압축비

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압축비는 내연기관의 실린더와 연소실 부피의 최대값과 최소값 사이의 비율입니다.

이러한 엔진의 기본 사양은 피스톤이 스트로크 하단에 있을 때의 연소실 및 실린더의 상대적인 부피와 피스톤이 ^[1]스트로크 상단에 있을 때의 연소실 부피로 계산되는 정적 압축비와 두 가지 방법으로 측정된다.

동적 압축비는 압축 단계 동안 실린더로 들어오고 나가는 가스도 고려하는 고급 계산입니다.

효과와 일반적인 비율

높은 압축비는 높은 열효율로 인해 엔진이 주어진 질량의 공기-연료 혼합물에서 더 많은 기계적 에너지를 추출할 수 있기 때문에 바람직합니다.이는 내연기관이 열엔진이고 압축비가 높으면 적은 연료로 동일한 연소온도에 도달할 수 있는 동시에 팽창주기가 길어져 기계적 출력이 증가하고 배기온도가 낮아지기 때문입니다.

가솔린 엔진

지난 20년간 승용차에 사용된 가솔린(가솔린) 엔진의 압축비는 일반적으로 8:1에서 12:1 사이였습니다.다음과 같은 여러 생산 엔진에서 더 높은 압축률을 사용했습니다.

• 1955-1972년에 제작된 자동차로, 최고 13:1의 압축비를 실현하는 고옥탄납 가솔린용으로 설계되었습니다.
• 2012년 이후 출시된 일부 마츠다 스카이 액티비티 엔진은 최대 16:^[2][3][4]1의 압축률을 가지고 있습니다.SkyActiv 엔진은 일반 무연 가솔린(영국의 경우 95 RON)과 함께 배기 가스 소거(흡기 행정 전에 실린더 온도를 최대한 낮게 유지)를 통해 이러한 압축비를 달성합니다.
• 도요타 다이나믹 포스 엔진의 압축비는 최대 14:1입니다.
• 2014년형 페라리 458 스페셜도 압축률이 14:1이다.

강제 유도(예: 터보차저 또는 슈퍼차저)를 사용할 경우 압축비가 자연 흡기 엔진보다 낮은 경우가 많습니다.이는 터보차저/슈퍼차저가 실린더로 들어가기 전에 이미 공기를 압축했기 때문입니다.좌현 연료 분사를 사용하는 엔진은 일반적으로 직분사 엔진보다 부스트 압력 및/또는 압축비가 낮습니다. 좌현 연료 분사가 공기/연료 혼합물을 함께 가열하여 폭발을 일으키기 때문입니다.반대로, 직접 분사된 엔진은 가열된 공기가 연료가 없으면 폭발하지 않기 때문에 더 높은 부스트를 실행할 수 있습니다.

옥탄가스가 낮은 ^[5]연료를 사용할 경우 압축비가 높을수록 가솔린(가솔린) 엔진이 엔진 노킹("디토네이션", "사전 점화" 또는 "핑"이라고도 함)에 노출될 수 있습니다.점화 타이밍을 수정하는 노크 센서가 없을 경우 효율이 저하되거나 엔진이 손상될 수 있습니다.

디젤 엔진

디젤 엔진은 가솔린 엔진보다 더 높은 압축비를 사용합니다. 스파크 플러그가 없으면 압축비가 압축 점화 장치를 사용하여 디젤을 점화할 수 있을 만큼 실린더 내 공기의 온도를 높여야 하기 때문입니다.압축비는 종종 직분사 디젤 엔진의 경우 14:1에서 23:1 사이, 간접 분사 디젤 엔진의 경우 18:1에서 23:1 사이입니다.

기타 연료

압축비는 액화석유가스(LPG 또는 "프로판 오토가스") 또는 압축천연가스 전용 엔진에서 더 높을 수 있습니다. 이러한 연료의 옥탄 등급이 높기 때문입니다.

등유 엔진은 일반적으로 6.5 이하의 압축비를 사용합니다.Ferguson TE20 트랙터의 가솔린-파라핀 엔진 버전은 옥탄가 55에서 ^[6]70 사이의 트랙터 기화유 작동 시 압축비가 4.5:1이었습니다.

모터스포트 엔진

모터스포트 엔진은 종종 고옥탄 가솔린으로 작동하므로 더 높은 압축비를 사용할 수 있습니다.예를 들어 모터사이클 레이싱 엔진은 최대 14.7:1의 압축비를 사용할 수 있으며, 86 또는 87 옥탄 연료용으로 설계된 12.0:1 이상의 압축비를 가진 오토바이를 흔히 볼 수 있습니다.

에탄올과 메탄올은 가솔린보다 훨씬 높은 압축비를 가질 수 있습니다.메탄올과 에탄올 연료를 연소하는 레이싱 엔진은 압축비가 14:1에서 16:1인 경우가 많습니다.

수학 공식

피스톤 엔진에서 정적 압축비(${\displaystyle \mathrm{CR}}${$displaystyle$ CR$\})$는 피스톤이 스트로크 하단에 있을 때 실린더와 연소실의 부피와 피스톤이 ^[7]스트로크 상단에 있을 때 연소실의 부피 사이의 비율이다.따라서 그것은 다음 공식으로^[8] 계산된다.

$({displaystyle {CR}=black {V_{d}+V_{c}}}) {V_{c}}}$

장소:

${\displaystyle V_{}}$d \ $displaystyle V_{d}$ =$$ 변위량.압축 스트로크의 시작부터 끝까지 피스톤에 의해 변위되는 실린더 내부의 부피입니다.

${\displaystyle V_{}}$ c$${ $displaystyle V$_ { $c$} =$$ 클리어런스 볼륨.압축 스트로크 끝에 남은 실린더 공간의 부피입니다.

${\displaystyle V_{}}$ d$\$는 실린더 부피 공식으로 추정할 수 있습니다.

${\displaystyle V_{d}=tfrac {pi } {4}}b^{2}s$

장소:

${\displaystyle b}${\$displaystyle$ b$}$ =$$ 실린더 보어(보어)

$\displaystyle$ s$=$ 피스톤 스트로크 길이

${\displaystyle V_{}}$ c$${ $display style$ V _ { $c$} $of$ of of of because because because of because because because because because because because because because because because because이것은 종종 실린더에 액체를 채운 다음 사용된 액체의 양을 측정함으로써 이루어집니다.

가변 압축비 엔진

대부분의 엔진은 고정 압축비를 사용하지만 가변 압축비 엔진은 엔진이 작동하는 동안 압축비를 조정할 수 있습니다.압축비가 가변적인 최초의 생산 엔진은 2019년에 도입되었습니다.

가변압축비는 엔진이 작동 중일 때 내연기관의 압축비를 조정하는 기술이다.이는 다양한 부하를 받는 동안 연료 효율을 높이기 위해 수행됩니다.가변 압축 엔진을 사용하면 상사점의 피스톤 위 볼륨을 변경할 ^[9]수 있습니다.

부하가 높을수록 출력을 높이기 위해 낮은 비율을 필요로 하는 반면, 부하가 낮을수록 효율을 높이기 위해 높은 비율을 필요로 합니다. 즉, 연료 소비량을 낮추기 위해서입니다.자동차의 경우 부하 및 주행 요구에 따라 엔진이 작동 중일 때 이 작업을 수행해야 합니다.

2019년형 인피니티 QX50은 가변 압축비 엔진을 사용한 최초의 상용차이다.

압력비와의 관계

단열 압축(즉, 압축하는 가스에 열에너지가 공급되지 않고, 온도 상승은 압축에 의한 것)을 전제로 하고, 공기가 완전 기체라는 가정 하에 압축비와 전체 압력비의 관계는 다음과 같다.

압축비	2:1	3:1	5:1	10:1	15:1	20:1	25:1	35:1
압력비	2.64:1	4.66:1	9.52:1	25.12:1	44.31:1	66.29:1	90.60:1	145:1

이 관계는 다음 방정식에서 도출됩니다.

${\displaystyle P_{1}V_{1}^{\gamma}=P_{2}V_{2}^{\gamma}\Rightarrow {Frac {P_{2}}=\left({\frac {V_1}}{{{2}}}\gamma}}}=\rightarrow {{\gamma} }$

여기서$\delta {\displaystyle }$(\$displaystyle\display)$는 특정 발열 비율입니다(공기: 약 1.4).

그러나 대부분의 실제 내연기관에서는 특정 열의 비율이 온도에 따라 변화하므로 단열 동작에서 상당한 편차가 발생합니다.

동적 압축비

위에서 설명한 정적 압축비(기통 및 연소실 체적만을 기준으로 계산)는 압축 단계 동안 실린더에 출입하는 가스를 고려하지 않습니다.대부분의 자동차 엔진에서 흡기 밸브 폐쇄(실린더를 씰링하는)는 압축 단계(즉, 하사점(BDC) 이후) 중에 이루어지며, 이로 인해 일부 가스가 흡기 밸브를 통해 뒤로 밀려날 수 있습니다.한편, 흡기 포트 튜닝 및 소거로 인해 정적인 부피보다 더 많은 양의 가스가 실린더에 갇힐 수 있습니다.동적 압축률은 이러한 요인을 설명합니다.

동적 압축비는 흡기 캠축 타이밍이 보수적인 경우(즉, BDC 직후) 더 높고, 흡기 캠축 타이밍이 급진적일 경우(즉,^[10] BDC 이후) 더 낮습니다.단, 동적 압축비는 항상 정적 압축비보다 낮습니다.

절대 실린더 압력은 다음 공식을 사용하여 동적 압축비를 계산하는 데 사용됩니다.

$(\displaystyle P_{\text{cylinder}}=P_{\text{대기}}\text{\text})CR}}^{\gamma}}$

여기서$\delta {\displaystyle }$ {$displaystyle \display}$는 존재하는 온도에서 연소 가스에 대한 특정 발열 비율에 대한 폴리트로픽 값입니다(이는 압축으로 인한 온도 상승과 실린더 열 손실을 보상합니다).

이상적인 (단열) 조건에서는 비열 비율은 1.4이지만 열 손실량은 설계, 크기 및 사용된 재료에 따라 엔진마다 다르기 때문에 일반적으로 1.2와 1.3 사이의 낮은 값이 사용됩니다.예를 들어 정적 압축비가 10:1이고 동적 압축비가 7.5:1인 경우 실린더 압력의 유용한 값은 7.5^1.3×기압 또는 13.7bar(대기압에 대한 상대)가 될 것이다.

동적 압축비에 대한 두 가지 보정은 실린더 압력에 반대 방향으로 영향을 미치지만 동일한 강도는 아닙니다.정적 압축비가 높고 흡기 밸브 폐쇄가 늦은 엔진은 압축이 낮지만 흡기 밸브 폐쇄가 빠른 엔진과 유사한 동적 압축 비율을 가집니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 평균 유효 압력

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