Регистрация Войти
Вопрос

Почему бы не повысить эффективность двигателя, заставив автомобиль работать на обедненной смеси (с помощью турбонаддува или нагнетателя)?

Все хотят, чтобы их автомобили расходовали меньше топлива, верно? Я прочитал следующий отрывок о том, как снизить расход топлива в автомобиле с этого сайта:




Запустите двигатель на обедненной смеси, то есть с избытком воздуха. Хорошо известно, что работа на обедненной смеси повышает эффективность. Раньше в крейсерских режимах двигатели всегда работали на обедненной смеси — с избытком воздуха около 15 %, — и это было экономично. Так что же изменилось? Проблема в трехкомпонентном (CO, UHC, NOx) катализаторе, который используется в выхлопных системах двигателей. Он работает только в том случае, если соотношение воздуха и топлива (по массе) в двигателе стехиометрическое (химически правильное). Для бензина это соотношение составляет 14,6:1. Блок управления двигателем, взаимодействуя с датчиком расхода воздуха, электронными топливными форсунками и датчиком кислорода в выхлопных газах, поддерживает стехиометрическое соотношение на протяжении большей части поездки. Только при таком соотношении катализатор может окислять CO и несгоревшие углеводороды (до CO2 и H2O) и химически восстанавливать NOx (до N2). (Несгоревшие углеводороды.) Человечеству нужен катализатор, снижающий содержание NOx. Тогда мы могли бы повысить эффективность и при этом сохранить чистоту!




Этот отрывок кажется вполне логичным. Используйте больше воздуха и повышайте топливную эффективность. Однако я не понимаю, почему каталитический нейтрализатор не может работать с большим количеством воздуха в двигателе или быть адаптированным для этого.



Каковы преимущества и недостатки нагнетания воздуха в двигатель с помощью турбокомпрессора или нагнетателя, которые оправдывают использование или отказ от использования этих устройств?
Авто и транспорт

Перевод вопроса с Mechanics Stack Exchange
Лицензия: CC BY-SA (2.5–4.0)
Оригинальный вопрос: https://mechanics.stackexchange.com/questions/25328/why-or-why-not-increase-engine-efficiency-by-running-the-car-fuel-lean-using
1
+ Читать

25 Комментариев

  1. Хороший вопрос. Ответ заключается в том, что для устранения выбросов, отличных от CO2, и обеспечения разумной эффективности и мощности двигатель ДОЛЖЕН сжигать топливо
    взрывоопасно и насыщенно непосредственно перед ВМТ, затем сжигать его снова обедненным после ВМТ и, наконец, сжигать в третий раз после того, как заряд покинет цилиндр быстрого сгорания и попадет в менее горячий и медленный цилиндр повторного расширения.

  1. Есть ещё одна причина, по которой не следует работать на обедненной смеси, и она особенно актуальна для двигателей с турбонаддувом: дополнительное топливо создаёт «пограничный слой» между продуктами сгорания и стенкой цилиндра. Этот слой поглощает дополнительное тепло во время сгорания, помогая поддерживать температуру в камере сгорания в допустимых пределах.



    Модифицированные автомобили с очень высоким давлением наддува часто работают на слишком бедной смеси, поскольку форсунки не могут подавать достаточное количество топлива для поддержания пограничного слоя, и давление/температура в камере сгорания повышаются. В крайних случаях это приводит к детонации/стуку, а при высоком давлении наддува может привести к физическому повреждению поршня.

  1. Бережливое производство против катализаторов:



    Трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор, устанавливаемый на бензиновые автомобили, не может работать в условиях обедненной смеси, поскольку реакция NOx с азотом и кислородом является реакцией восстановления, а для её протекания необходимо соответствующее окисление. В трёхкомпонентном катализаторе происходит окисление CO и углеводородов до CO2. Если бы присутствовал избыток кислорода, то именно кислород, а не NOx, выступал бы в качестве окислителя для CO и HCs, поскольку он является более мощным окислителем, а NOx оставался бы непрореагировавшим.



    Технология снижения выбросов NOx без наличия соответствующих окисляемых газов в выхлопных газах двигателя существует и все чаще применяется в дизельных двигателях, которые работают на обедненной смеси. Однако для этого требуется дополнительное оборудование, что увеличивает стоимость и сложность, а некоторые подходы предполагают использование присадки, которую необходимо пополнять по мере расходования.



    Технология Lean Burn использовалась в бензиновых двигателях в прошлом, но, возможно, не получила широкого распространения из-за ужесточения требований к выбросам NOx. Она может вернуться в моду по мере совершенствования технологий снижения выбросов NOx.



    Преимущества и недостатки турбокомпрессоров и нагнетателей



    Использование турбокомпрессора или нагнетателя позволяет увеличить выходную мощность при том же рабочем объёме двигателя или уменьшить рабочий объём двигателя при той же выходной мощности. Это означает, что двигатель может быть меньше и легче, а в цилиндрах меньшего размера потери на трение будут ниже. В новейших малолитражных бензиновых двигателях, таких как линейка Ecoboost от Ford, обычно используется как нагнетание, так и турбонаддув для повышения топливной экономичности.



    Основным недостатком турбонаддува или нагнетания наддува является дополнительная сложность и стоимость оборудования, но это всё чаще считается оправданным с точки зрения повышения эффективности.
  1. Интересный ответ. У вас есть какие-нибудь ссылки на это? Я слышал о двухтактных двигателях внутреннего сгорания, но никогда не слышал о трёхтактных. Тот же принцип использовался в составных паровых двигателях (и до сих пор используется в составных турбинах на электростанциях)
  1. Отличный ответ! +1 за сбалансированную простоту :-)

  1. Использование обедненной смеси само по себе не обязательно приведет к детонации, звенящему звуку или стуку. Пилоты поршневых самолетов времен Второй мировой войны использовали сильно обедненную смесь на дальних рейсах, чтобы увеличить дальность полета, и это было безопасно, когда они находились на крейсерской высоте и при средних оборотах. Однако вы бы никогда не стали делать это на подъеме или при высокой мощности.



    В автомобильном двигателе должно быть адаптивное программирование, которое регулирует состав смеси от богатой к бедной в зависимости от уровня нагрузки на двигатель. На длинных ровных участках дороги при постоянной скорости движения по шоссе вы, вероятно, сможете большую часть времени ездить на бедной смеси, но в типичных городских условиях с частыми остановками или на холмистой местности вы, скорее всего, никогда не будете находиться в диапазоне мощности, при котором это было бы безопасно, эффективно или рационально.



    Что касается выбросов, то при работе на обедненной смеси определенно образуются оксиды азота, что может вызывать дополнительные опасения в районах, подверженных смогу.

  1. Ещё один момент, на который стоит обратить внимание: обеднение и обогащение зависят от того, в каких условиях уже работает двигатель. С точки зрения химических реакций, автомобильные двигатели по умолчанию работают на немного обогащённой смеси — с большим количеством топлива, чем требуется для всего объёма воздуха, — потому что это снижает частоту детонаций в смеси.



    Если вы измените настройки так, чтобы они работали на более бедной смеси, чем предусмотрено в рабочих условиях, вы можете перейти к стехиометрическому сгоранию. Это означает, что всё топливо сгорает вместе со всем воздухом и реакции точно сбалансированы. Это также приводит к детонации. Это приводит к стуку (или детонации) и повреждению цилиндров и поршней. Если вы измените состав смеси, сделав её более бедной, чтобы выйти за пределы стехиометрического соотношения, риск детонации снизится, но если вы сделаете смесь слишком бедной, то увеличите количество пропусков зажигания, что приведёт к большему повреждению двигателя (и каталитического нейтрализатора).

  1. Дело не в том, что каталитический нейтрализатор сам по себе не может справиться с большим количеством воздуха, а в том, что работа на обедненной смеси повышает температуру сгорания (на самом деле я не знаю почему, но мне стало любопытно), а каталитический нейтрализатор должен работать в пределах своего химического диапазона. Это как-то связано с химией, но я тоже не знаю как.



    Что касается преимуществ турбонаддува и нагнетания воздуха, то увеличивается не только количество воздуха, но и количество топливно-воздушной смеси в правильной пропорции. Чем больше воздуха и топлива на каждый такт сжатия, тем больше мощность. Недостаток турбокомпрессоров в том, что при неправильной конструкции они обеспечивают большую мощность, но эта мощность не соответствует дроссельной заслонке.



    Недостаток нагнетателей заключается в том, что они приводятся в действие коленчатым валом через ремень, а это значит, что для выполнения своей работы они потребляют определённую мощность. Они явно вырабатывают больше энергии, чем потребляют, но всё равно теряют часть энергии. Поскольку турбокомпрессоры приводятся в действие выхлопными газами, их единственным побочным эффектом является небольшое противодавление.



    Ещё одна причина не делать этого на обычном автомобиле заключается в том, что это уменьшит пробег (из-за повышенного расхода топлива), а дополнительная мощность приведёт к износу двигателя, который, возможно, не рассчитан на такую нагрузку.



    Надеюсь, это поможет!
  1. @Federico Похоже, ты пропустил вечеринку ;)
  1. So why is it not good for **cats** to run lean? подожди, что?

  1. Налегайте ≠ Больше воздуха


    Я считаю, что причина недопонимания кроется в том, как интерпретируется термин «обезжиренный».


    Бедная смесь не означает, что в ней больше воздуха. Она означает, что в ней больше воздуха по сравнению с топливом (соотношение воздух-топливо, или СВТ).


    Краткий пример



    В смеси А содержится 1000 г воздуха и 80 г топлива. AFR = 1000/80 = 12,5


    В смеси B содержится 100 г воздуха и 7 г топлива. AFR = 100/7 = 14,3



    Поскольку 14.3 > 12.5, смесь В более жидкая, чем смесь А, даже несмотря на то, что в смеси А больше воздуха.


    Вот почему @cdunn прав; наличие турбокомпрессора или нагнетателя не влияет на способность каталитического нейтрализатора соответствующего размера выполнять свою функцию.



    Так почему же кошкам вредно бегать на голодный желудок?


    Каталитический нейтрализатор предназначен для очистки выхлопных газов от вредных веществ. Это происходит за счёт химической реакции, в которой участвует катализатор (катализаторы).


    Сегодня самым популярным типом каталитических нейтрализаторов является трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор, который нейтрализует три типа вредных газов:



    • оксиды азота (NOx, не NOS)

    • угарный газ (CO)

    • несгоревшие углеводороды (HC)


    Хитрость в том, что кошки хорошо работают в узком диапазоне AFR, как показано на этом изображении:


    NOx, CO, HC против AFR



    • Слишком бедная смесь, и двигателю будет сложно удалять оксиды азота из выхлопных газов

    • Слишком богатая смесь, и в выхлопных газах будет гораздо больше углеводородов и угарного газа
  1. Отличный ответ. Я добавлю тебя в десятку лучших :-) +1
  1. @Zaid, возможно, стоит заменить «оксиды закиси азота» на «оксиды азота», потому что оксид закиси азота — это то же самое, что NOS, или (N2O). Отличный ответ! +1 от меня.
  1. Чем беднее смесь, тем больше в ней кислорода. Чем больше кислорода, тем быстрее происходит «окисление», а значит, выделяется больше тепла.
  1. Ну, я не уверен, что правильно вас понял. Я пытаюсь сказать, и, видимо, не очень хорошо, извините за это, что нарушение соотношения воздух-топливо приводит к тепловому побочному эффекту. Но для того, чтобы каталитический нейтрализатор работал, соотношение воздух-топливо должно быть правильным.
  1. Так что в каком-то смысле я был прав: он должен находиться в пределах своего идеального температурного диапазона, иначе, как вы и сказали, повышение температуры будет иметь побочные эффекты.
  1. На самом деле, как оказалось, это диапазон химических веществ. Тепло является побочным продуктом правильного соотношения воздуха и топлива, но именно правильное соотношение позволяет катализатору работать должным образом. Я думаю, что @Zaid скоро опубликует пост, в котором объяснит это лучше, чем я.
  1. В первом абзаце вы имеете в виду, что каталитический нейтрализатор должен работать в пределах своего теплового диапазона?
  1. Это отличный вопрос. И ответы тоже отличные.
  1. Мне нравится ваша идея, но это всё равно два вопроса, и «потому что каталитический нейтрализатор» по-прежнему является ответом на первый вопрос.
  1. Насколько я помню из других постов, при работе на обедненной смеси температура в камере сгорания повышается. Более высокая температура приводит к собственным проблемам.
  1. См. также «нагнетание воздуха за счёт инерции» — концепцию, согласно которой скорость транспортного средства нагнетает воздух во впускной коллектор.
  1. «Однако я не понимаю, почему каталитический нейтрализатор не может справиться с большим количеством воздуха в двигателе или быть адаптированным для этого». Всё дело в науке — всё просто. Помните, что в катализаторах уже используется НАСТОЯЩИЙ дорогой металл, потому что это единственный материал, который работает, а ограничения, связанные с работой катализаторов, определяют, как должен работать двигатель. Если вы изобретёте каталитический нейтрализатор оксидов азота, который будет работать при температуре выхлопных газов и стоить менее 500 долларов за автомобиль, то все автопроизводители и природоохранные организации на Земле продадут своих детей за возможность получить этот патент. Но пока ничего не получается.
  1. @JPhi1618 О да, теперь всё встало на свои места. Теперь, когда я это внезапно осознал, мне лучше немного изменить вопрос!
  1. В вашей цитате говорится о том, почему автомобили не работают на обедненной смеси, верно? Таким образом, каталитический нейтрализатор будет функционировать должным образом. Кроме того, воздушный насос для двигателя называется «турбо» или «нагнетатель». Возможно, вы слышали об этом.
Вы уже ответили на этот вопрос