Por que um motor a gasolina precisa manter uma proporção ar-combustível, enquanto um motor a diesel não?

Esta pergunta simples me incomoda há um tempo. A quantidade de combustível injetado em um motor a gasolina é calculada de acordo com a quantidade de ar que entra pela válvula do acelerador (medida pelo sensor de pressão absoluta do fluxo de ar em massa / manifold). No entanto, a quantidade de combustível injetado em um motor a diesel depende simplesmente da pressão do pedal e o ar pode ser sugado livremente pelos cilindros. Isso significa que, em operação normal, o diesel funciona muito bem e a gasolina mantém constantemente a taxa estequiométrica (situações de alta carga não consideradas). Por que o motor a gasolina não pode funcionar sem a válvula do acelerador, apenas dependendo da quantidade de combustível injetado?

Parece que você já sabe por que um motor a gasolina mantém a relação combustível / ar o mais próxima possível da razão estequiométrica, mas apenas para obter informações para outras pessoas: A razão estequiométrica combustível / ar é a quantidade de oxigênio necessária para queimar toda a gasolina completamente. Uma queima "magra" deixa um pouco de oxigênio restante e uma queima "rica" ​​significa que a gasolina não queima tão completamente.

Os motores diesel são mais enxutos porque, de acordo com este site:

No motor diesel, o combustível é injetado na câmara de combustão próximo ao final do curso de compressão e inflama espontaneamente. Isso é responsável pelo som da combustão que um motor diesel gera, que é música para os ouvidos de quem lê esta revista. À medida que a mistura entre o combustível e o ar ocorre, a queima continua. Este processo é muito heterogêneo (uma vez que o combustível e o ar são misturados em uma câmara de combustão, não é tão uniforme quanto em um motor a gás que criou a mistura antes de entrar na cabeça do cilindro). A fuligem é formada durante a combustão porque parte do combustível queima com oxigênio insuficiente e a combustão do combustível não é concluída. Como combustível adicional é injetado, mais e mais fuligem é produzida. Portanto, a relação ar / combustível do motor a diesel deve sempre ser menor que a estequiométrica para evitar quantidades excessivas de fumaça. Por esse motivo, um diesel modificado e de alta produção soprará fumaça preta porque é alimentado apenas por energia, sem preocupação com a geração de fuligem. O diesel sem fumaça tem menos combustível presente no cilindro do que no cilindro do motor a gasolina e, portanto, a potência do diesel é reduzida em comparação.

A gasolina é injetada antes de ser inflamada, para que tenha tempo de se misturar mais homogeneamente. O diesel é injetado no final do curso de compressão e, portanto, é pressionado quase imediatamente antes da hora de se espalhar pelo ar disponível. Como afirma a citação acima, o funcionamento do motor diesel é uma tentativa de reduzir a quantidade de fuligem produzida, o que reduz as emissões.

Editar

Para responder à sua pergunta sobre o que acontece com um motor a gasolina que queima magra.

A injeção de gasolina no motor tem um efeito de resfriamento. Um motor de combustão magra, onde há menos gasolina do que o necessário para atingir a razão estequiométrica, funcionará mais quente do que um motor funcionando na razão estequiométrica ou com um rico. Corra muito devagar e corre o risco de superaquecimento e desgaste adicional nos componentes do motor, como vedações. Com taxas de compressão mais altas, os motores enxutos podem ser mais eficientes em termos de combustível e produzir menos emissões de carbono. A desvantagem é que existem mais emissões de NOx que exigem um conversor catalítico mais complexo do que a maioria dos veículos modernos.

Também devo esclarecer sua sentença final. Seu acelerador está conectado à válvula do acelerador (diretamente ou "acionado por fio") e controla a quantidade de ar que é permitida a entrada no motor. Não controla diretamente quanta gasolina é injetada. O sensor de fluxo de massa detecta quanto ar está sendo passado para o motor, passa essas informações para a ECU, e a ECU controla a quantidade de combustível injetada. A decisão da ECU de decidir se o seu carro está funcionando esbelto ou rico é fornecida pelas entradas do sensor de fluxo de massa, sensor de O2 e / ou configurações do fabricante ou do usuário. Nos dias de carburador, era fácil ajustar o motor para ficar rico ou magro, mas você precisa de equipamento especial para ajustar as configurações em uma ECU.

A propósito, existem várias razões pelas quais um fabricante ou proprietário de um veículo pode querer deixar o motor mais enxuto ou rico, relacionado ao desempenho, resfriamento ou economia de combustível.

Estou muito surpreso que ninguém tenha mencionado isso especificamente, mas a resposta é detonação. O Poisson Fish estava próximo, mas o desgaste extra do aumento da temperatura do cilindro não é o principal problema. O principal problema é o calor extra, que faz com que a gasolina se acenda antes da faísca e destrua o motor.

O diesel não sofre com esse problema, pois basicamente trabalha com esse princípio - o diesel acende assim que entra no cilindro.

Meu palpite é que, se a gasolina tivesse uma classificação de octanas muito mais alta do que tecnicamente, poderíamos executá-la como um diesel.

Se você misturasse diesel com ar antes que ele entrasse no cilindro e o comprimisse em um curso de compressão normal (motor Diesel), certamente detonaria antes de você chegar ao ponto morto superior. No entanto, em operação normal, o diesel é pulverizado no cilindro e queima quando sai do injetor e entra em contato com o ar aquecido. Somente o diesel que entra na câmara de combustão acende. Como não há outro combustível presente, não há nada para detonar. Os motores de ignição comandada têm todo o combustível e o ar presentes na câmara de combustão prontos e aguardando a ignição da faísca. Em seguida, uma frente de chama se move para fora da vela de ignição. Se a pressão estiver muito alta ou a temperatura muito alta ou se houver um ponto quente no cilindro, toda a mistura de ar combustível pode detonar de uma só vez. Como uma nota rodapé: - O diesel pode realmente ser usado em um motor de ignição comandada. Certa vez, tínhamos um trator com um pequeno tanque de gasolina e um grande tanque de diesel ou querosene. Você começou a gasolina, mudou para diesel quando o motor aqueceu e voltou a gasolina antes de desligar, para garantir que houvesse gasolina no carburador pronta para a próxima partida. Era impossível começar a frio com diesel e não funcionava bem com gasolina quando quente. Acredito que a taxa de compressão era maior que a gasolina normal, mas menor que o diesel normal, e a gasolina causaria detonação quando a temperatura aumentasse antes de você mudar para o diesel. para garantir que havia gasolina no carburador pronta para a próxima partida. Era impossível começar a frio com diesel e não funcionava bem com gasolina quando quente. Acredito que a taxa de compressão era maior que a gasolina normal, mas menor que o diesel normal, e a gasolina causaria detonação quando a temperatura aumentasse antes de você mudar para o diesel. para garantir que havia gasolina no carburador pronta para a próxima partida. Era impossível começar a frio com diesel e não funcionava bem com gasolina quando quente. Eu acredito que a taxa de compressão era maior que a gasolina normal, mas menor que o diesel normal, e a gasolina causaria detonação quando a temperatura aumentasse antes de você mudar para o diesel.

As outras respostas falharam em observar que a proporção ar-combustível depende da posição em que você a mede. Portanto, mesmo que a proporção média de ar-combustível em todo o cilindro seja baixa (tão baixa que a combustão não seria possível se a mistura fosse homogênea), muito perto do ponto de injeção é extremamente rica (tão rica que a combustão não é '' possível), e um pouco mais longe do ponto de injeção, é estequiométrico e, portanto, o combustível queima.

Na verdade, um motor a gasolina não precisa manter a razão estequiométrica ar-combustível. Existem motores a gasolina de injeção direta, como os diesel. Da mesma forma, um motor a gasolina de injeção direta tem muito perto da rica relação ar-combustível do ponto de injeção, mas um pouco mais distante é estequiométrico e, portanto, o combustível queima, mesmo que globalmente a proporção ar-combustível possa ser reduzida.

No entanto, o problema da proporção entre ar e combustível é que há muito oxigênio, possibilitando a queima do nitrogênio no ar em vários óxidos de nitrogênio. O NOx produzido é um poluente e, no futuro, evitará que todos os motores que usam a proporção de ar / combustível pobre cumpram os regulamentos, a menos que algum tipo de sistema SCR seja usado. Portanto, a menos que você queira adicionar fluido SCR manualmente, a única opção no futuro será um motor estequiométrico.

Porque, em um motor de ignição comandada, restringir o fluxo de ar é a única maneira de controlar as RPM do motor. Seria difícil controlar a rotação do motor variando apenas o combustível sem restringir o fluxo de ar. Isso ocorre porque, nos motores de ignição comandada, a ignição começa onde a vela está localizada e se afasta desse ponto. Enquanto nos motores de ignição por compressão, a ignição começa onde quer que o combustível esteja localizado uma vez injetado. Além disso, os motores de ignição por compressão por injeção direta não são uma mistura homogênea porque o combustível não tem tempo suficiente para se misturar na câmara de combustão antes da ignição. Você pode ver isso em um vídeo do YouTube de uma câmera dentro de um motor diesel. No vídeo, você pode literalmente ver trilhas de combustível acendendo enquanto elas pulverizam do bico injetor. Além disso, quando eu era criança, tinha um cortador de grama antigo e costumava brincar com o parafuso de ajuste da mistura e, ao tornar o motor mais enxuto, conseguia obter RPMs mais altas sem realmente mover a placa do acelerador. Eu realmente não entendo por que uma mistura de combustível mais enxuta produz uma temperatura mais alta, mas pode ser porque, como há uma distância maior entre as gotas de combustível, pois há menos delas, cada gota pode ter mais tempo para queimar e, portanto, gerar mais calor, mas não tenho certeza se isso é apenas uma teoria.

Os motores a gasolina funcionam o mais próximo possível da razão estequiométrica, porque nessa faixa, o conversor catalítico é mais eficiente .
Uma mistura rica em combustível é evitada, pois isso pode danificar o conversor.

Ar

O motor diesel não usa a placa do acelerador para o controle do ar, a placa do acelerador está sempre aberta.

Isso significa que o motor diesel sempre aspira a quantidade máxima de ar e a potência é regulada pela quantidade de combustível fornecida. Com a placa do acelerador do motor a gasolina controla a quantidade de ar que entra no motor, essa quantidade varia de acordo com a carga e, portanto, a necessidade de controle da razão ar-combustível.

Espero que ajude.