "pinging") si se utiliza combustible de menor octanaje. Esto puede reducir la eficiencia o dañar el motor si los sensores de detonación no están presentes para modificar el tiempo de encendido.

Motores diésel

Los motores diésel utilizan relaciones de compresión más altas que los motores de gasolina, porque la falta de una bujía significa que la relación de compresión debe aumentar la temperatura del aire en el cilindro lo suficiente como para encender el diésel mediante el encendido por compresión. Las relaciones de compresión suelen estar entre 14:1 y 23:1 para los motores diésel de inyección directa y entre 18:1 y 23:1 para los motores diésel de inyección indirecta.

En el extremo inferior de 14:1, las emisiones de NOx se reducen a costa de un arranque en frío más difícil. El Skyactiv-D de Mazda, el primer motor comercial de este tipo de 2013, usó inyectores de combustible adaptativos, entre otras técnicas, para facilitar el arranque en frío.

Otros combustibles

La relación de compresión puede ser mayor en motores que funcionan exclusivamente con gas licuado de petróleo (GLP o "autogás propano") o gas natural comprimido, debido al mayor octanaje de estos combustibles.

Los motores de queroseno suelen utilizar una relación de compresión de 6,5 o inferior. La versión con motor de gasolina y parafina del tractor Ferguson TE20 tenía una relación de compresión de 4,5:1 para funcionar con aceite vaporizador del tractor con un octanaje de entre 55 y 70.

Motores de automovilismo

Los motores de automovilismo a menudo funcionan con gasolina de alto octanaje y, por lo tanto, pueden usar relaciones de compresión más altas. Por ejemplo, los motores de carreras de motocicletas pueden usar relaciones de compresión de hasta 14,7:1, y es común encontrar motocicletas con relaciones de compresión superiores a 12,0:1 diseñadas para combustible de 86 u 87 octanos.

El etanol y el metanol pueden tener relaciones de compresión significativamente más altas que la gasolina. Los motores de carrera que queman metanol y combustible de etanol a menudo tienen una relación de compresión de 14:1 a 16:1.

Fórmula matemática

En un motor de pistón, la relación de compresión estática (${displaystyle CR}$) es la relación entre el volumen del cilindro y la cámara de combustión cuando el pistón está en la parte inferior de su carrera, y el volumen de la cámara de combustión cuando el pistón está en la parte superior de su carrera. Por lo tanto, se calcula por la fórmula

${displaystyle {C}={frac} {V_{d}+V_{c}} {V_{c}}}}$

Dónde:

${displaystyle V_{d}$ = volumen de desplazamiento. Este es el volumen dentro del cilindro desplazado por el pistón desde el comienzo de la carrera del compresión hasta el final de la carrera.

${displaystyle V_{c}$ = volumen de limpieza. Este es el volumen del espacio en el cilindro izquierdo al final de la carrera de compresión.

${displaystyle V_{d}$ puede ser estimado por la fórmula del volumen del cilindro

${displaystyle ¿Qué?$

Dónde:

${displaystyle b}$ = agujero de cilindro (diámetro)

${displaystyle s}$ = carrera del pistón

Debido a la forma compleja de ${displaystyle V_{c}$ generalmente se mide directamente. Esto se hace a menudo llenando el cilindro con líquido y luego midiendo el volumen del líquido usado.

Motores de relación de compresión variable

La mayoría de los motores utilizan una relación de compresión fija; sin embargo, un motor de relación de compresión variable puede ajustar la relación de compresión mientras el motor está en funcionamiento. El primer motor de producción con una relación de compresión variable se introdujo en 2019.

La relación de compresión variable es una tecnología para ajustar la relación de compresión de un motor de combustión interna mientras el motor está en funcionamiento. Esto se hace para aumentar la eficiencia del combustible bajo cargas variables. Los motores de compresión variable permiten cambiar el volumen sobre el pistón en el punto muerto superior.

Las cargas más altas requieren relaciones más bajas para aumentar la potencia, mientras que las cargas más bajas necesitan relaciones más altas para aumentar la eficiencia, es decir, para reducir el consumo de combustible. Para uso automotriz, esto debe hacerse cuando el motor está funcionando en respuesta a las demandas de carga y conducción.

El Infiniti QX50 2019 es el primer automóvil disponible en el mercado que utiliza un motor de relación de compresión variable.

Relación de compresión dinámica

La relación de compresión estática mencionada anteriormente, calculada únicamente en función de los volúmenes del cilindro y de la cámara de combustión, no tiene en cuenta ningún gas que entre o salga del cilindro durante la fase de compresión. En la mayoría de los motores de automóviles, el cierre de la válvula de admisión (que sella el cilindro) tiene lugar durante la fase de compresión (es decir, después del punto muerto inferior, BDC), lo que puede hacer que algunos de los gases sean expulsados a través de la válvula de admisión. Por otro lado, el ajuste y barrido del puerto de admisión puede hacer que una mayor cantidad de gas quede atrapada en el cilindro de lo que sugeriría el volumen estático. La relación de compresión dinámica tiene en cuenta estos factores.

La relación de compresión dinámica es más alta con una sincronización del árbol de levas de admisión más conservadora (es decir, poco después del BDC) y más baja con una sincronización del árbol de levas de admisión más radical (es decir, más tarde después del BDC). Independientemente, la relación de compresión dinámica siempre es más baja que la relación de compresión estática.

La presión absoluta del cilindro se utiliza para calcular la relación de compresión dinámica mediante la siguiente fórmula:

${displaystyle P_{text{cylinder}=P_{text{atmospheric}times {text{CR}}{gamma }$

Donde ${displaystyle gamma }$ es un valor politrópico para la relación de calores específicos para los gases de combustión a las temperaturas presentes (esto compensa el aumento de temperatura causado por la compresión, así como el calor perdido al cilindro)

En condiciones ideales (adiabáticas), la relación de calores específicos sería 1,4, pero se usa un valor más bajo, generalmente entre 1,2 y 1,3, ya que la cantidad de calor perdido variará entre los motores según el diseño, el tamaño y los materiales utilizados.. Por ejemplo, si la relación de compresión estática es 10:1 y la relación de compresión dinámica es 7,5:1, un valor útil para la presión del cilindro sería 7,5^1,3 × presión atmosférica, o 13,7 bar (en relación con presión atmosférica).

Las dos correcciones para la relación de compresión dinámica afectan la presión del cilindro en direcciones opuestas, pero no con la misma fuerza. Un motor con una relación de compresión estática alta y un cierre tardío de la válvula de admisión tendrá una relación de compresión dinámica similar a un motor con una compresión más baja pero un cierre más temprano de la válvula de admisión.