Lean-burn - Lean-burn

La combustione magra si riferisce alla combustione di carburante con un eccesso di aria in un motore a combustione interna . Nei motori a combustione magra il rapporto aria: carburante può essere magro fino a 65: 1 (in massa). Il rapporto aria / carburante necessario per bruciare stechiometricamente la benzina, al contrario, è 14,64: 1. L'eccesso di aria in un motore a combustione magra emette molti meno idrocarburi. È inoltre possibile utilizzare rapporti aria-carburante elevati per ridurre le perdite causate da altri sistemi di gestione della potenza del motore come le perdite di strozzamento.

Principio

Una modalità di masterizzazione magra è un modo per ridurre le perdite di throttling. Un motore in un tipico veicolo è dimensionato per fornire la potenza desiderata per l'accelerazione, ma deve funzionare ben al di sotto di quel punto nel normale funzionamento a velocità costante. Di solito, l'alimentazione viene interrotta chiudendo parzialmente una valvola a farfalla. Tuttavia, il lavoro extra svolto nel pompare aria attraverso l'acceleratore riduce l'efficienza. Se il rapporto carburante / aria viene ridotto, è possibile ottenere una potenza inferiore con l'acceleratore più vicino alla posizione completamente aperta e l'efficienza durante la guida normale (al di sotto della capacità di coppia massima del motore) può essere maggiore.

I motori progettati per una combustione magra possono impiegare rapporti di compressione più elevati e quindi fornire prestazioni migliori, un uso efficiente del carburante e basse emissioni di idrocarburi di scarico rispetto a quelli che si trovano nei motori a benzina convenzionali . Miscele ultra magre con rapporti aria-carburante molto elevati possono essere ottenute solo da motori a iniezione diretta .

Lo svantaggio principale della combustione magra è che è necessario un complesso sistema di conversione catalitica per ridurre le emissioni di NOx . I motori a combustione magra non funzionano bene con il moderno convertitore catalitico a 3 vie, che richiede un bilanciamento degli inquinanti alla porta di scarico in modo da poter eseguire reazioni di ossidazione e riduzione, quindi la maggior parte dei motori moderni tende a girare e decelerare in corrispondenza o vicino al punto stechiometrico .

Chrysler Electronic Lean-Burn

Dal 1976 al 1989, Chrysler ha equipaggiato molti veicoli con il loro sistema ELB (Electronic Lean-Burn) , che consisteva in un computer per il controllo delle scintille e vari sensori e trasduttori . Il computer ha regolato la fasatura della scintilla in base al vuoto del collettore, alla velocità del motore, alla temperatura del motore, alla posizione dell'acceleratore nel tempo e alla temperatura dell'aria in entrata. I motori equipaggiati con ELB utilizzavano distributori a fasatura fissa senza i tradizionali meccanismi di vuoto e anticipo centrifugo. Il computer ELB guidava anche direttamente la bobina di accensione, eliminando la necessità di un modulo di accensione separato.

ELB è stato prodotto in entrambe le varianti a ciclo aperto e a circuito chiuso; i sistemi a circuito aperto hanno prodotto scarichi abbastanza puliti per molte varianti di veicoli così equipaggiati per passare i regolamenti sulle emissioni federali degli Stati Uniti del 1976 e 1977 e i regolamenti sulle emissioni canadesi fino al 1980, senza un convertitore catalitico . La versione a circuito chiuso di ELB utilizzava un sensore di ossigeno e un carburatore di feedback , ed è stata introdotta gradualmente in produzione poiché le normative sulle emissioni sono diventate più rigorose a partire dal 1981, ma l'ELB a circuito aperto è stato utilizzato fino al 1990 nei mercati con normative sulle emissioni lassiste, il veicoli come la Chrysler Spirit messicana . Il controllo della scintilla e le strategie di rilevamento e trasduzione dei parametri del motore introdotte con ELB sono rimaste in uso fino al 1995 sui veicoli Chrysler dotati di iniezione del carburante nel corpo farfallato .

Motori a gas per impieghi gravosi

I concetti di combustione magra vengono spesso utilizzati per la progettazione di motori alimentati a gas naturale , biogas e gas di petrolio liquefatto (GPL) per impieghi gravosi . Questi motori possono essere a combustione magra a tempo pieno, in cui il motore funziona con una miscela aria-carburante debole indipendentemente dal carico e dalla velocità del motore, oppure a combustione magra part-time (nota anche come "miscela povera" o "miscela magra" ), in cui il motore funziona in magro solo a basso carico e ad alti regimi, tornando a una miscela stechiometrica aria-carburante in altri casi.

I motori a gas a combustione magra per impieghi gravosi immettono nelle camere di combustione il doppio di aria rispetto a quella teoricamente necessaria per la combustione completa. Le miscele aria-carburante estremamente deboli portano a temperature di combustione più basse e quindi a una minore formazione di NOx. Sebbene i motori a gas a combustione magra offrano efficienze termiche teoriche più elevate, la risposta ai transienti e le prestazioni possono essere compromesse in determinate situazioni. Tuttavia, i progressi nel controllo del carburante e nella tecnologia a circuito chiuso da parte di aziende come Repower nordamericana hanno portato alla produzione di moderni motori per impieghi gravosi a combustione magra certificati CARB da utilizzare nelle flotte di veicoli commerciali. I motori a gas a combustione magra sono quasi sempre turbocompressi, il che si traduce in valori di potenza e coppia elevati non ottenibili con motori stechiometrici a causa delle alte temperature di combustione.

I motori a gas per impieghi gravosi possono impiegare camere di precombustione nella testata del cilindro. Una miscela povera di aria e gas viene prima altamente compressa nella camera principale dal pistone. Una miscela gas / aria molto più ricca, anche se di volume molto inferiore, viene introdotta nella camera di precombustione e accesa dalla candela. Il fronte di fiamma si diffonde alla miscela di aria di gas magro nel cilindro.

Questa combustione a combustione magra a due stadi produce basse emissioni di NOx e nessuna emissione di particolato. L'efficienza termica è migliore se si ottengono rapporti di compressione più elevati.

I produttori di motori a gas a combustione magra per impieghi gravosi includono MTU , Cummins , Caterpillar , MWM , GE Jenbacher , MAN Diesel & Turbo , Wärtsilä , Mitsubishi Heavy Industries , Dresser-Rand Guascor , Waukesha Engine e Rolls-Royce Holdings .

Sistemi Honda a combustione magra

Una delle più recenti tecnologie a combustione magra disponibili nelle automobili attualmente in produzione utilizza un controllo molto preciso dell'iniezione di carburante, un forte vortice aria-carburante creato nella camera di combustione, un nuovo sensore lineare aria-carburante ( sensore O2 di tipo LAF ) e un - bruciare il catalizzatore di NOx per ridurre ulteriormente le emissioni di NOx risultanti che aumentano in condizioni di "combustione magra" e soddisfare i requisiti sulle emissioni di NOx.

Questo approccio a carica stratificata per la combustione a combustione magra significa che il rapporto aria-carburante non è uguale in tutto il cilindro. Invece, un controllo preciso sull'iniezione del carburante e sulla dinamica del flusso di aspirazione consente una maggiore concentrazione di carburante più vicino alla punta della candela (più ricca), necessaria per una corretta accensione e propagazione della fiamma per una combustione completa. Il resto della carica di aspirazione dei cilindri è progressivamente più snello con un rapporto aria: carburante medio complessivo che rientra nella categoria di combustione magra fino a 22: 1.

I motori Honda più vecchi che utilizzavano la combustione magra (non tutti lo facevano) ottennero questo risultato avendo un sistema di alimentazione e aspirazione parallelo che alimentava una precamera con il rapporto "ideale" per la combustione iniziale. Questa miscela in fiamme è stata quindi aperta alla camera principale dove una miscela molto più grande e più snella si è quindi accesa per fornire potenza sufficiente. Durante il periodo in cui questo progetto era in produzione, questo sistema ( CVCC, Compound Vortex Controlled Combustion ) consentiva principalmente emissioni inferiori senza la necessità di un convertitore catalitico . Questi erano motori a carburatore e la relativa natura "imprecisa" di tali limitate capacità MPG del concetto che ora sotto MPI (Multi-Port fuel Injection) consente anche un MPG più alto.

La nuova carica stratificata Honda (motori a combustione magra) funziona con rapporti aria-carburante fino a 22: 1. La quantità di carburante aspirata nel motore è molto inferiore a quella di un tipico motore a benzina, che funziona a 14,7: 1, l'ideale stechiometrico chimico per una combustione completa quando si calcola la media della benzina secondo lo standard C8H18 accettato dalle industrie petrolchimiche.

Questa capacità di combustione magra per la necessità dei limiti della fisica e la chimica della combustione come si applica a un motore a benzina corrente deve essere limitata a condizioni di carico leggero e bassi regimi. È necessario un punto di interruzione della velocità "massima" poiché le miscele di benzina più magre bruciano più lentamente e per produrre potenza la combustione deve essere "completa" prima che la valvola di scarico si apra.

Applicazioni

Applicazioni del motore Honda a combustione magra
Peso a vuoto Consumo di carburante, modalità Giappone 10-15 Capacità della tanica di benzina Gamma
Anni Modello Motore kg lbs L / 100 km km / L mpg UK mpg US L gal UK gal US km miglio Appunti
1991–95 Civic ETi D15B 930 2050 4.8 20.8 59 49 45 9.9 11.9 938 583 Manuale 5spd, portello 3dr, VTEC-E
1995–2000 Civic VTi D15B 1010 2226 5.0 20.0 56 47 45 9.9 11.9 900 559 Manuale 5spd, portello 3dr, VTEC a 3 stadi
1995–2000 Civic Vi D15B 1030 2226 5.3 18.9 53 44 45 9.9 11.9 849 528 Manuale 5spd, berlina 5dr, VTEC a 3 stadi
2000-2006 intuizione ECA1 838 1847 3.4 29.4 84 70 40.2 8.8 10.6 1194 742 Manuale 5spd, no AC

Motori Toyota a combustione magra

Nel 1984, Toyota ha rilasciato il motore 4A-ELU . Questo è stato il primo motore al mondo a utilizzare un sistema di controllo della combustione a combustione magra con un sensore di miscela magra, Toyota chiamato "TTC-L" ( Toyota Total Clean -Lean-Burn). È stato utilizzato in Giappone su Toyota Carina T150 in sostituzione dell'approccio di ricircolo dei gas di scarico TTC-V (Vortex) utilizzato in precedenza, Toyota Corolla E80 e Toyota Sprinter . Il sensore di miscela povera è stato fornito nel sistema di scarico per rilevare rapporti aria-carburante più magri del rapporto aria-carburante teorico. Il volume di iniezione del carburante è stato quindi controllato accuratamente da un computer utilizzando questo segnale di rilevamento per ottenere un feedback del rapporto aria-carburante magro. Per una combustione ottimale, sono stati applicati i seguenti elementi: iniezione indipendente dal programma che modificava accuratamente il volume di iniezione e la fasatura per i singoli cilindri, candele in platino per migliorare le prestazioni di accensione con miscele magre e accenditori ad alte prestazioni.

Le versioni a combustione magra dei motori a 4 cilindri da 1587 cc 4A-FE e 1762 cc 7A-FE hanno 2 valvole di aspirazione e 2 valvole di scarico per cilindro. Toyota utilizza una serie di farfalle per limitare il flusso in ogni secondo corridore di ingresso durante il funzionamento a combustione magra. Questo crea una grande quantità di vortice nella camera di combustione. Gli iniettori sono montati nella testa, piuttosto che convenzionalmente nel collettore di aspirazione. Rapporto di compressione 9,5: 1. Il motore 3S-FSE da 1998 cc è un motore a benzina a iniezione diretta a combustione magra. Rapporto di compressione 10: 1.

Applicazioni

Applicazioni del motore a combustione magra Toyota
Peso a vuoto Consumo di carburante, modalità Giappone 10-15 Capacità della tanica di benzina Gamma
Anni Modello Motore kg lbs L / 100 km km / L mpg UK mpg US L gal UK gal US km miglio Appunti
1984–88 Carina T150 4A-ELU 950 2100 5.6 17.0 50 41 60 13.2 15.9 1056 656 Manuale 5spd
1994-1996 Carina SG-i SX-i 4A-FE 1040 2292 5.6 17.6 50 41 60 13.2 15.9 1056 656 Manuale 5spd
1994-1996 Carina SG-i SX-i 7A-FE 1040 2292 5.6 17.6 50 41 60 13.2 15.9 1056 656 Manuale 5spd
1996-2001 Carina Si 7A-FE 1120 2468 5.5 18.0 51 42 60 13.2 15.9 1080 671 Manuale 5spd
1996–2000 Corona Premio E 7A-FE 1120 2468 5.5 18.0 51 42 60 13.2 15.9 1080 671 Manuale 5spd
1998-2000 Corona Premio G 3S-FSE 1200 2645 5.8 17.2 49 41 60 13.2 15.9 1034 643 Auto
1996–97 Caldina FZ CZ 7A-FE 1140 2513 5.6 17.6 50 41 60 13.2 15.9 1056 656 Manuale 5spd
1997-2002 Caldina E 7A-FE 1200 2645 5.6 17.6 50 41 60 13.2 15.9 1056 656 Manuale 5spd
1997-2002 Spacio 7A-FE Auto

Motori Nissan a combustione magra

I motori Nissan QG sono un design a 4 valvole DOHC in alluminio a combustione magra con fasatura variabile delle valvole e iniezione diretta NEO Di opzionale . Il QG15DE da 1497 cc ha un rapporto di compressione di 9,9: 1 e il QG18DE da 1769 cc di 9,5: 1.

Applicazioni

Applicazioni del motore Nissan a combustione magra
Peso a vuoto Consumo di carburante, modalità Giappone 10-15 Capacità della tanica di benzina Gamma
Anni Modello Motore kg lbs L / 100 km km / L mpg UK mpg US L gal UK gal US km miglio Appunti
1998-2001 Soleggiato QG15DE 1060 2865 5.3 18.9 53 44 50 11 13.2 943 586 Manuale 5spd, berlina 4dr
1998-2001 Bluebird QG18DE 1180 2600 5.8 17.2 49 41 60 13.2 15.9 1035 643 Manuale 5spd, berlina 4dr
1998-2001 Primera QG18DE 1180 2600 5.8 17.2 49 41 60 13.2 15.9 1035 643 556 Manuale 5 velocità, carro 5 porte

Vortice verticale Mitsubishi (MVV)

Nel 1991, Mitsubishi sviluppò e iniziò a produrre il sistema a combustione magra MVV (Mitsubishi Vertical Vortex) utilizzato per la prima volta nel motore Mitsubishi da 1.468 cc a camme in testa da 1.5 L 4G15 a 4 cilindri in linea. Il motore a vortice verticale ha un regime al minimo di 600 giri / min e un rapporto di compressione di 9,4: 1 rispetto ai rispettivi valori di 700 giri / min e 9,2: 1 per la versione convenzionale. Il motore MVV a combustione magra può raggiungere una combustione completa con un rapporto aria-carburante fino a 25: 1, questo vanta un guadagno del 10-20% in termini di risparmio di carburante (sul ciclo urbano giapponese a 10 modalità) nei test al banco rispetto al suo propulsore MPI convenzionale della stessa cilindrata, il che significa minori emissioni di CO 2 .

Il cuore del sistema MVV di Mitsubishi è il sensore lineare di ossigeno dei gas di scarico del rapporto aria-carburante. Rispetto ai sensori di ossigeno standard, che essenzialmente sono interruttori on-off impostati su un singolo rapporto aria / carburante, il sensore di ossigeno magro è più un dispositivo di misurazione che copre l'intervallo del rapporto aria / carburante da circa 15: 1 a 26: 1.

Per accelerare la combustione altrimenti lenta di miscele magre, il motore MVV utilizza due valvole di aspirazione e una valvola di scarico per cilindro. Le luci di aspirazione separate appositamente sagomate (design a doppia porta di aspirazione) hanno le stesse dimensioni, ma solo una porta riceve il carburante da un iniettore. Questo crea due vortici verticali di identiche dimensioni, forza e velocità di rotazione all'interno della camera di combustione durante la corsa di aspirazione: un vortice d'aria, l'altro di una miscela aria / carburante. I due vortici rimangono anche strati indipendenti per la maggior parte della corsa di compressione.

Verso la fine della corsa di compressione, gli strati collassano in minuscole turbolenze uniformi, che promuovono efficacemente le caratteristiche di combustione magra. Ancora più importante, l'accensione si verifica nelle fasi iniziali di rottura degli strati separati mentre esistono ancora quantità sostanziali di ciascuno strato. Poiché la candela si trova più vicino al vortice costituito dalla miscela aria / carburante, l'accensione si verifica in un'area della camera di combustione del tipo pentroof dove la densità del carburante è maggiore. La fiamma si diffonde quindi attraverso la camera di combustione attraverso le piccole turbolenze. Ciò fornisce una combustione stabile anche a livelli normali di energia di accensione, realizzando così una combustione magra.

Il computer del motore memorizza i rapporti aria-carburante ottimali per tutte le condizioni di funzionamento del motore, da magro (per il funzionamento normale) a più ricco (per forti accelerazioni) e tutti i punti intermedi. I sensori di ossigeno a gamma completa (utilizzati per la prima volta) forniscono informazioni essenziali che consentono ai computer di regolare correttamente l'erogazione di carburante.

Motori diesel

Tutti i motori diesel possono essere considerati a combustione magra rispetto al volume totale, tuttavia il carburante e l'aria non sono ben miscelati prima della combustione. La maggior parte della combustione avviene in zone ricche attorno a piccole goccioline di carburante. La combustione ricca a livello locale è una fonte di emissioni di particolato (PM).

Guarda anche

Note a piè di pagina

Citazioni

Riferimenti