Ho imparato in questa domanda che far funzionare un motore a consumo ridotto aumenterà la temperatura di accensione, tra l'altro causando problemi con il catalizzatore. Non ho idea di come o perché.
Come e perché esattamente il consumo di carburante magro (o ricco di ossigeno) aumenta la temperatura di accensione?
Risposte:
Hai una descrizione qualitativa di ciò che accade, ma suddividiamola su una scala più piccola. Quando parliamo di "temperatura" di qualcosa, stiamo davvero parlando della velocità con cui le molecole si muovono e si rimbalzano. La "temperatura" è in realtà "energia cinetica". E si scopre che ci sono altri tipi di energia oltre a muoversi nello spazio: le molecole possono ruotare, possono vibrare e i loro elettroni possono eccitarsi e muoversi attorno al nucleo. Ognuna di queste energie può anche essere una "temperatura", quindi puoi avere la temperatura traslazionale (ciò che normalmente pensiamo), ma puoi avere la temperatura di rotazione, la temperatura di vibrazione e le temperature elettroniche.
Le molecole si scambiano energia tra loro scontrandosi. Quando lo fanno, distribuiscono anche l'energia tra di loro. La frequenza con cui si scontrano determina la velocità con cui l'energia diventa uniforme e questo definisce la velocità con cui raggiungono quello che viene chiamato equilibrio. Quando tutte le diverse temperature sono uguali, lo stato è in equilibrio e non dobbiamo preoccuparci di tenere traccia di tutti i diversi tipi di temperatura. Per la maggior parte dei processi che si verificherebbero in un motore, c'è più che abbastanza tempo per raggiungere l'equilibrio e quindi non dobbiamo preoccuparci troppo degli effetti di non equilibrio.
Ora, nelle reazioni chimiche, le molecole si rompono e ne formano di nuove. Se i nuovi hanno meno energia, la differenza di energia viene rilasciata sotto forma di calore. Se i nuovi hanno più energia, la reazione richiede l'aggiunta di energia per farlo accadere. Ovviamente i motori si surriscaldano, quindi le reazioni in essi rilasciano energia e sfruttiamo quell'energia per muovere il veicolo.
Quindi, le molecole si rompono. E si rompono quando iniziano a vibrare così forte che i legami tra gli atomi non possono tenerli insieme. L'unico modo per far vibrare la molecola è di far scontrare un'altra molecola con essa, con energia sufficiente e un trasferimento di energia abbastanza efficiente per avviare le vibrazioni. E l'energia deve essere abbastanza alta da far vibrare le molecole.
Modificando la quantità di carburante nella miscela, si modificano i tipi di collisioni che possono verificarsi. E non è esattamente semplice, ma alcune molecole sono migliori nello scambio di energia con altre. Per far cadere la molecola di combustibile, devono scontrarsi con altre molecole di combustibile con una certa energia o con altre molecole di ossigeno con più energia. Se aggiungi più della normale quantità di ossigeno (corri magro), devi anche rendere l'ossigeno più caldo in modo che le molecole abbiano più energia quando si scontrano e possono far vibrare il carburante abbastanza forte da cadere a pezzi. Al contrario, se corri ricco di carburante, hai più molecole di carburante che possono scontrarsi tra loro e cadere a pezzi, ma meno molecole di ossigeno da combinare con loro e rilasciare calore. Questo (e alcuni altri effetti) rendono la temperatura finale della fiamma più bassa.
Sulla base di una lunga conversazione sulla domanda, rimettiamo tutto questo nel contesto di un motore. Per un motore a gas ad iniezione diretta, l'aria viene aspirata nel cilindro, il pistone lo comprime e quindi il carburante viene spruzzato nel cilindro. Una candela attiva quindi una scintilla nella camera. Questa deposizione di elettroni fa eccitare tutte le molecole della miscela carburante-aria - in realtà ionizza l'aria (rimuove gli elettroni dalle molecole) e tutto ciò aggiunge un sacco di energia alle molecole. Questa energia è l'energia iniziale richiesta per avviare la combustione.
Per una condizione di consumo di carburante, ho detto che ci vuole più energia per iniziare la reazione e l'ho definita in termini di una temperatura di accensione più elevata. La temperatura di accensione proviene da quella candela (per un motore freddo - anche i motori caldi contribuiranno al calore proveniente dai cilindri stessi). Per le normali condizioni operative, le candele forniscono energia più che sufficiente per accendere. Man mano che le condizioni operative diventano più snelle, la candela fornisce la stessa quantità di energia, ma è ancora energia sufficiente per accendersi. Alla fine, per condizioni abbastanza snelle, non sarà abbastanza energia. Questo è un leggero errore .
I motori diesel funzionano in modo diverso. Per motivi di discussione, continuiamo a fare un'iniezione diretta di nuovo. Il cilindro si riempie di aria, il pistone lo comprime e il carburante viene iniettato. Non c'è scintilla per iniziare la reazione però. I motori diesel si basano esclusivamente sulla creazione di pressioni sufficientemente elevate per innescare la miscela. Alta pressione significa alta densità e questo significa più collisioni per diffondere l'energia intorno (le molecole non devono spingersi fino a colpirsi). Ad ogni modo, si applicano le stesse idee. In condizioni di magra, richiederebbe una pressione maggiore per accendersi. In condizioni ideali, il motore si comprime più di quanto sia esattamente necessario, quindi quando funziona a basso consumo di carburante, ha ancora abbastanza compressione da accendere. Se vai così magra che la compressione non è più abbastanza alta, otterrai di nuovo un leggero errore. Le candelette a incandescenza possono aiutare tutto ciò riscaldando i cilindri e contribuendo ad aggiungere calore alla miscela e scatenare le reazioni.
In entrambi i motori, una volta che sono stati in funzione per un po ', le pareti del cilindro si riscaldano e richiede meno input (dalle scintille o dalla compressione) per far sì che si verifichi la reazione. Ma per i motori a freddo, è necessaria la deposizione iniziale di energia per far muovere le reazioni. Molte centraline sono destinate a bruciare carburante quando il motore è appena avviato perché è più facile da accendere; man mano che si riscaldano, la miscela diventa più magra e riduce le emissioni e il consumo di carburante. Potresti avere familiarità con gli strozzatori manuali su cose come i tosaerba: lo starter è ciò che cambia la miscela aria-carburante e per avviare il motore, devi impostare lo starter in modo che sia ricco di carburante.
Per coloro che sono interessati, sulla base della discussione che abbiamo avuto nei vari thread dei commenti, sono andato avanti e ho dato un esempio concreto di come / perché la temperatura può aumentare quando la fiamma è a corto di carburante. La conversazione in chat è contrassegnata qui come segnalibro .
Divertente dovresti chiedere questo Max :)
Per prima cosa assicuriamoci della nostra definizione. Far girare il motore in aria significa cambiare il rapporto aria / carburante per avere più aria di quella ideale (14,7: 1 aria / carburante).
Nella mia lettura ci sono due effetti.
Innanzitutto, il carburante è un liquido atomizzato che ha un effetto di raffreddamento sulla camera di combustione. Quindi meno carburante, meno effetto di raffreddamento.
In secondo luogo, le fiamme bruciano più velocemente e più calde in presenza di più ossigeno. Più aria rispetto al carburante del solito, significa più ossigeno del solito. Quindi la fiamma brucia più calda e più velocemente di quanto dovrebbe. Entrambi aumenteranno la temperatura della camera di combustione.
Ottima domanda, ero curioso di questo da solo, quindi ho iniziato a leggere qualcosa.
Spero che aiuti!
Se hai mai visto usare una torcia ossiacetilenica, avrai notato che prima che l'ossigeno venga acceso, la torcia ha una fiamma giallo brillante. Questo è il combustibile che brucia in una quantità di ossigeno non ideale. La fiamma è relativamente fredda e produce molta fuliggine.
Quando l'ossigeno viene attivato, la fiamma diventa blu e diventa abbastanza calda da fondere l'acciaio.
Potresti aver visto anche quando viene acceso troppo ossigeno, la fiamma si spegne con un pop.
Il consumo di carburante è lo stesso di quello ricco di ossigeno.
In un motore, il carburante vuole bruciare in modo efficiente, ma non troppo caldo da iniziare a fondere i pistoni, o forse anche esplodere violentemente, causando anche danni.
Da Wikipedia - Purtroppo una miscela stechiometrica brucia molto caldo e può danneggiare i componenti del motore se il motore è sottoposto a un carico elevato in questa miscela aria-carburante. A causa delle alte temperature di questa miscela, la detonazione della miscela aria-carburante poco dopo la massima pressione del cilindro è possibile sotto carico elevato (indicato come bussare o fare rumore). La detonazione può causare gravi danni al motore poiché la combustione incontrollata della miscela di aria del carburante può creare pressioni molto elevate nel cilindro. Di conseguenza, le miscele stechiometriche vengono utilizzate solo in condizioni di carico leggero. Per l'accelerazione e le condizioni di carico elevato, viene utilizzata una miscela più ricca (rapporto aria-carburante inferiore) per produrre prodotti di combustione più freddi e quindi prevenire la detonazione e il surriscaldamento della testata.
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Air –fuel_ratio
Spiacenti, non riesco a far funzionare il link: copia e incolla nel browser.
Il motore della temperatura aumenta perché l'accensione del carburante è più lenta . Ci vuole più tempo per bruciare il carburante perché c'è meno.
Il carburante stesso ha la stessa quantità di BTU disponibili bruciandolo sia che si usi o meno ossigeno extra. PERIODO. Quando soffi sui carboni nel fuoco, diventano più caldi ma bruciano più velocemente. Rilasciano la stessa quantità di calore, ma in un periodo di tempo molto più breve.
Immagina il tuo cilindro come una cabina in inverno. Se prendessi un ceppo e lo bruciassi in un minuto, gli oggetti vicino alla stufa dove bruciava quel ceppo si riscalderebbero in modo significativo e forse si scioglierebbero, ma la maggior parte del calore verrebbe fuori dal camino. Se avessi solo un tronco all'ora, la stanza sarebbe molto fredda per la maggior parte del tempo. Prendi lo stesso ceppo e brucia lentamente per un'ora prima di sostituirlo con un altro e meno calore esce attraverso lo scarico e rimane nella stanza.
Il motivo per cui il motore diventa più caldo è che il combustibile a combustione più lenta trasferisce più calore alle parti circostanti del motore.
Tutti dimenticano qualcosa, la ragione per cui una leggera bruciatura magra può essere più calda dei rapporti stochiomnetici è molto semplice. Ha a che fare con l'iniezione del carburante. Affinché il rapporto stechiometrico funzioni come previsto, ogni singolo atomo di ossigeno dovrebbe accoppiarsi perfettamente con una molecola di combustibile prima dell'accensione. Questo non è possibile, quindi hai bruciato molecole di combustibile nella combustione.
Aggiungendo un po 'più di aria alla miscela, è possibile garantire che tutto il combustibile si combini a un livello più elevato, il che a sua volta aumenterà la temperatura della combustione, aggiungerà troppo e la capacità di calore dell'aria in eccesso abbasserà la temperatura.
Mi sono fermato qui dopo essermi guardato attorno senza troppo successo per una buona spiegazione sul surriscaldamento dovuto alla combustione magra in un motore. Ecco i miei due centesimi sull'argomento:
1- È ben noto e documentato che la temperatura massima o massima di combustione è inferiore poiché il rapporto aria / carburante atmosferico si discosta da quello stechiometrico, quindi una combustione magra genera una temperatura di picco inferiore rispetto a quella stechiometrica, 14,7: 1 per la benzina, ad esempio. Sebbene una combustione magra possa essere più completa, la temperatura di picco della combustione è inferiore a causa dell'effetto di raffreddamento dell'azoto atmosferico inerte aggiuntivo in una configurazione magra. Ricordi che l'aria atmosferica contiene una quantità significativa di azoto inerte e quel vecchio problema di Popular Science che parlava della progettazione di un motore adiabatico da parte di Smokey Yunick e dei suoi tentativi di installare un filtro di rimozione dell'azoto?
2- Inoltre noto che la velocità di qualsiasi reazione chimica rallenterà man mano che la concentrazione del reattivo diminuisce. Previsto anche perché quando le molecole di combustibile si allontanano le une dalle altre, quindi meno possibilità di promuovere una reazione incatenata, riducendo così in modo significativo la velocità della combustione.
3- Inoltre, la quantità totale di calore generato viene ridotta durante la combustione magra come previsto a causa della riduzione del combustibile o del contenuto calorico in una combustione magra. Allora perché allora il risultato inaspettato del surriscaldamento del motore?
4- Non si tratta di meno raffreddamento disponibile dall'evaporazione del combustibile liquido, è più legato al bilancio energetico complessivo del motore. Man mano che la combustione rallenta, una porzione maggiore di energia termica non può essere convertita in energia di lavoro dell'albero e quindi viene principalmente espulsa come calore collegato attraverso l'apertura di scarico. Allo stesso modo accade se il tuo tempo di accensione è ritardato molto lontano dall'ottimale ... il calore di combustione magra, anche se è minore, non può essere convertito correttamente in lavoro dell'albero perché la combustione era così tardi che non è sincronizzata con il movimento del pistoni. Ecco perché la Toyota ha avanzato i tempi di accensione nei suoi precedenti motori a combustione magra quando ha attivato quella modalità. Quindi, dove va il calore che non può essere convertito in opera dell'albero? ... a causa delle leggi sulla conservazione dell'energia mostrerà da qualche parte ... beh,
Fondamentalmente, man mano che la combustione si assottiglia, il motore inizia a perdere parte della sua efficienza per convertire l'energia di combustione in energia meccanica e quindi lavora più vicino a un semplice forno a combustibile adatto al riscaldamento stesso. I sintomi di questo tipo di surriscaldamento sono valvole di scarico bruciate, tono diverso nel rumore di scarico e persino collettore di scarico a incandescenza, simile a un motore che gira con un ritardo di accensione molto ritardato. In caso di iniezione di azoto, nonostante il nitroso abbia un sacco di effetto di raffreddamento, se accidentalmente la combustione diventa troppo magra a causa di una carenza di carburante, il motore si fonde letteralmente. In questo caso, nonostante il rapporto carburante fosse troppo scarso, la quantità di carburante coinvolta o il contenuto calorico potrebbero essere significativamente più che in un motore normale, quindi anche una maggiore energia termica non sarà convertita in lavoro sull'albero,
Penso che le risposte siano errate. Perché il presupposto della domanda non è corretto. Per prima cosa dobbiamo decidere più caldo rispetto a cosa? e anche dobbiamo sapere che questo è un dato di fatto, fa davvero più caldo o è un mito? inoltre la quantità del rapporto carburante / ossigeno è importante, questa condizione è sempre vera per tutti i rapporti magri? Forse la domanda corretta è perché forse la miscela "leggermente" magra è più calda della miscela "leggermente" ricca?
L'energia termica prodotta dal combustibile è semplicemente correlata a quanto ne bruci. Bruci di meno, viene generato meno calore. Bruci di più, viene generato più calore. Così semplice. Qui ciò che crea il calore è l'energia immagazzinata nel combustibile (per il nostro esempio altri fattori come pressioni, attriti ecc. Non sono importanti).
Se stai confrontando una miscela ricca con una miscela magra, ovviamente la miscela magra avrà una produzione di energia più elevata perché convertiresti tutto il combustibile in energia. (più combustibile bruciato = più calore) Ma dipende ancora dai rapporti della miscela, perché se non hai quasi combustibile nella miscela, ovviamente non genererà così tanta energia.
Se stai confrontando una miscela ideale con una miscela magra, allora penso che dovrebbe essere ancora più fresco (meno energia termica generata dalla combustione) poiché otterresti meno carburante e più ossigeno nella camera.