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 del 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 . [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.
Es deseable una relación de compresión alta porque permite que un motor extraiga más energía mecánica de una masa determinada de mezcla de aire y combustible debido a su mayor eficiencia térmica . Esto ocurre porque los motores de combustión interna son motores térmicos y 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, creando más potencia mecánica y reduciendo la temperatura de escape.
En los motores de gasolina utilizados en turismos durante los últimos 20 años, las relaciones de compresión suelen estar entre 8:1 y 12:1. Varios motores de producción han utilizado relaciones de compresión más altas, entre ellas:
Cuando se utiliza la inducción forzada (por ejemplo, un turbocompresor o un sobrealimentador ), la relación de compresión suele ser menor 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 utilizan inyección de combustible en el puerto generalmente ejecutan 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 en conjunto, lo que lleva a 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 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 presentes 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 menos. 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 tanto, pueden utilizar 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 95 octanos o más.
El etanol y el metanol pueden tener relaciones de compresión significativamente más altas que la gasolina. Los motores de carreras que queman metanol y etanol suelen tener una relación de compresión de 14:1 a 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. ataque . [9] Por lo tanto, se calcula mediante la fórmula [10]
Dónde:
se puede estimar mediante la fórmula del volumen del cilindro
Dónde:
Debido a su forma compleja, generalmente se mide directamente. Esto suele hacerse llenando el cilindro con líquido y luego midiendo el volumen del líquido usado.
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 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 por encima del pistón en el punto muerto superior. [11]
Cargas más altas requieren relaciones más bajas para aumentar la potencia, mientras que 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 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.
La relación de compresión estática analizada 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) tiene lugar durante la fase de compresión (es decir, después del punto muerto inferior , BDC), lo que puede provocar que algunos de los gases sean expulsados a través de la válvula de admisión. Por otro lado, el ajuste y la eliminación del puerto de admisión pueden hacer que quede atrapada en el cilindro una mayor cantidad de gas 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 más conservadora del árbol de levas de admisión (es decir, poco después del BDC) y menor con una sincronización más radical del árbol de levas de admisión (es decir, más tarde después del BDC). [12] Independientemente, la relación de compresión dinámica es siempre 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:
En condiciones ideales (adiabáticas), la relación de calores específicos sería 1,4, pero se utiliza 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 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.
