Aprendí en esta pregunta que hacer funcionar un motor con poca combustible aumentará la temperatura de ignición, entre otras cosas, como causar problemas con el convertidor catalítico. No tengo idea de cómo o por qué.
¿Cómo y por qué exactamente el consumo de combustible pobre (o rico en oxígeno) aumenta la temperatura de ignición?
Respuestas:
Tienes una descripción cualitativa de lo que sucede, pero vamos a dividirlo en una escala más pequeña. Cuando hablamos de la "temperatura" de algo, realmente estamos hablando de la rapidez con que las moléculas se mueven y rebotan entre sí. La "temperatura" es realmente "energía cinética". Y resulta que hay otros tipos de energía además de moverse en el espacio: las moléculas pueden rotar, 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 colisionan determina la rapidez con que la energía se vuelve uniforme, y esto define qué tan rápido alcanzan lo que se llama equilibrio. Cuando todas las diferentes temperaturas son iguales, el estado está en equilibrio y no tenemos que preocuparnos por hacer un seguimiento 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 y, por lo tanto, no debemos preocuparnos demasiado por los efectos del no equilibrio.
Ahora, en las reacciones químicas, las moléculas se rompen y forman otras nuevas. Si los nuevos tienen menos energía, la diferencia de energía se libera como calor. Si los nuevos tienen más energía, la reacción requiere agregar energía para que esto 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 rompen. Y se separan 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 desmoronen.
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 hacer que la molécula de combustible se desmorone, deben colisionar con otras moléculas de combustible con algo de energía o con otras moléculas de oxígeno con más energía. Si agrega más de la cantidad usual de oxígeno (sin grasa), también necesita calentar ese oxígeno para que las moléculas tengan más energía cuando colisionen y puedan hacer que el combustible vibre lo suficientemente fuerte como para desmoronarse. Por el contrario, si corre 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.
Sobre la base de una larga conversación 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 aspirado dentro del cilindro, el pistón lo comprime y luego se rocía combustible dentro del cilindro. Una bujía luego dispara una chispa en la cámara. Esta deposición de electrones excita las moléculas de la mezcla de combustible y aire: en realidad ioniza el aire (elimina los electrones de las moléculas) y todo esto agrega un montón de energía a las moléculas. Esta energía es la energía inicial requerida para iniciar la combustión.
Para una condición de combustible pobre, dije que se necesita más energía para comenzar 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 cilindros mismos). Para condiciones normales de funcionamiento, las bujías proporcionan energía más que suficiente para encenderse. A medida que las condiciones de funcionamiento se vuelven más delgadas, la bujía proporciona la misma cantidad de energía, pero aún es suficiente energía para encender. Con el tiempo, en condiciones de escasez suficiente, no habrá suficiente energía. Este es un fallo de encendido magro .
Los motores diesel funcionan de manera diferente. En aras de la discusión, 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 llegar tan lejos para golpearse entre sí). En cualquier caso, se aplican las mismas ideas. En condiciones de escasez, requeriría una mayor presión para encender. En condiciones ideales, el motor comprime más de lo que se requiere exactamente, por lo que cuando funciona sin combustible, todavía tiene suficiente compresión para encenderse. Si va tan delgado que la compresión ya no es lo suficientemente alta, nuevamente obtendrá un fallo de encendido magro. 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 continúen.
En cualquiera de los motores, una vez que han estado funcionando por 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, necesita esa deposición de energía inicial para que las reacciones avancen. Muchas ECU están configuradas para quemar combustible cuando el motor recién arranca porque es más fácil de encender; A medida que se calientan, la mezcla se vuelve más magra 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 combustible y aire y para que el motor arranque, debe configurar el estrangulador para que sea rico en combustible.
Para aquellos interesados, basado en la discusión que tuvimos en los diversos 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 curioso que le preguntes a Max :)
Primero, asegurémonos de nuestra definición. Hacer funcionar una inclinación del motor significa cambiar la relación aire / combustible para tener más aire del ideal (14.7: 1 aire a 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. Por lo tanto, menos combustible, menos efecto de enfriamiento.
En segundo lugar, las llamas arden más rápido y más caliente en presencia de más oxígeno. Más aire en relación con el combustible que lo habitual, significa más oxígeno que 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, tenía curiosidad sobre esto yo mismo, así que comencé a leer un poco sobre esto.
¡Espero que eso ayude!
Si alguna vez has visto una antorcha de oxiacetileno, habrás notado que antes de encender el oxígeno, la antorcha 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.
También puede haber visto que cuando se enciende demasiado oxígeno, la llama se apaga con un estallido.
El consumo de combustible es lo mismo que el oxígeno rico.
En un motor, el combustible quiere quemarse eficientemente, pero no demasiado caliente como para comenzar a derretir los pistones, o incluso explotar violentamente, lo que también causará daños.
De Wikipedia: Una mezcla estequiométrica, por desgracia, se quema muy caliente y puede dañar los componentes del motor si el motor se coloca bajo una carga alta en esta mezcla de combustible y aire. Debido a las altas temperaturas en esta mezcla, la detonación de la mezcla de combustible y aire poco después de la presión máxima del cilindro es posible bajo alta carga (lo que se conoce como golpeteo o ping). La detonación puede causar daños graves al motor, ya que la combustión incontrolada de la mezcla de aire y combustible puede crear presiones muy altas en el cilindro. Como consecuencia, las mezclas estequiométricas solo se usan 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/Air –fuel_ratio
Lo siento, no puedo hacer que el enlace funcione: copie y pegue en el navegador.
La temperatura del motor aumenta 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 en 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 tomas un tronco y lo quemas en un minuto, los elementos cerca de la estufa donde se estaba quemando ese tronco se calentarían significativamente y tal vez se derritieran, 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 el mismo registro y grábelo lentamente durante una hora antes de reemplazarlo con otro y saldrá menos calor por el escape y permanecerá en la habitación.
La razón por la cual el motor se calienta es que el combustible de combustión más lenta transfiere más calor a las partes circundantes del motor.
Todos ustedes olvidan algo, la razón por la cual la leve quemazón puede ser más caliente que las proporciones stochiomnetric 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 todos sus combustibles se quemen en mayor grado, lo que a su vez elevará la temperatura de su combustión, agregará demasiado y la capacidad de calor del exceso de aire disminuirá la temperatura.
Nos detuvimos aquí después de mirar alrededor sin demasiado éxito para obtener una buena explicación sobre el sobrecalentamiento debido a la escasez de combustible en un motor. Aquí mis dos centavos sobre el tema:
1- Es bien conocido y documentado que la temperatura de combustión máxima o máxima es menor ya que la relación aire / combustible atmosférico se desvía de la estequiométrica, por lo que una combustión pobre genera una temperatura máxima 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 menor debido al efecto de enfriamiento del nitrógeno atmosférico inerte adicional en una configuración pobre. ¿Recuerda que el aire atmosférico contiene una cantidad significativa de nitrógeno inerte y que el viejo problema de la Ciencia Popular habla sobre el diseño de Smokey Yunick de un motor adiabático y sus intentos de utilizar un filtro de eliminación de nitrógeno?
2- También se sabe que la velocidad de cualquier reacción química disminuirá a medida que disminuya la concentración del reactivo. También se espera porque a medida que las moléculas de combustible se alejan unas de otras, entonces hay menos posibilidades de promover una reacción encadenada, lo que reduce significativamente la velocidad de la combustión.
3- Además, la cantidad total de calor generado disminuye mientras se quema magro como se esperaba debido a la menor cantidad de combustible o contenido calórico involucrado en una combustión pobre. Entonces, ¿por qué entonces el resultado inesperado del sobrecalentamiento del motor?
4- No se trata de menos enfriamiento disponible por la evaporación del combustible líquido, sino que está más relacionado con el balance general de energía en el motor. A medida que la combustión se vuelve más lenta, una porción más grande de energía térmica no se puede convertir como energía de trabajo del eje y, por lo tanto, se expulsa principalmente como calor aguado a través del puerto de escape. De manera similar, si el tiempo de ignición se retrasa lejos de lo óptimo ... el calor de combustión pobre, aunque sea menor, no puede convertirse adecuadamente en el trabajo del eje porque la combustión fue tan tardía que no está sincronizada con el movimiento del pistones Es por eso que Toyota avanzó el tiempo de encendido en sus motores Lean Burning Engines anteriores cuando se activó ese modo. Entonces, ¿a dónde va el calor que no se puede convertir en trabajo de pozo? ... debido a las leyes de Conservación de Energía, se mostrará en algún lugar ... bueno,
Básicamente, a medida que la combustión se hace más lenta, el motor comienza a perder parte de su eficiencia para convertir la energía de combustión en energía mecánica y, por lo tanto, trabaja más cerca de un simple horno de combustible adecuado para calentarse. Los síntomas de este tipo de sobrecalentamiento son las válvulas de escape quemadas, un tono diferente en el ruido de escape e incluso un colector de escape incandescente, similar a un motor que funciona con una sincronización de ignición muy retardada. En el caso de la inyección nitrosa, a pesar de que el nitroso tiene mucho 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 proporción de combustible era demasiado pobre, la cantidad de combustible involucrado o el contenido calórico podrían ser significativamente más que en un motor normal, por lo que aún más energía térmica no se convertirá en trabajo en el 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, ¿es realmente más caliente o es un mito? Además, la cantidad de la relación combustible / oxígeno es importante, ¿es esta condición siempre cierta para todas las proporciones ajustadas? Quizás la pregunta correcta es ¿por qué la mezcla magra "ligeramente" es más caliente que la mezcla "ligeramente" rica?
La producción de energía térmica del combustible simplemente está relacionada con la cantidad que se quema. Se quema menos, se genera menos calor. Se quema más, se genera más calor. Tan sencillo como eso. Aquí lo que crea el calor es la energía almacenada en el combustible (para nuestro ejemplo, otros factores como las presiones, fricciones, etc. no son importantes).
Si está comparando una mezcla rica con una mezcla magra, por supuesto, la mezcla magra 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.