Por que ou por que não aumentar a eficiência do motor, executando o carro com pouca carga de combustível (usando um turbo ou um compressor)?

Todo mundo quer que seus carros usem menos combustível, certo? Eu li a seguinte passagem sobre como usar o combustível do carro enxuto neste site :

Opere o motor com pouca carga, ou seja, use excesso de ar. É sabido que o funcionamento sem combustível melhora a eficiência. Antigamente, sob condições de cruzeiro, os motores sempre funcionavam de forma enxuta - cerca de 15% de excesso de ar - isso era econômico. Então, o que aconteceu para mudar isso? O problema é o catalisador de três vias (CO, UHC, NOx) usado nos escapamentos do motor. Isso funciona apenas se a razão ar / combustível do motor (em massa) for estequiométrica (quimicamente correta). Para a gasolina, essa proporção é de 14,6: 1. O computador do motor, agindo em conjunto com o sensor de fluxo de ar do motor, injetores de combustível eletrônicos e sensor de oxigênio de exaustão, mantém a taxa estequiométrica durante a maior parte da sua condução. Somente nessa proporção o catalisador pode oxidar o CO e o UHC (para CO2 e H2O) e reduzir quimicamente o NOx (para N2). (UHC = hidrocarbonetos não queimados.) O que a humanidade precisa é de um catalisador de NOx enxuto.

Esta passagem parece fazer total sentido. Use mais ar e aumente a eficiência de combustível. No entanto, não entendo por que o catalisador não pode suportar ou ser adaptado para lidar com mais ar no motor.

Quais são as vantagens e desvantagens de forçar o ar entrar no motor por meio de um turbo ou compressor que justificaria um carro fazendo ou não?

Magra ≠ mais ar

Eu acredito que a fonte do mal-entendido está em como o termo "lean" está sendo interpretado.

Uma mistura magra não indica a presença de mais ar. Indica a presença de uma proporção maior de ar em comparação com o combustível (proporção ar-combustível ou AFR ).

Exemplo rápido

A mistura A possui 1.000 g de ar, 80 g de combustível. AFR = 1000/80 = 12,5

A mistura B possui 100 g de ar e 7 g de combustível. AFR = 100/7 = 14,3

Desde 14,3> 12,5, a Mistura B é mais enxuta que a Mistura A, embora a Mistura A tenha mais ar.

É por isso que @cdunn está certo ; a presença de um turbocompressor ou superalimentador não afeta a capacidade de um conversor catalítico de tamanho adequado de realizar seu trabalho.

Então, por que não é bom para os gatos ficarem magros?

Um conversor catalítico é projetado para eliminar gases nocivos dos gases de escape. Isso é feito através de uma reação química que envolve a presença de catalisador (es).

O tipo mais popular de design de gato atualmente é o conversor catalítico de três vias, que lida com três tipos de gases nocivos:

• óxidos de nitrogênio (NOx, não NOS)
• monóxido de carbono (CO)
• hidrocarbonetos não queimados (HC)

O problema é que os gatos funcionam bem em uma janela AFR estreita, pois esta imagem mostra:

• Corra muito devagar e o gato terá dificuldade em remover o NOx dos gases de escape
• Fique muito rico e seu tubo de escape terá muito mais conteúdo de HC, CO

Operação enxuta vs catalisadores de escape:

O conversor catalítico de três vias instalado em veículos a gasolina não pode operar sob condições de motor enxuto, porque a reação de NO _x ao nitrogênio e oxigênio é uma reação de redução e, para que isso ocorra, é necessário que haja uma oxidação correspondente. No catalisador de três vias, que é a oxidação de CO e hidrocarbonetos em CO ₂ . Se excesso de oxigénio estava presente, em seguida, o oxigénio, em vez de os NO _x iria agir como o agente de oxidação para o CO e HC - porque é um poderoso agente oxidante mais - e o NO _x permaneceria não reagido.

A tecnologia para reduzir o NO _x sem a presença de gases oxidáveis ​​correspondentes no escapamento do motor existe e é cada vez mais usada em motores a diesel, que funcionam com pouca carga. No entanto, ele precisa de mais equipamentos no veículo, agregando custo e complexidade, e algumas abordagens exigem um aditivo que precisa ser reabastecido à medida que é usado.

A tecnologia de queima magra foi usada em motores a gasolina no passado, mas talvez não tenha conseguido entender por causa das regulamentações mais rígidas sobre as emissões de NO _x - ela pode reaparecer à medida que a tecnologia de redução de NO _x se torna mais estabelecida.

Vantagens e desvantagens de turbocompressores e superalimentadores

O uso de um turbocompressor ou superalimentador permite maior potência para o mesmo deslocamento do motor - ou menor deslocamento do motor para a mesma potência. Isso significa que o motor pode ser menor e mais leve, e cilindros menores têm menores perdas de atrito. Os mais recentes motores a gasolina pequenos, como a linha Ecoboost da Ford, geralmente usam superalimentação e turboalimentação para oferecer alta eficiência de combustível.

A principal desvantagem do turboalimentado ou da sobrealimentação é a complexidade e o custo adicionais do equipamento, mas isso é cada vez mais visto como útil para os ganhos de eficiência.

Não é que o catalisador não consiga lidar com mais ar propriamente dito, é que o funcionamento enxuto aumenta a temperatura da combustão (na verdade não sei por que, mas agora estou curioso) e o catalisador precisa rodar dentro de seu produto químico limites operacionais. Algo a ver com a química que eu também não sei.

Quanto às vantagens do turbo boost e supercharging, não é apenas o aumento do ar, é a mistura de combustível de ar na proporção correta que está sendo aumentada. Mais ar / combustível para cada golpe de poder fornece mais potência. A desvantagem dos turbocompressores é que, com o design errado, ele fornecerá muita energia, mas essa potência atrasará o acelerador.

A desvantagem dos superalimentadores é que eles são acionados pelo eixo de manivela através de uma correia, o que significa que eles consomem alguma energia para realizar seu trabalho. Eles claramente produzem mais energia do que consomem, mas ainda é reduzido em quanto consome. Como os turbocompressores são acionados por gases de escape, seu único efeito colateral é uma leve contrapressão.

Um outro motivo para não fazer isso no seu carro de rua é que ele diminuirá sua milhagem (consumo de combustível mais rápido) e a energia adicional causará desgaste em um motor que pode ou não ter sido projetado para lidar com isso.

Espero que ajude!

Um ponto adicional a ser abordado é que mais enxutos e ricos são relativos às condições em que o motor já funciona. Em termos de reações químicas, os motores dos carros tendem a ficar um pouco ricos por padrão - mais combustível do que o necessário para todo o ar - porque reduz a frequência de detonações na mistura.

Se você alterar as coisas para que eles executar mais magro do que as condições de operação projetados, você pode mover-se em combustão estequiométrica. Isso significa que todo o combustível é consumido por todo o ar e as reações são exatamente equilibradas. Isso também é para detonações. Isso resulta em pingar (ou bater) e danificar os cilindros e pistões. Se você mudar as coisas para torná-lo mais magro o suficiente para ir além da razão estequiométrica, a ameaça de detonação será reduzida, mas se você se mover muito, você aumentará a taxa de falhas de ignição - mais danos ao motor (e ao conversor catalítico) )

A execução de uma mistura magra por si só não necessariamente causa detonação, ping ou batida. Os pilotos de aeronaves de pistão da era da Segunda Guerra Mundial costumavam executar misturas muito magras em longas distâncias para aumentar o alcance e era seguro fazê-lo quando estavam em altitude de cruzeiro e nas configurações de potência. Você nunca consideraria fazê-lo em uma subida ou em alta potência.

Com um motor automotivo, você teria que ter uma programação adaptativa que ajustasse a mistura de rica para magra, dependendo do nível de carga do motor. Em uma estrada de longo curso e nivelada em velocidades constantes, você provavelmente pode andar magro uma boa parte do tempo, mas para o seu estilo típico de cidade parar e ir, ou terreno montanhoso, você provavelmente nunca estaria em uma faixa de potência onde seria seguro, eficiente ou eficaz.

Quanto às emissões, a execução enxuta definitivamente cria óxidos de nitrogênio, o que pode ser uma preocupação adicional em áreas propensas a poluição atmosférica.

Há uma razão adicional para não funcionar com pouca carga, o que se aplica muito bem a motores turboalimentados - o combustível extra cria uma 'camada limite' entre os produtos de combustão e a parede do cilindro. Isso absorve o calor extra durante a combustão para ajudar a manter a temperatura da câmara dentro da tolerância.

Os carros modificados que executam um aumento muito alto do turbo / superalimentador costumam ficar muito magros, pois os injetores não podem fornecer combustível suficiente para manter essa camada limite e a pressão / temperatura da câmara de combustão aumenta. Em casos extremos, isso resulta em detonação / batida e, sob alta pressão, pode causar danos físicos ao pistão.

Boa pergunta. A resposta é que, para eliminar emissões que não sejam de CO2 e fornecer eficiência e potência razoáveis, um motor DEVE queimar o combustível explosivamente e rico imediatamente antes do TDC, depois queimar novamente após o TDC e, finalmente, queimar uma terceira vez após a carga deixar o motor. cilindro de combustão rápida e entrou no cilindro de reexpansão menos quente e mais lento.