Perché un motore a benzina deve mantenere un rapporto aria-carburante, mentre un motore diesel no?

Questa semplice domanda mi ha infastidito per un po '. La quantità di carburante iniettata in un motore a benzina viene calcolata in base alla quantità di aria che entra attraverso la valvola a farfalla (misurata dal sensore di flusso assoluto di massa / pressione assoluta del collettore). Tuttavia, la quantità di carburante iniettata in un motore diesel dipende semplicemente dalla pressa del pedale e l'aria può essere aspirata liberamente nei cilindri. Ciò significa che durante il normale funzionamento il diesel funziona in modo veramente snello e la benzina mantiene costantemente il rapporto stechiometrico (situazioni di carico elevato non considerate). Perché il motore a benzina non può essere inclinato anche senza la valvola a farfalla, solo in base alla quantità di carburante iniettato?

Sembra che tu sappia già perché un motore a benzina mantiene il rapporto carburante / aria il più vicino possibile al rapporto stechiometrico, ma solo per motivi di informazione per chiunque altro: il rapporto stechiometrico carburante / aria è la quantità di ossigeno necessaria per bruciare tutta la benzina completamente. Una bruciatura "magra" lascia un po 'di ossigeno residuo e una bruciatura "ricca" significa che la benzina non brucia completamente.

I Diesels corrono magri perché, secondo questo sito Web:

Nel motore diesel, il carburante viene iniettato nella camera di combustione vicino alla fine della corsa di compressione e si accende spontaneamente. Questo è responsabile del suono di combustione che genera un motore diesel che è musica per le orecchie di tutti coloro che leggono questa rivista. Quando si verifica la miscelazione tra carburante e aria, la combustione continua. Questo processo è molto eterogeneo (poiché il carburante e l'aria vengono miscelati in una camera di combustione non è uniforme come in un motore a gas che ha la miscela creata prima di entrare nella testata). La fuliggine si forma durante la combustione perché parte del combustibile brucia con ossigeno insufficiente e la combustione del combustibile non è completata. Quando viene iniettato carburante aggiuntivo, viene prodotta sempre più fuliggine. Perciò, il rapporto aria / carburante del motore diesel deve essere sempre più magro di quello stechiometrico per evitare eccessive quantità di fumo. Per questo motivo, un diesel modificato ad alto rendimento emetterà fumo nero perché è alimentato per sola energia senza preoccuparsi della generazione di fuliggine. Il diesel senza fumo ha meno carburante presente nel cilindro rispetto al cilindro del motore a benzina, e la potenza diesel è quindi ridotta in confronto.

La benzina viene iniettata prima dell'accensione, quindi ha il tempo di mescolarsi in modo più omogeneo. Il diesel viene iniettato verso la fine della corsa di compressione, quindi si combatte sotto la pressione quasi immediatamente prima che abbia il tempo di diffondersi nell'aria disponibile. Come afferma la citazione sopra, far funzionare il motore diesel è un tentativo di ridurre la quantità di fuliggine prodotta, che riduce le emissioni.

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Per rispondere alla tua domanda su cosa succede a un motore a benzina che brucia magra.

L'iniezione di benzina nel motore ha un effetto di raffreddamento. Un motore a combustione magra, dove c'è meno benzina del necessario per raggiungere il rapporto stechiometrico, funzionerà più caldo di un motore che gira al rapporto stechiometrico o che è ricco. La corsa è troppo magra e si rischia il surriscaldamento e l'usura aggiuntiva dei componenti del motore come le guarnizioni. Con rapporti di compressione più elevati, i motori snelli possono essere più efficienti nei consumi e produrre minori emissioni di carbonio. Il rovescio della medaglia è che ci sono più emissioni di NOx che richiedono un convertitore catalitico più complesso rispetto alla maggior parte dei veicoli moderni.

Dovrei anche chiarire la tua frase finale. L'acceleratore è collegato alla valvola a farfalla (direttamente o "drive by wire") e controlla la quantità di aria che può passare nel motore. Non controlla direttamente la quantità di benzina iniettata. Il sensore di flusso di massa rileva quanta aria viene immessa nel motore, trasmette tali informazioni alla centralina e la centralina controlla la quantità di carburante iniettata. Se la tua auto è magra o ricca è decisa dall'ECU attraverso gli input dal sensore di flusso di massa, dal sensore O2 e / o dalle impostazioni del produttore o dell'utente. Ai tempi del carburatore, era facile mettere a punto il motore per funzionare in modo ricco o snello, ma sono necessarie attrezzature speciali per regolare le impostazioni in una ECU.

A proposito, ci sono varie ragioni per cui un produttore o un proprietario di un veicolo potrebbe voler far funzionare il proprio motore in modo snello o ricco a causa delle prestazioni, del raffreddamento o del risparmio di carburante.

Sono molto sorpreso che nessuno lo abbia menzionato in modo specifico, ma la risposta è la detonazione. Poisson Fish era vicino, ma il problema principale non era l'usura aggiuntiva dovuta all'aumento della temperatura del cilindro. Il problema principale è il calore aggiuntivo che causa l'accensione della benzina prima della scintilla e la distruzione del motore.

Il diesel non soffre di questo problema poiché fondamentalmente funziona secondo questo principio: il diesel si accende non appena entra nel cilindro.

La mia ipotesi è che se la benzina avesse un numero di ottano molto più alto di quanto tecnicamente potremmo farla funzionare come un diesel.

Se avessi miscelato diesel con aria prima che entrasse nel cilindro e poi lo comprimessi in una normale corsa di compressione (motore Diesel), questo esploderebbe sicuramente prima di raggiungere il punto morto superiore. Tuttavia, durante il normale funzionamento, il gasolio viene spruzzato nel cilindro e brucia quando esce dall'iniettore e viene a contatto con l'aria riscaldata. Si accende solo il diesel che entra nella camera di combustione. Non essendoci altro combustibile presente, non c'è nulla da far esplodere. I motori con accensione a scintilla hanno tutto il carburante e l'aria presenti nella camera di combustione pronti e in attesa che la scintilla inizi ad accendersi. Quindi una parte anteriore della fiamma si sposta verso l'esterno dalla candela. Se la pressione è troppo alta o la temperatura troppo alta o c'è un punto caldo nel cilindro, l'intera miscela aria-carburante può far esplodere contemporaneamente. Come nota a margine: - Il diesel può effettivamente essere utilizzato in un motore ad accensione comandata. Una volta avevamo un trattore con un piccolo serbatoio di benzina e un grande serbatoio diesel o di cherosene. Hai iniziato a benzina, sei passato al diesel quando il motore si era riscaldato e sei tornato alla benzina prima di spegnerlo, per assicurarti che ci fosse benzina nel carburatore pronta per il successivo avviamento. Era impossibile iniziare a freddo con il diesel e non funzionava bene con la benzina quando era caldo. Credo che il rapporto di compressione fosse superiore alla benzina normale ma inferiore al diesel normale, e la benzina causerebbe detonazione quando le temperature aumentavano prima di passare al diesel. per assicurarsi che ci fosse benzina nel carburatore pronta per il prossimo avvio. Era impossibile iniziare a freddo con il diesel e non funzionava bene con la benzina quando era caldo. Credo che il rapporto di compressione fosse superiore alla benzina normale ma inferiore al diesel normale, e la benzina causerebbe detonazione quando le temperature aumentavano prima di passare al diesel. per assicurarsi che ci fosse benzina nel carburatore pronta per il prossimo avvio. Era impossibile iniziare a freddo con il diesel e non funzionava bene con la benzina quando era caldo. Credo che il rapporto di compressione fosse superiore alla benzina normale ma inferiore al diesel normale, e la benzina causerebbe detonazione quando le temperature aumentavano prima di passare al diesel.

Le altre risposte non hanno notato che il rapporto aria-carburante dipende dalla posizione in cui lo si misura. Quindi, anche se il rapporto aria-carburante in media su tutto il cilindro è magro (così magro che la combustione non sarebbe possibile se la miscela fosse omogenea), molto vicino al punto di iniezione è estremamente ricco (così ricco che la combustione non è t possibile), e un po 'più lontano dal punto di iniezione è stechiometrico e quindi il carburante brucia.

In realtà, un motore a benzina non ha bisogno di mantenere un rapporto stechiometrico aria-carburante. Ci sono motori a benzina ad iniezione diretta come ce ne sono diesel. Un motore a benzina ad iniezione diretta ha allo stesso modo un rapporto aria-carburante molto vicino al punto di iniezione, ma un po 'più lontano è stechiometrico e quindi il carburante brucia, anche se a livello globale il rapporto aria-carburante può essere magro.

Tuttavia, il problema del rapporto aria-carburante magro è che c'è troppo ossigeno, rendendo possibile la combustione dell'azoto nell'aria a vari ossidi di azoto. Il NOx prodotto è un inquinante e in futuro impedirà a tutti i motori che utilizzano il rapporto aria-carburante magro di conformarsi alle normative, a meno che non venga utilizzato un qualche tipo di sistema SCR. Quindi, a meno che non ti piaccia aggiungere manualmente il fluido SCR, l'unica opzione in futuro sarà un motore stechiometrico.

Perché in un motore ad accensione comandata limitare il flusso d'aria è l'unico modo per controllare il regime del motore. Sarebbe difficile controllare il regime del motore variando il carburante da solo senza limitare il flusso d'aria. Questo perché nei motori ad accensione comandata l'accensione inizia nel punto in cui si trova la candela e si allontana da quel punto. Mentre nei motori ad accensione spontanea l'accensione inizia ovunque si trovi il carburante una volta iniettato. Anche i motori ad accensione spontanea a iniezione diretta non sono miscele omogenee perché al combustibile non è concesso abbastanza tempo per miscelarsi nella camera di combustione prima dell'accensione. Puoi vederlo su un video di YouTube di una telecamera all'interno di un motore diesel. Nel video puoi letteralmente vedere tracce di combustibile che si accendono mentre spruzzano dall'ugello dell'iniettore. Anche da bambino avevo un vecchio tosaerba e giocavo con la vite di regolazione della miscela e facendo girare il motore più magro potevo raggiungere un numero di giri più alto senza spostare la piastra dell'acceleratore. Non capisco davvero perché una miscela di carburante più snella produca una temperatura più alta, ma potrebbe essere perché poiché c'è una maggiore distanza tra le goccioline di carburante in quanto ce ne sono meno, ogni gocciolina potrebbe avere più tempo per bruciare e quindi generare più calore ma non sono sicuro che sia solo una teoria.

I motori a benzina funzionano il più vicino possibile al rapporto sticometrico perché in quella banda il convertitore catalitico è nella sua massima efficienza .
Si evita una miscela ricca di carburante perché ciò può danneggiare il convertitore.

Aria

Il motore diesel non utilizza la piastra dell'acceleratore per il controllo dell'aria, la piastra dell'acceleratore è sempre aperta.

Ciò significa che il motore diesel assorbe sempre la massima quantità di aria e la potenza è regolata dalla quantità di carburante fornita. Con la piastra dell'acceleratore del motore a benzina controlla la quantità di aria che entra nel motore, questa quantità varierà a seconda del carico e quindi della necessità del controllo del rapporto aria-carburante.

Spero che aiuti.