¿Por qué o por qué no aumentar la eficiencia del motor haciendo funcionar el automóvil con "pobre en combustible" (usando un turbo o un sobrealimentador)?

Esbelto ≠ Más Aire

Creo que la fuente del malentendido está en cómo se interpreta el término "esbelto".

Una mezcla pobre no indica la presencia de más aire. Indica la presencia de una mayor proporción de aire en comparación con el combustible (relación aire-combustible, o AFR ).

Ejemplo rápido

La mezcla A tiene 1000 g de aire, 80 g de combustible. TFA = 1000/80 = 12,5

La mezcla B tiene 100 g de aire, 7 g de combustible. RFA = 100/7 = 14,3

Como 14,3 > 12,5, la Mezcla B es más pobre que la Mezcla A, aunque la Mezcla A tiene más aire.

Es por eso que @cdunn tiene razón ; la presencia de un turbocompresor o supercargador no afecta la capacidad de un convertidor catalítico de tamaño apropiado para hacer su trabajo.

Entonces, ¿por qué no es bueno que los gatos corran delgados?

Un convertidor catalítico está diseñado para eliminar los gases nocivos de los gases de escape. Lo hace a través de una reacción química que implica la presencia de catalizador(es).

El tipo de diseño catalítico más popular en la actualidad es el convertidor catalítico de tres vías, que maneja tres tipos de gases nocivos:

• óxidos de nitrógeno (NOx, no NOS)
• monóxido de carbono (CO)
• hidrocarburos no quemados (HC)

El problema es que los gatos funcionan bien en una ventana AFR estrecha, como muestra esta imagen:

• Ejecute demasiado pobre , y el gato tendrá dificultades para eliminar el NOx de los gases de escape.
• Ejecute demasiado rico , y su tubo de escape tendrá mucho más contenido de HC, CO

Operación ajustada vs catalizadores de escape:

El convertidor catalítico de tres vías instalado en los vehículos de gasolina no puede funcionar en condiciones de motor pobre porque la reacción de NOx _a nitrógeno y oxígeno es una reacción de reducción, y para que esto ocurra es necesario que haya una oxidación correspondiente. En el catalizador de tres vías que es la oxidación de CO e hidrocarburos a CO ₂ . Si hubiera un exceso de oxígeno, entonces el oxígeno, en lugar del NOx _, actuaría como agente oxidante para el CO y los HC, porque es un agente oxidante más potente, y el NOx _{permanecería} sin reaccionar.

La tecnología para reducir el NOx _sin la presencia de los correspondientes gases oxidables en el escape del motor existe y se usa cada vez más en los motores diésel, que funcionan con mezcla pobre. Sin embargo, necesita más equipo en el vehículo, lo que agrega costo y complejidad, y algunos enfoques requieren un aditivo que debe reponerse a medida que se agota.

La tecnología de mezcla pobre se ha utilizado en motores de gasolina en el pasado, pero tal vez no logró ponerse de moda debido a las regulaciones más estrictas sobre las emisiones de NOx; puede reaparecer a medida que la tecnología de reducción de NOx _{se vuelve} más establecida.

Ventajas y desventajas de los turbocompresores y sobrealimentadores

El uso de un turbocompresor o supercargador permite una mayor potencia de salida para el mismo desplazamiento del motor, o un desplazamiento del motor más pequeño para la misma potencia de salida. Esto significa que el motor puede ser más pequeño y liviano, y los cilindros más pequeños tienen menores pérdidas por fricción. Los motores de gasolina pequeños más recientes, como la gama Ecoboost de Ford, suelen utilizar tanto la sobrealimentación como la turboalimentación para ofrecer una alta eficiencia de combustible.

La principal desventaja de la turboalimentación o sobrealimentación es la complejidad y el coste añadidos del equipo, pero esto se considera cada vez más valioso por las ganancias de eficiencia.

No es que el convertidor catalítico no pueda manejar más aire per se, es que funcionar con mezcla pobre aumenta la temperatura de combustión (en realidad no sé por qué, pero ahora tengo curiosidad) y el convertidor catalítico necesita funcionar dentro de su químico rango de operación. Algo que ver con la química que yo tampoco sé.

En cuanto a las ventajas del turboalimentador y la sobrealimentación, no solo se aumenta el aire, sino que se aumenta la mezcla de aire y combustible en la proporción correcta. Más aire/combustible por cada golpe de potencia le da más potencia. La desventaja de los turbocompresores es que con el diseño incorrecto proporcionará mucha potencia, pero esa potencia retrasará el acelerador.

La desventaja de los supercargadores es que son impulsados ​​por el cigüeñal a través de una correa, lo que significa que consumen algo de energía para hacer su trabajo. Claramente producen más energía de la que consumen, pero aun así se reduce por la cantidad que consumen. Debido a que los turbocompresores son impulsados ​​por los gases de escape, su único efecto secundario es una ligera contrapresión.

Otra razón para no hacer esto en su automóvil de calle es que disminuirá su millaje (consumo de combustible más rápido), y la potencia adicional desgastará un motor que puede o no haber sido diseñado para manejarlo.

¡Espero que ayude!

Un punto adicional a mencionar es que más delgado y más rico son relativos a las condiciones en las que ya funciona el motor. En términos de reacciones químicas, los motores de los automóviles tienden a funcionar un poco ricos por defecto (más combustible del que se necesita para todo el aire) porque reduce la frecuencia de detonaciones en la mezcla.

Si modifica las cosas para que funcionen de forma más pobre que las condiciones de operación diseñadas, puede pasar a la combustión estequiométrica. Esto significa que todo el aire consume todo el combustible y las reacciones están exactamente equilibradas. Esto también es para detonaciones. Esto da como resultado ruidos metálicos (o golpes) y daños en los cilindros y pistones. Si cambia las cosas para que sea más pobre lo suficiente como para ir más allá de la relación estequiométrica, la amenaza de detonación se reduce, pero si se mueve demasiado, aumentará la tasa de fallas de encendido: más daño al motor (y al convertidor catalítico). ).

Ejecutar una mezcla pobre por sí sola no necesariamente causará detonaciones, pitidos o golpes. Los pilotos de aviones de pistón de la época de la Segunda Guerra Mundial solían ejecutar mezclas muy pobres en viajes largos para aumentar el alcance y era seguro hacerlo cuando estaban en la configuración de altitud y potencia de crucero. Sin embargo, nunca considerarías hacerlo en una escalada o con mucha potencia.

Con un motor de automóvil, tendría que tener una programación adaptativa que ajustaría la mezcla de rica a pobre según el nivel de carga bajo el que se encontraba el motor. En una carretera nivelada de larga distancia a velocidades constantes de autopista, probablemente podría correr inclinado una buena cantidad de tiempo, pero para su estilo típico de ciudad, parar y avanzar, o terreno montañoso, probablemente nunca estará en un rango de potencia donde sería seguro, eficiente o efectivo.

En cuanto a las emisiones, el funcionamiento pobre definitivamente crea óxidos de nitrógeno, por lo que puede ser una preocupación adicional en áreas propensas al smog.

Hay una razón adicional para no funcionar con mezcla pobre, que se aplica muy bien a los motores turboalimentados: el combustible adicional crea una "capa límite" entre los productos de la combustión y la pared del cilindro. Esto absorbe el calor adicional durante la combustión para ayudar a mantener la temperatura de la cámara dentro de la tolerancia.

Los autos modificados que funcionan con un impulso de turbo/sobrealimentador muy alto con frecuencia están a punto de funcionar demasiado pobres, ya que los inyectores no pueden suministrar suficiente combustible para mantener esta capa límite, y la presión/temperatura de la cámara de combustión aumenta. En casos extremos, esto da como resultado una detonación/golpeteo, y bajo un alto impulso puede causar daño físico al pistón.

Buena pregunta. La respuesta es que para eliminar las emisiones que no son de CO2 y brindar una eficiencia y potencia razonables, un motor DEBE quemar el combustible de manera explosiva y rica justo antes del TDC, luego quemarlo nuevamente después del TDC y finalmente quemarlo una tercera vez después de que la carga haya dejado el TDC. cilindro de combustión rápida y entró en el cilindro de reexpansión menos caliente y más lento.