Palauko dieselpolttoaine? Se polttaa, ja melko voimakkaasti. Sen jäännös, joka ei osallistunut esisekoitettuun palamiseen, kulutetaan muuttuvanopeuksisessa polttovaiheessa.
Dieselmoottoreiden palaminen on erittäin vaikeaa. 1990-luvulle asti sen yksityiskohtaisia mekanismeja ei ymmärretty hyvin. Myös dieselpolttoaineen palamislämpötila palotilassa vaihteli tapauskohtaisesti. Tämän prosessin monimutkaisuus näytti vuosikymmeniä uhraavan tutkijoiden yrityksiä selvittää sen monet salaisuudet huolimatta nykyaikaisten työkalujen, kuten "läpinäkyvissä" moottoreissa käytetyn nopean valokuvauksen, nykyaikaisten tietokoneiden prosessointitehon ja monien matemaattisten mallien saatavuudesta. suunniteltu simuloimaan dieselin palamista Levylaserkuvauksen soveltaminen perinteiseen dieselin polttoprosessiin 1990-luvulla oli avain tämän prosessin ymmärtämisen parantamiseen.
Tämä artikkeli kattaavakiintunein prosessimalli klassiseen dieselmoottoriin. Tätä dieselpolttoaineen tavanomaista palamista ohjataan ensisijaisesti sekoituksella, mikä voi tapahtua polttoaineen ja ilman diffuusion vuoksi ennen sytytystä.
Palolämpötila
Missä lämpötilassa dieselpolttoaine palaa? Jos aiemmin tämä kysymys tuntui vaike alta, nyt siihen voidaan antaa täysin yksiselitteinen vastaus. Dieselpolttoaineen palamislämpötila on noin 500-600 celsiusastetta. Lämpötilan on oltava riittävän korkea sytyttääkseen polttoaineen ja ilman seoksen. Kylmissä maissa, joissa vallitsee alhainen ympäristön lämpötila, moottoreissa oli hehkutulppa, joka lämmittää imuaukkoa moottorin käynnistämisen helpottamiseksi. Tästä syystä sinun tulee aina odottaa, kunnes lämmittimen kuvake kojelaudassa sammuu, ennen kuin käynnistät moottorin. Se vaikuttaa myös dieselpolttoaineen palamislämpötilaan. Mietitään, mitä muita vivahteita hänen työssään on.
Ominaisuudet
Pääedellytys dieselpolttoaineen polttamiseksi ulkoisesti ohjatussa polttimessa on sen ainutlaatuinen tapa vapauttaa siihen varastoitunut kemiallinen energia. Tämän prosessin suorittamiseksi sen on oltava saatavilla hapen palamisen helpottamiseksi. Yksi tämän prosessin tärkeimmistä näkökohdista on polttoaineen ja ilman sekoittaminen, jota usein kutsutaan esisekoitukseksi.
Dieselin polttokatalysaattori
Dieselmoottoreissa polttoainetta ruiskutetaan usein moottorin sylinteriin puristustahdin lopussa, vain muutaman asteen kampiakselin kulmassa ennen yläkuolokohtaa. Nestemäinen polttoaine ruiskutetaan yleensä suurella nopeudella yhdessä tai useammassa suihkussa suuttimen kärjessä olevien pienten reikien tai suuttimien kautta, sumutetaan hienoiksi pisaroiksi ja menee palotilaan. Sumutettu polttoaine imee lämpöä ympäröivästä lämmitetystä paineilmasta, haihtuu ja sekoittuu ympäröivän korkean lämpötilan korkeapaineilman kanssa. Kun mäntä jatkaa liikkumista lähemmäs yläkuolokohtaa (TDC), seoksen lämpötila (enimmäkseen ilman) saavuttaa syttymislämpötilansa. Webasto-dieselpolttoaineen palamislämpötila ei eroa muiden diesellaatujen palamislämpötilasta, ja se on noin 500-600 astetta.
Joidenkin esisekoitetun polttoaineen ja ilman nopea syttyminen tapahtuu sytytysviiveen jälkeen. Tätä nopeaa syttymistä pidetään palamisen alkamisena, ja sille on ominaista sylinterin paineen voimakas nousu, kun ilma-polttoaineseosta kuluu. Esisekoitetun palamisen aiheuttama kohonnut paine puristaa ja lämmittää panoksen palamattoman osan ja lyhentää sen syttymisviivettä. Se lisää myös jäljellä olevan polttoaineen haihtumisnopeutta. Sen ruiskuttaminen, haihdutus, sekoittuminen ilman kanssa jatkuu, kunnes se kaikki on palanut. Kerosiinin ja dieselpolttoaineen palamislämpötila voi tässä suhteessa olla samanlainen.
Ominaisuus
Ensin käsitellään merkintää: sitten A on ilma (happi), F on polttoaine. Dieselin palamiselle on tyypillistä alhainen kokonaisilmanvaihtosuhde, alhaisin keskimääräinen A/F on usein havaittavissa huippumomenttiolosuhteissa. Liiallisen savun muodostumisen välttämiseksi huippuvääntömomentti A/F pidetään tyypillisesti yli 25:1:ssä, joka on selvästi yli stoikiometrisen (kemiallisesti oikean) ekvivalenttisuhteen noin 14,4:1. Tämä koskee myös kaikkia dieselpolttoaktivaattoreita.
Turboahdetuissa dieselmoottoreissa ilmanvaihtosuhde voi joutokäynnillä ylittää 160:1. Näin ollen sylinterissä oleva ylimääräinen ilma polttoaineen palamisen jälkeen jatkaa sekoittumista palavien ja jo poistuneiden kaasujen kanssa. Kun pakoventtiili avataan, ylimääräinen ilma poistuu palamistuotteiden mukana, mikä selittää dieselpakokaasun hapettavan luonteen.
Milloin dieselpolttoaine palaa? Tämä prosessi tapahtuu sen jälkeen, kun höyrystynyt polttoaine sekoittuu ilman kanssa muodostaen paikallisesti rikkaan seoksen. Myös tässä vaiheessa saavutetaan dieselpolttoaineen oikea palamislämpötila. Kokonaisilmastointisuhde on kuitenkin pieni. Toisin sanoen voidaan sanoa, että suurin osa dieselmoottorin sylinteriin tulevasta ilmasta puristetaan ja kuumennetaan, mutta se ei koskaan osallistu palamisprosessiin. Ylimääräisen ilman happi auttaa hapettamaan kaasumaisia hiilivetyjä ja hiilimonoksidia vähentäen ne erittäin alhaisiin pitoisuuksiin pakokaasuissa. Tämä prosessi on paljon tärkeämpi kuin dieselpolttoaineen palamislämpötila.
Tekijät
Seuraavilla tekijöillä on suuri merkitys dieselin palamisprosessissa:
- Indusoitunut ilman varaus, sen lämpötila ja kineettinen energia useissa ulottuvuuksissa.
- Suihkutetun polttoaineen sumutus, roiskeiden tunkeutuminen, lämpötila ja kemialliset ominaisuudet.
Vaikka nämä kaksi tekijää ovat tärkeimmät, on muita parametreja, jotka voivat vaikuttaa merkittävästi moottorin suorituskykyyn. Niillä on toissijainen mutta tärkeä rooli palamisprosessissa. Esimerkki:
- Imuaukon suunnittelu. Sillä on voimakas vaikutus ahtoilman liikkeeseen (erityisesti sillä hetkellä, kun se tulee sylinteriin) ja sekoitusnopeuteen polttokammiossa. Tämä voi muuttaa dieselpolttoaineen palamislämpötilaa kattilassa.
- Imuaukon rakenne voi myös vaikuttaa ahtoilman lämpötilaan. Tämä voidaan saavuttaa siirtämällä lämpöä vesivaipasta tuloaukon pinta-alan läpi.
- Imuventtiilin koko. Säätää sylinteriin tulevan ilman kokonaismassaa rajallisen ajan kuluessa.
- Pakkaussuhde. Se vaikuttaa haihtumiseen, sekoitusnopeuteen ja palamisen laatuun riippumatta dieselpolttoaineen palamislämpötilasta kattilassa.
- Ruiskutuspaine. Se ohjaa ruiskutusaikaa tietylle suuttimen avausparametrille.
- Sumutusgeometria, joka vaikuttaa suoraan dieselpolttoaineen ja bensiinin laatuun ja palamislämpötilaanilmankäyttötili. Esimerkiksi suurempi ruiskukartiokulma voi sijoittaa polttoainetta männän päälle ja polttosäiliön ulkopuolelle avokammioisissa DI-dieselmoottoreissa. Tämä tila voi johtaa liialliseen "tupakointiin", koska polttoaineelta estetään pääsy ilmaan. Leveät kartiokulmat voivat myös aiheuttaa polttoaineen roiskumisen sylinterin seinille sen sijaan, että se roiskuu polttokammion sisälle, missä sitä tarvitaan. Sylinterin seinämään ruiskutettuna se siirtyy lopulta alas öljypohjaan, mikä lyhentää voiteluöljyn käyttöikää. Koska suihkutuskulma on yksi muuttujista, joka vaikuttaa ilman sekoittumisnopeuteen polttoainesuihkussa lähellä ruiskun ulostuloa, sillä voi olla merkittävä vaikutus koko palamisprosessiin.
- Venttiilikokoonpano, joka ohjaa suuttimen asentoa. Kaksiventtiiliset järjestelmät luovat ruiskun kallistuksen, mikä tarkoittaa epätasaista ruiskutusta. Tämä johtaa polttoaineen ja ilman sekoittumisen rikkomiseen. Toisa alta neliventtiiliset mallit mahdollistavat suuttimen pystyasennuksen, symmetrisen polttoaineen sumuttamisen ja tasaisen pääsyn saatavilla olevaan ilmaan jokaiselle sumuttimelle.
- Ylemmän männänrenkaan asento. Se ohjaa kuollutta tilaa männän yläosan ja sylinterin vaipan välillä. Tämä kuollut tila vangitsee ilman, joka puristuu ja laajenee osallistumatta edes palamisprosessiin. Siksi on tärkeää ymmärtää, että dieselmoottorijärjestelmä ei rajoitu polttokammioon, ruiskutussuuttimiin jaheidän välittömään ympäristöönsä. Palaminen sisältää minkä tahansa osan tai komponentin, joka voi vaikuttaa prosessin lopputulokseen. Siksi kenelläkään ei pitäisi olla epäilystäkään siitä, palaako dieselpolttoaine.
Muut tiedot
Dieselin palamisen tiedetään olevan erittäin vähäistä A/F-suhteella:
- 25:1 suurimmalla vääntömomentilla.
- 30:1 nimellisnopeudella ja suurimmalla teholla.
- Yli 150:1 tyhjäkäynnillä turboahdetuissa moottoreissa.
Tämä lisäilma ei kuitenkaan sisälly palamisprosessiin. Se lämpenee melko paljon ja kuluu loppuun, minkä seurauksena dieselin pakokaasut huononevat. Vaikka keskimääräinen ilma-polttoainesuhde on huono, jos suunnitteluprosessin aikana ei ryhdytä asianmukaisiin toimenpiteisiin, polttokammioalueet voivat olla runsaasti polttoainetta ja aiheuttaa liiallisia savupäästöjä.
Palokammio
Suunnittelun keskeinen tavoite on varmistaa riittävä polttoaineen ja ilman sekoittuminen, jotta voidaan lieventää polttoainerikkaiden alueiden vaikutuksia ja antaa moottorille mahdollisuuden saavuttaa suorituskyky- ja päästötavoitteensa. On havaittu, että turbulenssi ilman liikkeessä polttokammiossa on hyödyllistä sekoitusprosessille ja sitä voidaan käyttää tämän saavuttamiseksi. Tuloaukon synnyttämää pyörrettä voidaan vahvistaa ja mäntä voi luodapuristaa, kun se lähestyy sylinterin kantaa salliakseen enemmän turbulenssia puristustapahtuman aikana männänkannen oikean kupin rakenteen vuoksi.
Palokammion suunnittelulla on merkittävin vaikutus hiukkaspäästöihin. Se voi vaikuttaa myös palamattomiin hiilivetyihin ja CO. Vaikka NOx-päästöt riippuvat maljan suunnittelusta [De Risi 1999], bulkkikaasun ominaisuudet ovat erittäin tärkeässä roolissa niiden pakokaasutasoissa. Kuitenkin NOx/PM-kompromissin vuoksi polttokammioiden suunnitelmia oli kehitettävä NOx-päästörajojen pienentyessä. Tämä on pääasiassa tarpeen, jotta vältetään PM-päästöjen lisääntyminen, joka muuten tapahtuisi.
Optimointi
Tärkeä parametri dieselpolttoaineen polttojärjestelmän optimoinnissa moottorissa on tähän prosessiin osallistuvan ilman osuus. K-tekijä (männän kupin tilavuuden suhde välykseen) on likimääräinen mitta palamiseen käytettävissä olevan ilman osuudesta. Moottorin iskutilavuuden pienentäminen johtaa suhteellisen kertoimen K pienenemiseen ja palamisominaisuuksien heikkenemiseen. Tietyllä siirrolla ja jatkuvalla puristussuhteella K-tekijää voidaan parantaa valitsemalla pidemmän iskun. K-tekijä ja monet muut tekijät, kuten moottorin pakkaus, reiät ja venttiilit ja niin edelleen, voivat vaikuttaa sylinterin reiän ja moottorin välisen suhteen valintaan.
Mahdollisia vaikeuksia
Erityisen merkittävä ongelma asennuksessaSuurin sylinterin ja iskun välinen suhde on sylinterinkannen erittäin monimutkaisessa pakkauksessa. Tämä on tarpeen neliventtiilisen rakenteen ja yhteispaineruiskutusjärjestelmän, jossa suutin sijaitsee keskellä, mukauttamiseksi. Sylinterinkannet ovat monimutkaisia monien kanavien vuoksi, mukaan lukien vesijäähdytys, sylinterinkannen kiinnityspultit, imu- ja pakoaukot, suuttimet, hehkutulpat, venttiilit, venttiilin varret, syvennykset ja istukat sekä muut pakokaasujen kierrätykseen käytetyt kanavat joissakin malleissa.
Nykyaikaisten suoraruiskutusdieselmoottoreiden polttokammioihin voidaan viitata avoimina tai toisiopolttokammioina.
Avoimet kamerat
Jos männässä olevan kulhon ylemmän reiän halkaisija on pienempi kuin saman kulhoparametrin maksimi, sitä kutsutaan palautettavaksi. Tällaisilla kulhoilla on "huuli". Jos ei, tämä on avoin polttokammio. Dieselmoottoreissa nämä meksikolaiset hattumaljamallit ovat olleet tunnettuja 1920-luvulta lähtien. Niitä käytettiin vuoteen 1990 asti raskaissa moottoreissa siihen pisteeseen, että paluukulhosta tuli entistä tärkeämpi. Tämä polttokammiomuoto on suunniteltu suhteellisen pitkälle ruiskutusaikoihin, jolloin kulho sisältää suurimman osan palavista kaasuista. Se ei sovellu hyvin viivästettyihin injektiostrategioihin.
Dieselmoottori
Se on nimetty keksijä Rudolf Dieselin mukaan. Se on polttomoottori, jossa ruiskutetun polttoaineen syttyminen johtuu lisääntyneestäilman lämpötila sylinterissä mekaanisen puristuksen vuoksi. Diesel toimii puristamalla vain ilmaa. Tämä nostaa sylinterin sisällä olevan ilman lämpötilaa siinä määrin, että palotilaan ruiskutettu sumutettu polttoaine syttyy itsestään.
Tämä eroaa kipinäsytytysmoottoreista, kuten bensiinistä tai nestekaasusta (käytetään kaasumaista polttoainetta bensiinin sijaan). He käyttävät sytytystulppaa sytyttääkseen ilma-polttoaineseoksen. Dieselmoottoreissa hehkutulppia (polttokammion lämmittimet) voidaan käyttää apuna käynnistyksenä kylmällä säällä ja myös alhaisilla puristussuhteilla. Alkuperäinen diesel toimii jatkuvalla painejaksolla ja palaa asteittain eikä tuota äänipuomia.
Yleiset ominaisuudet
Dieselillä on kaikista käytännöllisistä sisä- ja ulkopolttomoottoreista suurin lämpöhyötysuhde sen erittäin korkean paisuntasuhteen ja luontaisen laihan palamisen ansiosta, mikä mahdollistaa ylimääräisen ilman haihduttavan lämpöä. Pieni tehokkuuden menetys estyy myös ilman suoraruiskutusta, koska palamatonta polttoainetta ei ole läsnä venttiilin sulkeutuessa, eikä polttoainetta virtaa suoraan imu- (suutin) pakoputkeen. Hidaskäyntisten dieselmoottoreiden, kuten laivoissa käytettävien, lämpöhyötysuhde voi olla yli 50 prosenttia.
Dieselit voidaan suunnitella kaksitahti- tai nelitahtiseksi. Niitä käytettiin alun perin mmtehokas korvaaminen paikallaan oleville höyrykoneille. Vuodesta 1910 lähtien niitä on käytetty sukellusveneissä ja laivoissa. Käyttö vetureissa, kuorma-autoissa, raskaissa laitteissa ja voimalaitoksissa seurasi myöhemmin. Viime vuosisadan 30-luvulla ne löysivät paikkansa useiden autojen suunnittelussa.
Edut ja haitat
Dieselmoottoreiden käyttö suuremmissa tie- ja maastoajoneuvoissa on lisääntynyt Yhdysvalloissa 1970-luvulta lähtien. British Association of Motor Manufacturers and Manufacturers -järjestön mukaan EU:n keskiarvo dieselajoneuvojen kokonaismyynnistä on 50 % (joista 70 % Ranskassa ja 38 % Isossa-Britanniassa).
Kylmällä säällä nopeiden dieselmoottoreiden käynnistäminen voi olla vaikeaa, koska lohkon ja sylinterinkannen massa imee puristuslämmön ja estää syttymisen suuremman pinta-tilavuussuhteen vuoksi. Aikaisemmin näissä yksiköissä käytettiin pieniä sähkölämmittimiä kammioissa, joita kutsutaan hehkutulpiksi.
Näkymät
Monet moottorit käyttävät imusarjassa vastuslämmittimiä imuilman lämmittämiseen ja käynnistykseen tai kunnes käyttölämpötila on saavutettu. Sähköverkkoon kytkettyjä resistiivisiä moottorinlämmittimiä käytetään kylmissä ilmastoissa. Tällaisissa tapauksissa se on kytkettävä päälle pitkäksi aikaa (yli tunnin) käynnistysajan ja kulumisen vähentämiseksi.
Lohkolämmittimiä käytetään myös hätävirtalähteisiin dieselgeneraattoreiden kanssa, joiden on purettava nopeasti virtaa sähkökatkon sattuessa. Aiemmin on käytetty laajempaa valikoimaa kylmäkäynnistysmenetelmiä. Joissakin moottoreissa, kuten Detroit Dieselissä, käytettiin järjestelmää, joka syötti pieniä määriä eetteriä imusarjaan palamisen käynnistämiseksi. Toiset ovat käyttäneet sekajärjestelmää, jossa on metanolia polttava vastuslämmitin. Yksi improvisoitu menetelmä, erityisesti ei-käytävissä moottoreissa, on suihkuttaa käsin tärkeätä nestettä sisältävä aerosolipurkki imuilmavirtaan (yleensä imuilman suodatinkokoonpanon kautta).
Erot muihin moottoreihin
Dieselin olosuhteet eroavat kipinäsytytysmoottorista johtuen erilaisesta termodynaamisesta syklistä. Lisäksi sen pyörimisnopeutta ja nopeutta ohjataan suoraan polttoaineen syötöllä, ei ilmalla, kuten syklisessä moottorissa. Myös dieselpolttoaineen ja bensiinin palamislämpötila voi vaihdella.
Keskivertodieselmoottorin teho-painosuhde on pienempi kuin bensiinimoottorilla. Tämä johtuu siitä, että dieselin on käytettävä alhaisemmalla kierrosluvulla, koska rakenteellinen tarve painaa ja vahvempia osia kestää käyttöpainetta. Se johtuu aina moottorin korkeasta puristussuhteesta, mikä lisää osaan kohdistuvia voimia hitausvoimien takia. Jotkut dieseleistä on tarkoitettu kaupalliseen käyttöön. Tämä on toistuvasti vahvistettu käytännössä.
Dieselmoottorit yleensäsaada pitkä aivohalvaus. Pohjimmiltaan tämä on välttämätöntä vaadittujen puristussuhteiden saavuttamisen helpottamiseksi. Tämän seurauksena mäntä tulee raskaammaksi. Samaa voidaan sanoa tangoista. Niiden ja kampiakselin läpi on siirrettävä enemmän voimaa männän liikemäärän muuttamiseksi. Tämä on toinen syy siihen, miksi dieselmoottorin on oltava vahvempi samalle teholle kuin bensiinimoottorin.
