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Rapporto aria-carburante: come influisce sulle prestazioni del motore?

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Tradotto con l'aiuto dell'intelligenza artificiale dal nostro articolo originale (fonte: autoride.io)

Un rapporto aria-carburante è un numero adimensionale che esprime il rapporto tra la quantità effettiva di aria nella miscela e la quantità teorica (quantità stechiometrica) di aria corrispondente al carburante utilizzato. Il coefficiente, denominato in inglese Air-Fuel Ratio, è indicato dalla lettera greca λ (lambda).

Il coefficiente così definito viene utilizzato principalmente nel campo dei motori a combustione interna perché è un parametro necessario per la preparazione della miscela. Il rapporto aria-carburante esprime quindi pienamente il livello di ricchezza della miscela. Ogni combustibile necessita di una diversa quantità di aria per la sua perfetta combustione.

Sommario

Ad esempio, a seconda della sua composizione, 1 kg di normale benzina per auto richiede circa 14,7 kg di aria per una combustione completa. Per il diesel sono necessari da 15 a 15,5 kg di aria per 1 kg di carburante. Pertanto, se viene mantenuto il rapporto perfetto tra carburante e aria nella miscela, il rapporto aria-carburante raggiungerà 1 (λ = 1). In tal caso si parla di miscela stechiometrica.

In base al rapporto aria-combustibile, possiamo suddividere la miscela di combustione in:

  • Se la miscela contiene esattamente la quantità stechiometrica di aria λ = 1, si dice stechiometrica (contiene il corretto rapporto di aria per una perfetta combustione del combustibile)
  • Se la miscela contiene più aria λ > 1, si dice magra ( contiene meno combustibile di quanto può essere bruciato)
  • Se la miscela contiene meno aria λ < 1, si dice ricca (contiene più combustibile di quanto può essere bruciato)

Tuttavia, con diverse modalità operative del motore, le condizioni di lavoro del motore cambiano e quindi i requisiti per la quantità di carburante fornita differiscono.

Tipiche modalità di funzionamento del motore in cui è necessario regolare la composizione della miscela sono ad esempio:

  • Avviamento a freddo
  • Motore freddo
  • Riscaldamento del motore
  • Accelerazione
  • Decelerazione
  • Minimo
  • Aria condizionata accesa
  • Pieno carico
  • Altitudine

Effetto della composizione della miscela sui parametri del motore:

A seconda del rapporto aria-carburante, a parità di condizioni del motore, ne risentono:

  • Consumo di carburante
  • Prestazioni del motore
  • Quantità di emissioni
  • Uniformità di funzionamento del motore
  • Carico termico del motore

Tutti questi parametri dipendono dalla composizione della miscela. Tuttavia, il rapporto di miscelazione effettivo della miscela differisce notevolmente da quello teorico. La temperatura, la velocità e il carico del motore lo determinano.

Il rapporto di miscela con cui prestazioni, emissioni e consumi raggiungono i valori migliori è unico per ogni motore e modalità di funzionamento.

Combustione di una miscela stechiometrica:

In teoria, le emissioni non dovrebbero verificarsi quando si brucia una miscela stechiometrica. In pratica, tuttavia, la situazione è diversa. A causa dell'insufficiente omogeneizzazione del carburante e della sua interazione con altre sostanze (olio motore, impurità nel carburante, influenza dell'azoto dell'aria) e del breve tempo in cui deve avvenire il processo di combustione, si verifica la formazione di emissioni.

Poiché i motori delle auto normali funzionano principalmente a carico parziale, sono progettati per questa operazione in modo che il loro funzionamento sia il più efficiente possibile in questa modalità. In questa modalità di funzionamento lavorare con una miscela stechiometrica è un giusto compromesso tra prestazioni, consumi e quantità di emissioni prodotte.

Inoltre, i motori delle auto di oggi devono prima rispettare i limiti di emissione, quindi l'utilizzo di una miscela stechiometrica (λ = 1) sembra essere il più appropriato perché è allora che il catalizzatore ha la massima efficienza. Il motore è, quindi, il più ecologico.

Combustione a miscela ricca:

Quando si brucia una miscela ricca, la combustione avviene più velocemente e il rapporto aria-carburante riduce la temperatura massima per evaporazione, il che garantisce il raffreddamento interno del gruppo cilindri, che a sua volta consente di aumentare il rapporto di compressione del motore.

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Grazie a ciò, la potenza del motore aumenta, ma allo stesso tempo aumenta anche il suo consumo, perché non tutto il carburante viene bruciato perfettamente e parte della sua energia rimane inutilizzata.

Tutti gli altri parametri vengono messi da parte in questa modalità e performance diventa il parametro principale. La miscela viene così arricchita (λ < 1) per ottenere le massime prestazioni del motore possibili.

Combustione a miscela magra:

Il consumo più basso si ottiene nella modalità di combustione a miscela magra; quindi il rapporto aria-carburante raggiunge il valore (λ > 1). Quando il motore è a basso carico, le prestazioni non sono interessanti, quindi la priorità diventa il consumo di carburante.

In tal caso, impostare una miscela leggermente magra (λ > 1), che consente di ottenere il massimo risparmio di carburante, è la scelta ovvia per questa modalità.

Effetto della composizione della miscela sui componenti del motore:

Una miscela ricca ha un effetto significativo dal punto di vista della protezione del motore, perché il carburante che non brucia toglie temperatura alla camera di combustione attraverso la sua evaporazione, garantendo così un efficace raffreddamento della camera di combustione.

L'effetto di raffreddamento aumenta con la ricchezza della miscela, che è particolarmente importante per i motori estremamente sollecitati. Questo è il motivo per cui una miscela ricca viene bruciata al massimo carico del motore.

Tuttavia, non è necessario esagerare con la ricchezza della miscela, perché il carburante incombusto lava il film d'olio dalle pareti dei cilindri, aumentando il rischio di grippaggio del pistone. Inoltre, ciò aumenta la formazione di carbonio, i cui depositi impediscono la rimozione del calore dalla camera di combustione.

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Quando si brucia una miscela povera, c'è il rischio dell'assenza di raffreddamento interno, che può portare a un sovraccarico termico di alcuni componenti del motore, ad esempio pistoni, valvole e candele. Tuttavia, temperature locali più elevate nel cilindro aumentano significativamente il rischio di combustione per detonazione.

Il raffreddamento interno del carburante può essere utilizzato solo per motori ad accensione comandata perché possono funzionare con una miscela ricca a causa di un tempo più lungo per la sua preparazione (il carburante entra nei cilindri insieme all'aria o viene iniettato nel cilindro durante la fase di aspirazione).

Nei motori a scoppio, dove il carburante viene iniettato nel cilindro e contemporaneamente inizia la fase di combustione, una miscela ricca che non si mescola bene con l'aria porterebbe a fumo eccessivo. Ciò significa che anche a pieno carico del motore diesel, il rapporto aria-carburante è solo vicino alla miscela stechiometrica in modo da ottenere le massime prestazioni possibili.

Coefficiente aria-carburante λ: cosa significano i valori specifici?

  • <0,5-il limite inferiore di infiammabilità (miscela ricca), la miscela di carburante e aria non è più infiammabile
  • < 1 - miscela ricca, mancanza di aria, aumento di potenza e coppia
  • 0,9 - la coppia più alta, buon funzionamento del motore, consumo specifico di carburante peggiore
  • da 0,9 a 1,1 - miscela teoricamente adatta di carburante e aria
  • >1 - miscela povera, aria in eccesso, risparmio di carburante, funzionamento economico
  • da 1,3 a 1,5 - il massimo limite di infiammabilità della miscela (miscela povera), la miscela di carburante e aria non è più infiammabile
  • da 1,6 a 1,7 - limite superiore di infiammabilità della miscela per motori con miscela stratificata

Tuttavia, in generale, un motore correttamente funzionante alla temperatura e al carico corretti brucia:

Motore diesel: brucia una miscela disomogenea (stratificata) con un elevato eccesso di aria. La miscela è magra, ha una proporzione di aria maggiore di quella che apparterrebbe a una certa quantità di carburante, e il rapporto aria-carburante è, quindi, λ > 1.

Motore a benzina con iniezione indiretta: brucia una miscela omogenea. Il coefficiente della proporzione di aria è λ = 1 e tale miscela è chiamata stechiometrica.

Motore a gas con iniezione diretta - brucia miscela omogenea ma non omogenea (stratificata). Una miscela omogenea inietta una dose di carburante λ = 1 nella camera di combustione durante la fase di aspirazione.

Una miscela stratificata inietta carburante nell'aria vorticata durante la fase di compressione, creando una miscela localmente omogenea nella zona della candela. Tuttavia, negli altri vani del cilindro è presente una miscela magra e il coefficiente aria-carburante è quindi λ > 1.

Video in cui Engineering Explained spiega il rapporto aria-carburante: