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Comment exactement le fonctionnement pauvre en carburant augmente-t-il la température d'allumage ?
Question
J'ai appris dans cette question que faire fonctionner un moteur pauvre en carburant augmentera la température d'allumage, entre autres des choses telles que causer des problèmes avec le convertisseur catalytique. Je n'ai aucune idée de comment ni pourquoi.
Comment et pourquoi exactement le fonctionnement en carburant pauvre (ou riche en oxygène) augmente-t-il la température d'allumage ?
Réponse acceptée
Vous avez une description qualitative de ce qui se passe, mais décomposons-la à une plus petite échelle. Lorsque nous parlons de "température" de quelque chose, nous parlons en réalité de la vitesse à laquelle les molécules se déplacent et rebondissent les unes sur les autres. La "température" est en réalité "l'énergie cinétique". Et il s'avère qu'il existe d'autres types d'énergie en plus de se déplacer dans l'espace - les molécules peuvent tourner, elles peuvent vibrer et leurs électrons peuvent être excités et se déplacer par rapport au noyau. Chacune de ces énergies peut également être une "température", vous pouvez donc avoir une température de translation (ce à quoi nous pensons normalement), mais vous pouvez avoir une température de rotation, une température de vibration et des températures électroniques.
Les molécules échangent de l'énergie entre elles en entrant en collision les unes avec les autres. Lorsqu'ils font cela, ils distribuent également l'énergie entre eux. La fréquence à laquelle ils entrent en collision détermine à quelle vitesse l'énergie devient uniforme, et cela définit à quelle vitesse ils atteignent ce qu'on appelle l'équilibre. Lorsque toutes les différentes températures sont les mêmes, l'état est en équilibre et nous n'avons pas à nous soucier de suivre tous les différents types de température. Pour la plupart des processus qui se produiraient dans un moteur, il y a plus qu'assez de temps pour atteindre l'équilibre et nous n'avons donc pas besoin de trop nous inquiéter des effets de non-équilibre.
Maintenant, dans les réactions chimiques , les molécules se séparent et en forment de nouvelles. Si les nouveaux ont moins d'énergie, la différence d'énergie est libérée sous forme de chaleur. Si les nouveaux ont plus d'énergie, la réaction nécessite d'ajouter de l'énergie pour y arriver. De toute évidence, les moteurs chauffent, donc les réactions qu'ils contiennent libèrent de l'énergie et nous exploitons cette énergie pour déplacer le véhicule.
Donc, les molécules se brisent. Et ils se brisent lorsqu'ils commencent à vibrer si fort que les liaisons entre les atomes ne peuvent les maintenir ensemble. La seule façon de faire vibrer la molécule est d'avoir une autre molécule en collision avec elle, avec suffisamment d'énergie et un transfert d'énergie suffisamment efficace pour déclencher les vibrations. Et l'énergie doit être suffisamment élevée pour que la vibration fasse s'effondrer les molécules.
En modifiant la quantité de carburant dans le mélange, vous modifiez les types de collisions qui peuvent se produire. Et ce n'est pas tout à fait simple, mais certaines molécules sont meilleures pour échanger de l'énergie avec d'autres. Pour que la molécule de carburant se désagrège, elles doivent entrer en collision avec d'autres molécules de carburant avec une certaine énergie ou avec d'autres molécules d'oxygène avec plus d'énergie. Si vous ajoutez plus que la quantité habituelle d'oxygène (fonctionnement pauvre), vous devez également rendre cet oxygène plus chaud afin que les molécules aient plus d'énergie lorsqu'elles entrent en collision et puissent faire vibrer le carburant suffisamment fort pour se désagréger. Inversement, si vous roulez riche en carburant, vous avez plus de molécules de carburant qui peuvent entrer en collision les unes avec les autres et se désintégrer, mais moins de molécules d'oxygène avec lesquelles elles peuvent se combiner et dégager de la chaleur. Ceci (et quelques autres effets) abaisse la température finale de la flamme.
Sur la base d'une conversation prolongée sur la question, replaçons tout cela dans le contexte d'un moteur. Pour un moteur à gaz à injection directe, l'air est aspiré dans le cylindre, le piston le comprime, puis du carburant est pulvérisé dans le cylindre. Une bougie d'allumage déclenche alors une étincelle dans la chambre. Ce dépôt d'électrons excite toutes les molécules du mélange carburant-air - il ionise en fait l'air (enlève les électrons des molécules) et tout cela ajoute un tas d'énergie aux molécules. Cette énergie est l'énergie initiale nécessaire pour démarrer la combustion.
Pour une condition pauvre en carburant, j'ai dit qu'il faut plus d'énergie pour démarrer la réaction et je l'ai exprimé en termes de température d'inflammation plus élevée. La température d'allumage provient de cette bougie (pour un moteur froid - les moteurs chauds contribueront également à la chaleur des cylindres eux-mêmes). Dans des conditions de fonctionnement normales, les bougies d'allumage fournissent plus qu'assez d'énergie pour s'allumer. Au fur et à mesure que les conditions de fonctionnement s'amincissent, la bougie d'allumage fournit la même quantité d'énergie, mais il reste suffisamment d'énergie pour s'allumer. Finalement, pour des conditions suffisamment maigres, ce ne sera pas assez d'énergie. Il s'agit d'un ratés maigres.
Les moteurs diesel fonctionnent différemment. Par souci d'argument, restons-en avec une injection directe à nouveau. Le cylindre se remplit d'air, le piston le comprime et le carburant est injecté. Il n'y a pas d'étincelle pour déclencher la réaction cependant. Les moteurs diesel reposent uniquement sur la création de pressions suffisamment élevées pour enflammer le mélange. Une pression élevée signifie une densité élevée et cela signifie plus de collisions pour répartir l'énergie (les molécules n'ont pas besoin d'aller aussi loin pour se heurter). En tout cas, les mêmes idées s'appliquent. Dans des conditions pauvres, il faudrait une pression plus élevée pour s'enflammer. Dans des conditions idéales, le moteur compresse plus qu'il n'est exactement nécessaire, donc lorsqu'il fonctionne à faible consommation de carburant, il a encore suffisamment de compression pour s'enflammer. Si vous allez si maigre que la compression n'est plus assez élevée, vous obtiendrez à nouveau un raté d'allumage maigre. Les bougies de préchauffage peuvent aider tout cela en chauffant les cylindres et en aidant à ajouter de la chaleur au mélange et à déclencher les réactions.
Dans l'un ou l'autre moteur, une fois qu'ils ont fonctionné pendant un certain temps, les parois des cylindres se réchauffent et il faut moins d'apport (des étincelles ou de la compression) pour faire se produire la réaction. Mais pour les moteurs froids, il faut ce dépôt d'énergie initial pour faire avancer les réactions. De nombreux ECU sont configurés pour brûler du carburant lorsque le moteur vient de démarrer, car il est plus facile à allumer; à mesure qu'ils chauffent, le mélange devient plus pauvre et réduit les émissions et la consommation de carburant. Vous connaissez peut-être les starters manuels sur des choses comme les tondeuses à gazon - le starter est ce qui modifie le mélange air-carburant et pour démarrer le moteur, vous devez régler le starter pour qu'il soit riche en carburant.
Pour les personnes intéressées, sur la base de la discussion que nous avons eue dans les différents fils de commentaires, je suis allé de l'avant et j'ai donné un exemple concret de comment/pourquoi la température peut augmenter lorsque la flamme est pauvre en carburant. La conversation dans le chat est marquée ici.
Read more… Read less…
C'est marrant que tu devrais demander ça à Max :)
Tout d'abord vérifions notre définition. Faire fonctionner un moteur pauvre signifie changer le rapport air/carburant pour avoir plus d'air que ce qui est idéal (14,7:1 air/carburant).
Dans ma lecture, il y a deux effets.
Premièrement, le carburant est un liquide atomisé qui a un effet de refroidissement sur la chambre de combustion. Donc moins de carburant, moins d'effet de refroidissement.
Deuxièmement, les flammes brûlent plus rapidement et plus chaudement en présence de plus d'oxygène. Plus d'air par rapport au carburant que d'habitude, signifie plus d'oxygène que d'habitude. Ainsi, la flamme brûle plus chaude et plus vite qu'elle ne le devrait. Les deux vont augmenter la température de la chambre de combustion.
Excellente question, j'étais moi-même curieux à ce sujet alors j'ai commencé à faire quelques lectures dessus.
J'espère que ça t'aidera !
Si vous avez déjà vu une torche oxy-acétylène être utilisée, vous aurez remarqué qu'avant que l'oxygène ne soit allumé, la torche a une flamme jaune vif. C'est le carburant qui brûle dans une quantité d'oxygène moins qu'idéale. La flamme est relativement froide et elle produit beaucoup de suie.
Lorsque l'oxygène est allumé, la flamme devient bleue et devient suffisamment chaude pour faire fondre l'acier.
Vous pouvez également avoir vu quand trop d'oxygène est allumé, la flamme s'éteint avec un pop.
Le carburant pauvre est le même que riche en oxygène.
Dans un moteur, le carburant veut brûler efficacement , mais pas trop chaud pour qu'il commence à faire fondre les pistons, ou peut-être même à exploser violemment, ce qui causera également des dommages.
De Wikipedia - Un mélange stoechiométrique brûle malheureusement très chaud et peut endommager les composants du moteur si le moteur est placé sous une charge élevée à ce mélange air-carburant. En raison des températures élevées de ce mélange, la détonation du mélange air-carburant peu de temps après la pression maximale du cylindre est possible sous une charge élevée (appelée cliquetis ou cliquetis). La détonation peut endommager gravement le moteur car la combustion incontrôlée du mélange air-carburant peut créer des pressions très élevées dans le cylindre. Par conséquent, les mélanges stoechiométriques ne sont utilisés que dans des conditions de faible charge. Pour les conditions d'accélération et de charge élevée, un mélange plus riche (rapport air-carburant plus faible) est utilisé pour produire des produits de combustion plus froids et ainsi empêcher la détonation et la surchauffe de la culasse.
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Air–fuel_ratio
Désolé, je peux ne faites pas fonctionner le lien - copiez et collez dans le navigateur.
La température moteur monte car l'allumage du carburant est plus lent. Il faut plus de temps pour que le carburant brûle car il y en a moins.
Le carburant lui-même a la même quantité de BTU disponibles en le brûlant, que vous utilisiez ou non de l'oxygène supplémentaire. PÉRIODE. Lorsque vous soufflez sur les charbons de votre feu, ils deviennent plus chauds mais brûlent plus rapidement. Ils dégagent la même quantité de chaleur, mais dans un laps de temps beaucoup plus court.
Imaginez votre cylindre comme une cabane en hiver. Si vous preniez une bûche et la brûliez en une minute, les objets près du poêle où cette bûche brûlait chaufferaient considérablement et fondraient peut-être, mais la majeure partie de la chaleur sortirait par la cheminée. Si vous n'aviez qu'une bûche par heure, la pièce serait très froide la plupart du temps. Prenez cette même bûche et brûlez-la lentement pendant une heure avant de la remplacer par une autre et moins de chaleur sort par l'échappement et reste dans la pièce.
La raison pour laquelle le moteur devient plus chaud est que le carburant à combustion plus lent transfère plus de chaleur aux parties environnantes du moteur.
Nous nous sommes arrêtés ici après avoir cherché sans trop de succès une bonne explication sur la surchauffe due à la combustion pauvre dans un moteur. Voici mes deux cents sur le sujet :
1- Il est bien connu et documenté que la température de combustion de pointe ou maximale est plus basse lorsque le rapport air/carburant atmosphérique s'écarte de la stoechiométrie, donc une combustion pauvre génère un pic plus faible température par rapport à la stoechiométrie, 14,7:1 pour l'essence, par exemple. Bien qu'une combustion pauvre puisse être plus complète, la température de combustion maximale est plus basse en raison de l'effet de refroidissement de l'azote atmosphérique inerte supplémentaire dans une configuration pauvre. Rappelez-vous que l'air atmosphérique contient une quantité importante d'azote inerte et ce vieux numéro de Popular Science racontant la conception d'un moteur adiabatique par Smokey Yunick et ses tentatives pour fabriquer un filtre d'élimination d'azote ?
2- Il est également bien connu que le la vitesse de toute réaction chimique ralentira à mesure que la concentration du réactif diminue. Aussi attendu car à mesure que les molécules de carburant s'éloignent les unes des autres, moins de chance de favoriser une réaction en chaîne, réduisant ainsi considérablement la vitesse de combustion.
3- De plus, la quantité totale de chaleur générée est diminuée tout en brûlant pauvre comme prévu en raison de moins de carburant ou de contenu calorique impliqué dans une combustion pauvre. Alors pourquoi le résultat inattendu de la surchauffe du moteur ?
4- Il ne s'agit pas de moins de refroidissement disponible à partir de l'évaporation du carburant liquide, il est plus lié au bilan énergétique global dans le moteur. Au fur et à mesure que la combustion ralentit, une plus grande partie de l'énergie thermique ne peut pas être convertie en énergie de travail de l'arbre et est donc principalement expulsée sous forme de chaleur perdue par l'orifice d'échappement. Il en va de même si votre calage d'allumage est retardé loin de l'optimum... la chaleur de combustion pauvre, bien qu'étant moindre, ne peut pas être correctement convertie en travail d'arbre car la combustion était si tardive qu'elle est désynchronisée avec le mouvement du piston. C'est pourquoi Toyota a avancé le calage de l'allumage dans ses anciens moteurs à combustion réduite lorsqu'il est activé ce mode. Alors, où va la chaleur qui ne peut pas être convertie en travail d'arbre ?... en raison des lois de conservation de l'énergie, cela se verra quelque part... eh bien, une partie ira chauffer les pièces du moteur, principalement la partie d'échappement du cylindre têtes, où il y a moins de chance d'être éliminé par le système de refroidissement, accumulant ainsi et surchauffant le moteur lui-même.
Fondamentalement, à mesure que la combustion devient plus pauvre, le moteur commence à perdre une partie de son efficacité pour convertir l'énergie de combustion à l'énergie mécanique et fonctionne ainsi plus près d'un simple four à combustible propre à se chauffer. Les symptômes de ce type de surchauffe sont des soupapes d'échappement brûlées, une tonalité différente du bruit d'échappement et même un collecteur d'échappement incandescent, semblable à un moteur fonctionnant avec un calage d'allumage très retardé. Dans le cas de l'injection de nitreux, bien que le nitreux ait beaucoup d'effet de refroidissement, si accidentellement la combustion devient trop pauvre en raison d'une pénurie de carburant, le moteur fond littéralement. Dans ce cas, bien que le rapport de carburant soit beaucoup trop pauvre, la quantité de carburant impliquée ou le contenu calorique pourrait encore être nettement supérieur à celui d'un moteur normal, de sorte qu'encore plus d'énergie thermique ne sera pas convertie en travail d'arbre, donc disponible pour chauffer le moteur.
Vous oubliez tous quelque chose, la raison pour laquelle les brûlures maigres légères peuvent être plus chaudes que les ratios stoechiommétriques est très simple. Cela a à voir avec l'injection du carburant. Pour que le rapport stoechiométrique fonctionne comme prévu, chaque atome d'oxygène devrait s'apparier parfaitement avec une molécule de carburant avant l'allumage. Ce n'est tout simplement pas possible, vous avez donc des molécules de carburant non brûlées dans votre combustion.
En ajoutant un peu plus d'air au mélange, vous pouvez vous assurer que tout votre carburant brûle à un degré plus élevé, ce qui augmentera la température de votre combustion, en ajoutera trop et la capacité calorifique de l'excès l'air fera baisser la température.