Kompressionsförhållande

Kompressionsförhållandet uttrycker hur hårt en motor pressar samman luften eller bränsle-luftblandningen inuti varje cylinder under kompressionsslaget. Det definieras som förhållandet mellan två volymer: hela utrymmet i cylindern när kolven står längst ned i sin rörelse, och det mycket mindre utrymme som återstår när kolven når toppen. Ett tal som 10:1 betyder till exempel att blandningen pressas samman till en tiondel av sin ursprungliga volym innan tändning sker. Detta enda tal avslöjar mycket om en motors karaktär, bränslekrav och verkningsgrad.

Förhållandet är viktigt eftersom en hårdare sammanpressning av laddningen före förbränningen gör motorn mer termiskt effektiv och bättre på att utvinna arbete ur varje enhet bränsle. Ett högre kompressionsförhållande höjer trycket och temperaturen i cylindern vid tändningstillfället, vilket innebär att den efterföljande förbränningen trycker hårdare på kolven och frigör sin energi mer effektivt. Förbränningscykelns termodynamik belönar högre kompression med bättre verkningsgrad och mer effekt för en given mängd bränsle, vilket är skälet till att konstruktörer ständigt frestas att höja det så långt förhållandena tillåter.

I bensinmotorer finns dock ett bestämt tak som sätts av knackning. När kompressionen stiger ökar också blandningens temperatur, och bortom en viss punkt kan bränslet självantända ojämnt innan tändstiftet tänder, vilket ger de förödande trycktoppar som kallas knackning eller spik. Att motstå detta kräver bränsle med högre oktantal, som förbränns mer kontrollerat under tryck, så högkomprimerade bensinmotorer kräver premiumbränsle. Denna avvägning har historiskt begränsat bensinmotorers kompressionsförhållanden till ungefär intervallet 9:1 till 13:1, där de högre värdena är reserverade för motorer konstruerade kring högoktanigt bränsle eller smart förbränningsstyrning.

Dieselmotorer förvandlar denna begränsning till en fördel genom att förlita sig på själva kompressionen för att antända bränslet. De arbetar med betydligt högre förhållanden, vanligen från omkring 15:1 och uppåt, eftersom värmen som genereras enbart av att pressa samman luften måste vara tillräcklig för att antända dieseln som sprutas in i toppen av slaget. Det finns inget tändstift; den höga kompressionen är tändkällan. Detta är det grundläggande skälet till att dieselmotorer byggs robustare än bensinmotorer, eftersom de måste tåla de mycket högre tryck som sådana förhållanden ger.

Modern teknik har luckrat upp en del av dessa gamla gränser. Direktinsprutning kyler den inkommande laddningen när bränslet förångas inne i cylindern, vilket låter bensinmotorer arbeta med något högre kompression utan att knacka, medan överladdning, som tvingar in mer luft, generellt kräver ett lägre geometriskt förhållande för att hålla topptrycken i schack. Vissa avancerade motorer varierar till och med sitt kompressionsförhållande under gång för att balansera verkningsgrad och effekt. Kompressionsförhållandet ligger därmed i hjärtat av motorkonstruktionen, tätt sammanlänkat med slagvolym, kolvkonstruktion och förbränningsmotorns vidare beteende.