Brænder diesel? Det brænder, og ret kraftigt. Dens rest, der ikke deltog i forblandet forbrænding, forbruges i forbrændingsfasen med variabel hastighed.
Forbrænding i dieselmotorer er meget vanskelig. Indtil 1990'erne var dens detaljerede mekanismer ikke godt forstået. Forbrændingstemperaturen for dieselbrændstof i forbrændingskammeret varierede også fra sag til sag. I årtier syntes kompleksiteten af denne proces at trodse forskernes forsøg på at afsløre dens mange hemmeligheder, på trods af tilgængeligheden af moderne værktøjer såsom højhastighedsfotografering brugt i "gennemsigtige" motorer, processorkraften i moderne computere og mange matematiske modeller designet til at simulere forbrænding i diesel Anvendelsen af sheet laser imaging til den traditionelle dieselforbrændingsproces i 1990'erne var nøglen til i høj grad at forbedre forståelsen af denne proces.
Denne artikel vil dækkeden mest etablerede procesmodel for en klassisk dieselmotor. Denne konventionelle forbrænding af dieselbrændstof styres primært af blanding, hvilket kan ske på grund af diffusion af brændstof og luft før tænding.
Forbrændingstemperatur
Ved hvilken temperatur brænder dieselbrændstof? Hvis dette spørgsmål tidligere virkede svært, kan det nu gives et helt entydigt svar. Forbrændingstemperaturen for dieselbrændstof er omkring 500-600 grader Celsius. Temperaturen skal være høj nok til at antænde blandingen af brændstof og luft. I kolde lande, hvor lave omgivende temperaturer dominerer, havde motorer et gløderør, der opvarmer indsugningsåbningen for at hjælpe med at starte motoren. Dette er grunden til, at du altid bør vente, indtil varmelegemeikonet på instrumentbrættet slukker, før du starter motoren. Det påvirker også dieselbrændstofs forbrændingstemperatur. Lad os overveje, hvilke andre nuancer der er i hans arbejde.
Funktioner
Den vigtigste forudsætning for afbrænding af dieselbrændstof i en eksternt styret brænder er dens unikke måde at frigive den kemiske energi, der er lagret i den. For at udføre denne proces skal der være ilt til rådighed for den for at lette forbrændingen. Et af de vigtigste aspekter af denne proces er blandingen af brændstof og luft, ofte omt alt som forblanding.
Dieselforbrændingskatalysator
I dieselmotorer sprøjtes brændstof ofte ind i motorcylinderen ved slutningen af kompressionsslaget, kun et par grader af krumtapakselvinkel før øverste dødpunkt. Det flydende brændstof indsprøjtes norm alt ved høj hastighed i en eller flere stråler gennem små huller eller dyser i injektorspidsen, forstøves til fine dråber og kommer ind i forbrændingskammeret. Det forstøvede brændstof absorberer varme fra den omgivende opvarmede trykluft, fordamper og blandes med den omgivende højtemperatur højtryksluft. Når stemplet fortsætter med at bevæge sig tættere på øverste dødpunkt (TDC), når temperaturen af blandingen (for det meste luft) sin antændelsestemperatur. Forbrændingstemperaturen for Webasto-dieselbrændstof adskiller sig ikke fra andre dieselkvaliteter og når omkring 500-600 grader.
Hurtig tænding af noget forblandet brændstof og luft sker efter en periode med tændingsforsinkelse. Denne hurtige tænding betragtes som starten på forbrændingen og er karakteriseret ved en kraftig stigning i cylindertrykket, når luft-brændstofblandingen forbruges. Det øgede tryk som følge af forblandet forbrænding komprimerer og opvarmer den uforbrændte del af ladningen og forkorter forsinkelsen, før den antændes. Det øger også fordampningshastigheden af det resterende brændstof. Dens sprøjtning, fordampning, blanding med luft fortsætter, indtil det hele er brændt. Forbrændingstemperaturen for petroleum og diesel i denne henseende kan være ens.
Karakteristisk
Lad os først beskæftige os med notationen: så er A luft (ilt), F er brændstof. Dieselforbrænding er karakteriseret ved et lavt samlet A/F-forhold. Den laveste gennemsnitlige A/F observeres ofte under spidsbelastningsforhold. For at undgå overdreven røgudvikling holdes det maksimale drejningsmoment A/F typisk over 25:1, et godt stykke over det støkiometriske (kemisk korrekte) ækvivalensforhold på ca. 14,4:1. Dette gælder også for alle dieselforbrændingsaktivatorer.
I turboladede dieselmotorer kan A/F-forholdet ved tomgang overstige 160:1. Som følge heraf fortsætter den overskydende luft, der er til stede i cylinderen efter forbrændingen af brændstoffet, med at blande sig med de brændende og allerede udtømte gasser. Når udstødningsventilen åbnes, udsuges overskydende luft sammen med forbrændingsprodukterne, hvilket forklarer den oxidative karakter af dieseludstødning.
Hvornår brænder diesel? Denne proces sker, efter at det fordampede brændstof er blandet med luft for at danne en lok alt rig blanding. Også på dette stadium nås den korrekte forbrændingstemperatur for dieselbrændstof. Det samlede A/F-forhold er dog lille. Med andre ord kan man sige, at det meste af luften, der kommer ind i cylinderen på en dieselmotor, er komprimeret og opvarmet, men aldrig deltager i forbrændingsprocessen. Ilten i den overskydende luft er med til at oxidere gasformige kulbrinter og kulilte, hvilket reducerer dem til ekstremt lave koncentrationer i udstødningsgasserne. Denne proces er meget vigtigere end dieselbrændstofs forbrændingstemperatur.
Factors
Følgende faktorer spiller en stor rolle i dieselforbrændingsprocessen:
- Den inducerede ladning af luft, dens temperatur og dens kinetiske energi i flere dimensioner.
- Forstøvning af indsprøjtet brændstof, sprøjtpenetration, temperatur og kemiske egenskaber.
Selvom disse to faktorer er de vigtigste, er der andre parametre, som kan påvirke motorens ydeevne betydeligt. De spiller en sekundær, men vigtig rolle i forbrændingsprocessen. For eksempel:
- Design af indløbet. Det har en stærk indflydelse på ladeluftens bevægelse (især i det øjeblik, hvor den kommer ind i cylinderen) og på blandingshastigheden i forbrændingskammeret. Dette kan ændre forbrændingstemperaturen for dieselbrændstof i kedlen.
- Designet af indsugningsporten kan også påvirke ladeluftens temperatur. Dette kan opnås ved at overføre varme fra vandkappen gennem overfladearealet af indløbet.
- Størrelse på indsugningsventil. Styrer den samlede masse af luft, der kommer ind i cylinderen over en begrænset tid.
- Kompressionsforhold. Det påvirker fordampning, blandingshastighed og forbrændingskvalitet, uanset forbrændingstemperaturen på dieselbrændstoffet i kedlen.
- Injektionstryk. Den styrer injektionsvarigheden for en given dyseåbningsparameter.
- Forstøvningsgeometri, som direkte påvirker kvaliteten og forbrændingstemperaturen af dieselbrændstof og benzin tilluftbrugskonto. For eksempel kan en større spraykeglevinkel placere brændstof oven på stemplet og uden for forbrændingstanken i åbenkammer DI-dieselmotorer. Denne tilstand kan føre til overdreven "rygning", da brændstoffet nægtes adgang til luft. Brede keglevinkler kan også få brændstof til at sprøjte på cylindervæggene i stedet for inde i forbrændingskammeret, hvor det er påkrævet. Sprøjtet på cylindervæggen vil det til sidst bevæge sig ned i oliebeholderen, hvilket forkorter smøreoliens levetid. Fordi sprøjtevinklen er en af de variabler, der påvirker luftblandingshastigheden i brændstofstrålen nær indsprøjtningsudløbet, kan det have en betydelig effekt på den samlede forbrændingsproces.
- Ventilkonfiguration, der styrer injektorens position. To-ventilsystemer skaber en vippet injektorposition, hvilket betyder ujævn sprøjtning. Dette fører til en krænkelse af blandingen af brændstof og luft. På den anden side tillader design med fire ventiler lodret injektormontering, symmetrisk brændstofforstøvning og lige adgang til tilgængelig luft for hver forstøver.
- Position af den øverste stempelring. Det styrer dødrummet mellem toppen af stemplet og cylinderforingen. Dette døde rum fanger luft, der komprimerer og udvider sig uden selv at deltage i forbrændingsprocessen. Derfor er det vigtigt at forstå, at dieselmotorsystemet ikke er begrænset til forbrændingskammeret, injektordyserne ogderes nærmiljø. Forbrænding omfatter enhver del eller komponent, der kan påvirke slutresultatet af processen. Derfor bør ingen være i tvivl om, hvorvidt diesel brænder.
Andre detaljer
Dieselforbrænding er kendt for at være meget mager med A/F-forhold:
- 25:1 ved maksim alt drejningsmoment.
- 30:1 ved nominel hastighed og maksimal effekt.
- Mere end 150:1 ved tomgang for turboladede motorer.
Denne ekstra luft er dog ikke inkluderet i forbrændingsprocessen. Den varmer ret meget op og er opbrugt, som følge heraf bliver dieseludstødningen dårlig. Selvom det gennemsnitlige luft-brændstofforhold er dårligt, kan forbrændingskammerområderne være rige på brændstof, hvis der ikke træffes passende foranst altninger under designprocessen, og resultere i overdreven røgemission.
Forbrændingskammer
Et centr alt designmål er at sikre tilstrækkelig blanding af brændstof og luft for at afbøde virkningerne af brændstofrige områder og tillade motoren at nå sine præstations- og emissionsmål. Det har vist sig, at turbulens i luftens bevægelse i forbrændingskammeret er gavnlig for blandingsprocessen og kan bruges til at opnå dette. Hvirvelen skabt af indløbet kan forstærkes, og stemplet kan skabeklemmer, når det nærmer sig topstykket for at give mulighed for mere turbulens under kompressionen på grund af det korrekte kopdesign i stempelhovedet.
Forbrændingskammerdesign har den største indflydelse på partikelemissioner. Det kan også påvirke uforbrændte kulbrinter og CO. Selvom NOx-emissioner afhænger af skålens design [De Risi 1999], spiller bulkgassens egenskaber en meget vigtig rolle for deres udstødningsgasniveauer. Men på grund af NOx/PM-afvejningen måtte brænderdesigns udvikle sig, efterhånden som NOx-emissionsgrænserne faldt. Dette er hovedsageligt nødvendigt for at undgå den stigning i PM-emissioner, der ellers ville forekomme.
Optimering
En vigtig parameter til at optimere forbrændingssystemet for dieselbrændstof i motoren er andelen af tilgængelig luft, der er involveret i denne proces. K-faktoren (forholdet mellem stempelkopvolumen og frigang) er et omtrentligt mål for andelen af luft tilgængelig til forbrænding. Reduktion af motorens forskydning fører til et fald i den relative koefficient K og til en tendens til at forværre forbrændingsegenskaberne. For en given forskydning og ved et konstant kompressionsforhold kan K-faktoren forbedres ved at vælge et længere slag. Valget af forholdet mellem cylinderboring og motor kan påvirkes af K-faktoren og en række andre faktorer såsom motorpakning, boringer og ventiler og så videre.
Mulige vanskeligheder
Et særligt væsentligt problem ved opsætningDet maksimale forhold mellem cylinder og slag ligger i den meget komplekse indpakning af cylinderhovedet. Dette er nødvendigt for at imødekomme fire-ventildesignet og common-rail brændstofindsprøjtningssystemet med injektoren placeret i midten. Cylinderhoveder er komplekse på grund af de mange kanaler, herunder vandkøling, cylinderhovedfastholdelsesbolte, indsugnings- og udstødningsporte, injektorer, gløderør, ventiler, ventilstammer, fordybninger og sæder og andre kanaler, der bruges til recirkulation af udstødningsgas i nogle designs.
Forbrændingskamre i moderne dieselmotorer med direkte indsprøjtning kan omtales som åbne eller sekundære forbrændingskamre.
Åbne kameraer
Hvis det øverste hul i skålen i stemplet har en mindre diameter end maksimum for den samme skålparameter, kaldes det returnable. Sådanne skåle har en "læbe". Hvis ikke, så er dette et åbent forbrændingskammer. I dieselmotorer har disse mexicanske hatteskåle været kendt siden 1920'erne. De blev brugt indtil 1990 i tunge motorer til det punkt, hvor returskålen blev vigtigere, end den plejede at være. Denne form for forbrændingskammer er designet til relativt avancerede indsprøjtningstider, hvor skålen indeholder de fleste af de brændende gasser. Den er ikke velegnet til forsinkede injektionsstrategier.
Dieselmotor
Den er opkaldt efter opfinderen Rudolf Diesel. Det er en forbrændingsmotor, hvor tænding af det indsprøjtede brændstof er forårsaget af øgetlufttemperatur i cylinderen på grund af mekanisk kompression. Diesel virker ved kun at komprimere luft. Dette hæver temperaturen af luften inde i cylinderen i en sådan grad, at det forstøvede brændstof, der sprøjtes ind i forbrændingskammeret, antændes spontant.
Dette er forskelligt fra motorer med gnisttænding, såsom benzin eller LPG (bruger gasformigt brændstof i stedet for benzin). De bruger et tændrør til at antænde luft-brændstofblandingen. I dieselmotorer kan gløderør (forbrændingskammervarmere) bruges til at hjælpe med start i koldt vejr og også ved lave kompressionsforhold. Den originale diesel kører på en konstant trykcyklus med gradvis forbrænding og frembringer ikke et sonisk boom.
Generelle karakteristika
Diesel har den højeste termiske effektivitet af enhver praktisk intern og ekstern forbrændingsmotor på grund af dens meget høje ekspansionsforhold og iboende magre forbrænding, der tillader overskydende luft at sprede varmen. Et lille tab af effektivitet forhindres også uden direkte indsprøjtning, da uforbrændt brændstof ikke er til stede, når ventilen lukker, og brændstof strømmer ikke direkte fra indsugningsanordningen (injektoren) til udstødningsrøret. Lavhastighedsdieselmotorer, såsom dem, der bruges i skibe, kan have termisk effektivitet på over 50 procent.
Dieselmotorer kan designes som totakts eller firetakts. De blev oprindeligt brugt someffektiv erstatning for stationære dampmaskiner. Siden 1910 har de været brugt på ubåde og skibe. Brug i lokomotiver, lastbiler, tungt udstyr og kraftværker fulgte senere. I 30'erne af forrige århundrede fandt de en plads i design af flere biler.
Fordele og ulemper
Siden 1970'erne er brugen af dieselmotorer i større on- og off-road køretøjer i USA steget. Ifølge British Society of Motor Manufacturers and Manufacturers er EU-gennemsnittet for dieselbiler 50 % af det samlede salg (blandt dem 70 % i Frankrig og 38 % i Storbritannien).
I koldt vejr kan det være vanskeligt at starte højhastighedsdieselmotorer, da massen af blokken og topstykket absorberer kompressionsvarmen, hvilket forhindrer antændelse på grund af det højere forhold mellem overflade og volumen. Tidligere brugte disse enheder små elektriske varmelegemer inde i kamre kaldet gløderør.
Visninger
Mange motorer bruger modstandsvarmere i indsugningsmanifolden til at opvarme indsugningsluften og starte, eller indtil driftstemperaturen er nået. Elektriske resistive motorblokvarmere tilsluttet lysnettet bruges i kolde klimaer. I sådanne tilfælde skal den være tændt i lang tid (mere end en time) for at reducere opstartstid og slid.
Blokvarmere bruges også til nødstrømforsyninger med dieselgeneratorer, som hurtigt skal aflade strømmen i tilfælde af strømafbrydelse. Tidligere er der blevet brugt et bredere udvalg af koldstartsmetoder. Nogle motorer, såsom Detroit Diesel, brugte et system til at indføre små mængder ether i indsugningsmanifolden for at starte forbrændingen. Andre har brugt et blandet system med en metanolbrændende modstandsvarmer. En improviseret metode, især på ikke-kørende motorer, er manuelt at sprøjte en aerosoldåse med essentiel væske ind i indsugningsluftstrømmen (norm alt gennem indsugningsluftfiltersamlingen).
Forskelle fra andre motorer
Dieselforhold er forskellige fra gnisttændingsmotorer på grund af forskellige termodynamiske cyklusser. Derudover styres kraften og hastigheden af dens rotation direkte af tilførslen af brændstof, og ikke luft, som i en cyklisk motor. Forbrændingstemperaturen for diesel og benzin kan også variere.
Den gennemsnitlige dieselmotor har et lavere effekt-til-vægt-forhold end en benzinmotor. Det skyldes, at dieselen skal køre med et lavere omdrejningstal på grund af det strukturelle behov for tungere og stærkere dele for at modstå driftstrykket. Det er altid forårsaget af et højt kompressionsforhold af motoren, hvilket øger kræfterne på delen på grund af inertikræfter. Nogle dieselmotorer er til kommerciel brug. Dette er gentagne gange blevet bekræftet i praksis.
Dieselmotorer norm althave et langt slagtilfælde. Grundlæggende er dette nødvendigt for at lette opnåelsen af de nødvendige kompressionsforhold. Som et resultat bliver stemplet tungere. Det samme kan siges om stængerne. Der skal overføres mere kraft gennem dem og krumtapakslen for at ændre stemplets momentum. Dette er endnu en grund til, at en dieselmotor skal være stærkere for den samme effekt som en benzinmotor.