Da li dizel gorivo sagorijeva? Gori, i to dosta jako. Njegov ostatak koji nije učestvovao u prethodno miješanom sagorijevanju se troši u fazi sagorijevanja s promjenjivom brzinom.
Sagorevanje u dizel motorima je veoma teško. Sve do 1990-ih njeni detaljni mehanizmi nisu bili dobro shvaćeni. Temperatura sagorevanja dizel goriva u komori za sagorevanje takođe je varirala od slučaja do slučaja. Činilo se da je desetljećima složenost ovog procesa prkosila pokušajima istraživača da razotkriju njegove brojne tajne, uprkos dostupnosti modernih alata kao što su brza fotografija koja se koristi u "transparentnim" motorima, procesorska snaga modernih kompjutera i mnogi matematički modeli dizajniran da simulira sagorevanje u dizelu Primjena laserskog snimanja na tradicionalni proces dizelskog sagorijevanja 1990-ih bila je ključ za značajno poboljšanje razumijevanja ovog procesa.
Ovaj članak će pokritinajefikasniji procesni model za klasični dizel motor. Ovo konvencionalno sagorevanje dizel goriva se prvenstveno kontroliše mešanjem, koje može nastati usled difuzije goriva i vazduha pre paljenja.
temperatura sagorevanja
Na kojoj temperaturi gori dizel gorivo? Ako se ranije ovo pitanje činilo teškim, sada se može dati potpuno nedvosmislen odgovor. Temperatura sagorevanja dizel goriva je oko 500-600 stepeni Celzijusa. Temperatura mora biti dovoljno visoka da zapali mješavinu goriva i zraka. U hladnim zemljama u kojima prevladavaju niske temperature okoline, motori su imali žarnu svjećicu koja zagrijava usisni otvor kako bi pomogao pri pokretanju motora. Zbog toga uvijek treba sačekati da se ikona grijača na instrument tabli ne ugasi prije pokretanja motora. Takođe utiče na temperaturu sagorevanja dizel goriva. Hajde da razmotrimo koje druge nijanse ima u njegovom radu.
Karakteristike
Glavni preduslov za sagorevanje dizel goriva u eksterno kontrolisanom gorioniku je njegov jedinstveni način oslobađanja hemijske energije pohranjene u njemu. Da bi se izveo ovaj proces, mora mu biti dostupan kisik kako bi se olakšalo sagorijevanje. Jedan od najvažnijih aspekata ovog procesa je miješanje goriva i zraka, koje se često naziva prethodno miješanje.
katalizator dizelskog sagorijevanja
Kod dizel motora, gorivo se često ubrizgava u cilindar motora na kraju takta kompresije, samo nekoliko stepeni ugla radilice pre gornje mrtve tačke. Tečno gorivo se obično ubrizgava velikom brzinom u jednom ili više mlaznica kroz male rupe ili mlaznice na vrhu injektora, raspršuje se u fine kapljice i ulazi u komoru za sagorevanje. Atomizirano gorivo apsorbira toplinu iz okolnog zagrijanog komprimovanog zraka, isparava i miješa se s okolnim visokotemperaturnim zrakom pod visokim pritiskom. Kako se klip nastavlja približavati gornjoj mrtvoj tački (TDC), temperatura mješavine (uglavnom zraka) dostiže svoju temperaturu paljenja. Temperatura sagorevanja Webasto dizel goriva se ne razlikuje od temperature drugih vrsta dizela, dostižući oko 500-600 stepeni.
Brzo paljenje nekog prethodno pomiješanog goriva i zraka događa se nakon perioda odlaganja paljenja. Ovo brzo paljenje se smatra početkom sagorevanja i karakteriše ga naglo povećanje pritiska u cilindrima kako se mešavina vazduh-gorivo troši. Povećani pritisak koji je rezultat prethodno pomiješanog sagorijevanja sabija i zagrijava neizgorjeli dio punjenja i skraćuje kašnjenje prije nego što se zapali. Takođe povećava brzinu isparavanja preostalog goriva. Njegovo prskanje, isparavanje, miješanje sa zrakom nastavlja se dok sve ne izgori. Temperatura sagorevanja kerozina i dizel goriva u ovom pogledu može biti slična.
Karakteristika
Prvo, hajde da se pozabavimo notacijom: tada je A vazduh (kiseonik), F je gorivo. Sagorevanje dizela karakteriše nizak ukupni odnos A/F Najniži prosečni A/F se često primećuje u uslovima najvećeg obrtnog momenta. Da bi se izbjeglo prekomjerno stvaranje dima, vršni moment A/F se obično održava iznad 25:1, znatno iznad stehiometrijskog (hemijski ispravnog) omjera ekvivalencije od oko 14,4:1. Ovo se također odnosi na sve aktivatore dizelskog sagorijevanja.
Kod dizel motora s turbo punjenjem, A/F odnos u praznom hodu može premašiti 160:1. Posljedično, višak zraka prisutan u cilindru nakon sagorijevanja goriva nastavlja da se miješa sa zapaljenim i već ispušnim plinovima. Kada se otvori izduvni ventil, višak zraka se izbacuje zajedno s produktima sagorijevanja, što objašnjava oksidativnu prirodu dizelskih ispušnih plinova.
Kada gori dizel gorivo? Ovaj proces se događa nakon što se ispareno gorivo pomiješa sa zrakom kako bi se formirala lokalno bogata mješavina. Takođe u ovoj fazi se postiže odgovarajuća temperatura sagorevanja dizel goriva. Međutim, ukupni A/F omjer je mali. Drugim riječima, može se reći da se najveći dio zraka koji ulazi u cilindar dizel motora komprimira i zagrijava, ali nikada ne učestvuje u procesu sagorijevanja. Kiseonik u višku zraka pomaže oksidaciji plinovitih ugljikovodika i ugljičnog monoksida, smanjujući ih na ekstremno niske koncentracije u izduvnim plinovima. Ovaj proces je mnogo važniji od temperature sagorevanja dizel goriva.
Faktori
Sljedeći faktori igraju glavnu ulogu u procesu sagorijevanja dizela:
- Inducirani naboj zraka, njegova temperatura i njegova kinetička energija u nekoliko dimenzija.
- Atomizacija ubrizganog goriva, prodor prskanja, temperatura i hemijske karakteristike.
Iako su ova dva faktora najvažnija, postoje i drugi parametri koji mogu značajno uticati na performanse motora. Oni igraju sekundarnu, ali važnu ulogu u procesu sagorijevanja. Na primjer:
- Dizajn ulaza. Ima snažan uticaj na kretanje vazduha za punjenje (naročito u trenutku kada ulazi u cilindar) i na brzinu mešanja u komori za sagorevanje. Ovo može promijeniti temperaturu sagorijevanja dizel goriva u kotlu.
- Dizajn usisnog otvora takođe može uticati na temperaturu vazduha za punjenje. To se može postići prijenosom topline iz vodenog omotača kroz površinu ulaza.
- Veličina usisnog ventila. Kontrolira ukupnu masu zraka koja se upušta u cilindar tokom konačnog vremena.
- Omjer kompresije. Utiče na isparavanje, brzinu miješanja i kvalitet sagorijevanja, bez obzira na temperaturu sagorijevanja dizel goriva u kotlu.
- Pritisak ubrizgavanja. Kontrolira trajanje ubrizgavanja za dati parametar otvaranja mlaznice.
- Geometrija atomizacije, koja direktno utiče na kvalitet i temperaturu sagorevanja dizel goriva i benzina zaračun za korištenje zraka. Na primjer, veći ugao konusa prskanja može staviti gorivo na vrh klipa i izvan spremnika za sagorijevanje kod DI dizel motora s otvorenom komorom. Ovo stanje može dovesti do prekomjernog "pušenja" jer je gorivu onemogućen pristup zraku. Široki uglovi konusa također mogu uzrokovati prskanje goriva po zidovima cilindra, a ne unutar komore za sagorijevanje gdje je to potrebno. Raspršen po zidu cilindra, na kraju će se spustiti u uljnu posudu, skraćujući životni vek ulja za podmazivanje. Budući da je ugao prskanja jedna od varijabli koja utječe na brzinu miješanja zraka u mlazu goriva blizu izlaza injektora, on može imati značajan utjecaj na cjelokupni proces sagorijevanja.
- Konfiguracija ventila koja kontroliše položaj injektora. Sistemi sa dva ventila stvaraju nagnutu poziciju injektora, što znači neravnomerno prskanje. To dovodi do kršenja miješanja goriva i zraka. S druge strane, dizajn sa četiri ventila omogućava vertikalnu montažu injektora, simetričnu atomizaciju 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 zadržava zrak koji se komprimira i širi čak i bez učešća u procesu sagorijevanja. Stoga je važno shvatiti da sistem dizel motora nije ograničen na komoru za sagorevanje, mlaznice injektora injihovom neposrednom okruženju. Sagorijevanje uključuje bilo koji dio ili komponentu koja može utjecati na krajnji rezultat procesa. Dakle, niko ne bi trebao imati sumnje da li dizel gorivo gori.
Ostali detalji
Poznato je da je sagorijevanje dizela vrlo siromašno sa A/F omjerom:
- 25:1 pri vrhunskom obrtnom momentu.
- 30:1 pri nazivnoj brzini i maksimalnoj snazi.
- Više od 150:1 u praznom hodu za motore s turbo punjenjem.
Međutim, ovaj dodatni vazduh nije uključen u proces sagorevanja. Prilično se zagrijava i iscrpljuje, zbog čega izduvni gasovi dizela postaju loši. Iako je prosječni omjer zrak-gorivo loš, ako se ne preduzmu odgovarajuće mjere tokom procesa projektovanja, područja komore za sagorijevanje mogu biti bogata gorivom i rezultirati prekomjernim emisijama dima.
Komora za sagorevanje
Ključni cilj dizajna je osigurati dovoljno miješanje goriva i zraka kako bi se ublažili efekti područja bogatih gorivom i omogućilo motoru da postigne svoje performanse i ciljeve emisije. Utvrđeno je da je turbulencija u kretanju zraka unutar komore za sagorijevanje korisna za proces miješanja i da se može koristiti da se to postigne. Vrtlog koji stvara ulaz može se pojačati i klip može stvoritistiskanje dok se približava glavi cilindra kako bi se omogućila veća turbulencija tokom čina kompresije zbog pravilnog dizajna čašice u glavi klipa.
Dizajn komore za sagorevanje ima najznačajniji uticaj na emisiju čestica. Takođe može uticati na neizgorene ugljovodonike i CO. Iako emisije NOx zavise od dizajna posude [De Risi 1999], svojstva rasutog gasa igraju veoma važnu ulogu u njihovim nivoima izduvnih gasova. Međutim, zbog kompromisa NOx/PM, dizajn ložišta je morao evoluirati kako su se smanjivale granice emisije NOx. Ovo je uglavnom potrebno kako bi se izbjeglo povećanje emisija PM do kojeg bi inače došlo.
Optimizacija
Važan parametar za optimizaciju sistema sagorevanja dizel goriva u motoru je proporcija raspoloživog vazduha uključenog u ovaj proces. K faktor (odnos zapremine čašice klipa i klirensa) je približna mjera udjela zraka dostupnog za sagorijevanje. Smanjenje zapremine motora dovodi do smanjenja relativnog koeficijenta K i do tendencije pogoršanja karakteristika sagorevanja. Za dati pomak i pri konstantnom omjeru kompresije, K faktor se može poboljšati odabirom dužeg hoda. Na odabir omjera provrta cilindra i motora može uticati faktor K i niz drugih faktora kao što su pakiranje motora, provrti i ventili, itd.
Moguće poteškoće
Posebno značajan problem pri postavljanjuMaksimalni odnos cilindra prema hodu leži u veoma složenom pakovanju glave cilindra. Ovo je neophodno da bi se prilagodio dizajn sa četiri ventila i common-rail sistem ubrizgavanja goriva sa injektorom koji se nalazi u sredini. Glave cilindara su složene zbog brojnih kanala, uključujući vodeno hlađenje, vijke za pričvršćivanje glave cilindra, usisne i izduvne otvore, brizgaljke, žarnice, ventile, stabljike ventila, udubljenja i sjedišta i druge kanale koji se koriste za recirkulaciju izduvnih plinova u nekim dizajnima.
Komore za sagorevanje u modernim dizel motorima sa direktnim ubrizgavanjem mogu se nazvati otvorenim ili sekundarnim komorama za sagorevanje.
Otvorene kamere
Ako gornja rupa posude u klipu ima manji prečnik od maksimuma istog parametra posude, onda se naziva povratnom. Takve zdjele imaju "usnu". Ako ne, onda je ovo otvorena komora za sagorijevanje. U dizel motorima, ovi meksički dizajni šešira su poznati od 1920-ih. Korišćeni su do 1990. godine u teškim motorima do tačke kada je povratna posuda postala važnija nego što je bila. Ovaj oblik komore za sagorijevanje je dizajniran za relativno napredna vremena ubrizgavanja, gdje posuda sadrži većinu zapaljenih plinova. Nije pogodan za strategije odloženog ubrizgavanja.
Dizel motor
Nazvan je po izumitelju Rudolfu Dieselu. To je motor s unutrašnjim sagorijevanjem kod kojeg je paljenje ubrizganog goriva uzrokovano povećanimtemperatura zraka u cilindru zbog mehaničke kompresije. Dizel radi komprimiranjem samo zraka. Ovo podiže temperaturu vazduha unutar cilindra do te mere da se atomizovano gorivo ubrizgano u komoru za sagorevanje spontano zapali.
Ovo se razlikuje od motora sa svjećicom kao što su benzin ili LPG (koji koriste plinovito gorivo umjesto benzina). Oni koriste svjećicu za paljenje mješavine zraka i goriva. U dizel motorima, žarnice (grijači komore za sagorijevanje) mogu se koristiti za pomoć pri startovanju po hladnom vremenu, kao i pri niskim omjerima kompresije. Originalni dizel radi na konstantnom ciklusu pritiska postepenog sagorevanja i ne proizvodi zvučni bum.
Opšte karakteristike
Dizel ima najveću termičku efikasnost od bilo kojeg praktičnog motora s unutrašnjim i vanjskim sagorijevanjem zbog svog vrlo visokog omjera ekspanzije i inherentnog siromašnog sagorijevanja, što omogućava da višak zraka odvodi toplinu. Mali gubitak efikasnosti je takođe sprečen bez direktnog ubrizgavanja, jer neizgorelo gorivo nije prisutno kada se ventil zatvori, a gorivo ne teče direktno iz usisnog (injektorskog) uređaja u izduvnu cev. Dizel motori male brzine, kao što su oni koji se koriste na brodovima, mogu imati toplinsku efikasnost veću od 50 posto.
Dizeli mogu biti dizajnirani kao dvotaktni ili četverotaktni. Prvobitno su korišteni kaoefikasna zamjena za stacionarne parne mašine. Od 1910. godine koriste se na podmornicama i brodovima. Kasnije je uslijedila upotreba u lokomotivama, kamionima, teškoj opremi i elektranama. Tridesetih godina prošlog veka našli su mesto u dizajnu nekoliko automobila.
Prednosti i nedostaci
Od 1970-ih, upotreba dizel motora u većim terenskim i terenskim vozilima u SAD-u se povećala. Prema Britanskom društvu proizvođača i proizvođača motora, prosjek EU za dizel vozila je 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 apsorbuju toplotu kompresije, sprečavajući paljenje zbog većeg odnosa površine i zapremine. Ranije 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 električnu mrežu koriste se u hladnim klimama. U takvim slučajevima, potrebno ga je uključiti na duže vrijeme (više od sat vremena) kako bi se smanjilo vrijeme pokretanja i habanje.
Blok grijači se također koriste za hitno napajanje sa dizel generatorima, koji moraju brzo isprazniti struju u slučaju nestanka struje. U prošlosti se koristio veći izbor metoda hladnog starta. Neki motori, kao što je Detroit Diesel, koristili su sistem za uvođenje malih količina etra u usisnu granu kako bi započeli sagorijevanje. Drugi su koristili mješoviti sistem sa grijačem otpornim na sagorijevanje metanola. Improvizirana metoda, posebno na motorima koji ne rade, je ručno prskanje aerosolne bočice esencijalne tekućine u struju usisnog zraka (obično kroz sklop filtera za usisni zrak).
Razlike od drugih motora
Uvjeti dizel motora 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 cikličnom motoru. Temperatura sagorevanja dizel goriva i benzina se takođe može razlikovati.
Prosječni dizel motor ima niži omjer snage i težine od benzinskog motora. To je zato što dizel mora raditi na nižim okretajima u minuti zbog strukturalne potrebe za težim i jačim dijelovima da izdrže radni pritisak. To je uvijek uzrokovano visokim omjerom kompresije motora, koji povećava sile na dijelu zbog sila inercije. Neki dizelaši su za komercijalnu upotrebu. To je više puta potvrđeno u praksi.
Dizel motori običnoimaju dugi moždani udar. U osnovi, to je neophodno kako bi se olakšalo postizanje potrebnih omjera kompresije. Kao rezultat toga, klip postaje teži. Isto se može reći i za štapove. Preko njih i radilice mora se prenijeti veća sila kako bi se promijenila količina gibanja klipa. Ovo je još jedan razlog zašto dizel motor mora biti jači za istu snagu kao i benzinski motor.
