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La mezcla pobre se refiere a la quema de combustible con un exceso de aire en un motor de combustión interna . En los motores de combustión pobre, la relación aire: combustible puede ser tan pobre como 65: 1 (en masa). La relación aire / combustible necesaria para quemar estequiométricamente la gasolina, por el contrario, es 14,64: 1. El exceso de aire en un motor de mezcla pobre emite muchos menos hidrocarburos. También se pueden usar altas relaciones aire-combustible para reducir las pérdidas causadas por otros sistemas de administración de potencia del motor, como las pérdidas por estrangulamiento.

Principio [ editar ]

Un modo de combustión pobre es una forma de reducir las pérdidas por estrangulamiento. Un motor en un vehículo típico está dimensionado para proporcionar la potencia deseada para la aceleración, pero debe funcionar muy por debajo de ese punto en el funcionamiento normal a velocidad constante. Por lo general, la energía se corta cerrando parcialmente un acelerador. Sin embargo, el trabajo adicional realizado para bombear aire a través del acelerador reduce la eficiencia. Si se reduce la relación aire / combustible, entonces se puede lograr una potencia menor con el acelerador más cerca de la apertura total, y la eficiencia durante la conducción normal (por debajo de la capacidad de par máximo del motor) puede ser mayor.

Los motores diseñados para combustión pobre pueden emplear relaciones de compresión más altas y, por lo tanto, proporcionar un mejor rendimiento, un uso eficiente de combustible y bajas emisiones de hidrocarburos de escape que los que se encuentran en los motores de gasolina convencionales . Las mezclas ultrafinas con relaciones aire-combustible muy altas solo se pueden lograr con motores de inyección directa .

El principal inconveniente de la combustión pobre es que se requiere un complejo sistema de convertidor catalítico para reducir las emisiones de NOx . Los motores de combustión pobre no funcionan bien con el convertidor catalítico de 3 vías moderno, que requiere un equilibrio de contaminantes en el puerto de escape para que puedan llevar a cabo reacciones de oxidación y reducción, por lo que la mayoría de los motores modernos tienden a acelerar y desacelerar en el punto estequiométrico o cerca del mismo. .

Chrysler Electronic Lean-Burn [ editar ]

Desde 1976 hasta 1989, Chrysler equipó muchos vehículos con su sistema Electronic Lean-Burn (ELB) , que consistía en una computadora de control de chispas y varios sensores y transductores . La computadora ajustó la sincronización de la chispa según el vacío del colector, la velocidad del motor, la temperatura del motor, la posición del acelerador a lo largo del tiempo y la temperatura del aire entrante. Los motores equipados con ELB utilizaban distribuidores de sincronización fija sin los mecanismos tradicionales de avance de sincronización centrífuga y de vacío. La computadora ELB también accionaba directamente la bobina de encendido, eliminando la necesidad de un módulo de encendido separado.

ELB se produjo en variantes de bucle abierto y de bucle cerrado; los sistemas de circuito abierto produjeron un escape lo suficientemente limpio para muchas variantes de vehículos equipados para pasar las regulaciones de emisiones federales de los Estados Unidos de 1976 y 1977 , y las regulaciones de emisiones canadienses hasta 1980, sin un convertidor catalítico . La versión de circuito cerrado de ELB usó un sensor de oxígeno y un carburador de retroalimentación , y se introdujo gradualmente en producción a medida que las regulaciones de emisiones se volvieron más estrictas a partir de 1981, pero el ELB de circuito abierto se usó hasta 1990 en mercados con regulaciones de emisiones laxas, en vehículos como el Chrysler Spirit mexicano. El control de chispa y las estrategias de detección y transducción de parámetros del motor introducidas con ELB se mantuvieron en uso hasta 1995 en los vehículos Chrysler equipados con inyección de combustible en el cuerpo del acelerador . [ cita requerida ]

Motores de gas de servicio pesado [ editar ]

Los conceptos de mezcla pobre se utilizan a menudo para el diseño de motores de servicio pesado alimentados con gas natural , biogás y gas licuado de petróleo (GLP). Estos motores pueden ser de combustión pobre de tiempo completo, donde el motor funciona con una mezcla débil de aire y combustible independientemente de la carga y la velocidad del motor, o de combustión pobre de tiempo parcial (también conocido como "mezcla pobre" o "mezcla pobre" ), donde el motor funciona pobremente solo durante baja carga y a altas velocidades del motor, volviendo a una mezcla estequiométrica de aire y combustible en otros casos.

Los motores de gas de combustión pobre de servicio pesado admiten el doble de aire [1] del que se necesita teóricamente para una combustión completa en las cámaras de combustión. Las mezclas de aire-combustible extremadamente débiles conducen a temperaturas de combustión más bajas y, por lo tanto, a una menor formación de NOx. Si bien los motores de gas de combustión pobre ofrecen eficiencias térmicas teóricas más altas, la respuesta y el rendimiento transitorios pueden verse comprometidos en ciertas situaciones. Sin embargo, los avances en el control de combustible y la tecnología de circuito cerrado de compañías como North American Repower han llevado a la producción de motores de servicio pesado de combustión pobre con certificación CARB para uso en flotas de vehículos comerciales. [2] Los motores de gas de combustión pobre casi siempre están turboalimentados, lo que da como resultado cifras de alta potencia y par que no se pueden lograr con motores estequiométricos debido a las altas temperaturas de combustión.

Los motores de gas de servicio pesado pueden emplear cámaras de precombustión en la culata. En primer lugar, el pistón comprime una mezcla pobre de aire y gas en la cámara principal. Una mezcla de gas / aire mucho más rica, aunque de menor volumen, se introduce en la cámara de precombustión y se enciende mediante una bujía. El frente de la llama se propaga a la mezcla pobre de aire y gas en el cilindro.

Esta combustión de mezcla pobre en dos etapas produce un bajo nivel de NOx y ninguna emisión de partículas. La eficiencia térmica es mejor a medida que se logran relaciones de compresión más altas.

Los fabricantes de motores de gas de combustión pobre para trabajo pesado incluyen MTU , Cummins , Caterpillar , MWM , GE Jenbacher , MAN Diesel & Turbo , Wärtsilä , Mitsubishi Heavy Industries , Dresser-Rand Guascor , Waukesha Engine y Rolls-Royce Holdings .

Sistemas Honda de mezcla pobre [ editar ]

Una de las tecnologías más nuevas de mezcla pobre disponible en los automóviles actualmente en producción utiliza un control muy preciso de la inyección de combustible, un fuerte remolino de aire y combustible creado en la cámara de combustión, un nuevo sensor lineal de aire y combustible ( sensor de O2 tipo LAF ) y un -Quemar el catalizador de NOx para reducir aún más las emisiones de NOx resultantes que aumentan en condiciones de "combustión pobre" y cumplen con los requisitos de emisiones de NOx.

Este enfoque de carga estratificada para la combustión de mezcla pobre significa que la relación aire-combustible no es igual en todo el cilindro. En cambio, el control preciso sobre la dinámica del flujo de admisión y la inyección de combustible permite una mayor concentración de combustible más cerca de la punta de la bujía (más rica), que se requiere para un encendido exitoso y la propagación de la llama para una combustión completa. El resto de la carga de admisión de los cilindros es progresivamente más pobre con una relación aire: combustible promedio general que cae en la categoría de mezcla pobre de hasta 22: 1.

Los motores Honda más antiguos que usaban mezcla pobre (no todos lo hicieron) lograron esto al tener un sistema de admisión y combustible paralelo que alimentaba una precámara con la relación "ideal" para la combustión inicial. Esta mezcla ardiente se abrió luego a la cámara principal donde se encendió una mezcla mucho más grande y más delgada para proporcionar suficiente energía. Durante el tiempo que este diseño estuvo en producción, este sistema ( CVCC, Combustión controlada por vórtice compuesto ) permitió principalmente emisiones más bajas sin la necesidad de un convertidor catalítico . Estos eran motores con carburador y la naturaleza relativa "imprecisa" de las capacidades de MPG tan limitadas del concepto que ahora bajo MPI (inyección de combustible multipuerto) también permite un MPG más alto.

La carga estratificada más nueva de Honda (motores de mezcla pobre) opera en relaciones aire-combustible tan altas como 22: 1. La cantidad de combustible que ingresa al motor es mucho menor que la de un motor de gasolina típico, que opera a 14.7: 1, el ideal estequiométrico químico para una combustión completa cuando se promedia la gasolina según el estándar aceptado de C8H18 de las industrias petroquímicas.

Esta capacidad de combustión pobre por la necesidad de los límites de la física y la química de la combustión, tal como se aplica a un motor de gasolina actual, debe limitarse a condiciones de carga ligera y RPM más bajas. Se requiere un punto de corte de velocidad "máxima" ya que las mezclas de gasolina y combustible más magras se queman más lentamente y para que se produzca energía, la combustión debe estar "completa" cuando se abra la válvula de escape.

Aplicaciones [ editar ]

  • 1992-1995 Civic VX
  • 1996-2005 Civic Hx
  • 2002-05 Civic Híbrido
  • 2000–06 Insight Transmisión manual y especificaciones japonesas Cvt solamente
Aplicaciones de motores de mezcla pobre de Honda
Peso muertoConsumo de combustible, modo Japón 10-15Capacidad del tanque de combustibleDistancia
AñosModeloMotorkglibrasL / 100 kmkm / Lmpg Reino Unidompg EE. UU.Lgal Reino Unidogal EE. UU.kmmillaNotas
1991-1995Cívico ETiD15B93020504.820,85949459,911,99385835 velocidades manual, escotilla 3d, VTEC-E [3]
1995-2000Civic VTiD15B101022265,020,05647459,911,99005595 velocidades manual, escotilla 3dr, VTEC de 3 etapas [4]
1995-2000Civic ViD15B103022265.318,95344459,911,9849528Manual de 5 velocidades, sedán de 5 velocidades, VTEC de 3 etapas [5]
2000-2006visiónECA183818473.429,4847040,28.810,611947425 velocidades manual, sin aire acondicionado

Motores Toyota de mezcla pobre [ editar ]

En 1984, Toyota lanzó el motor 4A-E . Este fue el primer motor en el mundo en utilizar un sistema de control de combustión de mezcla pobre con un sensor de mezcla pobre, Toyota llamado "TTC-L" ( Toyota Total Clean -Lean-Burn). Se usó en Japón en Toyota Carina T150 reemplazando el enfoque de recirculación de gases de escape TTC-V (Vortex) utilizado anteriormente, Toyota Corolla E80 y Toyota Sprinter. El sensor de mezcla pobre se proporcionó en el sistema de escape para detectar relaciones aire-combustible más pobres que la relación aire-combustible teórica. El volumen de inyección de combustible fue luego controlado con precisión por una computadora usando esta señal de detección para lograr una retroalimentación de la relación aire-combustible pobre. Para una combustión óptima, se aplicaron los siguientes elementos: inyección independiente del programa que cambiaba con precisión el volumen de inyección y el tiempo de los cilindros individuales, tapones de platino para mejorar el rendimiento de encendido con mezclas pobres y encendedores de alto rendimiento. [6]

Las versiones de mezcla pobre de los motores de 4 cilindros de 1587 cc 4A-FE y 1762 cc 7A-FE tienen 2 válvulas de admisión y 2 de escape por cilindro. Toyota usa un conjunto de mariposas para restringir el flujo en cada segundo corredor de entrada durante la operación de combustión pobre. Esto crea una gran cantidad de remolinos en la cámara de combustión. Los inyectores se montan en la cabeza, en lugar de hacerlo convencionalmente en el colector de admisión. Relación de compresión 9.5: 1. [7] El motor 3S-FSE de 1998 cc es un motor de gasolina de inyección directa de mezcla pobre. Relación de compresión 10: 1. [8]

Aplicaciones [ editar ]

Aplicaciones de motores de mezcla pobre de Toyota
Peso muertoConsumo de combustible, modo Japón 10-15Capacidad del tanque de combustibleDistancia
AñosModeloMotorkglibrasL / 100 kmkm / Lmpg Reino Unidompg EE. UU.Lgal Reino Unidogal EE. UU.kmmillaNotas
1984–88Carina T1504A-E95021005,617.050416013,215,910566565 velocidades manual [6]
1994-1996Carina SG-i SX-i4A-FE104022925,617,650416013,215,91056656Manual de 5 velocidades [9]
1994-1996Carina SG-i SX-i7A-FE104022925,617,650416013,215,91056656Manual de 5 velocidades [9]
1996–2001Carina Si7A-FE112024685.518.051426013.215.910806715spd manual[9]
1996–2000Corona Premio E7A-FE112024685.518.051426013.215.910806715spd manual[10]
1998–2000Corona Premio G3S-FSE120026455.817.249416013.215.91034643Auto[11]
1996–97Caldina FZ CZ7A-FE114025135.617.650416013.215.910566565spd manual[12]
1997–2002Caldina E7A-FE120026455.617.650416013.215.910566565spd manual[13]
1997–2002Spacio7A-FEAuto[14]

Nissan lean-burn engines[edit]

Nissan QG engines are a lean-burn aluminum DOHC 4-valve design with variable valve timing and optional NEO Di direct injection. The 1497cc QG15DE has a Compression ratio of 9.9:1[15] and 1769cc QG18DE 9.5:1.[16]

Applications[edit]

Nissan lean-burn engine applications
Unladen weightFuel consumption, Japan 10-15 modeFuel tank capacityRange
YearsModelEnginekglbsL/100 kmkm/Lmpg UKmpg USLgal UKgal USkmmileNotes
1998–2001SunnyQG15DE106028655.318.95344501113.29435865spd manual, 4dr sedan[15]
1998–2001BluebirdQG18DE118026005.817.249416013.215.910356435spd manual, 4dr sedan[17]
1998–2001PrimeraQG18DE118026005.817.249416013.215.910356435565spd manual, 5dr wagon[16]

Mitsubishi Vertical Vortex (MVV)[edit]

In 1991, Mitsubishi developed and began producing the MVV (Mitsubishi Vertical Vortex) lean-burn system first used in Mitsubishi's 1.5 L 4G15 straight-4 single-overhead-cam 1,468-cc engine. The vertical vortex engine has an idle speed of 600 rpm and a compression ratio of 9.4:1 compared with respective figures of 700 rpm and 9.2:1 for the conventional version. The lean-burn MVV engine can achieve complete combustion with an air–fuel ratio as high as 25:1, this boasts a 10–20% gain in fuel economy (on the Japanese 10-mode urban cycle) in bench tests compared with its conventional MPI powerplant of the same displacement, which means lower CO2 emissions.[18][19]

The heart of the Mitsubishi's MVV system is the linear air–fuel ratio exhaust gas oxygen sensor. Compared with standard oxygen sensors, which essentially are on-off switches set to a single air/fuel ratio, the lean oxygen sensor is more of a measurement device covering the air/fuel ratio range from about 15:1 to 26:1.[19]

To speed up the otherwise slow combustion of lean mixtures, the MVV engine uses two intake valves and one exhaust valve per cylinder. The separate specially shaped (twin intake port design) intake ports are the same size, but only one port receives fuel from an injector. This creates two vertical vortices of identical size, strength and rotational speed within the combustion chamber during the intake stroke: one vortex of air, the other of an air/fuel mixture. The two vortices also remain independent layers throughout most of the compression stroke.[18][19]

Near the end of the compression stroke, the layers collapse into uniform minute turbulences, which effectively promote lean-burn characteristics. More importantly, ignition occurs in the initial stages of breakdown of the separate layers while substantial amounts of each layer still exist. Because the spark plug is located closer to the vortex consisting of air/fuel mixture, ignition arises in an area of the pentroof-design combustion chamber where fuel density is higher. The flame then spreads through the combustion chamber via the small turbulences. This provides stable combustion even at normal ignition-energy levels, thereby realizing lean-burn.[18][19]

The engine computer stores optimum air fuel ratios for all engine-operating conditions—from lean (for normal operation) to richest (for heavy acceleration) and all points in between. Full-range oxygen sensors (used for the first time) provide essential information that allows the computers to properly regulate fuel delivery.[19]

Diesel engines[edit]

All diesel engines can be considered to be lean-burning with respect to the total volume, however the fuel and air is not well mixed before the combustion. Most of the combustion occurs in rich zones around small droplets of fuel. Locally rich combustion is a source of particulate matter (PM) emissions.

See also[edit]

  • Engine knocking
  • Hydrogen fuel enhancement

Footnotes[edit]

Citations[edit]

  1. ^ [1], aConseil Internationaldes Machines A Combustion – Paper.: 167 New Gas Engines – CIMAC Congress 2007, Vienna
  2. ^ http://arb.ca.gov/msprog/aftermkt/devices/eo/bseries/b-67-1.pdf
  3. ^ "91CivicHatch" Archived 2011-08-15 at the Wayback Machine, auto.vl.ru japanese car specification website
  4. ^ "95CivicHatch" Archived 2011-08-15 at the Wayback Machine, auto.vl.ru japanese car specification website
  5. ^ "95CivicSedan" Archived 2011-08-15 at the Wayback Machine, auto.vl.ru japanese car specification website
  6. ^ a b "Toyota 4A-ELU engine", "240 Landmarks of Japanese Automotive Technology" website
  7. ^ "Toyota Carina Specifications" Archived 2009-12-15 at the Wayback Machine, auto.vl.ru japanese car specification website
  8. ^ "Toyota Corona Premio G" Archived 2010-11-23 at the Wayback Machine, auto.vl.ru japanese car specification website
  9. ^ a b c "Toyota Carina", auto.vl.ru japanese car specification website
  10. ^ "Toyota Corona Premio", auto.vl.ru japanese car specification website
  11. ^ "Toyota Corona Premio G" Archived 2004-06-02 at the Wayback Machine, auto.vl.ru japanese car specification website
  12. ^ "Toyota Caldina", auto.vl.ru japanese car specification website
  13. ^ "Toyota Caldina" Archived 2010-05-23 at the Wayback Machine, Toyota NZ website
  14. ^ "Toyota Spacio", Toyota NZ website
  15. ^ a b "Nissan Sunny" Archived 2011-08-15 at the Wayback Machine, auto.vl.ru japanese car specification website
  16. ^ a b "Nissan Avenir" Archived 2011-08-15 at the Wayback Machine, auto.vl.ru japanese car specification website
  17. ^ "Nissan Bluebird" Archived 2011-08-15 at the Wayback Machine, auto.vl.ru japanese car specification website
  18. ^ a b c "Engine Technology" Archived 2007-01-25 at the Wayback Machine, Mitsubishi Motors South Africa website
  19. ^ a b c d e "Honda can't sell lean-burn in California", Joel D. Pietrangelo & Robert Brooks, Ward's Auto World, September 1991

References[edit]

  • "Advanced Technology Vehicle Modeling in PERE, EPA, Office of Transportation and Air Quality"