In un motore a combustione interna ideale, efficiente al 100%, il carburante brucerebbe per produrre solo anidride carbonica e vapore acqueo. In pratica, ovviamente, i motori sono tutt'altro che efficienti e il processo di combustione. produce anche monossido di carbonio, ossidi di azoto e idrocarburi incombusti, nonché anidride carbonica e vapore acqueo.
Motore Ford CVH a combustione magra
Questi sottoprodotti della combustione vengono espulsi come parte dei gas di scarico dell'auto nell'atmosfera dove causano inquinamento.
Negli ultimi anni, la preoccupazione dell'opinione pubblica per l'inquinamento atmosferico e le imminenti leggi CEE sul controllo dell'inquinamento ha portato i produttori di automobili a cercare di trovare modi per ridurre il livello di questi gas negli scarichi delle automobili.
Esistono due approcci di base per ridurre le emissioni di scarico nocive:utilizzare motori a combustione magra o collegare convertitori catalitici al sistema di scarico.
I motori a combustione magra sono progettati per produrre un livello inferiore di emissioni nocive grazie a un migliore controllo della combustione e una combustione più completa all'interno dei cilindri del motore.
I convertitori catalitici puliscono i gas di scarico provenienti dal motore. I catalizzatori sono il più vecchio dei due sistemi e sono stati utilizzati negli Stati Uniti e in Giappone per alcuni anni.
I convertitori catalitici sono montati dalla casa automobilistica a valle del motore nell'impianto di scarico. Si presenta come un silenziatore leggermente gonfio e contiene un sottile nido d'ape di metallo o ceramica, rivestito di platino o metallo correlato, attraverso il quale scorrono i gas di scarico.
Il platino avvia una reazione chimica in cui i componenti nocivi dello scarico vengono convertiti in azoto innocuo, anidride carbonica e vapore acqueo.
Il problema con i convertitori catalitici è che riducono la potenza del motore e riducono il risparmio di carburante. Inoltre comportano un aumento dei costi di manutenzione.
Un altro inconveniente è che il sistema catalitico necessita di benzina senza piombo per funzionare correttamente, poiché l'eventuale piombo nei gas di scarico rovina rapidamente l'efficienza del catalizzatore. E alcuni paesi europei, come la Gran Bretagna, non hanno o hanno pochissimi punti vendita per la benzina senza piombo, con poche speranze di creare una rete completa per la distribuzione del nuovo carburante nel prossimo futuro.
Il motore Ford a combustione magra, basato sul CVH, ha una camera di combustione a forma di rene:sembra piuttosto una camera emisferica decentrata.
Questo tipo di design garantisce una buona respirazione e l'effetto "squish" migliorato significa che il carburante e l'aria saranno ben miscelati per l'accensione. La miscela viene forzata verso l'alto e lateralmente nella forma del rene della camera, invece di essere semplicemente spinta nell'emisfero più regolare del modello precedente.
Questi problemi hanno costretto le case automobilistiche a cercare altrove modi per ridurre le emissioni di gas di scarico. La strada più ovvia per ridurre le emissioni è innanzitutto bruciare meno carburante.
Ciò richiede un miglioramento dell'efficienza termica, che ora è molto difficile da ottenere perché tutti i percorsi prontamente disponibili sono già stati implementati.
Un'altra possibilità è quella di produrre una miscela "più magra", vale a dire ridurre la proporzione di carburante nella miscela carburante/aria che entra nel motore.
La benzina brucia meglio in un motore di automobile standard quando è miscelata con aria nelle proporzioni 14,7:1 - quasi 15 parti di aria per ogni parte di benzina. In pratica la forza della miscela varia tra circa 13:1 e 16:1, a seconda della velocità di un motore e del suo carico in quel momento. A queste miscele, i motori producono livelli piuttosto elevati di emissioni nocive di gas di scarico, in particolare durante l'accelerazione iniziale.
Quando si tenta di allontanarsi dal rapporto carburante/aria ideale, il funzionamento del motore ne risente:se il motore viene alimentato con troppo carburante produce fumo, si consuma rapidamente ed è costoso da utilizzare. Se il motore viene fatto funzionare senza attrezzi, la combustione diventa estremamente variabile da un ciclo all'altro, le temperature dei gas di scarico aumentano a causa della persistenza delle fiamme dovute ai cicli di "combustione tardiva" e il motore inizia a girare male frequentemente. Tutto ciò si traduce in elevati livelli di idrocarburi nei gas di scarico.
Per superare le difficoltà nel far funzionare bene un motore con miscele magre, la miscela aria/carburante deve essere miscelata in modo più intimo e la fase di accensione e il processo di combustione devono essere controllati molto finemente.
A tal fine, alcune case automobilistiche stanno installando sistemi di gestione del motore in cui un'elettronica sofisticata controlla sia l'accensione che i sistemi di erogazione del carburante. Ciò consente di assicurarsi che le candele si accendano al momento giusto per accendere una nuova carica di carburante/aria, che altrimenti potrebbe essere riluttante ad accendersi.
Sono in fase di sviluppo anche parti del motore realizzate con nuovi materiali che hanno una maggiore resistenza al calore, come i pistoni in ceramica. Ma la maggior parte degli sviluppi sta assicurando che l'aria e il carburante siano ben miscelati.
Riducendo la percentuale di carburante nella miscela che entra nel motore, i produttori di automobili hanno riscontrato problemi di mancata accensione e combustione incompleta che, in alcuni casi, hanno aumentato anziché diminuire il consumo di carburante.
Per aggirare questi problemi, l'industria ha provato diversi modi di "mescolare" la miscela appena prima dell'accensione, con l'obiettivo di favorire una combustione più rapida e una combustione più completa.
Ci sono tre modi principali per mescolare la miscela. In primo luogo, le aperture di ingresso del motore possono essere sagomate per causare vortici, una tecnica presa in prestito dai motori diesel a iniezione diretta. In secondo luogo, un deflettore, o "recinzione", attorno al quale deve fluire la miscela, può essere posizionato vicino alla valvola o alle valvole di ingresso. E terzo, la camera di combustione stessa può essere resa più piccola dell'alesaggio del cilindro per creare il cosiddetto effetto "squish":sotto la compressione del pistone in arrivo, la miscela carburante/aria deve comprimersi nella camera di combustione, e questo aumenta la densità di le gocce di carburante nella camera.
Trovare il modo migliore per progettare il motore in modo che possa far fronte a miscele di carburante molto magre è un processo molto difficile. Parte del problema è cercare di vedere cosa succede realmente all'interno di una camera di combustione quando la miscela aria/carburante sta bruciando, in particolare quando l'acceleratore viene aperto o chiuso rapidamente.
Quindi i ricercatori stanno ora usando una finestra al quarzo nella camera di combustione, combinata con una cinepresa e una complessa programmazione del computer, per vedere esattamente cosa sta succedendo all'interno. Da questo possono dire come e dove si sta diffondendo la fiamma, il che dà un'indicazione di quanto completamente sta bruciando la miscela.
L'attuale generazione di motori a combustione magra funziona con rapporti di circa 17:1 o 18:1 e la generazione successiva dovrebbe funzionare con rapporti in media di 20:1 o 22:1.
Ma la tecnologia lean-bum ha ancora molta strada da fare prima di soddisfare pienamente le proposte di legge CEE. Alcuni produttori stanno proponendo di utilizzare una combinazione di catalizzatore e un motore a combustione magra per soddisfare le richieste delle nuove normative.
Come il CVH di Ford, il motore CHT Fiat da 2 litri è derivato da un motore esistente, il Fiat twin-cam, un design che esiste da alcuni anni. CHT sta per Controlled High Turbulence, che descrive come l'aria e il carburante vengono miscelati accuratamente prima della combustione. Nel collettore di aspirazione è montato un deflettore a farfalla. A tutto gas, la farfalla è aperta e la miscela aria/carburante segue il suo percorso normale lungo il collettore di aspirazione fino alle camere di combustione. Ma a gas leggero, un collegamento all'acceleratore chiude la farfalla (a parte un piccolo ritaglio che consente il passaggio di parte della miscela). La maggior parte della miscela carburante/aria viene forzata lungo un passaggio diverso e più stretto verso le camere che fa fluire la miscela più velocemente. Griglia di turbolenza 
