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 mezcla pobre, la relación aire-combustible puede ser tan pobre como 65:1 (en masa). Por el contrario, la relación aire/combustible necesaria para quemar gasolina estequiométricamente es de 14,64:1. El exceso de aire en un motor de mezcla pobre emite muchos menos hidrocarburos. También se pueden utilizar relaciones altas de aire-combustible para reducir las pérdidas causadas por otros sistemas de gestión de potencia del motor, como las pérdidas por aceleración.
Un 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 funcionamiento normal a velocidad constante. Normalmente, la energía se corta cerrando parcialmente un acelerador. Sin embargo, el trabajo adicional realizado al bombear aire a través del acelerador reduce la eficiencia. Si se reduce la relación combustible/aire, entonces se puede lograr una menor potencia con el acelerador más cerca del punto de apertura total, y la eficiencia durante la conducción normal (por debajo de la capacidad máxima de par 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 del combustible y bajas emisiones de hidrocarburos de escape que los que se encuentran en los motores de gasolina convencionales . Las mezclas ultrapobres con relaciones aire-combustible muy altas sólo 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 mezcla pobre no funcionan bien con los modernos convertidores catalíticos de 3 vías , que requieren 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 o cerca del punto estequiométrico. .
Desde 1976 hasta 1989, Chrysler equipó muchos vehículos con su sistema electrónico de combustión pobre (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 circuito abierto y de circuito cerrado; Los sistemas de circuito abierto produjeron gases de escape lo suficientemente limpios para que muchas variantes de vehículos así equipados pudieran pasar las regulaciones federales de emisiones de 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 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. vehículos como el mexicano Chrysler Spirit . El control de chispa y las estrategias de transducción y detección de parámetros del motor introducidas con ELB permanecieron en uso hasta 1995 en vehículos Chrysler equipados con inyección de combustible en el cuerpo del acelerador . [ cita necesaria ]
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 conocido como "mezcla pobre" o "mezcla pobre mixta". ), donde el motor funciona pobremente solo durante cargas bajas 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] de lo que teóricamente se necesita para una combustión completa en las cámaras de combustión. Las mezclas extremadamente débiles de aire y combustible conducen a temperaturas de combustión más bajas y, por tanto, a una menor formación de NOx. Si bien los motores de gasolina de mezcla pobre ofrecen eficiencias térmicas teóricas más altas, la respuesta transitoria y el rendimiento pueden verse comprometidos en determinadas situaciones. Sin embargo, los avances en el control de combustible y la tecnología de circuito cerrado por parte de empresas como North American Repower han llevado a la producción de modernos motores de combustión pobre con certificación CARB para uso pesado en flotas de vehículos comerciales. [2] Los motores de gasolina de mezcla pobre casi siempre están turboalimentados, lo que da como resultado altas cifras 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 gas y aire en la cámara principal. Una mezcla de gas y aire mucho más rica, aunque de mucho menor volumen, se introduce en la cámara de precombustión y se enciende mediante una bujía. El frente de llama se propaga a la mezcla pobre de aire y gas en el cilindro.
Esta combustión pobre en dos etapas produce bajos 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 trabajos pesados 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 mezcla pobre más nuevas disponibles en los automóviles actualmente 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 lineal de aire-combustible ( sensor de O 2 tipo LAF ) y un catalizador de NO x de combustión pobre para reducir aún más las emisiones de NO x resultantes que aumentan en condiciones de "quema pobre" y cumplen con los requisitos de emisiones de NO x .
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 rica), lo cual es necesario para un encendido exitoso y una 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 promedio general de aire:combustible que cae en la categoría de mezcla pobre de hasta 22:1.
Los motores Honda más antiguos que usaban mezcla pobre (no todos lo hacían) 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 luego se abrió a la cámara principal donde se encendió una mezcla mucho más grande y más pobre 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 relativamente "imprecisa" de tales limitó las capacidades de MPG del concepto que ahora bajo MPI (inyección de combustible multipuerto) también permite mayores MPG.
Los motores de carga estratificada más nuevos de Honda (motores de mezcla pobre) 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, el ideal estequiométrico químico para una combustión completa cuando se promedia la gasolina según el estándar aceptado por las industrias petroquímicas de C 8 H 18 .
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 "máximo" ya que las mezclas de gasolina y combustible más pobres se queman más lentamente y para que se produzca energía, la combustión debe estar "completa" 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 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 mezcla pobre anterior como "Turbulence Generating Pot" (TGP). TTC-L se utilizó en Japón en el Toyota Carina T150 reemplazando el método de recirculación de gases de escape TTC-V (Vortex) utilizado anteriormente en el Toyota Corolla E80 y el Toyota Sprinter . El sensor de mezcla pobre se proporcionó en el sistema de escape para detectar relaciones aire-combustible más pobres que la relación teórica aire-combustible. Luego, una computadora controló con precisión el volumen de inyección de combustible utilizando esta señal de detección para lograr una retroalimentación de la relación aire-combustible pobre. Para una combustión óptima, se aplicaron los siguientes elementos: programa de inyección independiente que cambiaba con precisión el volumen de inyección y la sincronización para cilindros individuales, bujías de platino para mejorar el rendimiento del encendido con mezclas pobres y encendedores de alto rendimiento. [6]
Las versiones de mezcla pobre de los motores de 4 cilindros 1587 cc 4A-FE y 1762 cc 7A-FE tienen 2 válvulas de entrada y 2 válvulas de escape por cilindro. Toyota utiliza un conjunto de mariposas para restringir el flujo en cada segundo corredor de entrada durante la operación de mezcla pobre. Esto crea una gran cantidad de remolinos en la cámara de combustión. Los inyectores están montados en el cabezal, en lugar de 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 mezcla pobre con inyección directa. Relación de compresión 10:1. [8]
Los motores Nissan QG tienen un diseño DOHC de 4 válvulas de aluminio de mezcla pobre con sincronización variable de válvulas 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. [dieciséis]
En 1991, Mitsubishi desarrolló y comenzó a producir el sistema de mezcla pobre MVV (Mitsubishi Vertical Vortex), que se utilizó por primera vez en el motor Mitsubishi de 1.468 cc, 1.5 L , 4G15 , 4 cilindros en línea y árbol de levas en cabeza simple. El motor de vórtice vertical tiene un régimen de ralentí de 600 rpm y una relación de compresión de 9,4:1, frente a las cifras respectivas de 700 rpm y 9,2:1 de la versión convencional. El motor MVV de mezcla pobre puede lograr una combustión completa con una relación aire-combustible de hasta 25:1; esto ofrece una ganancia de 10 a 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 supone menores emisiones de CO 2 . [18] [19]
El corazón del sistema MVV de Mitsubishi es el sensor de oxígeno de los gases de escape con relación lineal aire-combustible. En comparación con los sensores de oxígeno estándar, que esencialmente son 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 lenta de mezclas pobres, el motor MVV utiliza dos válvulas de admisión y una válvula de escape por cilindro. Los puertos de admisión separados con forma especial (diseño de puerto de admisión doble) son del mismo tamaño, pero solo un puerto recibe combustible de un inyector. Esto crea dos vórtices verticales de idéntico tamaño, fuerza y velocidad de rotación 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 diminutas turbulencias uniformes, que promueven eficazmente las características de combustión pobre. Más importante aún, la ignición se produce 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/combustible, la ignición se produce en un área de la cámara de combustión de diseño pentroof donde la densidad del combustible es mayor. A continuación, la llama se propaga a través de la cámara de combustión a través de 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 proporciones óptimas de aire y combustible para todas las condiciones de operación del motor, desde pobre (para operación normal) hasta más rica (para aceleración fuerte) y todos los puntos intermedios. Los sensores de oxígeno de rango completo (utilizados por primera vez) brindan 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 con respecto al volumen total, sin embargo, el combustible y el aire no están bien mezclados antes de la combustión. La mayor parte de la combustión ocurre en zonas ricas alrededor de pequeñas gotas de combustible. La combustión localmente rica es una fuente de emisiones de material particulado (PM).