Perché o perché non aumentare l'efficienza del motore facendo funzionare l'auto "a consumo ridotto" (usando un turbo o un compressore)?

Tutti vogliono che le loro auto consumino meno carburante, giusto? Ho letto il seguente passaggio sull'uso del carburante per auto da questo sito Web :

Far funzionare il motore a basso consumo di carburante, cioè usare aria in eccesso. È noto che il consumo ridotto di carburante migliora l'efficienza. Ai vecchi tempi, in condizioni di crociera, i motori erano sempre magri - circa il 15% di aria in eccesso - questo era economico. Quindi cosa succede per cambiarlo? Il problema è il catalizzatore a tre vie (CO, UHC, NOx) utilizzato sugli scarichi del motore. Funziona solo se il rapporto aria / carburante del motore (in massa) è stechiometrico (chimicamente corretto). Per la benzina questo rapporto è 14,6: 1. Il computer del motore, che agisce di concerto con il sensore del flusso d'aria del motore, gli iniettori di carburante elettronici e il sensore dell'ossigeno di scarico, mantiene il rapporto stechiometrico per la maggior parte della guida. Solo a questo rapporto il catalizzatore può sia ossidare CO e UHC (a CO2 e H2O) sia ridurre chimicamente gli NOx (a N2). (UHC = idrocarburi incombusti). Ciò di cui l'umanità ha bisogno è un catalizzatore di NO-magro.

Questo passaggio sembra avere un senso totale. Utilizzare più aria e aumentare l'efficienza del carburante. Tuttavia, non capisco perché il catalizzatore non sia in grado di gestire o essere adattato per gestire più aria nel motore.

Quali sono i vantaggi e gli svantaggi di forzare l'aria nel motore per mezzo di un turbocompressore o un compressore che giustificherebbe un'auto che lo fa o non lo fa?

Magra ≠ Più aria

Credo che la fonte del malinteso sia il modo in cui viene interpretato il termine "lean".

Una miscela magra non indica la presenza di più aria. Indica la presenza di una percentuale maggiore di aria rispetto al carburante (rapporto aria-carburante o AFR ).

Esempio rapido

La miscela A ha 1.000 g di aria, 80 g di carburante. AFR = 1000/80 = 12.5

La miscela B ha 100 g di aria, 7 g di carburante. AFR = 100/7 = 14.3

Da 14,3> 12,5, la miscela B è più snella della miscela A, anche se la miscela A ha più aria.

Questo è il motivo per cui @cdunn ha ragione ; la presenza di un turbocompressore o di un compressore non influisce sulla capacità di un convertitore catalitico di dimensioni adeguate di svolgere il proprio lavoro.

Quindi perché non va bene per i gatti correre magri?

Un convertitore catalitico è progettato per eliminare i gas nocivi dai gas di scarico. Lo fa attraverso una reazione chimica che comporta la presenza di catalizzatori.

Il tipo più popolare di progettazione di gatti oggi è il convertitore catalitico a tre vie, che gestisce tre tipi di gas nocivi:

• ossidi di azoto (NOx, non NOS)
• monossido di carbonio (CO)
• idrocarburi incombusti (HC)

Il trucco è che i gatti funzionano bene in una finestra AFR stretta, come mostra questa immagine:

• Corri troppo magro e il gatto avrà difficoltà a rimuovere NOx dai gas di scarico
• Esegui troppo ricco e il tuo tubo di scappamento avrà molto più contenuto di HC, CO

Funzionamento ridotto rispetto ai catalizzatori di scarico:

Il convertitore catalitico a tre vie montato su veicoli a benzina non può funzionare in condizioni di motore magro perché la reazione di NO _x all'azoto e all'ossigeno è una reazione di riduzione e per far ciò deve esserci una corrispondente ossidazione. Nel catalizzatore a tre vie che è l'ossidazione di CO e idrocarburi a CO ₂ . Se fosse presente un eccesso di ossigeno, l'ossigeno, anziché l'NO _x , fungerebbe da agente ossidante per CO e HC - perché è un agente ossidante più potente - e l'NO _x rimarrebbe non reagito.

Esiste una tecnologia per ridurre gli NO _x senza la presenza di gas ossidabili corrispondenti nello scarico del motore ed è sempre più utilizzata sui motori diesel, che funzionano in modo snello. Tuttavia ha bisogno di più attrezzature nel veicolo, aggiungendo costi e complessità, e alcuni approcci richiedono un additivo che deve essere riempito quando è esaurito.

La tecnologia Lean Burn è stata utilizzata in passato nei motori a benzina, ma forse non è riuscita a farcela a causa delle norme restrittive sulle emissioni di NO _x : potrebbe riapparire man mano che la tecnologia di riduzione di NO _x diventa più consolidata.

Vantaggi e svantaggi di turbocompressori e compressori

L'uso di un turbocompressore o di un compressore consente una maggiore potenza erogata per la stessa cilindrata del motore, oppure una cilindrata più piccola per la stessa potenza erogata. Ciò significa che il motore può essere più piccolo e leggero e cilindri più piccoli hanno minori perdite per attrito. Gli ultimi motori a benzina di piccole dimensioni come la gamma Ecoboost di Ford utilizzano in genere sia il sovralimentazione che il turbocompressore per offrire un'elevata efficienza del carburante.

Il principale svantaggio di sovralimentazione o sovralimentazione è la maggiore complessità e costo dell'apparecchiatura, ma questo è sempre più considerato utile per i guadagni di efficienza.

Non è che il catalizzatore non sia in grado di gestire più aria in sé, è che il funzionamento magro aumenta la temperatura di combustione (in realtà non so perché, ma ora sono curioso) e il convertitore catalitico deve funzionare all'interno della sua sostanza chimica campo di funzionamento. Qualcosa a che fare con la chimica che anche io non conosco.

Per quanto riguarda i vantaggi di turbo boost e sovralimentazione, non è solo l'aria che viene aumentata, ma è la miscela aria-carburante nella proporzione corretta che viene aumentata. Più aria / carburante per ogni colpo di potenza ti dà più potenza. Lo svantaggio dei turbocompressori è che con un design errato fornirà molta potenza, ma tale potenza ritarderà l'acceleratore.

Lo svantaggio dei compressori è che sono guidati dall'albero motore attraverso una cinghia, il che significa che consumano un po 'di energia per fare il loro lavoro. Chiaramente producono più energia di quanta ne consumino, ma è comunque ridotta di quanto consuma. Poiché i turbocompressori sono azionati dai gas di scarico, il loro unico effetto collaterale è una leggera contropressione.

Un altro motivo per non farlo sulla tua auto stradale è che ridurrà il tuo chilometraggio (consumo di carburante più veloce) e la potenza aggiuntiva metterà l'usura su un motore che potrebbe o non potrebbe essere stato progettato per gestirlo.

Spero possa aiutare!

Un ulteriore punto da toccare è che più snelli e ricchi sono relativi alle condizioni in cui il motore è già in funzione. In termini di reazioni chimiche, i motori delle auto tendono a funzionare un po 'ricchi di default - più carburante di quanto sia necessario per tutta l'aria - perché riduce la frequenza di detonazioni nella miscela.

Se si modificano le cose in modo da renderle più snelle rispetto alle condizioni operative previste, è possibile che si verifichi una combustione stechiometrica. Ciò significa che tutto il carburante viene consumato da tutta l'aria e le reazioni sono esattamente bilanciate. Questo è anche per le detonazioni. Ciò provoca ping (o colpi) e danni ai cilindri e ai pistoni. Se si cambiano le cose per renderle più inclinate a sufficienza per andare oltre il rapporto stechiometrico, la minaccia di detonazione si riduce ma se ci si sposta troppo magra, si aumenterà il tasso di incendi - più danni al motore (e al catalizzatore) ).

Eseguire una miscela magra da sola non causerà necessariamente detonazione, rumore metallico o colpi. I vecchi piloti di velivoli a pistoni con timer a tempo della seconda guerra mondiale erano soliti eseguire miscele estremamente snelle su lunghe distanze per aumentare l'autonomia ed era sicuro farlo quando si trovavano in altitudine di crociera e impostazioni di potenza. Non prenderei mai in considerazione la possibilità di farlo in salita o ad alta potenza.

Con un motore automobilistico, dovresti avere una programmazione adattiva che regolerebbe la miscela da ricca a inclinata a seconda del livello di carico sotto il motore. Su una strada a lungo raggio e pianeggiante a velocità autostradali costanti, probabilmente potresti correre un po 'di tempo magro, ma per il tuo tipico stile urbano fermati e vai, o terreno collinare, probabilmente non saresti mai in una gamma di potenza dove sarebbe sicuro, efficiente o efficace.

Per quanto riguarda le emissioni, la corsa magra crea sicuramente ossidi di azoto, quindi ciò può essere di ulteriore preoccupazione nelle aree soggette a smog.

Vi è un motivo in più per non correre magro, che si applica molto bene ai motori turbo: il carburante extra crea uno "strato limite" tra i prodotti di combustione e la parete del cilindro. Ciò assorbe il calore extra durante la combustione per aiutare a mantenere la temperatura della camera entro la tolleranza.

Le auto modificate con turbo / sovralimentazione molto elevate sono spesso sul punto di correre troppo magra, in quanto gli iniettori non possono fornire carburante sufficiente per mantenere questo strato limite e la pressione / temperatura della camera di combustione aumenta. In casi estremi ciò provoca detonazione / detonazione e un forte potenziamento può causare danni fisici al pistone.

Buona domanda. La risposta è che per eliminare le emissioni non di CO2 e fornire una ragionevole efficienza e potenza un motore DEVE bruciare il combustibile in modo esplosivo e ricco appena prima del PMS, quindi bruciarlo di nuovo dopo il PMS e infine bruciarlo una terza volta dopo che la carica ha lasciato il cilindro di combustione veloce ed è entrato nel cilindro di ri-espansione meno caldo e più lento.