Gori li dizel gorivo? Gori, i to dosta jako. Njegov ostatak koji nije sudjelovao u prethodno miješanom izgaranju troši se u fazi izgaranja s promjenjivom brzinom.
Izgaranje u dizelskim motorima je vrlo teško. Sve do 1990-ih njegovi detaljni mehanizmi nisu bili dobro shvaćeni. Temperatura izgaranja dizel goriva u komori za izgaranje također je varirala od slučaja do slučaja. Činilo se da desetljećima složenost ovog procesa prkosi pokušajima istraživača da razotkriju njegove brojne tajne, unatoč dostupnosti modernih alata kao što su brza fotografija koja se koristi u "transparentnim" motorima, procesorska snaga modernih računala i mnogi matematički modeli dizajniran za simulaciju izgaranja u dizelu Primjena laserskog snimanja na tradicionalan proces dizelskog izgaranja 1990-ih bila je ključ za značajno poboljšanje razumijevanja ovog procesa.
Ovaj članak će pokritinajutvrđeniji procesni model za klasični dizelski motor. Ovo konvencionalno izgaranje dizelskog goriva prvenstveno se kontrolira miješanjem, što se može dogoditi zbog difuzije goriva i zraka prije paljenja.
temperatura izgaranja
Na kojoj temperaturi gori dizelsko gorivo? Ako se ranije ovo pitanje činilo teškim, sada se može dati potpuno nedvosmislen odgovor. Temperatura izgaranja dizelskog goriva je oko 500-600 stupnjeva Celzija. Temperatura mora biti dovoljno visoka da zapali mješavinu goriva i zraka. U hladnim zemljama gdje prevladavaju niske temperature okoline, motori su imali žarnu svjećicu koja zagrijava usisni otvor kako bi se motor pokrenuo. Zbog toga uvijek trebate pričekati da se ikona grijača na ploči s instrumentima ugasi prije pokretanja motora. Također utječe na temperaturu izgaranja dizelskog goriva. Razmotrimo koje druge nijanse ima u njegovom radu.
Značajke
Glavni preduvjet za sagorijevanje dizelskog goriva u plameniku s vanjskim upravljanjem je njegov jedinstveni način oslobađanja kemijske energije pohranjene u njemu. Za izvođenje ovog procesa mora mu biti dostupan kisik kako bi se olakšalo izgaranje. Jedan od najvažnijih aspekata ovog procesa je miješanje goriva i zraka, koje se često naziva prethodno miješanje.
katalizator dizelskog izgaranja
U dizel motorima, gorivo se često ubrizgava u cilindar motora na kraju kompresijskog takta, samo nekoliko stupnjeva kuta radilice prije gornje mrtve točke. Tekuće gorivo se obično ubrizgava velikom brzinom u jednom ili više mlaznica kroz male rupe ili mlaznice na vrhu mlaznice, raspršuje se u fine kapljice i ulazi u komoru za izgaranje. Atomizirano gorivo apsorbira toplinu iz okolnog zagrijanog komprimiranog zraka, isparava i miješa se s okolnim visokotemperaturnim visokotlačnim zrakom. Kako se klip nastavlja kretati bliže gornjoj mrtvoj točki (TDC), temperatura smjese (uglavnom zraka) doseže svoju temperaturu paljenja. Temperatura izgaranja Webasto dizelskog goriva ne razlikuje se od one drugih vrsta dizela, dosežući oko 500-600 stupnjeva.
Brzo paljenje nekog prethodno pomiješanog goriva i zraka događa se nakon razdoblja odgode paljenja. Ovo brzo paljenje smatra se početkom izgaranja i karakterizira ga naglo povećanje tlaka u cilindru kako se mješavina zraka i goriva troši. Povećani tlak koji proizlazi iz prethodno miješanog izgaranja komprimira i zagrijava neizgorjeli dio punjenja i skraćuje odgodu prije nego što se zapali. Također povećava brzinu isparavanja preostalog goriva. Njegovo prskanje, isparavanje, miješanje sa zrakom nastavlja se dok sve ne izgori. Temperatura izgaranja kerozina i dizel goriva u tom pogledu može biti slična.
Karakteristika
Prvo, pozabavimo se notacijom: tada je A zrak (kisik), F je gorivo. Izgaranje dizela karakterizira nizak ukupni omjer A/F. Najniži prosječni A/F često se opaža u uvjetima najvećeg zakretnog momenta. Kako bi se izbjeglo prekomjerno stvaranje dima, vršni zakretni moment A/F obično se održava iznad 25:1, znatno iznad stehiometrijskog (kemijski ispravnog) omjera ekvivalencije od oko 14,4:1. To se također odnosi na sve aktivatore dizelskog izgaranja.
U dizel motorima s turbopunjačem, omjer A/F u praznom hodu može premašiti 160:1. Posljedično, višak zraka prisutan u cilindru nakon izgaranja goriva nastavlja se miješati s gorućim i već ispušnim plinovima. Kada se otvori ispušni ventil, višak zraka se ispušta zajedno s produktima izgaranja, što objašnjava oksidativnu prirodu dizelskih ispušnih plinova.
Kada gori dizelsko gorivo? Ovaj proces se događa nakon što se ispareno gorivo pomiješa sa zrakom da nastane lokalno bogata smjesa. Također u ovoj fazi postiže se odgovarajuća temperatura izgaranja dizel goriva. Međutim, ukupni omjer A/F je mali. Drugim riječima, može se reći da se najveći dio zraka koji ulazi u cilindar dizelskog motora komprimira i zagrijava, ali nikada ne sudjeluje u procesu izgaranja. Kisik u višku zraka pomaže u oksidaciji plinovitih ugljikovodika i ugljičnog monoksida, smanjujući ih na iznimno niske koncentracije u ispušnim plinovima. Ovaj proces je mnogo važniji od temperature izgaranja dizelskog goriva.
Čimbenici
Sljedeći čimbenici igraju važnu ulogu u procesu izgaranja dizela:
- Inducirani naboj zraka, njegova temperatura i njegova kinetička energija u nekoliko dimenzija.
- Atomizacija ubrizganog goriva, prodor prskanja, temperatura i kemijske karakteristike.
Iako su ova dva čimbenika najvažnija, postoje i drugi parametri koji mogu značajno utjecati na performanse motora. Oni igraju sekundarnu, ali važnu ulogu u procesu izgaranja. Na primjer:
- Dizajn ulaza. Ima snažan utjecaj na kretanje zraka za punjenje (osobito u trenutku kada ulazi u cilindar) i na brzinu miješanja u komori za izgaranje. To može promijeniti temperaturu izgaranja dizel goriva u kotlu.
- Dizajn usisnog otvora također može utjecati na temperaturu zraka za punjenje. To se može postići prijenosom topline iz vodenog omotača kroz površinu ulaza.
- Veličina usisnog ventila. Kontrolira ukupnu masu zraka koja ulazi u cilindar tijekom konačnog vremena.
- Omjer kompresije. Utječe na isparavanje, brzinu miješanja i kvalitetu izgaranja, bez obzira na temperaturu izgaranja dizel goriva u kotlu.
- Pritisak ubrizgavanja. Kontrolira trajanje ubrizgavanja za dati parametar otvaranja mlaznice.
- Geometrija atomizacije, koja izravno utječe na kvalitetu i temperaturu izgaranja dizel goriva i benzina zaračun korištenja zraka. Na primjer, veći kut raspršivača može staviti gorivo na vrh klipa i izvan spremnika za izgaranje u DI diesel motorima s otvorenom komorom. Ovo stanje može dovesti do prekomjernog "pušenja" jer je gorivu onemogućen pristup zraku. Široki kutovi konusa također mogu uzrokovati prskanje goriva po stijenkama cilindra, a ne unutar komore za izgaranje gdje je to potrebno. Raspršena na stijenku cilindra, na kraju će se spustiti u uljnu posudu, skraćujući životni vijek ulja za podmazivanje. Budući da je kut prskanja jedna od varijabli koja utječe na brzinu miješanja zraka u mlazu goriva u blizini izlaza mlaznice, može imati značajan učinak na cjelokupni proces izgaranja.
- Konfiguracija ventila koja kontrolira položaj mlaznice. Sustavi s dva ventila stvaraju nagnuti položaj injektora, što znači neravnomjerno prskanje. To dovodi do kršenja miješanja goriva i zraka. S druge strane, dizajn s četiri ventila omogućuje okomitu montažu injektora, simetrično raspršivanje goriva i jednak pristup dostupnom zraku za svaki raspršivač.
- Položaj gornjeg klipnog prstena. On kontrolira mrtvi prostor između vrha klipa i košuljice cilindra. Ovaj mrtvi prostor zarobljava zrak koji se komprimira i širi čak ni ne sudjelujući u procesu izgaranja. Stoga je važno razumjeti da sustav dizelskog motora nije ograničen na komoru za izgaranje, mlaznice injektora injihovo neposredno okruženje. Izgaranje uključuje bilo koji dio ili komponentu koja može utjecati na krajnji rezultat procesa. Stoga nitko ne bi trebao imati dvojbe oko toga da li dizel gorivo gori.
Ostali detalji
Poznato je da je dizelsko izgaranje vrlo slabo s omjerom A/F:
- 25:1 pri vrhunskom momentu.
- 30:1 pri nazivnoj brzini i maksimalnoj snazi.
- Više od 150:1 u praznom hodu za motore s turbopunjačem.
Međutim, ovaj dodatni zrak nije uključen u proces izgaranja. Prilično se zagrijava i iscrpljuje, zbog čega dizelski ispuh postaje loš. Iako je prosječni omjer zraka i goriva loš, ako se tijekom procesa projektiranja ne poduzmu odgovarajuće mjere, područja komore za izgaranje mogu biti bogata gorivom i rezultirati prekomjernim emisijama dima.
komora za izgaranje
Ključni cilj dizajna je osigurati dovoljno miješanje goriva i zraka kako bi se ublažili učinci područja bogatih gorivom i omogućilo motoru da postigne svoje performanse i ciljeve emisije. Utvrđeno je da je turbulencija u kretanju zraka unutar komore za izgaranje korisna za proces miješanja i da se može koristiti za postizanje tog cilja. Vrtlog koji stvara ulaz može se pojačati i klip može stvoritistiskanje dok se približava glavi cilindra kako bi se omogućila veća turbulencija tijekom čina kompresije zbog ispravnog dizajna čašice u glavi klipa.
Dizajn komore za izgaranje ima najznačajniji utjecaj na emisije čestica. Također može utjecati na neizgorene ugljikovodike i CO. Iako emisije NOx ovise o dizajnu posude [De Risi 1999], svojstva rasutog plina igraju vrlo važnu ulogu u njihovim razinama ispušnih plinova. Međutim, zbog kompromisa NOx/PM, dizajn ložišta je morao evoluirati kako su se smanjivale granice emisije NOx. To je uglavnom potrebno kako bi se izbjeglo povećanje emisija PM do kojeg bi inače došlo.
Optimizacija
Važan parametar za optimizaciju sustava izgaranja dizelskog goriva u motoru je udio dostupnog zraka uključenog u ovaj proces. K faktor (omjer volumena čašice klipa i zazora) približna je mjera udjela zraka dostupnog za izgaranje. Smanjenje obujma motora dovodi do smanjenja relativnog koeficijenta K i do sklonosti pogoršanju karakteristika izgaranja. Za dani pomak i pri konstantnom omjeru kompresije, K faktor se može poboljšati odabirom duljeg hoda. Na odabir omjera provrta cilindra i motora može utjecati faktor K i niz drugih čimbenika kao što su pakiranje motora, provrti i ventili i tako dalje.
Moguće poteškoće
Posebno značajan problem pri postavljanjuMaksimalni omjer cilindra i hoda leži u vrlo složenom pakiranju glave cilindra. To je neophodno kako bi se prilagodio dizajn s četiri ventila i common-rail sustav ubrizgavanja goriva s mlaznicom smještenom u sredini. Glave cilindara su složene zbog brojnih kanala, uključujući vodeno hlađenje, vijke za pričvršćivanje glave cilindra, usisne i ispušne otvore, mlaznice, žarnice, ventile, stabljike ventila, udubljenja i sjedišta i druge kanale koji se koriste za recirkulaciju ispušnih plinova u nekim izvedbama.
Komore za izgaranje u modernim dizelskim motorima s izravnim ubrizgavanjem mogu se nazvati otvorenim ili sekundarnim komorama za izgaranje.
Otvorene kamere
Ako gornja rupa posude u klipu ima manji promjer od maksimuma istog parametra zdjele, tada se naziva povratnom. Takve zdjele imaju "usnu". Ako ne, onda je ovo otvorena komora za izgaranje. U dizelskim motorima, ti su meksički dizajni zdjelica za šešir poznati od 1920-ih. Korišteni su do 1990. godine u teškim motorima do točke kada je povratna posuda postala važnija nego što je bila. Ovaj oblik komore za izgaranje je dizajniran za relativno napredna vremena ubrizgavanja, gdje posuda sadrži većinu gorućih plinova. Nije dobro prikladan za strategije odgođenog ubrizgavanja.
Dizelski motor
Nazvan je po izumitelju Rudolfu Dieselu. Radi se o motoru s unutarnjim izgaranjem kod kojeg je paljenje ubrizganog goriva uzrokovano povećanimtemperatura zraka u cilindru zbog mehaničke kompresije. Dizel radi tako da komprimira samo zrak. To podiže temperaturu zraka unutar cilindra do te mjere da se atomizirano gorivo ubrizgano u komoru za izgaranje spontano zapali.
Ovo se razlikuje od motora sa svjećicom kao što su benzin ili LPG (koji koriste plinovito gorivo, a ne benzin). Za paljenje mješavine zraka i goriva koriste svjećicu. U dizel motorima, žarnice (grijači komore za izgaranje) mogu se koristiti za pomoć pri pokretanju po hladnom vremenu i također pri niskim omjerima kompresije. Originalni dizel radi na ciklusu konstantnog tlaka postupnog izgaranja i ne proizvodi zvučni bum.
Opće karakteristike
Diesel ima najveću toplinsku učinkovitost od bilo kojeg praktičnog motora s unutarnjim i vanjskim izgaranjem zbog svog vrlo visokog omjera ekspanzije i inherentnog siromašnog izgaranja, dopuštajući da višak zraka odvodi toplinu. Mali gubitak učinkovitosti je također spriječen bez izravnog ubrizgavanja, jer neizgorjelo gorivo nema kada se ventil zatvori, a gorivo ne teče izravno iz usisnog (injektorskog) uređaja u ispušnu cijev. Dizelski motori male brzine, poput onih koji se koriste na brodovima, mogu imati toplinsku učinkovitost veću od 50 posto.
Dizeli mogu biti dizajnirani kao dvotaktni ili četverotaktni. Izvorno su korišteni kaoučinkovita zamjena za stacionarne parne strojeve. Od 1910. godine koriste se na podmornicama i brodovima. Kasnije je uslijedila uporaba u lokomotivama, kamionima, teškoj opremi i elektranama. Tridesetih godina prošlog stoljeća našli su svoje mjesto u dizajnu nekoliko automobila.
Prednosti i nedostaci
Od 1970-ih, upotreba dizelskih motora u većim terenskim i terenskim vozilima u SAD-u se povećala. Prema British Society of Motor Manufacturers and Manufacturers, prosjek EU za dizelska vozila iznosi 50% ukupne prodaje (među njima 70% u Francuskoj i 38% u UK).
Po hladnom vremenu, pokretanje dizel motora velike brzine može biti teško jer masa bloka i glave cilindra apsorbiraju toplinu kompresije, sprječavajući paljenje zbog većeg omjera površine i volumena. Prije su ove jedinice koristile male električne grijače unutar komora zvane žarnice.
Pregledi
Mnogi motori koriste otporne grijače u usisnom razvodniku za zagrijavanje usisnog zraka i za pokretanje ili dok se ne postigne radna temperatura. Električni otporni grijači bloka motora spojeni na mrežu koriste se u hladnim klimatskim uvjetima. U takvim slučajevima mora biti uključen dulje vrijeme (više od sat vremena) kako bi se smanjilo vrijeme pokretanja i trošenje.
Blok grijači se također koriste za napajanje u nuždi s dizel generatorima, koji moraju brzo isprazniti struju u slučaju nestanka struje. U prošlosti se koristio veći izbor metoda hladnog pokretanja. Neki motori, kao što je Detroit Diesel, koristili su sustav za uvođenje malih količina etera u usisni razvodnik za pokretanje izgaranja. Drugi su koristili mješoviti sustav s grijačem otpornim na izgaranje metanola. Improvizirana metoda, posebno na motorima koji ne rade, je ručno raspršivanje aerosolne bočice esencijalne tekućine u struju usisnog zraka (obično kroz sklop filtera za usisni zrak).
Razlike od drugih motora
Uvjeti dizela se razlikuju od motora sa svjećicom zbog različitog termodinamičkog ciklusa. Osim toga, snaga i brzina njegove rotacije izravno se kontroliraju dovodom goriva, a ne zraka, kao u cikličkom motoru. Temperatura izgaranja dizel goriva i benzina također se može razlikovati.
Prosječni dizelski motor ima niži omjer snage i težine od benzinskog motora. To je zato što dizel mora raditi na nižem broju okretaja zbog strukturalne potrebe za težim i jačim dijelovima da izdrže radni tlak. Uvijek je uzrokovan visokim kompresijskim omjerom motora, koji povećava sile na dijelu zbog sila inercije. Neki dizelaši su za komercijalnu upotrebu. To je više puta potvrđeno u praksi.
Diesel motori običnoimaju dugi moždani udar. U osnovi, to je potrebno kako bi se olakšalo postizanje potrebnih omjera kompresije. Kao rezultat toga, klip postaje teži. Isto se može reći i za šipke. Preko njih i radilice mora se prenijeti veća sila kako bi se promijenila količina gibanja klipa. Ovo je još jedan razlog zašto dizelski motor mora biti jači za istu snagu kao i benzinski motor.
