Aprendi nesta pergunta que operar um motor com baixo consumo de combustível aumentará a temperatura da ignição, entre outras coisas, como causar problemas com o conversor catalítico. Não faço ideia de como ou por quê.
Como e por que exatamente o combustível combustível magro (ou rico em oxigênio) aumenta a temperatura da ignição?
Respostas:
Você tem uma descrição qualitativa do que acontece, mas vamos dividi-la em uma escala menor. Quando falamos sobre "temperatura" de alguma coisa, estamos realmente falando sobre a rapidez com que as moléculas se movem e ricocheteiam umas nas outras. "Temperatura" é realmente "energia cinética". E acontece que existem outros tipos de energia além de se movimentar no espaço - as moléculas podem girar, elas podem vibrar e seus elétrons podem se excitar e se movimentar em relação ao núcleo. Cada uma dessas energias também pode ser uma "temperatura", para que você possa ter temperatura de translação (o que normalmente pensamos), mas pode ter temperatura de rotação, temperatura de vibração e temperatura eletrônica.
As moléculas trocam energia umas com as outras colidindo umas com as outras. Quando eles fazem isso, eles também distribuem a energia entre eles. A frequência com que colidem determina com que rapidez a energia se torna uniforme e isso define com que rapidez eles alcançam o que é chamado de equilíbrio. Quando todas as diferentes temperaturas são iguais, o estado está em equilíbrio e não precisamos nos preocupar em acompanhar todos os diferentes tipos de temperatura. Para a maioria dos processos que ocorreriam em um mecanismo, há tempo mais do que suficiente para alcançar o equilíbrio e, portanto, não precisamos nos preocupar muito com os efeitos do não-equilíbrio.
Agora, nas reações químicas, as moléculas se separam e formam novas. Se os novos tiverem menos energia, a diferença de energia será liberada como calor. Se os novos tiverem mais energia, a reação requer a adição de energia para que isso aconteça. Obviamente, os motores esquentam, então as reações neles liberam energia e nós aproveitamos essa energia para mover o veículo.
Então, as moléculas se separam. E eles se separam quando começam a vibrar com tanta força que os laços entre os átomos não conseguem mantê-los juntos. A única maneira de fazer a molécula vibrar é colidir com outra molécula, com energia suficiente e uma transferência de energia eficiente o suficiente para iniciar as vibrações. E a energia precisa ser alta o suficiente para que a vibração faça com que as moléculas se desmoronem.
Ao alterar a quantidade de combustível na mistura, você está alterando os tipos de colisões que podem ocorrer. E não é exatamente simples, mas algumas moléculas são melhores em trocar energia com outras. Para fazer a molécula de combustível desmoronar, eles precisam colidir com outras moléculas de combustível com alguma energia ou outras moléculas de oxigênio com mais energia. Se você adicionar mais do que a quantidade usual de oxigênio (escoar), também será necessário aquecer o oxigênio para que as moléculas tenham mais energia quando colidirem e possam fazer com que o combustível vibre com força suficiente para desmoronar. Por outro lado, se você ficar rico em combustível, terá mais moléculas de combustível que podem colidir umas com as outras e desmoronar, mas menos moléculas de oxigênio para combinar e liberar calor. Isso (e alguns outros efeitos) diminui a temperatura final da chama.
Com base em uma conversa prolongada sobre a questão, vamos colocar tudo isso de volta no contexto de um mecanismo. Para um motor a gás de injeção direta, o ar é aspirado para o cilindro, o pistão o comprime e, em seguida, o combustível é pulverizado no cilindro. Uma vela de ignição então aciona uma faísca na câmara. Essa deposição de elétrons deixa as moléculas da mistura combustível-ar excitadas - na verdade, ioniza o ar (retira elétrons das moléculas) e isso tudo adiciona um monte de energia às moléculas. Essa energia é a energia inicial necessária para iniciar a combustão.
Para uma condição de baixo consumo de combustível, eu disse que é preciso mais energia para iniciar a reação e a expressei em termos de uma temperatura de ignição mais alta. A temperatura de ignição vem dessa vela de ignição (para um motor frio - os motores quentes também contribuem com o calor dos próprios cilindros). Para condições operacionais normais, as velas de ignição fornecem energia mais que suficiente para acender. À medida que a condição operacional diminui, a vela fornece a mesma quantidade de energia - mas ainda há energia suficiente para acender. Eventualmente, para condições enxutas o suficiente, não haverá energia suficiente. Isso é uma falha de ignição enxuta .
Os motores a diesel funcionam de maneira diferente. Por uma questão de argumento, vamos continuar com uma injeção direta novamente. O cilindro se enche de ar, o pistão o comprime e o combustível é injetado. Não há faísca para iniciar a reação embora. Os motores a diesel dependem apenas da criação de pressões suficientemente altas para inflamar a mistura. Alta pressão significa alta densidade e isso significa mais colisões para espalhar a energia (as moléculas não precisam ir tão longe para atingir uma à outra). De qualquer forma, as mesmas idéias se aplicam. Em condições magras, seria necessária uma pressão mais alta para inflamar. Em condições ideais, o motor comprime mais do que o necessário, portanto, quando funciona com pouca carga de combustível, ainda tem compressão suficiente para acender. Se você for tão magro que a compressão não estiver mais alta o suficiente, você receberá novamente uma falha de ignição enxuta. As velas incandescentes podem ajudar tudo isso aquecendo os cilindros e ajudando a adicionar calor à mistura e fazer as reações acontecerem.
Em qualquer um dos motores, uma vez que estejam em funcionamento por um tempo, as paredes do cilindro esquentam e requerem menos entrada (de faíscas ou de compressão) para fazer a reação ocorrer. Mas para motores a frio, ele precisa dessa deposição inicial de energia para que as reações avancem. Muitas ECUs estão programadas para queimar combustível quando o motor está começando, porque é mais fácil acender; à medida que aquecem, a mistura se torna mais enxuta e reduz as emissões e o consumo de combustível. Você pode estar familiarizado com os afogadores manuais em coisas como cortadores de grama - o afogador é o que altera a mistura combustível-ar e, para dar a partida no motor, você precisa configurá-lo para ser rico em combustível.
Para os interessados, com base na discussão que tivemos nos vários tópicos de comentários, fui adiante e dei um exemplo concreto de como / por que a temperatura pode aumentar quando a chama é pobre em combustível. A conversa no chat está marcada aqui .
Engraçado você deve perguntar a este Max :)
Primeiro vamos ter certeza de nossa definição. Operar com uma inclinação do motor significa alterar a proporção ar / combustível para obter mais ar do que o ideal (14,7: 1 ar para combustível).
Na minha leitura, existem dois efeitos.
Primeiro, o combustível é um líquido atomizado que tem um efeito de resfriamento na câmara de combustão. Então, menos combustível, menos efeito de resfriamento.
Segundo, as chamas queimam mais rápido e mais quente na presença de mais oxigênio. Mais ar em relação ao combustível do que o habitual significa mais oxigênio do que o habitual. Então a chama queima mais quente e mais rápido do que deveria. Ambos vão aumentar a temperatura da câmara de combustão.
Ótima pergunta, eu estava curioso sobre isso, então comecei a ler sobre isso.
Espero que ajude!
Se você já viu uma tocha de oxi-acetileno sendo usada, notou que, antes de ligar o oxigênio, a tocha tem uma chama amarela brilhante. Esse é o combustível queimando em uma quantidade abaixo do ideal de oxigênio. A chama é relativamente fria e produz muita fuligem.
Quando o oxigênio é ligado, a chama fica azul e fica quente o suficiente para derreter o aço.
Você também pode ter visto quando muito oxigênio é ativado, a chama se apaga com um estalo.
O consumo de combustível é o mesmo que o oxigênio.
Em um motor, o combustível quer queimar com eficiência, mas não com muito calor, para começar a derreter os pistões, ou talvez até explodir violentamente, o que também causará danos.
Infelizmente, uma mistura estequiométrica queima muito quente e pode danificar os componentes do motor se o motor for colocado sob alta carga nessa mistura combustível-ar. Devido às altas temperaturas nessa mistura, é possível detonar a mistura combustível-ar logo após a pressão máxima do cilindro sob alta carga (conhecida como bater ou bater). A detonação pode causar sérios danos ao motor, pois a queima descontrolada da mistura de ar de combustível pode criar pressões muito altas no cilindro. Como conseqüência, as misturas estequiométricas são usadas apenas sob condições de carga leve. Para condições de aceleração e alta carga, uma mistura mais rica (menor relação ar / combustível) é usada para produzir produtos de combustão mais frios e, assim, evitar a detonação e o superaquecimento da cabeça do cilindro.
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Air –fuel_ratio
Desculpe, mas não consigo fazer o link funcionar - copie e cole no navegador.
O motor de temperatura aumenta porque a ignição do combustível é mais lenta . Demora mais tempo para o combustível queimar porque há menos.
O combustível em si tem a mesma quantidade de BTUs disponíveis, queimando-o, se você usa oxigênio extra ou não. PERÍODO. Quando você sopra as brasas do fogo, elas ficam mais quentes, mas queimam mais rápido. Eles liberam a mesma quantidade de calor, mas em um período muito menor de tempo.
Imagine seu cilindro como uma cabine no inverno. Se você pegasse um tronco e o queimasse em um minuto, os itens perto do fogão onde esse registro estava queimando esquentariam significativamente e talvez derreteriam, mas a maior parte do calor passaria pela chaminé. Se você tivesse apenas um registro por hora, a sala ficaria muito fria na maior parte do tempo. Pegue o mesmo tronco e queime-o lentamente por uma hora antes de substituí-lo por outro e menos calor sai pelo escapamento e permanece na sala.
A razão pela qual o motor fica mais quente é que o combustível que queima mais lentamente transfere mais calor para as partes circundantes do motor.
Todos vocês se esquecem de algo, a razão pela qual a ligeira queima magra pode ser mais quente que as relações estociomnétricas é muito simples. Tem a ver com a injeção do combustível. Para que a relação estiométrica funcione conforme o planejado, todo átomo de oxigênio teria que se unir perfeitamente a uma molécula de combustível antes da ignição. Isso simplesmente não é possível, então você tem moléculas de combustível não queimadas em sua combustão.
Ao adicionar um pouco mais de ar à mistura, você pode garantir que todo o seu combustível seja queimado em um nível mais alto, o que, a longo prazo, aumentará a temperatura da sua combustão, acrescentará muito e a capacidade de calor do excesso de ar diminuirá a temperatura.
Paramos aqui depois de olhar em volta sem muito sucesso para uma boa explicação sobre superaquecimento devido à queima lenta em um motor. Aqui estão meus dois centavos sobre o assunto:
1- É sabido e documentado que o pico ou a temperatura máxima de combustão é mais baixa, pois a razão ar / combustível atmosférico se desvia da estequiométrica, de modo que uma combustão enxuta gera uma temperatura de pico mais baixa em comparação com a estequiométrica, 14,7: 1 para gasolina, por exemplo. Embora uma combustão magra possa ser mais completa, a temperatura de pico de combustão é mais baixa devido ao efeito de resfriamento do nitrogênio atmosférico inerte adicional em uma configuração magra. Lembre-se de que o ar atmosférico contém uma quantidade significativa de nitrogênio inerte e que o antigo problema da Popular Popular nos contou sobre o projeto de Smokey Yunick de um motor adiabático e suas tentativas de instalar um filtro de remoção de nitrogênio?
2- Também é sabido que a velocidade de qualquer reação química diminui à medida que a concentração do reativo diminui. Também é esperado, porque, à medida que as moléculas de combustível se afastam, há menos chance de promover uma reação em cadeia, reduzindo significativamente a velocidade da combustão.
3- Além disso, a quantidade total de calor gerado diminui durante a queima magra conforme o esperado, devido ao menor teor de combustível ou calorias envolvido em uma combustão magra. Então, por que o resultado inesperado do superaquecimento do motor?
4- Não se trata de menos resfriamento disponível a partir da evaporação do combustível líquido, está mais relacionado ao balanço energético geral do motor. À medida que a combustão fica mais lenta, uma porção maior de energia térmica não pode ser convertida como energia de trabalho do eixo e, portanto, é principalmente expelida como calor residual através da porta de exaustão. Da mesma forma, se o tempo de ignição for retardado, longe do ideal ... o calor de combustão magra, embora menor, não pode ser convertido adequadamente no trabalho do eixo, porque a combustão foi tão tarde que está fora de sincronia com o movimento do motor. pistões. É por isso que a Toyota avançou o tempo de ignição em seus motores Lean Burning anteriores, quando ativou esse modo. Então, para onde vai o calor que não pode ser convertido em trabalho de eixo? ... devido às leis de Conservação de Energia, ele será exibido em algum lugar ... bem,
Basicamente, à medida que a combustão diminui, o motor começa a perder parte de sua eficiência para converter energia de combustão em energia mecânica e, assim, trabalha mais perto de um simples forno de combustível adequado para o aquecimento. Os sintomas desse tipo de superaquecimento são válvulas de exaustão queimadas, tom diferente no ruído de exaustão e até coletor de exaustão incandescente, semelhante a um motor funcionando com um tempo de ignição muito retardado. No caso de injeção nitrosa, apesar do nitroso ter bastante efeito de resfriamento, se acidentalmente a combustão ficar muito lenta devido à falta de combustível, o motor derrete literalmente. Nesse caso, apesar da proporção de combustível ser muito baixa, a quantidade de combustível envolvida ou o conteúdo calórico ainda pode ser significativamente maior do que em um motor normal; portanto, ainda mais energia térmica não será convertida no trabalho do eixo,
Eu acho que as respostas estão incorretas. Porque a suposição da pergunta está incorreta. Primeiro, temos que decidir mais quente do que o que? e também precisamos saber que isso é um fato, é realmente mais quente ou é um mito? Além disso, a quantidade da razão combustível / oxigênio é importante; essa condição é sempre verdadeira para todas as proporções enxutas? Talvez a pergunta correta seja por que a mistura magra "levemente" é mais quente que a mistura rica "levemente", talvez?
A produção de energia térmica do combustível está simplesmente relacionada à quantidade que você queima. Você queima menos, menos calor é gerado. Você queima mais, mais calor é gerado. Tão simples como isso. Aqui, o que cria o calor é a energia armazenada no combustível (por exemplo, outros fatores como pressões, atritos etc. não são importantes).
Se você estiver comparando uma mistura rica com uma mistura magra, é claro que a mistura magra terá uma maior produção de energia porque você converteria todo o combustível em energia. (mais combustível queimado = mais calor) Mas ainda depende das proporções da sua mistura, porque se você quase não tiver combustível na mistura, obviamente não gerará tanta energia.
Se você está comparando uma mistura ideal com uma mistura enxuta, acho que deve ser ainda mais frio (menos energia térmica gerada pela combustão), pois você estaria recebendo menos combustível e mais oxigênio na câmara.