Relación de compresión

La relación de compresión es la relación entre el volumen máximo y mínimo durante la etapa de compresión del ciclo de potencia en un motor de pistón o Wankel . Esta especificación fundamental para dichos motores se puede medir de dos maneras diferentes. La forma más sencilla es la relación de compresión estática : en un motor alternativo , esta es 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. ^{[ 2 ]}

Una alta relación de compresión es deseable porque permite que un motor extraiga más energía mecánica de una cantidad determinada de combustible debido a su mayor eficiencia térmica . ^{[ 3 ]} Esto ocurre porque los motores de combustión interna son máquinas térmicas, y las relaciones de compresión más altas permiten convertir más energía en trabajo útil a partir de la misma cantidad de combustible, a la vez que proporcionan un ciclo de expansión más largo, creando una mayor potencia mecánica y reduciendo potencialmente las temperaturas de los gases de escape. ^{[ 4 ]}

Sin embargo, varias limitaciones de ingeniería restringen la implementación práctica de relaciones de compresión muy altas. Las relaciones de compresión más altas aumentan las presiones y temperaturas máximas en el cilindro, lo que requiere componentes del motor más robustos y materiales con mayor resistencia y resistencia al calor para soportar las tensiones mecánicas y térmicas adicionales. ^{[ 5 ]} Además, las relaciones de compresión altas hacen que los motores sean más susceptibles al golpeteo y la detonación , particularmente cuando se utilizan combustibles de bajo octanaje, lo que puede dañar los componentes del motor y reducir la eficiencia. ^{[ 6 ]} Las ganancias de eficiencia térmica derivadas del aumento de la relación de compresión también disminuyen más allá de aproximadamente 10:1, ya que el aumento de la fricción y las pérdidas de calor comienzan a contrarrestar los beneficios termodinámicos. ^{[ 7 ]}

En un motor alternativo , la relación de compresión estática (${\displaystyle \mathrm {CR} }$) 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 . ^{[ 18 ]} Por lo tanto, se calcula mediante la fórmula ^{[ 19 ]}$${\displaystyle \mathrm {CR} ={\frac {V_{d}+V_{c}}{V_{c}}}}$$

dónde

• ${\displaystyle V_{d}}$es el volumen de desplazamiento. Este es el volumen dentro del cilindro desplazado por el pistón desde el inicio de la carrera de compresión hasta el final de la carrera.
• ${\displaystyle V_{c}}$es el volumen de holgura. Este es el volumen del espacio que queda en el cilindro al final de la carrera de compresión.

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

dónde

• ${\displaystyle b}$es el diámetro del cilindro
• ${\displaystyle s}$es la longitud de la carrera del pistón

Debido a la forma compleja de${\displaystyle V_{c}}$Generalmente se mide directamente. Esto suele hacerse llenando el cilindro con líquido y midiendo el volumen del líquido utilizado.

La mayoría de los motores utilizan una relación de compresión fija; sin embargo, un motor de relación de compresión variable puede ajustar dicha relación mientras está en funcionamiento. El primer motor de producción con 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 está en funcionamiento. Esto se realiza para aumentar la eficiencia del combustible bajo diferentes cargas. Los motores de compresión variable permiten modificar el volumen sobre el pistón en el punto muerto superior. ^{[ 20 ]} 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. En el ámbito automotriz, esto debe hacerse mientras el motor funciona en respuesta a la carga y las exigencias de la conducción. El Infiniti QX50 de 2019 es el primer automóvil disponible comercialmente que utiliza un motor de relación de compresión variable.

La relación de compresión estática descrita anteriormente —calculada únicamente en función de los volúmenes del cilindro y 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 , PMI), lo que puede provocar que parte de los gases salgan a través de la válvula de admisión. Por otro lado, la optimización del puerto de admisión y el barrido pueden provocar que se acumule una mayor cantidad de gas en el cilindro de la que indicaría el volumen estático. La relación de compresión dinámica considera estos factores.

La relación de compresión dinámica es mayor con una sincronización del árbol de levas de admisión más conservadora (es decir, cierre de válvulas poco después del PMI), y menor con una sincronización del árbol de levas de admisión más radical (es decir, cierre de válvulas más tarde después del PMI). ^{[ 21 ]} La relación de compresión dinámica suele ser menor que la relación de compresión estática, pero no siempre. Bajo ciertas condiciones, la inercia del aire que fluye en el conducto de admisión puede forzar aire adicional en el cilindro incluso después de que el pistón haya comenzado a subir en la carrera de compresión. Por lo tanto, el cilindro puede ser "sobrealimentado" con aire, típicamente hasta alrededor de un 10% más de aire que el que surge solo de la geometría del cilindro. Esto también puede expresarse como una eficiencia volumétrica del 110%. Este fenómeno se conoce como sobrealimentación por ariete inercial y depende de un ajuste cuidadoso de la longitud del conducto de admisión. Hay un efecto similar creado por ondas de presión sónicas que se mueven de un lado a otro a lo largo del conducto de admisión, reflejándose en la parte posterior de la válvula de admisión y el extremo abierto del conducto de admisión. Cuando una onda de presión positiva llega a la válvula justo cuando se está cerrando, se puede forzar la entrada de aire adicional al cilindro. Esto se conoce como sobrealimentación por impacto sónico. La sobrealimentación inercial y por impacto sónico funcionan en un rango limitado de velocidades del motor, pero pueden utilizarse para ajustar con precisión las curvas de par o potencia del motor. La presión absoluta del cilindro se utiliza para calcular la relación de compresión dinámica mediante la siguiente fórmula: $${\displaystyle P_{\text{cilindro}}=P_{\text{atmosférica}}\times {\text{CR}}^{\gamma }}$$ dónde${\displaystyle \gamma }$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).

En condiciones ideales (adiabáticas), la relación de calores específicos sería de 1,4, pero se utiliza un valor menor, generalmente entre 1,2 y 1,3, ya que la cantidad de calor perdido varía entre los motores según su diseño, tamaño y materiales. Por ejemplo, si la relación de compresión estática es de 10:1 y la dinámica es de 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 intensidad. Un motor con una alta relación de compresión estática y un cierre tardío de la válvula de admisión tendrá una relación de compresión dinámica similar a la de un motor con menor compresión pero un cierre más temprano de la válvula de admisión. ^{[ 22 ]} 

• Presión efectiva media