Kompressionsverhältnis – Otto-Motor
Das Verdichtungsverhältnis , CR , ist als das Verhältnis des Volumens im unteren Totpunkt und das Volumen am oberen Totpunkt definiert ist . Es ist ein Schlüsselmerkmal für viele Verbrennungsmotoren. Im folgenden Abschnitt wird gezeigt, dass das Verdichtungsverhältnis den thermischen Wirkungsgrad des verwendeten thermodynamischen Zyklus des Verbrennungsmotors bestimmt. Im Allgemeinen ist ein hohes Verdichtungsverhältnis erwünscht, da ein Motor dadurch einen höheren thermischen Wirkungsgrad erreichen kann.
Es sei beispielsweise einen Otto – Zyklus mit Kompressionsverhältnis CR annehmen = 10: 1. Das Volumen der Kammer beträgt 500 cm³ = 500 × 10 -6 m 3 (0,5 l) vor dem Verdichtungstakt. Für diesen Motor eines erforderlichen ll Band sind bekannt:
- V 1 = V 4 = V max = 500 × 10 –6 m 3 (0,5 l)
- V 2 = V 3 = V min = V max / CR = 55,56 × 10 –6 m 3
Beachten Sie, dass (V max – V min ) x Anzahl der Zylinder = Gesamtmotorhubraum.
Beispiele für Kompressionsverhältnisse – Benzin vs. Diesel
- Das Verdichtungsverhältnis in einem benzinbetriebenen Motor ist aufgrund eines möglichen Motorklopfens (Selbstentzündung) normalerweise nicht viel höher als 10: 1 und nicht niedriger als 6: 1 .
- Ein turbogeladener Subaru Impreza WRX hat ein Verdichtungsverhältnis von 8,0: 1 . Im Allgemeinen haben turbogeladene oder aufgeladene Motoren bereits Druckluft am Lufteinlass, daher werden sie normalerweise mit einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis gebaut.
- Ein serienmäßiger Honda S2000 Motor (F22C1) hat ein Verdichtungsverhältnis von 11,1: 1 .
- Einige atmosphärische Sportwagenmotoren können ein Verdichtungsverhältnis von bis zu 12,5: 1 haben (z. B. Ferrari 458 Italia).
- 2012 brachte Mazda neue Benzinmotoren unter dem Markennamen SkyActiv mit einem Verdichtungsverhältnis von 14: 1 auf den Markt . Um das Risiko eines Motorklopfens zu verringern, wird das Restgas durch Verwendung von 4-2-1-Motorabgassystemen , Implementierung eines Kolbenhohlraums und Optimierung der Kraftstoffeinspritzung reduziert .
- Die Dieselmotoren haben ein Verdichtungsverhältnis, das normalerweise 14: 1 überschreitet, und Verhältnisse über 22: 1 sind ebenfalls üblich.
Thermische Effizienz für den Otto-Zyklus
Der thermische Wirkungsgrad des Otto-Zyklus nach Luftstandard ist eine Funktion des Kompressionsverhältnisses und von κ = c p / c v .
Dies ist eine sehr nützliche Schlussfolgerung, da es wünschenswert ist, ein hohes Kompressionsverhältnis zu erreichen , um mehr mechanische Energie aus einer gegebenen Masse eines Luft-Kraftstoff-Gemisches zu extrahieren. Ein höheres Verdichtungsverhältnis ermöglicht das Erreichen der gleichen Verbrennungstemperatur mit weniger Kraftstoff bei gleichzeitig längerem Expansionszyklus. Dies erzeugt mehr mechanische Leistung und senkt die Abgastemperatur . Das Absenken der Abgastemperatur bewirkt das Absenken der an die Atmosphäre abgegebenen Energie. Diese Beziehung ist in der Abbildung für κ = 1,4 dargestellt, die die Umgebungsluft darstellt.
Selbstentzündung – Grenze für das Kompressionsverhältnis
Bei gewöhnlichen Benzinmotoren hat das Verdichtungsverhältnis seine Grenzen. Das Verdichtungsverhältnis in einem benzinbetriebenen Motor ist aufgrund eines möglichen Motorklopfens ( Selbstentzündung ) normalerweise nicht viel höher als 10: 1 und nicht niedriger als 6: 1 . Höhere Verdichtungsverhältnisse führen jedoch dazu, dass Benzinmotoren einem durch Selbstentzündung verursachten Motorklopfen ausgesetzt werden , wenn Kraftstoff mit niedrigerer Oktanzahl verwendet wird. Das unverbrannte Gemisch kann sich selbst entzünden, indem es allein durch Druck und Hitze detoniert, anstatt sich genau zum richtigen Zeitpunkt von der Zündkerze zu entzünden. Das Klopfen des Motors kann durch Verwendung von Kraftstoff mit hoher Oktanzahl verringert werden, was die Selbstentzündungsbeständigkeit des Benzins erhöht . Je höher die Oktanzahl, desto mehr Kompression kann der Kraftstoff vor der Detonation (Zündung) aushalten. Da die Temperatur, die das Kraftstoff-Luft-Gemisch während der Kompression erreicht, mit zunehmendem Kompressionsverhältnis zunimmt, steigt die Wahrscheinlichkeit einer Selbstentzündung mit dem Kompressionsverhältnis. Die Selbstentzündung kann den Wirkungsgrad verringern oder den Motor beschädigen, wenn keine Klopfsensoren vorhanden sind, um den Zündzeitpunkt zu ändern.
Bei Dieselmotoren (auch als Selbstzündungsmotoren bezeichnet ) können höhere Verdichtungsverhältnisse erreicht werden , da sie den Kraftstoff nicht komprimieren, sondern nur Luft komprimieren und dann Kraftstoff in die durch Kompression erwärmte Luft einspritzen. Kompressionsverhältnisse im Bereich von 12 bis 20 sind typisch für Dieselmotoren. Die größere Expansion bei Dieselmotoren bedeutet, dass sie weniger Wärme in ihren kühleren Abgasen abgeben. Das höhere Verdichtungsverhältnis (größere Ausdehnung) und die höhere Spitzentemperatur führen dazu, dass Dieselmotoren einen höheren thermischen Wirkungsgrad erreichen.
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