¿Por qué o por qué no aumentar la eficiencia del motor al hacer funcionar el automóvil con un consumo de combustible bajo (usando un turbo o un sobrealimentador)?

Todos quieren que sus autos consuman menos combustible, ¿verdad? Leí el siguiente pasaje sobre el funcionamiento del combustible de automóvil desde este sitio web :

Haga funcionar el motor con poco combustible, es decir, use aire en exceso. Es bien sabido que el funcionamiento sin combustible mejora la eficiencia. En los viejos tiempos, en condiciones de crucero, los motores siempre funcionaban magros, aproximadamente un 15% de exceso de aire, esto era económico. Entonces, ¿qué pasa para cambiar esto? El problema es el catalizador de tres vías (CO, UHC, NOx) utilizado en los escapes del motor. Esto solo funciona si la relación aire / combustible del motor (en masa) es estequiométrica (químicamente correcta). Para la gasolina, esta relación es 14.6: 1. La computadora del motor, actuando en conjunto con el sensor de flujo de aire del motor, los inyectores electrónicos de combustible y el sensor de oxígeno de escape, mantiene la relación estequiométrica durante la mayor parte de su conducción. Solo a esta relación puede el catalizador oxidar tanto el CO como el UHC (a CO2 y H2O) y reducir químicamente el NOx (a N2). (UHC = hidrocarburos no quemados). Lo que la humanidad necesita es un catalizador magro de NOx.

Este pasaje parece tener sentido total. Use más aire y aumente la eficiencia del combustible. Sin embargo, no entiendo por qué el convertidor catalítico no puede manejar o adaptarse para manejar más aire en el motor.

¿Cuáles son las ventajas y desventajas de forzar el ingreso de aire al motor por medio de un turbo o sobrealimentador que justifique que un automóvil lo haga o no?

Lean ≠ Más aire

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

Una mezcla magra 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 1,000 g de aire, 80 g de combustible. AFR = 1000/80 = 12.5

La mezcla B tiene 100 g de aire, 7 g de combustible. AFR = 100/7 = 14.3

Desde 14.3> 12.5, la Mezcla B es más delgada que la Mezcla A, a pesar de que la Mezcla A tiene más aire.

Es por eso que @cdunn tiene razón ; La presencia de un turbocompresor o sobrealimentador no afecta la capacidad de un convertidor catalítico del tamaño adecuado para realizar su trabajo.

Entonces, ¿por qué no es bueno para los gatos correr delgados?

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

El tipo de diseño de gato más popular hoy en día 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:

• Corre demasiado delgado y el gato tendrá dificultades para eliminar el NOx de los gases de escape.
• Corre demasiado rico y tu 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 NO _x al nitrógeno y al oxígeno es una reacción de reducción, y para que esto ocurra, debe haber una oxidación correspondiente. En el catalizador de tres vías que es la oxidación de CO e hidrocarburos a CO ₂ . Si hubiera exceso de oxígeno, entonces el oxígeno, en lugar del NO _x , actuaría como agente oxidante para CO y HC, porque es un agente oxidante más potente, y el NO _x no reaccionaría.

La tecnología para reducir el NO _x sin la presencia de los gases oxidables correspondientes en el escape del motor existe y se usa cada vez más en motores diesel, que funcionan de manera eficiente. Sin embargo, necesita más equipo en el vehículo, lo que agrega costos y complejidad, y algunos enfoques requieren un aditivo que debe reponerse a medida que se agota.

La tecnología Lean burn se ha utilizado en motores de gasolina en el pasado, pero tal vez no se haya puesto al día debido a las estrictas regulaciones sobre las emisiones de NO _x ; puede reaparecer a medida que la tecnología de reducción de NO _x se establece más.

Ventajas y desventajas de los turbocompresores y sobrealimentadores.

El uso de un turbocompresor o sobrealimentador permite una mayor potencia de salida para el mismo desplazamiento del motor, o un desplazamiento de 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 últimos motores de gasolina pequeños, como la gama Ecoboost de Ford, suelen utilizar tanto la sobrealimentación como la sobrealimentación para proporcionar una alta eficiencia de combustible.

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

No es que el convertidor catalítico no pueda manejar más aire por sí mismo, es que el funcionamiento lento aumenta la temperatura de combustión (en realidad no sé por qué, pero ahora tengo curiosidad) y el convertidor catalítico necesita funcionar dentro de su sustancia química. rango de operación. Algo relacionado con la química que tampoco sé.

En cuanto a las ventajas para el turboalimentado 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 te da más potencia. La desventaja de los turbocompresores es que con un diseño incorrecto proporcionará mucha potencia, pero esa potencia retrasará el acelerador.

La desventaja de los sobrealimentadores 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 aún se reduce por la cantidad que consume. Debido a que los turbocompresores son impulsados ​​por gases de escape, su único efecto secundario es una ligera contrapresión.

Otra razón para no hacer esto en su tranvía es que disminuirá su kilometraje (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 tener en cuenta es que los más delgados y ricos son en relación con las condiciones en que el motor ya funciona. En términos de reacciones químicas, los motores de los automóviles tienden a funcionar un poco ricos por defecto (más combustible del necesario para todo el aire) porque reduce la frecuencia de las detonaciones en la mezcla.

Si altera las cosas para que funcionen más ágilmente que las condiciones de operación diseñadas, puede pasar a la combustión estequiométrica. Esto significa que todo el combustible es consumido por todo el aire y las reacciones están exactamente equilibradas. Esto también es para detonaciones. Esto da como resultado ping (o golpes) y daños a los cilindros y pistones. Si cambia las cosas para hacerlo más delgado lo suficiente como para moverse más allá de la relación estequiométrica, la amenaza de detonación se reduce, pero si se mueve demasiado delgado, aumentará la tasa de fallas: más daños en el motor (y el convertidor catalítico )

Ejecutar una mezcla magra por sí sola no necesariamente va a causar detonación, ping o golpeteo. Los pilotos de aviones de pistón temporizador de la era de la Segunda Guerra Mundial solían ejecutar mezclas magras serias en viajes largos para aumentar el alcance y era seguro hacerlo cuando estaban en altitud de crucero y configuraciones de potencia. Sin embargo, nunca considerarías hacerlo en una escalada o con una gran potencia.

Con un motor automotriz, tendrías que tener una programación adaptativa que ajustaría la mezcla de rica a pobre dependiendo del nivel de carga bajo el motor. En un camino largo y nivelado a velocidades constantes de la autopista, es probable que puedas correr magramente una buena cantidad de tiempo, pero para tu estilo típico de ciudad pararse y avanzar, o terreno montañoso, probablemente nunca estarías en un rango de potencia donde sería seguro, eficiente o efectivo.

En cuanto a las emisiones, el funcionamiento sin grasa definitivamente crea óxidos de nitrógeno, por lo que puede ser una preocupación adicional en áreas propensas a la contaminación.

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

Los automóviles modificados que funcionan con un turboalimentador / turbocompresor muy alto con frecuencia están a punto de funcionar demasiado delgados, 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 resulta en detonación / golpeteo, y bajo un impulso elevado puede causar daño físico al pistón.

Buena pregunta. La respuesta es que para eliminar las emisiones que no son de CO2 y ofrecer una eficiencia y potencia razonables, un motor DEBE quemar el combustible de forma explosiva y rica justo antes de TDC, luego quemarlo nuevamente inclinarse después de TDC y finalmente quemarlo por tercera vez después de que la carga haya abandonado el cilindro de combustión rápida y entró en el cilindro de re-expansión menos caliente y más lento.