Relación de compresión

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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 estos motores, se puede medir de dos maneras diferentes. La forma más sencilla es la relación de compresión estática : la relación entre el volumen del cilindro cuando el pistón está en la parte inferior de su carrera y el volumen cuando el pistón está en la parte superior de su carrera . ^[1] 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.

Una relación de compresión alta es deseable 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, lo que crea más potencia mecánica y reduce la temperatura de escape.

En los motores de gasolina que se han utilizado en los turismos 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, entre ellos:

• Automóviles fabricados entre 1955 y 1972 que fueron diseñados para gasolina con plomo de alto octanaje , lo que permitía relaciones de compresión de hasta 13:1.
• Algunos motores Mazda SkyActiv lanzados desde 2012 tienen relaciones de compresión de hasta 16:1. ^{[2] [3] [4]} El motor SkyActiv logra esta relación de compresión con gasolina sin plomo común (95 RON en el Reino Unido) a través de una mejor limpieza de los gases de escape (que garantiza que la temperatura del cilindro sea lo más baja posible antes de la carrera de admisión), además de la inyección directa.
• El motor Toyota Dynamic Force tiene una relación de compresión de hasta 14:1.
• El Ferrari 458 Speciale 2014 también tiene una relación de compresión de 14:1.

Cuando se utiliza inducción forzada (por ejemplo, un turbocompresor o un sobrealimentador ), la relación de compresión suele ser menor que en los motores de aspiración natural . Esto se debe a que el turbocompresor o el sobrealimentador ya han comprimido el aire antes de que entre en los cilindros. Los motores que utilizan inyección de combustible en el puerto suelen tener 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 al mismo tiempo, lo que provoca la detonación. Por el contrario, los motores de inyección directa pueden tener una mayor sobrealimentación porque el aire caliente no detonará sin la presencia de combustible.

Las relaciones de compresión más altas pueden hacer que los motores de gasolina estén sujetos a detonaciones (también conocidas como "detonación", "preignición" o "ping") si se utiliza combustible de menor octanaje. ^[5] Esto puede reducir la eficiencia o dañar el motor si no hay sensores de detonación para modificar el tiempo de encendido.

Los motores diésel utilizan relaciones de compresión más altas que los motores de gasolina, porque la falta de bujía significa que la relación de compresión debe aumentar la temperatura del aire en el cilindro lo suficiente como para encender el diésel mediante 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. ^[6] El Skyactiv-D de Mazda , el primer motor comercial de este tipo de 2013, utilizó inyectores de combustible adaptativos entre otras técnicas para facilitar el arranque en frío. ^[7]

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 de tractor con un octanaje entre 55 y 70. ^[8]

Los motores de competición suelen funcionar con gasolina de alto octanaje y, por lo tanto, pueden utilizar relaciones de compresión más altas. Por ejemplo, los motores de competición de motos pueden utilizar relaciones de compresión de hasta 14,7:1, y es habitual encontrar motocicletas con relaciones de compresión superiores a 12,0:1 diseñadas para combustible de 95 octanos o superior.

El etanol y el metanol pueden alcanzar relaciones de compresión significativamente más altas que la gasolina. Los motores de carreras que queman metanol y etanol como combustible suelen tener una relación de compresión de entre 14:1 y 16:1.

En un motor de pistón , la relación de compresión estática ( ) 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 . ^[9] Por lo tanto, se calcula mediante la fórmula ^[10]${\displaystyle \mathrm {CR}}$$${\displaystyle \mathrm {CR} ={\frac {V_{d}+V_{c}}{V_{c}}}}$$

dónde

• $Estilo de visualización Vd$es el volumen de desplazamiento. Es el volumen dentro del cilindro desplazado por el pistón desde el comienzo de la carrera de compresión hasta el final de la carrera.
• $Estilo de visualización Vc$es el volumen libre. Es el volumen del espacio que queda en el cilindro al final de la carrera de compresión.

$Estilo de visualización Vd$Se puede estimar mediante la fórmula del volumen del cilindro :$${\displaystyle V_{d}={\tfrac {\pi }{4}}b^{2}s}$$

dónde

• ${\estilo de visualización b}$es el diámetro del cilindro
• ${\estilo de visualización s}$¿Es la longitud de la carrera del pistón?

Debido a su forma compleja, se suele medir directamente, lo que se hace a menudo llenando el cilindro con líquido y midiendo luego el volumen del líquido utilizado.$Estilo de visualización Vc$

La mayoría de los motores utilizan una relación de compresión fija, sin embargo, un motor con 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 presentó en 2019.

La relación de compresión variable es una tecnología que permite 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 modificar el volumen por encima del pistón en el punto muerto superior. ^[11]

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 el uso en automóviles, esto debe hacerse mientras el motor está funcionando en respuesta a la carga y las demandas de conducción.

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

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La relación de compresión estática que se analizó anteriormente (calculada únicamente en función de los volúmenes del cilindro y de la cámara de combustión) no tiene en cuenta los gases que entran o salen 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) se produce durante la fase de compresión (es decir, después del punto muerto inferior , BDC), lo que puede provocar que algunos de los gases sean expulsados ​​hacia afuera a través de la válvula de admisión. Por otro lado, el ajuste y la limpieza del puerto de admisión pueden provocar que quede atrapada una mayor cantidad de gas 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 mayor con una sincronización del árbol de levas de admisión más conservadora (es decir, poco después del BDC) y menor con una sincronización del árbol de levas de admisión más radical (es decir, más tarde después del BDC). ^[12] Independientemente, la relación de compresión dinámica siempre es menor que la relación de compresión estática.

La presión absoluta del cilindro se utiliza para calcular la relación de compresión dinámica, utilizando la siguiente fórmula: donde es un valor politrópico para la relación de calores específicos de los gases de combustión a las temperaturas presentes (esto compensa el aumento de temperatura causado por la compresión, así como el calor perdido en el cilindro)$${\displaystyle P_{\text{cilindro}}=P_{\text{atmosférica}}\times {\text{CR}}^{\gamma }}$$${\estilo de visualización \gamma}$

En condiciones ideales (adiabáticas), la relación de calores específicos sería 1,4, pero se utiliza un valor inferior, generalmente entre 1,2 y 1,3, ya que la cantidad de calor perdido varía entre los motores en función del 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 la 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.

• Presión media efectiva