La combustión 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 gasolina estequiométricamente , en cambio, es de 14,64:1. El exceso de aire en un motor de combustión pobre emite muchos menos hidrocarburos. Las relaciones aire-combustible altas también se pueden utilizar para reducir las pérdidas causadas por otros sistemas de gestión de potencia del motor, como las pérdidas por estrangulamiento.
El modo de combustión pobre es una forma de reducir las pérdidas por estrangulamiento. El motor de un vehículo típico está dimensionado para proporcionar la potencia deseada para la aceleración, pero debe funcionar muy por debajo de ese punto en un funcionamiento normal a velocidad constante. Por lo general, la potencia se corta cerrando parcialmente el acelerador. Sin embargo, el trabajo adicional que se realiza al hacer pasar aire por el acelerador reduce la eficiencia. Si se reduce la relación combustible/aire, se puede lograr una potencia menor con el acelerador casi completamente abierto y la eficiencia durante la conducción normal (por debajo de la capacidad máxima de par del motor) puede ser mayor.
Los motores diseñados para una combustión pobre pueden emplear relaciones de compresión más altas y, por lo tanto, proporcionar un mejor rendimiento, un uso eficiente del combustible y menores emisiones de hidrocarburos en el escape que los que se encuentran en los motores de gasolina convencionales . Las mezclas ultrapobres con relaciones aire-combustible muy altas solo se pueden lograr con motores de inyección directa .
La principal desventaja de la combustión pobre es que se requiere un sistema de convertidor catalítico complejo para reducir las emisiones de NOx . Los motores de combustión pobre no funcionan bien con los convertidores catalíticos de tres vías modernos (que requieren un equilibrio de contaminantes en el puerto de escape para poder llevar a cabo reacciones de oxidación y reducción), por lo que la mayoría de los motores modernos tienden a funcionar a velocidad de crucero y desacelerar en el punto estequiométrico o cerca de él .
Desde 1976 hasta 1989, Chrysler equipó muchos vehículos con su sistema de combustión pobre electrónica (ELB) , que consistía en una computadora de control de chispa y varios sensores y transductores . La computadora ajustaba la sincronización de la chispa en función del 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 centrífugo y de vacío. La computadora ELB también accionaba directamente la bobina de encendido, lo que eliminaba la necesidad de un módulo de encendido independiente.
El ELB se produjo en variantes de circuito abierto y circuito cerrado; los sistemas de circuito abierto producían gases de escape lo suficientemente limpios para que muchas variantes de vehículos equipados con ellos pasaran las regulaciones federales de emisiones de los EE. UU. de 1976 y 1977 , y las regulaciones de emisiones canadienses hasta 1980, sin un convertidor catalítico . La versión de circuito cerrado del ELB usaba un sensor de oxígeno y un carburador de retroalimentación , y se comenzó a producir gradualmente 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. Las estrategias de control de chispa y detección y transducción de parámetros del motor introducidas con el ELB se mantuvieron en uso hasta 1995 en los vehículos Chrysler equipados con inyección de combustible en el cuerpo del acelerador . [ cita requerida ]
Los conceptos de combustión 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 a 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 a tiempo parcial (también conocida como "mezcla pobre" o "mezcla pobre mixta"), donde el motor funciona pobremente solo durante cargas bajas y a velocidades altas del motor, volviendo a una mezcla estequiométrica de aire y combustible en otros casos.
Los motores de gas de combustión pobre para trabajo pesado admiten el doble [1] de aire que el que se necesita teóricamente para una combustión completa en las cámaras de combustión. Las mezclas de aire y 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 mayores eficiencias térmicas teóricas, la respuesta transitoria y el rendimiento pueden verse comprometidos en ciertas situaciones. Sin embargo, los avances en el control del combustible y la tecnología de circuito cerrado de empresas como North American Repower han llevado a la producción de modernos motores de combustión pobre para trabajo pesado certificados por CARB para su uso en flotas de vehículos comerciales. [2] Los motores de gas de combustión pobre casi siempre están turboalimentados, lo que da como resultado cifras altas de 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. Primero, el pistón comprime fuertemente una mezcla pobre de aire y gas en la cámara principal. Luego, se introduce una mezcla de aire y gas mucho más rica, aunque de mucho menor volumen, en la cámara de precombustión y se enciende mediante una bujía. El frente de llama se extiende a la mezcla pobre de aire y gas en el cilindro.
Esta combustión pobre en dos etapas produce bajas emisiones de NOx y ninguna emisión de partículas. La eficiencia térmica es mejor ya 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 .
Una de las tecnologías de combustión pobre más nuevas disponibles actualmente [ ¿cuándo? ] en los automóviles en producción utiliza un control muy preciso de la inyección de combustible, un fuerte remolino de aire-combustible creado en la cámara de combustión, un nuevo sensor de aire-combustible lineal ( sensor O2 tipo LAF ) y un catalizador de NOx de combustión pobre para reducir aún más las emisiones de NOx resultantes que aumentan en condiciones de "combustión pobre" y cumplir con los requisitos de emisiones de NOx .
Este enfoque de carga estratificada para la combustión pobre significa que la relación aire-combustible no es igual en todo el cilindro. En cambio, el control preciso sobre la inyección de combustible y la dinámica del flujo de admisión permite una mayor concentración de combustible más cerca de la punta de la bujía (más rico), lo que se requiere para un encendido exitoso y la propagación de la llama para una combustión completa. La carga de admisión del resto de los cilindros es progresivamente más pobre con una relación aire-combustible promedio general que cae en la categoría de combustión pobre de hasta 22:1.
Los motores Honda más antiguos que utilizaban combustión pobre (no todos lo hacían) conseguían esto al tener un sistema de admisión y combustible paralelo que alimentaba una precámara con la proporción "ideal" para la combustión inicial. Esta mezcla ardiente se abría luego a la cámara principal donde se encendía una mezcla mucho más grande y pobre para proporcionar suficiente potencia. Durante el tiempo en 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 relativamente "imprecisa" de tales limitaba las capacidades de MPG del concepto que ahora bajo MPI (Inyección de combustible Multi-Puerto) también permite un MPG más alto.
Los motores de combustión pobre de carga estratificada más nuevos de Honda funcionan con relaciones aire-combustible de hasta 22:1. La cantidad de combustible que ingresa al motor es mucho menor que la de un motor de gasolina típico, que funciona a 14,7:1, la estequiométrica química ideal para una combustión completa cuando se promedia la gasolina con el estándar aceptado por las industrias petroquímicas de C 8 H 18 .
Esta capacidad de combustión pobre, debido a 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 liviana y RPM más bajas. Se requiere un punto de corte de velocidad "máxima", ya que las mezclas de combustible de gasolina más pobres se queman más lentamente y para que se produzca potencia, la combustión debe estar "completa" para cuando se abre la válvula de escape.
En 1984, Toyota lanzó el motor 4A-ELU . Este fue el primer motor del mundo en utilizar un sistema de control de combustión de mezcla pobre con un sensor de mezcla pobre, llamado "TTC-L" ( Toyota Total Clean -Lean-Burn) por Toyota. Toyota también se refirió a un sistema de combustión pobre anterior como "Turbulence Generating Pot" (TGP). TTC-L se utilizó 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 controlado con precisión por una computadora usando esta señal de detección para lograr una retroalimentación de relación aire-combustible pobre. Para una combustión óptima, se aplicaron los siguientes elementos: inyección independiente del programa que cambió con precisión el volumen y el tiempo de inyección para cilindros individuales, bujías de platino para mejorar el rendimiento del encendido con mezclas pobres y encendedores de alto rendimiento. [6]
Las versiones de combustión pobre de los motores de 4 cilindros 4A-FE de 1587 cc y 7A-FE de 1762 cc tienen 2 válvulas de admisión y 2 válvulas de escape por cilindro. Toyota utiliza un conjunto de mariposas para restringir el flujo en cada segundo conducto de admisión durante el funcionamiento de combustión pobre. Esto crea una gran cantidad de remolinos en la cámara de combustión. Los inyectores están montados en la culata, en lugar de en el colector de admisión, como es habitual. Relación de compresión 9,5:1. [7] El motor 3S-FSE de 1998 cc es un motor de gasolina de combustión pobre con inyección directa. Relación de compresión 10:1. [8]
Los motores Nissan QG tienen un diseño de cuatro válvulas DOHC de aluminio con mezcla pobre , distribución variable e inyección directa NEO Di opcional . El QG15DE de 1497 cc tiene una relación de compresión de 9,9:1 [15] y el QG18DE de 1769 cc, de 9,5:1. [16]
En 1991, Mitsubishi desarrolló y comenzó a producir el sistema de combustión pobre MVV (Mitsubishi Vertical Vortex), utilizado por primera vez en el motor Mitsubishi 4G15 de 1,5 L , cuatro cilindros en línea , árbol de levas en cabeza y 1.468 cc. El motor de vórtice vertical tiene una velocidad de ralentí de 600 rpm y una relación de compresión de 9,4:1 en comparación con las cifras respectivas de 700 rpm y 9,2:1 para la versión convencional. El motor MVV de combustión pobre puede lograr una combustión completa con una relación aire-combustible de hasta 25:1, lo que supone una ganancia del 10-20% en economía de combustible (en el ciclo urbano japonés de 10 modos) en pruebas de banco en comparación con su motor MPI convencional de la misma cilindrada, lo que significa menores emisiones de CO2. [ 18] [19]
El corazón del sistema MVV de Mitsubishi es el sensor de oxígeno de los gases de escape con relación aire-combustible lineal. En comparación con los sensores de oxígeno estándar, que son básicamente interruptores de encendido y apagado configurados para una única relación aire/combustible, el sensor de oxígeno pobre es más bien un dispositivo de medición que cubre el rango de relación aire/combustible de aproximadamente 15:1 a 26:1. [19]
Para acelerar la combustión, que de otro modo sería lenta, de las mezclas pobres, el motor MVV utiliza dos válvulas de admisión y una válvula de escape por cilindro. Los puertos de admisión separados, de forma especial (diseño de puerto de admisión doble), son del mismo tamaño, pero solo uno de ellos recibe combustible de un inyector. Esto crea dos vórtices verticales de tamaño, fuerza y velocidad de rotación idénticos dentro de la cámara de combustión durante la carrera de admisión: un vórtice de aire y el otro de una mezcla de aire y combustible. Los dos vórtices también permanecen como capas independientes durante la mayor parte de la carrera de compresión. [18] [19]
Cerca del final de la carrera de compresión, las capas colapsan en turbulencias diminutas y uniformes, que promueven efectivamente las características de combustión pobre. Más importante aún, la ignición ocurre en las etapas iniciales de descomposición de las capas separadas mientras aún existen cantidades sustanciales de cada capa. Debido a que la bujía está ubicada más cerca del vórtice que consiste en la mezcla de aire y combustible, la ignición surge en un área de la cámara de combustión con diseño de techo pendular donde la densidad del combustible es mayor. Luego, la llama se propaga a través de la cámara de combustión a través de las pequeñas turbulencias. Esto proporciona una combustión estable incluso a niveles normales de energía de ignición, logrando así una combustión pobre. [18] [19]
La computadora del motor almacena las relaciones aire-combustible óptimas para todas las condiciones de funcionamiento del motor, desde la mezcla pobre (para un funcionamiento normal) hasta la más rica (para una aceleración intensa) y todos los puntos intermedios. Los sensores de oxígeno de rango completo (usados por primera vez) proporcionan información esencial que permite a las computadoras regular adecuadamente el suministro de combustible. [19]
Se puede considerar que todos los motores diésel son de combustión pobre en términos de volumen total, pero el combustible y el aire no se mezclan bien antes de la combustión. La mayor parte de la combustión se produce en zonas ricas alrededor de pequeñas gotas de combustible. La combustión localmente rica es una fuente de emisiones de material particulado (PM).