Elég a gázolaj? Ég, és elég erősen. Maradéka, amely nem vett részt az előkevert égésben, a változó sebességű égési fázisban fogyasztódik el.
A dízelmotorokban nagyon nehéz az égés. Az 1990-es évekig részletes mechanizmusait nem ismerték jól. A gázolaj égési hőmérséklete az égéstérben szintén esetenként változott. Úgy tűnt, hogy a folyamat összetettsége évtizedeken át dacol a kutatók azon kísérleteivel, hogy megfejtsék a titkokat, annak ellenére, hogy rendelkezésre állnak olyan modern eszközök, mint az „átlátszó” motorokban használt nagy sebességű fényképezés, a modern számítógépek feldolgozási teljesítménye és számos matematikai modell. úgy tervezték, hogy szimulálja az égést dízelben A lemezlézeres képalkotás alkalmazása a hagyományos dízelégetési folyamatban az 1990-es években volt a kulcsa ennek a folyamatnak a jobb megértéséhez.
Ez a cikk foglalkozika klasszikus dízelmotorok legmegbízhatóbb folyamatmodellje. A gázolajnak ezt a hagyományos elégetését elsősorban keveréssel szabályozzák, ami az üzemanyag és a levegő gyújtás előtti diffúziója miatt következhet be.
Égési hőmérséklet
Milyen hőmérsékleten ég el a gázolaj? Ha korábban ez a kérdés nehéznek tűnt, most már teljesen egyértelmű választ adhatunk rá. A gázolaj égési hőmérséklete körülbelül 500-600 Celsius fok. A hőmérsékletnek elég magasnak kell lennie ahhoz, hogy meggyulladjon az üzemanyag és a levegő keveréke. A hideg országokban, ahol az alacsony környezeti hőmérséklet dominál, a motorok izzítógyertyával rendelkeztek, amely felmelegíti a szívónyílást, hogy segítse a motor beindítását. Emiatt mindig várja meg, amíg a műszerfalon lévő fűtés ikon kialszik, mielőtt elindítaná a motort. A gázolaj égési hőmérsékletét is befolyásolja. Nézzük meg, milyen árnyalatok vannak még a munkájában.
Jellemzők
A dízel üzemanyag külső vezérlésű égőben történő elégetésének fő előfeltétele a benne tárolt kémiai energia egyedülálló felszabadításának módja. Ennek a folyamatnak a végrehajtásához oxigénnek kell rendelkezésre állnia az égés elősegítése érdekében. Ennek a folyamatnak az egyik legfontosabb aspektusa az üzemanyag és a levegő összekeverése, amelyet gyakran előkeverésnek is neveznek.
Dízel égési katalizátor
Dízelmotorokban az üzemanyagot gyakran a kompressziós ütem végén fecskendezik be a motor hengerébe, mindössze néhány fokkal a főtengely szögével a felső holtpont előtt. A folyékony tüzelőanyagot általában nagy sebességgel, egy vagy több fúvókában fecskendezik be a befecskendező csúcsán lévő kis lyukakon vagy fúvókákon keresztül, majd finom cseppekké porlasztják, és belép az égéstérbe. A porlasztott üzemanyag hőt vesz fel a környező fűtött sűrített levegőből, elpárolog és keveredik a környező magas hőmérsékletű, nagynyomású levegővel. Ahogy a dugattyú egyre közelebb kerül a felső holtponthoz (TDC), a keverék hőmérséklete (főleg a levegő) eléri a gyulladási hőmérsékletét. A Webasto dízel üzemanyag égési hőmérséklete nem különbözik más dízelfajtákétól, eléri az 500-600 fokot.
Egyes előre összekevert üzemanyag és levegő gyors begyulladása bizonyos gyújtási késleltetés után következik be. Ezt a gyors gyulladást az égés kezdetének tekintik, és a hengernyomás meredek emelkedése jellemzi, ahogy a levegő-üzemanyag keverék elfogy. Az előre kevert égés következtében megnövekedett nyomás összenyomja és felmelegíti a töltet el nem égett részét, és lerövidíti a begyulladás előtti késleltetést. Ezenkívül növeli a maradék üzemanyag elpárolgási sebességét. Permetezése, párologtatása, levegővel való keverése addig folytatódik, amíg az egész el nem ég. A kerozin és a gázolaj égési hőmérséklete ebből a szempontból hasonló lehet.
Jellemző
Először is foglalkozzunk a jelöléssel: akkor A levegő (oxigén), F üzemanyag. A dízel égését alacsony általános A/F arány jellemzi. A legalacsonyabb átlagos A/F gyakran csúcsnyomatéki körülmények között figyelhető meg. A túlzott füstképződés elkerülése érdekében az A/F csúcsnyomatékot általában 25:1 felett tartják, ami jóval meghaladja a körülbelül 14,4:1 sztöchiometrikus (kémiailag helyes) ekvivalencia arányt. Ez vonatkozik az összes dízel égésaktivátorra is.
A turbófeltöltős dízelmotorokban az A/F arány alapjáraton meghaladhatja a 160:1-et. Következésképpen a tüzelőanyag elégetése után a hengerben jelenlévő felesleges levegő továbbra is keveredik az égő és már kimerült gázokkal. A kipufogószelep kinyitásakor a felesleges levegő az égéstermékekkel együtt távozik, ami megmagyarázza a dízel kipufogógáz oxidatív jellegét.
Mikor ég el a gázolaj? Ez a folyamat azután megy végbe, hogy az elpárologtatott tüzelőanyag levegővel keveredik, és helyileg gazdag keveréket képez. Ebben a szakaszban is eléri a dízel üzemanyag megfelelő égési hőmérsékletét. A teljes A/F arány azonban kicsi. Más szóval elmondható, hogy a dízelmotor hengerébe belépő levegő nagy része sűrített és felmelegszik, de soha nem vesz részt az égési folyamatban. A levegőfeleslegben lévő oxigén elősegíti a gáznemű szénhidrogének és a szén-monoxid oxidációját, és rendkívül alacsony koncentrációra redukálja azokat a kipufogógázokban. Ez a folyamat sokkal fontosabb, mint a dízel üzemanyag égési hőmérséklete.
Tényezők
A következő tényezők játszanak fő szerepet a dízel égési folyamatában:
- A levegő indukált töltése, hőmérséklete és mozgási energiája több dimenzióban.
- A befecskendezett üzemanyag porlasztása, a fröccsenés behatolása, a hőmérséklet és a kémiai jellemzők.
Bár ez a két tényező a legfontosabb, vannak más paraméterek is, amelyek jelentősen befolyásolhatják a motor teljesítményét. Másodlagos, de fontos szerepet töltenek be az égési folyamatban. Például:
- A bemenet kialakítása. Erősen befolyásolja a töltőlevegő mozgását (különösen abban a pillanatban, amikor belép a hengerbe) és a keverési sebességre az égéstérben. Ez megváltoztathatja a gázolaj égési hőmérsékletét a kazánban.
- A szívónyílás kialakítása is befolyásolhatja a töltőlevegő hőmérsékletét. Ez úgy érhető el, hogy a hőt a vízköpenyből a bemenet felületén átvezetjük.
- Szívószelep mérete. Szabályozza a hengerbe beengedett levegő teljes tömegét egy véges idő alatt.
- Tömörítési arány. Befolyásolja a párolgást, a keverési sebességet és az égés minőségét, függetlenül a kazánban lévő dízel üzemanyag égési hőmérsékletétől.
- Befecskendezési nyomás. Egy adott fúvókanyitási paraméter befecskendezési időtartamát szabályozza.
- A porlasztási geometria, amely közvetlenül befolyásolja a dízel üzemanyag és a benzin minőségét és égési hőmérsékletétlevegőhasználati számla. Például egy nagyobb permetezési kúpszög az üzemanyagot a dugattyú tetejére és az égéstartályon kívülre helyezheti a nyitott kamrás DI dízelmotorokban. Ez az állapot túlzott "dohányzáshoz" vezethet, mivel az üzemanyag nem jut levegőhöz. A széles kúpszögek is okozhatják az üzemanyag fröccsenését a henger falára, nem pedig az égéstér belsejébe, ahol szükséges. A henger falára permetezve végül az olajteknőbe kerül, lerövidítve a kenőolaj élettartamát. Mivel a permetezési szög az egyik olyan változó, amely befolyásolja a levegő keveredésének sebességét az üzemanyagsugárban a befecskendező szelep kimenete közelében, ez jelentős hatással lehet a teljes égési folyamatra.
- Szelepkonfiguráció, amely szabályozza az injektor helyzetét. A kétszelepes rendszerek ferde injektorhelyzetet hoznak létre, ami egyenetlen permetezést jelent. Ez az üzemanyag és a levegő keveredésének megsértéséhez vezet. Másrészt a négyszelepes kialakítás lehetővé teszi a befecskendező szelepek függőleges felszerelését, szimmetrikus üzemanyagporlasztást és egyenlő hozzáférést a rendelkezésre álló levegőhöz minden porlasztó számára.
- A felső dugattyúgyűrű helyzete. Szabályozza a holtteret a dugattyú teteje és a hengerbélés között. Ez a holttér felfogja a levegőt, amely összenyomódik és kitágul anélkül, hogy részt venne az égési folyamatban. Ezért fontos megérteni, hogy a dízelmotor-rendszer nem korlátozódik az égéstérre, a befecskendező fúvókákra ésközvetlen környezetüket. Az égés magában foglal minden olyan részt vagy komponenst, amely befolyásolhatja a folyamat végeredményét. Ezért senkinek ne legyen kétsége afelől, hogy ég-e a gázolaj.
Egyéb részletek
A dízelégés köztudottan nagyon szegény az A/F arány mellett:
- 25:1 csúcsnyomatéknál.
- 30:1 névleges fordulatszámon és maximális teljesítménnyel.
- Több mint 150:1 alapjáraton turbófeltöltős motoroknál.
Ez a többletlevegő azonban nem szerepel az égési folyamatban. Eléggé felmelegszik és lemerül, aminek következtében a dízel kipufogó is rossz lesz. Annak ellenére, hogy az átlagos levegő-üzemanyag arány rossz, ha a tervezési folyamat során nem tesznek megfelelő intézkedéseket, az égéskamra területek üzemanyagban gazdagok lehetnek, és túlzott füstkibocsátást eredményezhetnek.
Égéskamra
A fő tervezési cél az üzemanyag és a levegő megfelelő keveredésének biztosítása az üzemanyagban gazdag területek hatásainak mérséklése érdekében, és lehetővé teszi a motor számára, hogy elérje teljesítmény- és károsanyag-kibocsátási céljait. Azt találtuk, hogy az égéskamrán belüli levegő mozgásának turbulenciája előnyös a keverési folyamat szempontjából, és felhasználható ennek elérésére. A bemenet által keltett örvény felerősíthető és a dugattyú létrehozhatösszenyomódik, amikor a hengerfejhez közeledik, hogy nagyobb turbulenciát biztosítson az összenyomás során a dugattyúfejben lévő csésze megfelelő kialakításának köszönhetően.
Az égéstér kialakításának van a legjelentősebb hatása a részecskekibocsátásra. Az el nem égett szénhidrogénekre és a CO-ra is hatással lehet. Bár az NOx-kibocsátás a tartály kialakításától függ [De Risi 1999], az ömlesztett gáz tulajdonságai nagyon fontos szerepet játszanak a kipufogógáz szintjében. Az NOx/PM kompromisszum miatt azonban a tüzelőberendezések kialakításának változnia kellett, mivel az NOx-kibocsátási határértékek csökkentek. Ez elsősorban a PM-kibocsátás növekedésének elkerülése érdekében szükséges, ami egyébként előfordulna.
Optimalizálás
A motorban lévő dízel üzemanyag égési rendszerének optimalizálásának fontos paramétere a rendelkezésre álló levegő aránya ebben a folyamatban. A K-tényező (a dugattyúcsésze térfogatának a hézaghoz viszonyított aránya) az égéshez rendelkezésre álló levegő arányának hozzávetőleges mértéke. A motor lökettérfogatának csökkentése a K relatív együttható csökkenéséhez és az égési jellemzők romlásának tendenciájához vezet. Adott elmozdulásnál és állandó kompressziós arány mellett hosszabb löket választásával javítható a K tényező. A hengerfurat és a motor arányának kiválasztását befolyásolhatja a K-tényező és számos egyéb tényező, például a motor csomagolása, furatok és szelepek stb.
Lehetséges nehézségek
Különösen jelentős probléma a beállításkorA henger/löket maximális aránya a hengerfej nagyon összetett csomagolásában rejlik. Erre azért van szükség, hogy a négyszelepes kialakítás és a közös nyomócsöves üzemanyag-befecskendező rendszer illeszkedjen a középen elhelyezett befecskendező szeleppel. A hengerfejek bonyolultak a sok csatorna miatt, beleértve a vízhűtést, a hengerfej rögzítőcsavarjait, a szívó- és kipufogónyílásokat, az injektorokat, az izzítógyertyákat, a szelepeket, a szelepszárakat, a mélyedéseket és az üléseket, valamint egyes kiviteleknél a kipufogógáz-visszavezetéshez használt csatornákat.
A modern közvetlen befecskendezéses dízelmotorok égéstereit nyitott vagy másodlagos égéstereknek is nevezhetjük.
Kamerák megnyitása
Ha a dugattyúban lévő tál felső furatának átmérője kisebb, mint ugyanazon tálparaméter maximális átmérője, akkor azt visszafordíthatónak nevezzük. Az ilyen tálaknak "ajak" van. Ha nem, akkor ez egy nyitott égéstér. A dízelmotorokban ezek a mexikói kalaptál kialakítások az 1920-as évek óta ismertek. 1990-ig használták őket nagy teljesítményű motorokban, egészen addig a pontig, ahol a visszatérő tartály fontosabbá vált, mint korábban. Az égéstérnek ezt a formáját viszonylag előrehaladott befecskendezési időkre tervezték, ahol az égő gázok nagy részét az edény tartalmazza. Nem alkalmas késleltetett injekciós stratégiákhoz.
Dízelmotor
Nevét Rudolf Diesel feltalálóról kapta. Ez egy belső égésű motor, amelyben a befecskendezett üzemanyag gyulladását a megnövekedett üzemanyag okozzalevegő hőmérséklete a hengerben a mechanikai kompresszió miatt. A dízel csak levegő sűrítésével működik. Ez olyan mértékben megemeli a henger belsejében lévő levegő hőmérsékletét, hogy az égéstérbe fecskendezett porlasztott üzemanyag spontán meggyullad.
Ez eltér a szikragyújtású motoroktól, mint például a benzin vagy LPG (benzin helyett gáz halmazállapotú üzemanyagot használnak). Gyújtógyertyát használnak a levegő-üzemanyag keverék meggyújtására. A dízelmotorokban izzítógyertyák (égéstérfűtők) használhatók az indítás elősegítésére hideg időben és alacsony sűrítési arány mellett is. Az eredeti dízel állandó nyomáscikluson működik, fokozatos égéssel, és nem produkál hangszórót.
Általános jellemzők
A dízel rendelkezik a legmagasabb hőhatékonysággal a gyakorlati belső és külső égésű motorok között, köszönhetően a nagyon magas tágulási aránynak és a velejáró szegény égésnek, amely lehetővé teszi a felesleges levegő hőelvezetését. Közvetlen befecskendezés nélkül is elkerülhető egy kis hatékonyságvesztés, mivel a szelep zárásakor nincs jelen az el nem égett üzemanyag, és az üzemanyag nem folyik közvetlenül a szívó- (befecskendező) készülékből a kipufogócsőbe. Az alacsony fordulatszámú dízelmotorok, például a hajókban használt motorok termikus hatásfoka meghaladhatja az 50 százalékot.
A dízelek kétütemű vagy négyütemű kivitelben is tervezhetők. Eredetileg úgy használták őkethelyhez kötött gőzgépek hatékony helyettesítése. 1910 óta használják tengeralattjárókon és hajókon. A mozdonyokban, teherautókban, nehézgépekben és erőművekben való felhasználás később következett. A múlt század harmincas éveiben több autó tervezésében is helyet kaptak.
Előnyök és hátrányok
Az 1970-es évek óta az Egyesült Államokban megnövekedett a dízelmotorok használata a nagyobb terep- és terepjárművekben. A British Society of Motor Manufacturers and Manufacturers (British Society of Motor Manufacturers and Manufacturers) szerint a dízeljárművek EU-átlaga a teljes eladások 50%-a (köztük 70%-a Franciaországban és 38%-a az Egyesült Királyságban).
Hideg időben a nagy sebességű dízelmotorok indítása nehézségekbe ütközhet, mivel a blokk és a hengerfej tömege elnyeli a kompresszió hőjét, megakadályozva a gyulladást a nagyobb felület/térfogat arány miatt. Korábban ezek az egységek kis elektromos fűtőtesteket használtak izzítógyertyáknak nevezett kamrákban.
Megtekintések
Sok motor ellenállásfűtést használ a szívócsonkban a beszívott levegő felmelegítésére és az indításra vagy az üzemi hőmérséklet eléréséig. A hálózatra csatlakoztatott elektromos rezisztív motorblokk-fűtőket hideg éghajlaton használják. Ilyen esetekben az indítási idő és a kopás csökkentése érdekében hosszabb ideig (több mint egy órán keresztül) be kell kapcsolni.
A blokkfűtőket dízelgenerátoros vészhelyzeti tápellátásra is használják, amelyeknek áramkimaradás esetén gyorsan le kell vonniuk az áramot. A múltban a hidegindítási módszerek szélesebb választékát alkalmazták. Egyes motorok, például a Detroit Diesel olyan rendszert használtak, amely kis mennyiségű étert juttatott a szívócsonkba az égés megindítása érdekében. Mások vegyes rendszert használtak metanol-égető ellenállásfűtéssel. Egy rögtönzött módszer, különösen a nem működő motoroknál, ha manuálisan permeteznek be egy aeroszolos flakont alapvető folyadékkal a beszívott levegőáramba (általában a beszívott levegő szűrőegységén keresztül).
Különbségek más motorokhoz képest
A dízel állapota eltér a szikragyújtású motortól az eltérő termodinamikai ciklus miatt. Ezenkívül a teljesítményt és a forgási sebességet közvetlenül az üzemanyag-ellátás szabályozza, nem pedig a levegő, mint egy ciklikus motorban. A gázolaj és a benzin égési hőmérséklete is eltérő lehet.
Az átlagos dízelmotor teljesítmény-tömeg aránya alacsonyabb, mint a benzinmotoroké. Ennek az az oka, hogy a dízelnek alacsonyabb fordulatszámon kell működnie, mivel szerkezetileg nehezebb és erősebb alkatrészekre van szüksége ahhoz, hogy ellenálljon az üzemi nyomásnak. Mindig a motor magas sűrítési aránya okozza, ami megnöveli az alkatrészre ható erőket a tehetetlenségi erők miatt. Egyes dízelek kereskedelmi használatra szolgálnak. Ezt a gyakorlatban többször is megerősítették.
Dízelmotorok általábanhosszú agyvérzése van. Ez alapvetően a szükséges tömörítési arányok elérésének elősegítéséhez szükséges. Ennek eredményeként a dugattyú nehezebbé válik. Ugyanez elmondható a rudakról is. Több erőt kell átvinni rajtuk és a főtengelyen keresztül a dugattyú lendületének megváltoztatásához. Ez egy másik ok, amiért a dízelmotornak erősebbnek kell lennie a benzinmotoréval azonos teljesítményhez.
