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Pourquoi ou pourquoi ne pas augmenter l'efficacité du moteur en faisant fonctionner la voiture « pauvre en carburant » (en utilisant un turbo ou un compresseur) ?
Question
Tout le monde veut que sa voiture consomme moins de carburant, n'est-ce pas ? J'ai lu le passage suivant sur la gestion de la consommation de carburant pauvre de ce site Web :
Faire tourner le moteur pauvre en carburant, c'est-à-dire utiliser l'excès d'air. Il est bien connu que le fonctionnement pauvre en carburant améliore l'efficacité. Dans l'ancien temps, dans des conditions de croisière, les moteurs fonctionnaient toujours en mode pauvre - environ 15 % d'excès d'air - c'était économique. Alors qu'est-ce qui va changer ça ? Le problème est le catalyseur à trois voies (CO, UHC, NOx) utilisé sur les échappements des moteurs. Cela ne fonctionne que si le rapport air/carburant du moteur (en masse) est stoechiométrique (chimiquement correct). Pour l'essence, ce rapport est de 14,6:1. L'ordinateur du moteur, agissant de concert avec le capteur de débit d'air du moteur, les injecteurs de carburant électroniques et le capteur d'oxygène d'échappement, maintient le rapport stoechiométrique pendant la majeure partie de votre conduite. Ce n'est qu'à ce rapport que le catalyseur peut à la fois oxyder le CO et l'UHC (en CO2 et H2O) et réduire chimiquement les NOx (en N2). (UHC = hydrocarbures non brûlés.) Ce dont l'humanité a besoin, c'est d'un catalyseur pauvre en NOx. Ensuite, nous aurions pu gagner en efficacité et continuer à être propres !
Ce passage semble tout à fait logique. Utilisez plus d'air et augmentez l'efficacité énergétique. Cependant, je ne comprends pas pourquoi le convertisseur catalytique ne peut pas gérer ou être adapté pour gérer plus d'air dans le moteur.
Quels sont les avantages et les inconvénients de forcer l'air dans le moteur au moyen d'un turbo ou d'un compresseur qui justifierait qu'une voiture le fasse ou ne le fasse pas ?
Réponse acceptée
Lean ≠ Plus d'air
Je pense que la source du malentendu réside dans la façon dont le terme « lean » est interprété.
Un mélange pauvre n'indique pas la présence de plus d'air. Il indique la présence d'une proportion d'air plus élevée par rapport au carburant (rapport air-carburant, ou AFR).
Exemple rapide
Le mélange A contient 1 000 g d'air, 80 g de carburant. AFR = 1000/80 = 12,5
Le mélange B contient 100 g d'air, 7 g de carburant. AFR = 100/7 = 14.3
Depuis 14.3 > 12.5, le mélange B est plus maigre que le mélange A, même si le mélange A a plus d'air.
C'est pourquoi @cdunn a raison ; la présence d'un turbocompresseur ou d'un compresseur de suralimentation n'affecte pas la capacité d'un convertisseur catalytique de taille appropriée à faire son travail.
Alors pourquoi n'est-il pas bon pour les chats de fonctionner en mode maigre ?
Un convertisseur catalytique est conçu pour éliminer les gaz nocifs des gaz d'échappement. Il le fait grâce à une réaction chimique qui implique la présence de catalyseur(s).
Le type de conception de chat le plus populaire aujourd'hui est le convertisseur catalytique à trois voies, qui gère trois types de gaz nocifs :
- oxydes d'azote (NOx, pas NOS)
- monoxyde de carbone (CO)
- hydrocarbures imbrûlés (HC)
Le hic, c'est que les chats fonctionnent bien dans une fenêtre AFR étroite, comme le montre cette image :
- Courez trop maigre, et le chat aura un moment difficile à éliminer les NOx des gaz d'échappement
- Courez trop riche, et votre tuyau d'échappement aura beaucoup plus de contenu en HC, CO
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Opération Lean vs catalyseurs d'échappement :
Les trois- le convertisseur catalytique installé sur les véhicules à essence ne peut pas fonctionner dans des conditions de moteur pauvre car la réaction du NOx à l'azote et à l'oxygène est une réaction de réduction, et pour que cela se produise, il doit y avoir une oxydation correspondante. Dans le catalyseur à trois voies c'est l'oxydation du CO et des hydrocarbures en CO2. Si un excès d'oxygène était présent, l'oxygène, plutôt que le NOx, agirait comme agent oxydant pour le CO et les HC - car c'est un agent oxydant plus puissant - et le NOx resterait sans réaction.
Une technologie permettant de réduire les NOx sans la présence de gaz oxydables correspondants dans les gaz d'échappement du moteur existe et est de plus en plus utilisée sur les moteurs diesel, qui fonctionnent en mélange pauvre. Cependant, il nécessite plus d'équipement dans le véhicule, ce qui ajoute des coûts et de la complexité, et certaines approches nécessitent un additif qui doit être reconstitué au fur et à mesure qu'il est utilisé.
La technologie de combustion pauvre a été utilisée dans les moteurs à essence dans le passé, mais n'a peut-être pas réussi à s'imposer à cause des réglementations plus strictes sur les émissions de NOx - cela peut faire une réapparition à mesure que la technologie de réduction du NOx devient plus établie.
Avantages et inconvénients des turbocompresseurs et des surcompresseurs
Utiliser un turbocompresseur ou le compresseur permet une plus grande puissance de sortie pour la même cylindrée du moteur - ou, une plus petite cylindrée du moteur pour la même puissance de sortie. Cela signifie que le moteur peut être plus petit et plus léger, et que les cylindres plus petits ont des pertes par friction plus faibles. Les derniers petits moteurs à essence tels que la gamme Ford Ecoboost utilisent généralement à la fois la suralimentation et la turbocompression pour offrir un rendement énergétique élevé.
Le principal inconvénient de la suralimentation ou de la suralimentation est la complexité et le coût supplémentaires de l'équipement, mais cela est de plus en plus considéré comme intéressant pour les gains d'efficacité.
Ce n'est pas que le convertisseur catalytique ne peut pas gérer plus d'air en soi, c'est que le fonctionnement pauvre augmente la température de combustion (en fait je ne sais pas pourquoi, mais maintenant je suis curieux) et le convertisseur catalytique doit fonctionner à l'intérieur de sa plage de fonctionnement chimique. Quelque chose à voir avec la chimie que je ne connais pas non plus.
En ce qui concerne les avantages pour le turbo et la suralimentation, ce n'est pas seulement l'air qui est augmenté, c'est le mélange air-carburant dans la bonne proportion qui est augmenté. Plus d'air/carburant pour chaque coup de puissance vous donne plus de puissance. L'inconvénient des turbocompresseurs est qu'avec une mauvaise conception, ils fourniront beaucoup de puissance, mais cette puissance sera en retard par rapport à l'accélérateur.
L'inconvénient des compresseurs est qu'ils sont entraînés par le vilebrequin à travers une courroie, ce qui signifie qu'ils consomment de l'énergie pour faire leur travail. Ils produisent clairement plus d'énergie qu'ils n'en consomment, mais celle-ci est tout de même réduite par la quantité qu'elle consomme. Étant donné que les turbocompresseurs sont entraînés par les gaz d'échappement, leur seul effet secondaire est une légère contre-pression.
Une autre raison de ne pas le faire sur votre tramway est que cela réduira votre kilométrage (consommation de carburant plus rapide) et la puissance supplémentaire mettra l'usure sur un moteur qui peut ou non avoir été conçu pour le gérer.
J'espère que cela aide !
Un point supplémentaire à aborder est que plus maigre et plus riche sont relatifs aux conditions dans lesquelles le moteur fonctionne déjà. En termes de réactions chimiques, les moteurs de voiture ont tendance à fonctionner un peu riches par défaut - plus de carburant que nécessaire pour tout l'air - car cela réduit la fréquence des détonations dans le mélange.
Si vous modifiez les choses pour qu'elles fonctionnent plus pauvre que les conditions de fonctionnement conçues, vous pouvez passer à la combustion stoechiométrique. Cela signifie que tout le carburant est consommé par tout l'air et les réactions sont exactement équilibrées. C'est aussi pour les détonations. Cela entraîne des cliquetis (ou des cognements) et des dommages aux cylindres et aux pistons. Si vous changez les choses pour le rendre plus maigre d'assez pour aller au-delà du rapport stoechiométrique, le risque de détonation est réduit mais si vous vous déplacez trop maigre, vous augmenterez le taux de ratés - plus de dommages au moteur (et au convertisseur catalytique ).
L'exécution d'un mélange pauvre en soi ne provoquera pas nécessairement une détonation, un cliquetis ou un cognement. Les pilotes d'avions à pistons de la Seconde Guerre mondiale avaient l'habitude d'utiliser des mélanges très pauvres sur de longues distances pour augmenter la portée et il était sûr de le faire lorsqu'ils étaient à l'altitude de croisière et aux réglages de puissance. Cependant, vous n'envisageriez jamais de le faire dans une montée ou à haute puissance.
Avec un moteur automobile, vous devriez avoir une programmation adaptative qui ajusterait le mélange de riche à pauvre en fonction du niveau de charge du moteur. Sur une route longue et plane à des vitesses d'autoroute constantes, vous pourriez probablement courir en mode penché une bonne partie du temps, mais pour vos arrêts et départs typiques de style urbain, ou un terrain vallonné, vous ne seriez probablement jamais dans une plage de puissance où il serait sûr, efficient ou efficace.
En ce qui concerne les émissions, le fonctionnement pauvre crée certainement des oxydes d'azote, ce qui peut être une préoccupation supplémentaire dans les zones sujettes au smog.
Il existe une raison supplémentaire de ne pas fonctionner en mode pauvre, qui s'applique très bien aux moteurs turbocompressés : le carburant supplémentaire crée une « couche limite » entre les produits de combustion et la paroi du cylindre. Cela absorbe la chaleur supplémentaire pendant la combustion pour aider à maintenir la température de la chambre dans les tolérances.
Les voitures modifiées qui utilisent un turbo/compresseur très élevé sont souvent sur le point de fonctionner trop pauvrement, en ce sens que les injecteurs ne peuvent pas fournir suffisamment de carburant pour maintenir cette couche limite, et la pression/température de la chambre de combustion augmente. Dans les cas extrêmes, cela entraîne une détonation/un cognement, et sous une forte poussée, cela peut endommager physiquement le piston.