¿Cómo exactamente aumenta la temperatura de ignición el funcionamiento con combustible pobre?

Tienes una descripción cualitativa de lo que sucede, pero vamos a dividirla en una escala más pequeña. Cuando hablamos de la "temperatura" de algo, en realidad estamos hablando de la rapidez con la que las moléculas se mueven y rebotan entre sí. "Temperatura" es en realidad "energía cinética". Y resulta que hay otros tipos de energía además de moverse en el espacio: las moléculas pueden girar, pueden vibrar y sus electrones pueden excitarse y moverse en relación con el núcleo. Cada una de estas energías también puede ser una "temperatura", por lo que puede tener temperatura de traslación (lo que normalmente pensamos), pero puede tener temperatura de rotación, temperatura de vibración y temperaturas electrónicas.

Las moléculas intercambian energía entre sí al chocar entre sí. Cuando hacen esto, también distribuyen la energía entre ellos. La frecuencia con la que chocan determina la rapidez con la que la energía se vuelve uniforme, y esto define la rapidez con la que alcanzan lo que se denomina equilibrio. Cuando todas las diferentes temperaturas son iguales, el estado está en equilibrio y no necesitamos preocuparnos por llevar un registro de todos los diferentes tipos de temperatura. Para la mayoría de los procesos que ocurrirían en un motor, hay tiempo más que suficiente para alcanzar el equilibrio, por lo que no debemos preocuparnos demasiado por los efectos de desequilibrio.

Ahora, en las reacciones químicas, las moléculas se separan y forman otras nuevas. Si los nuevos tienen menos energía, la diferencia de energía se libera en forma de calor. Si los nuevos tienen más energía, la reacción requiere agregar energía para que suceda. Obviamente, los motores se calientan, por lo que las reacciones en ellos liberan energía y aprovechamos esa energía para mover el vehículo.

Entonces, las moléculas se separan. Y se rompen cuando comienzan a vibrar tan fuerte que los enlaces entre los átomos no pueden mantenerlos unidos. La única forma de hacer que la molécula vibre es hacer que otra molécula choque con ella, con suficiente energía y una transferencia de energía lo suficientemente eficiente como para iniciar las vibraciones. Y la energía tiene que ser lo suficientemente alta como para que la vibración haga que las moléculas se deshagan.

Al cambiar la cantidad de combustible en la mezcla, está cambiando los tipos de colisiones que pueden ocurrir. Y no es exactamente sencillo, pero algunas moléculas son mejores para intercambiar energía con otras. Para que la molécula de combustible se deshaga, deben chocar con otras moléculas de combustible con algo de energía o con otras moléculas de oxígeno con más energía. Si agrega una cantidad de oxígeno superior a la habitual (funcionamiento pobre), también debe calentar más ese oxígeno para que las moléculas tengan más energía cuando colisionen y puedan hacer que el combustible vibre lo suficiente como para desmoronarse. Por el contrario, si funciona rico en combustible, tiene más moléculas de combustible que pueden chocar entre sí y desmoronarse, pero menos moléculas de oxígeno para que se combinen y emitan calor. Esto (y algunos otros efectos) hace que la temperatura final de la llama sea más baja.

Basado en una conversación extendida sobre la pregunta, volvamos a poner todo esto en el contexto de un motor. Para un motor de gas de inyección directa, el aire es succionado hacia el interior del cilindro, el pistón lo comprime y luego se rocía combustible dentro del cilindro. Luego, una bujía dispara una chispa en la cámara. Esta deposición de electrones hace que las moléculas de la mezcla aire-combustible se exciten; de hecho, ioniza el aire (quita los electrones de las moléculas) y todo esto agrega mucha energía a las moléculas. Esta energía es la energía inicial requerida para iniciar la combustión.

Para una condición de escasez de combustible, dije que se necesita más energía para iniciar la reacción y lo expresé en términos de una temperatura de ignición más alta. La temperatura de ignición proviene de esa bujía (para un motor frío, los motores calientes también contribuirán con el calor de los propios cilindros). En condiciones normales de funcionamiento, las bujías proporcionan energía más que suficiente para encender. A medida que las condiciones de funcionamiento se vuelven más pobres, la bujía proporciona la misma cantidad de energía, pero sigue siendo suficiente energía para encender. Eventualmente, para condiciones lo suficientemente pobres, no será suficiente energía. Este es un fallo de encendido magro .

Los motores diesel funcionan de manera diferente. Por el bien del argumento, sigamos con una inyección directa nuevamente. El cilindro se llena de aire, el pistón lo comprime y se inyecta el combustible. Sin embargo, no hay chispa para iniciar la reacción. Los motores diesel se basan únicamente en la creación de presiones lo suficientemente altas como para encender la mezcla. Alta presión significa alta densidad y eso significa más colisiones para distribuir la energía (las moléculas no necesitan ir tan lejos para chocar entre sí). En cualquier caso, se aplican las mismas ideas. En condiciones pobres, requeriría una mayor presión para encender. En condiciones ideales, el motor comprime más de lo que se requiere exactamente, por lo que cuando funciona con poco combustible, todavía tiene suficiente compresión para encender. Si te inclinas tanto que la compresión ya no es lo suficientemente alta, volverás a tener un fallo de encendido .. Las bujías incandescentes pueden ayudar a todo esto al calentar los cilindros y ayudar a agregar calor a la mezcla y hacer que las reacciones comiencen.

En cualquiera de los motores, una vez que han estado funcionando durante un tiempo, las paredes del cilindro se calientan y se requiere menos entrada (de chispas o de compresión) para que ocurra la reacción. Pero para los motores fríos, se necesita esa deposición de energía inicial para que las reacciones avancen. Muchas ECU están configuradas para quemar combustible rico cuando el motor recién está arrancando porque es más fácil de encender; a medida que se calientan, la mezcla se vuelve más pobre y reduce las emisiones y el consumo de combustible. Es posible que esté familiarizado con los estranguladores manuales en cosas como las cortadoras de césped: el estrangulador es lo que cambia la mezcla de aire y combustible y para que el motor arranque, debe configurar el estrangulador para que sea rico en combustible.

Para aquellos interesados, en base a la discusión que tuvimos en varios hilos de comentarios, seguí adelante y di un ejemplo concreto de cómo/por qué la temperatura puede aumentar cuando la llama es pobre en combustible. La conversación en el chat está marcada aquí .

Es gracioso que le preguntes a Max :)

Primero asegurémonos de nuestra definición. Hacer funcionar un motor pobre significa cambiar la relación aire/combustible para tener más aire del ideal (14,7:1 aire/combustible).

En mi lectura hay dos efectos.

Primero, el combustible es un líquido atomizado que tiene un efecto de enfriamiento en la cámara de combustión. Así que menos combustible, menos efecto de enfriamiento.

En segundo lugar, las llamas arden más rápido y más calientes en presencia de más oxígeno. Más aire en relación con el combustible de lo habitual, significa más oxígeno de lo habitual. Entonces la llama arde más caliente y más rápido de lo que debería. Ambos van a elevar la temperatura de la cámara de combustión.

Gran pregunta, yo mismo tenía curiosidad sobre esto, así que comencé a leer un poco al respecto.

¡Espero que eso ayude!

Si alguna vez ha visto usar un soplete de oxiacetileno, habrá notado que antes de que se encienda el oxígeno, el soplete tiene una llama amarilla brillante. Este es el combustible que se quema en una cantidad de oxígeno inferior a la ideal. La llama es relativamente fría y produce mucho hollín.

Cuando se enciende el oxígeno, la llama se vuelve azul y se calienta lo suficiente como para derretir el acero.

Es posible que también haya visto que cuando se enciende demasiado oxígeno, la llama se apaga con un estallido.

Pobre de combustible es lo mismo que rico en oxígeno.

En un motor, el combustible quiere quemarse de manera eficiente, pero no demasiado caliente como para que comience a derretir los pistones, o tal vez incluso explotar violentamente, lo que también causará daños.

De Wikipedia - Desafortunadamente, una mezcla estequiométrica se quema muy caliente y puede dañar los componentes del motor si el motor se somete a una carga alta en esta mezcla de aire y combustible. Debido a las altas temperaturas en esta mezcla, la detonación de la mezcla de aire y combustible poco después de la presión máxima del cilindro es posible bajo una carga alta (lo que se conoce como golpeteo o golpeteo). La detonación puede causar daños graves al motor, ya que la quema descontrolada de la mezcla de combustible y aire puede crear presiones muy altas en el cilindro. Como consecuencia, las mezclas estequiométricas solo se utilizan en condiciones de carga ligera. Para condiciones de aceleración y alta carga, se usa una mezcla más rica (relación aire-combustible más baja) para producir productos de combustión más fríos y, por lo tanto, evitar la detonación y el sobrecalentamiento de la culata.

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Relación aire-combustible

Lo siento, no puedo hacer que el enlace funcione: copie y pegue en el navegador.

La temperatura del motor sube porque el encendido del combustible es más lento . El combustible tarda más en quemarse porque hay menos.

El combustible en sí tiene la misma cantidad de BTU disponibles al quemarlo, ya sea que use oxígeno adicional o no. PERÍODO. Cuando soplas las brasas de tu fuego, se calientan más pero se queman más rápido. Liberan la misma cantidad de calor, pero en un período de tiempo mucho más corto.

Imagina tu cilindro como una cabaña en invierno. Si tomara un leño y lo quemara en un minuto, los artículos cerca de la estufa donde se estaba quemando ese leño se calentarían significativamente y tal vez se derretirían, pero la mayor parte del calor saldría por la chimenea. Si solo tuviera un registro por hora, la habitación estaría muy fría la mayor parte del tiempo. Tome ese mismo leño y quémelo lentamente durante una hora antes de reemplazarlo con otro y menos calor sale por el escape y permanece en la habitación.

La razón por la que el motor se calienta más es que el combustible que se quema más lentamente transfiere más calor a las partes circundantes del motor.

Todos ustedes olvidan algo, la razón por la que una ligera mezcla pobre puede ser más caliente que las proporciones estequiommétricas es muy simple. Tiene que ver con la inyección del combustible. Para que la relación estequiométrica funcione según lo previsto, cada átomo de oxígeno tendría que emparejarse perfectamente con una molécula de combustible antes de la ignición. Eso simplemente no es posible, por lo que tiene moléculas de combustible sin quemar en su combustión.

Al agregar un poco más de aire a la mezcla, puede asegurarse de que todo su combustible se queme en un grado mayor, lo que aumentará la temperatura de combustión, agregará demasiado y la capacidad calorífica del exceso de aire disminuirá la temperatura.

Me detuve aquí después de buscar sin demasiado éxito una buena explicación sobre el sobrecalentamiento debido a la combustión pobre en un motor. Aquí mis dos centavos sobre el tema:

1- Es bien conocido y documentado que la temperatura de combustión pico o máxima es menor a medida que la relación aire/combustible atmosférico se desvía de la estequiométrica, por lo que una combustión pobre genera una temperatura pico más baja en comparación con la estequiométrica, 14,7:1 para la gasolina, por ejemplo. Aunque una combustión pobre podría ser más completa, la temperatura máxima de combustión es más baja debido al efecto de enfriamiento del nitrógeno atmosférico inerte adicional en una configuración pobre. ¿Recuerdas que el aire atmosférico contiene una cantidad significativa de nitrógeno inerte y ese viejo número de Popular Science que habla sobre el diseño de un motor adiabático de Smokey Yunick y sus intentos de diseñar un filtro de eliminación de nitrógeno?

2- También es bien sabido que la velocidad de cualquier reacción química se ralentizará a medida que disminuya la concentración del reactivo. También se espera porque a medida que las moléculas de combustible se alejan entre sí, hay menos posibilidades de promover una reacción en cadena, lo que reduce significativamente la velocidad de la combustión.

3- Además, la cantidad total de calor generado disminuye mientras se quema pobre como se esperaba debido a que hay menos combustible o contenido calórico involucrado en una combustión pobre. Entonces, ¿por qué el resultado inesperado del sobrecalentamiento del motor?

4- No es una cuestión de menor enfriamiento disponible por la evaporación del combustible líquido, está más relacionado con el balance general de energía en el motor. A medida que la combustión se vuelve más lenta, una mayor parte de la energía térmica no se puede convertir en energía de trabajo del eje y, por lo tanto, se expulsa principalmente como calor aguado a través del puerto de escape. De manera similar, sucede si el tiempo de encendido se retrasa mucho más allá de lo óptimo... el calor de combustión pobre, aunque es menor, no se puede convertir adecuadamente en trabajo del eje porque la combustión fue tan tardía que no está sincronizada con el movimiento del motor. pistones Es por eso que Toyota adelantó el tiempo de encendido en sus motores Lean Burning anteriores cuando activaba ese modo. Entonces, ¿adónde va el calor que no se puede convertir en trabajo de eje?... debido a las leyes de conservación de energía, se mostrará en alguna parte... bueno,

Básicamente, a medida que la combustión se vuelve más pobre, el motor comienza a perder parte de su eficiencia para convertir la energía de combustión en energía mecánica y, por lo tanto, funciona más cerca de un horno de combustible simple adecuado para calentarse a sí mismo. Los síntomas de este tipo de sobrecalentamiento son válvulas de escape quemadas, tono diferente en el ruido del escape e incluso colector de escape incandescente, similar a un motor que funciona con un tiempo de encendido muy retardado. En el caso de la inyección de nitroso, a pesar de que el nitroso tiene un gran efecto de enfriamiento, si accidentalmente la combustión se vuelve demasiado pobre debido a la escasez de combustible, el motor literalmente se derrite. En este caso, a pesar de que la relación de combustible era demasiado pobre, la cantidad de combustible involucrada o el contenido calórico aún podría ser significativamente mayor que en un motor normal, por lo que aún más energía térmica no se convertirá en trabajo del eje.

Creo que las respuestas son incorrectas. Porque la suposición de la pregunta es incorrecta. Primero tenemos que decidir más caliente en comparación con qué? y también necesitamos saber que esto es un hecho, ¿realmente hace más calor o es un mito? además, la cantidad de la relación combustible/oxígeno es importante, ¿es esta condición siempre cierta para todas las relaciones pobres? Tal vez la pregunta correcta es ¿por qué la mezcla "ligeramente" magra es más caliente que la mezcla "ligeramente" rica?

La producción de energía térmica del combustible está simplemente relacionada con la cantidad que quema. Se quema menos, se genera menos calor. Se quema más, se genera más calor. Tan simple como eso. Aquí lo que crea el calor es la energía almacenada en el combustible (para nuestro ejemplo, otros factores como presiones, fricciones, etc. no son importantes).

Si está comparando una mezcla rica con una mezcla pobre, por supuesto, la mezcla pobre tendrá una mayor producción de energía porque convertiría todo el combustible en energía. (más combustible quemado = más calor) Pero aún depende de las proporciones de su mezcla, porque si casi no tiene combustible en su mezcla, obviamente no generará tanta energía.

Si está comparando una mezcla ideal con una mezcla pobre, entonces creo que debería ser aún más fría (menos energía térmica generada por la combustión) ya que estaría recibiendo menos combustible y más oxígeno en la cámara.