Σχέση Συμπίεσης

Η σχέση συμπίεσης εκφράζει πόσο στενά συμπιέζει ένας κινητήρας τον αέρα ή το μείγμα αέρα-καυσίμου μέσα σε κάθε κύλινδρο κατά τη διάρκεια της διαδρομής συμπίεσης. Ορίζεται ως ο λόγος δύο όγκων: του συνολικού χώρου του κυλίνδρου όταν το έμβολο βρίσκεται στο χαμηλότερο σημείο της διαδρομής του, και του πολύ μικρότερου χώρου που απομένει όταν το έμβολο φτάνει στην κορυφή. Μια σχέση 10:1, για παράδειγμα, σημαίνει ότι το μείγμα συμπιέζεται στο ένα δέκατο του αρχικού του όγκου πριν την ανάφλεξη. Αυτός ο ένας αριθμός αποκαλύπτει πολλά για τον χαρακτήρα ενός κινητήρα, τις απαιτήσεις του σε καύσιμο και την απόδοσή του.

Η σχέση έχει σημασία επειδή η εντονότερη συμπίεση του μείγματος πριν την καύση καθιστά τον κινητήρα θερμικά αποδοτικότερο και ικανό να αντλεί περισσότερο έργο από κάθε μονάδα καυσίμου. Μια υψηλότερη σχέση συμπίεσης ανεβάζει την πίεση και τη θερμοκρασία μέσα στον κύλινδρο τη στιγμή της ανάφλεξης, πράγμα που σημαίνει ότι η καύση που ακολουθεί ωθεί ισχυρότερα το έμβολο και απελευθερώνει την ενέργειά της αποδοτικότερα. Η θερμοδυναμική του κύκλου του κινητήρα ανταμείβει την υψηλότερη συμπίεση με μεγαλύτερη απόδοση και περισσότερη ισχύ για δεδομένη ποσότητα καυσίμου, γι' αυτό και οι μηχανικοί μπαίνουν διαρκώς στον πειρασμό να την ανεβάσουν όσο το επιτρέπουν οι συνθήκες.

Στους βενζινοκινητήρες, ωστόσο, υπάρχει ένα αυστηρό όριο που επιβάλλεται από την πειραχτή ανάφλεξη, το λεγόμενο knock. Καθώς ανεβαίνει η συμπίεση, ανεβαίνει και η θερμοκρασία του μείγματος, και πέρα από ένα σημείο το καύσιμο μπορεί να αναφλεγεί αυθόρμητα και ανομοιόμορφα προτού δώσει σπινθήρα το μπουζί, παράγοντας τις καταστροφικές αιχμές πίεσης που είναι γνωστές ως πειραχτή ανάφλεξη ή πειράκι. Η αντίσταση σε αυτό απαιτεί καύσιμο υψηλότερου αριθμού οκτανίων, που καίγεται πιο ελεγχόμενα υπό πίεση, οπότε οι βενζινοκινητήρες υψηλής συμπίεσης απαιτούν καύσιμο premium. Αυτή η αντιστάθμιση περιόρισε ιστορικά τις σχέσεις συμπίεσης της βενζίνης περίπου στο εύρος 9:1 έως 13:1, με τις υψηλότερες τιμές να επιφυλάσσονται για κινητήρες σχεδιασμένους γύρω από καύσιμο υψηλών οκτανίων ή με εξελιγμένο έλεγχο της καύσης.

Οι πετρελαιοκινητήρες μετατρέπουν αυτόν τον περιορισμό σε πλεονέκτημα, στηριζόμενοι στην ίδια τη συμπίεση για να αναφλέξουν το καύσιμο. Λειτουργούν με πολύ υψηλότερες σχέσεις, συνήθως από περίπου 15:1 και πάνω, επειδή η θερμότητα που παράγεται από τη συμπίεση του αέρα και μόνο πρέπει να αρκεί για να αναφλέξει το πετρέλαιο που ψεκάζεται στην κορυφή της διαδρομής. Δεν υπάρχει μπουζί· η υψηλή συμπίεση είναι η πηγή της ανάφλεξης. Αυτός είναι ο θεμελιώδης λόγος για τον οποίο οι πετρελαιοκινητήρες κατασκευάζονται πιο στιβαροί από τους βενζινοκινητήρες, καθώς πρέπει να αντέχουν τις πολύ μεγαλύτερες πιέσεις που παράγουν τέτοιες σχέσεις.

Η σύγχρονη τεχνολογία χαλάρωσε ορισμένα από αυτά τα παλιά όρια. Η άμεση έγχυση καυσίμου ψύχει το εισερχόμενο μείγμα καθώς το καύσιμο εξατμίζεται μέσα στον κύλινδρο, επιτρέποντας στους βενζινοκινητήρες να λειτουργούν με ελαφρώς υψηλότερη συμπίεση χωρίς να εμφανίζεται knock, ενώ η υπερτροφοδότηση, που εξαναγκάζει μέσα περισσότερο αέρα, γενικά απαιτεί χαμηλότερη γεωμετρική σχέση ώστε να συγκρατούνται οι μέγιστες πιέσεις. Ορισμένοι προηγμένοι κινητήρες μεταβάλλουν μάλιστα τη σχέση συμπίεσής τους εν κινήσει, για να εξισορροπήσουν απόδοση και ισχύ. Η σχέση συμπίεσης βρίσκεται έτσι στην καρδιά της σχεδίασης ενός κινητήρα, στενά συνδεδεμένη με τον κυβισμό, τη σχεδίαση των εμβόλων και τη γενικότερη συμπεριφορά του κινητήρα εσωτερικής καύσης.