Гори ли дизеловото гориво? Гори и то доста силно. Неговият остатък, който не е участвал в предварително смесено изгаряне, се консумира във фазата на горене с променлива скорост.
Изгарянето в дизеловите двигатели е много трудно. До 90-те години на миналия век неговите подробни механизми не бяха добре разбрани. Температурата на горене на дизеловото гориво в горивната камера също варира от случай до случай. В продължение на десетилетия сложността на този процес изглежда се противопоставя на опитите на изследователите да разгадаят многобройните му тайни, въпреки наличието на съвременни инструменти като високоскоростна фотография, използвана в „прозрачни“двигатели, изчислителната мощност на съвременните компютри и много математически модели. проектиран да симулира горене в дизел Прилагането на листов лазерен образ към традиционния процес на горене на дизел през 90-те години беше ключът към значително подобряване на разбирането на този процес.
Тази статия ще обхваненай-утвърденият технологичен модел за класически дизелов двигател. Това конвенционално изгаряне на дизелово гориво се контролира основно чрез смесване, което може да се случи поради дифузията на гориво и въздух преди запалването.
Температура на горене
При каква температура гори дизеловото гориво? Ако по-рано този въпрос изглеждаше труден, сега може да се даде напълно недвусмислен отговор. Температурата на горене на дизеловото гориво е около 500-600 градуса по Целзий. Температурата трябва да е достатъчно висока, за да възпламени сместа от гориво и въздух. В студените страни, където преобладават ниските температури на околната среда, двигателите имаха подгревна свещ, която затопля всмукателния отвор, за да помогне за стартиране на двигателя. Ето защо винаги трябва да изчакате, докато иконата на нагревателя на арматурното табло изгасне, преди да стартирате двигателя. Влияе и на температурата на горене на дизеловото гориво. Нека разгледаме какви други нюанси има в работата му.
Функции
Основната предпоставка за изгаряне на дизелово гориво в горелка с външно управление е нейният уникален начин за освобождаване на химическата енергия, съхранявана в нея. За да се извърши този процес, кислородът трябва да е на разположение за него, за да се улесни изгарянето. Един от най-важните аспекти на този процес е смесването на гориво и въздух, често наричано предварително смесване.
Дизелов катализатор за горене
При дизеловите двигатели горивото често се впръсква в цилиндъра на двигателя в края на хода на компресия, само на няколко градуса ъгъл на коляновия вал преди горната мъртва точка. Течното гориво обикновено се впръсква с висока скорост в една или повече струи през малки дупки или дюзи в върха на инжектора, разпръсква се на фини капчици и навлиза в горивната камера. Пулверизираното гориво абсорбира топлината от околния нагрят сгъстен въздух, изпарява се и се смесва с околния високотемпературен въздух под високо налягане. Тъй като буталото продължава да се приближава до горната мъртва точка (TDC), температурата на сместа (предимно въздух) достига своята температура на запалване. Температурата на горене на дизеловото гориво Webasto не се различава от тази на другите дизелови класове, достигайки около 500-600 градуса.
Бързо запалване на някои предварително смесени гориво и въздух се случва след период на забавяне на запалването. Това бързо запалване се счита за начало на горенето и се характеризира с рязко повишаване на налягането в цилиндъра при изразходване на сместа въздух-гориво. Повишеното налягане в резултат на предварително смесено горене компресира и загрява неизгорялата част от заряда и съкращава забавянето, преди да се запали. Той също така увеличава скоростта на изпаряване на останалото гориво. Неговото пръскане, изпаряване, смесване с въздух продължава, докато изгори цялото. Температурата на изгаряне на керосина и дизеловото гориво в това отношение може да е сходна.
Характеристика
Първо, нека се заемем с обозначението: тогава A е въздух (кислород), F е гориво. Изгарянето на дизелово гориво се характеризира с ниско общо съотношение A/F. Най-ниското средно A/F често се наблюдава при условия на пиков въртящ момент. За да се избегне прекомерно генериране на дим, пиковият въртящ момент A/F обикновено се поддържа над 25:1, много над стехиометричното (химически правилно) съотношение на еквивалентност от около 14,4:1. Това важи и за всички активатори на дизеловото горене.
При дизелови двигатели с турбо, съотношението A/F на празен ход може да надвиши 160:1. Следователно излишният въздух, присъстващ в цилиндъра след изгарянето на горивото, продължава да се смесва с горящите и вече изпуснати газове. Когато изпускателният клапан се отвори, излишният въздух се изпуска заедно с продуктите на горенето, което обяснява окислителния характер на дизеловите отработени газове.
Кога гори дизеловото гориво? Този процес се случва, след като изпареното гориво се смеси с въздух, за да образува местно богата смес. Също така на този етап се достига правилната температура на горене на дизеловото гориво. Общото съотношение A/F обаче е малко. С други думи, може да се каже, че по-голямата част от въздуха, влизащ в цилиндъра на дизелов двигател, се компресира и нагрява, но никога не участва в процеса на горене. Кислородът в излишния въздух спомага за окисляването на газообразните въглеводороди и въглеродния оксид, като ги намалява до изключително ниски концентрации в отработените газове. Този процес е много по-важен от температурата на изгаряне на дизеловото гориво.
Фактори
Следните фактори играят основна роля в процеса на изгаряне на дизела:
- Индуцираният заряд на въздуха, неговата температура и неговата кинетична енергия в няколко измерения.
- Разпръскване на впръскано гориво, проникване на пръски, температура и химични характеристики.
Въпреки че тези два фактора са най-важни, има и други параметри, които могат значително да повлияят на работата на двигателя. Те играят второстепенна, но важна роля в процеса на горене. Например:
- Дизайн на входа. Той оказва силно влияние върху движението на заредения въздух (особено в момента, когато той навлиза в цилиндъра) и върху скоростта на смесване в горивната камера. Това може да промени температурата на горене на дизеловото гориво в котела.
- Дизайнът на всмукателния отвор също може да повлияе на температурата на въздуха за зареждане. Това може да се постигне чрез пренасяне на топлина от водната риза през повърхността на входа.
- Размер на всмукателния клапан. Контролира общата маса на въздуха, постъпил в цилиндъра за ограничено време.
- Коефициент на компресия. Влияе на изпарението, скоростта на смесване и качеството на горене, независимо от температурата на горене на дизеловото гориво в котела.
- Налягане на впръскване. Той контролира продължителността на впръскване за даден параметър на отваряне на дюзата.
- Атомизираща геометрия, която пряко влияе върху качеството и температурата на горене на дизеловото гориво и бензина засметка за използване на въздуха. Например, по-голям ъгъл на разпръскване на конуса може да постави гориво върху буталото и извън резервоара за горене в дизелови двигатели с отворена камера. Това състояние може да доведе до прекомерно "пушене", тъй като горивото няма достъп до въздух. Широките ъгли на конуса също могат да причинят пръскане на гориво по стените на цилиндъра, а не в горивната камера, където е необходимо. Разпръснат върху стената на цилиндъра, той в крайна сметка ще се премести надолу в масления съд, съкращавайки живота на смазочното масло. Тъй като ъгълът на пръскане е една от променливите, които влияят върху скоростта на смесване на въздуха в горивната струя близо до изхода на инжектора, той може да има значителен ефект върху цялостния процес на горене.
- Конфигурация на клапана, която контролира позицията на инжектора. Системите с два клапана създават наклонена позиция на инжектора, което означава неравномерно пръскане. Това води до нарушаване на смесването на гориво и въздух. От друга страна, дизайните с четири клапана позволяват вертикално монтиране на инжектора, симетрично пулверизиране на горивото и равен достъп до наличен въздух за всеки пулверизатор.
- Позиция на горния бутален пръстен. Той контролира мъртвото пространство между горната част на буталото и цилиндровата облицовка. Това мъртво пространство улавя въздух, който се компресира и разширява, без дори да участва в процеса на горене. Ето защо е важно да се разбере, че системата на дизеловия двигател не се ограничава до горивната камера, инжекторните дюзи итяхното непосредствено обкръжение. Изгарянето включва всяка част или компонент, който може да повлияе на крайния резултат от процеса. Следователно никой не трябва да има съмнения дали дизеловото гориво гори.
Други подробности
Известно е, че изгарянето на дизел е много бедно със съотношение A/F:
- 25:1 при пиков въртящ момент.
- 30:1 при номинална скорост и максимална мощност.
- Повече от 150:1 на празен ход за двигатели с турбокомпресор.
Въпреки това, този допълнителен въздух не е включен в процеса на горене. Загрява доста и се изчерпва, в резултат на което дизеловият ауспух става лош. Въпреки че средното съотношение въздух-гориво е лошо, ако не се вземат подходящи мерки по време на процеса на проектиране, зоните на горивната камера могат да бъдат богати на гориво и да доведат до прекомерни емисии на дим.
Горивна камера
Основна цел на дизайна е да се осигури достатъчно смесване на гориво и въздух, за да се смекчат ефектите от богатите на гориво зони и да се позволи на двигателя да достигне своите цели за производителност и емисии. Установено е, че турбуленцията в движението на въздуха в горивната камера е от полза за процеса на смесване и може да се използва за постигане на това. Вихърът, създаден от входа, може да бъде усилен и буталото може да създадепритискане, когато се приближава до главата на цилиндъра, за да позволи повече турбуленция по време на действието на компресия поради правилния дизайн на чашата в главата на буталото.
Дизайнът на горивната камера има най-значително влияние върху емисиите на прахови частици. Може също да засегне неизгорените въглеводороди и CO. Въпреки че емисиите на NOx зависят от дизайна на съда [De Risi 1999], свойствата на насипния газ играят много важна роля в техните нива на отработените газове. Въпреки това, поради компромисът NOx/PM, дизайните на горивните камери трябваше да се развиват, тъй като границите на емисиите на NOx намаляват. Това се изисква главно, за да се избегне увеличаването на емисиите на прахови частици, което иначе би настъпило.
Оптимизация
Важен параметър за оптимизиране на горивната система на дизеловото гориво в двигателя е пропорцията на наличния въздух, участващ в този процес. Коефициентът K (съотношение на обема на чашата на буталото към хлабината) е приблизителна мярка за пропорцията на въздуха, наличен за горене. Намаляването на работния обем на двигателя води до намаляване на относителния коефициент К и до тенденция към влошаване на характеристиките на горене. За дадено изместване и при постоянен коефициент на компресия, K факторът може да бъде подобрен чрез избор на по-дълъг ход. Изборът на съотношението отвор на цилиндъра към двигателя може да бъде повлиян от фактора K и редица други фактори като опаковка на двигателя, отвори и клапани и т.н.
Възможни затруднения
Особено значителен проблем при настройкатаМаксималното съотношение на цилиндъра към хода се крие в много сложната опаковка на главата на цилиндъра. Това е необходимо, за да се побере дизайнът с четири клапана и системата за впръскване на гориво Common Rail с инжектора, разположен в центъра. Главите на цилиндъра са сложни поради многото канали, включително водно охлаждане, болтове за задържане на главата на цилиндъра, всмукателни и изпускателни отвори, инжектори, подгревни свещи, клапани, стебла на клапани, вдлъбнатини и седалки и други канали, използвани за рециркулация на отработените газове в някои конструкции.
Горивните камери в съвременните дизелови двигатели с директно впръскване могат да бъдат наричани отворени или вторични горивни камери.
Отворени камери
Ако горният отвор на купата в буталото има по-малък диаметър от максималния на същия параметър на купата, тогава той се нарича връщащ. Такива купи имат "устна". Ако не, тогава това е отворена горивна камера. При дизеловите двигатели тези мексикански дизайни на купа за шапки са известни от 20-те години на миналия век. Те са били използвани до 1990 г. в тежкотоварни двигатели до точката, в която връщащата купа стана по-важна, отколкото преди. Тази форма на горивна камера е проектирана за относително напреднали времена на впръскване, където купата съдържа повечето от горивните газове. Не е подходящ за стратегии за отложено инжектиране.
Дизелов двигател
Той е кръстен на изобретателя Рудолф Дизел. Това е двигател с вътрешно горене, при който запалването на впръсканото гориво се причинява от повишенотемпература на въздуха в цилиндъра поради механична компресия. Дизелът работи чрез компресиране само на въздух. Това повишава температурата на въздуха вътре в цилиндъра до такава степен, че пулверизираното гориво, впръскано в горивната камера, се запалва спонтанно.
Това е различно от двигателите с искрово запалване като бензин или LPG (използващи газообразно гориво, а не бензин). Те използват запалителна свещ за запалване на сместа въздух-гориво. При дизеловите двигатели подгревните свещи (нагреватели на горивната камера) могат да се използват за подпомагане на стартиране при студено време, а също и при ниски съотношения на компресия. Оригиналният дизел работи на цикъл с постоянно налягане на постепенно горене и не произвежда звуков бум.
Общи характеристики
Дизелът има най-високата топлинна ефективност от всеки практичен двигател с вътрешно и външно горене поради много високия си коефициент на разширение и присъщото си бедно горене, което позволява на излишния въздух да разсейва топлината. Предотвратява се и малка загуба на ефективност без директно впръскване, тъй като неизгоряло гориво не присъства, когато клапанът се затваря и горивото не тече директно от всмукателното (инжекторното) устройство към изпускателната тръба. Нискооборотните дизелови двигатели, като тези, използвани в корабите, могат да имат термична ефективност над 50 процента.
Дизелите могат да бъдат проектирани като двутактови или четиритактови. Първоначално са били използвани катоефективен заместител на стационарни парни машини. От 1910 г. те се използват на подводници и кораби. По-късно последва употреба в локомотиви, камиони, тежко оборудване и електроцентрали. През тридесетте години на миналия век те намират място в дизайна на няколко автомобила.
Предимства и недостатъци
От 70-те години на миналия век използването на дизелови двигатели в по-големите превозни средства за движение и извън пътя в САЩ се е увеличило. Според Британското дружество на производителите и производителите на автомобили средната стойност за ЕС за дизелови превозни средства е 50% от общите продажби (сред тях 70% във Франция и 38% в Обединеното кралство).
При студено време стартирането на високоскоростни дизелови двигатели може да бъде трудно, тъй като масата на блока и цилиндровата глава абсорбира топлината на компресията, предотвратявайки запалването поради по-високото съотношение повърхност към обем. Преди това тези устройства използваха малки електрически нагреватели вътре в камерите, наречени подгревни свещи.
Прегледи
Много двигатели използват съпротивителни нагреватели във всмукателния колектор за загряване на входящия въздух и за стартиране или докато се достигне работната температура. Електрически резистивни нагреватели на двигателни блокове, свързани към електрическата мрежа, се използват в студен климат. В такива случаи той трябва да бъде включен за дълго време (повече от час), за да се намали времето за стартиране и износването.
Блочните нагреватели се използват и за аварийно захранване с дизел генератори, които трябва бързо да разтоварят захранването в случай на прекъсване на тока. В миналото са били използвани по-голямо разнообразие от методи за студен старт. Някои двигатели, като Detroit Diesel, използваха система за въвеждане на малки количества етер във всмукателния колектор, за да започне горенето. Други са използвали смесена система с нагревател с устойчивост на изгаряне на метанол. Импровизиран метод, особено при неработещи двигатели, е ръчно пръскане на аерозолна кутия с основна течност във входящия въздушен поток (обикновено през модула на всмукателния въздушен филтър).
Разлики от други двигатели
Условията на дизела са различни от тези на двигателя с искрово запалване поради различен термодинамичен цикъл. В допълнение, мощността и скоростта на неговото въртене се контролират директно от подаването на гориво, а не въздух, както при цикличен двигател. Температурата на изгаряне на дизеловото гориво и бензина също може да се различава.
Средният дизелов двигател има по-ниско съотношение мощност/тегло от бензиновия двигател. Това е така, защото дизелът трябва да работи с по-ниски обороти поради структурната нужда от по-тежки и здрави части, за да издържат на работното налягане. Винаги се причинява от висока степен на компресия на двигателя, която увеличава силите върху детайла поради силите на инерция. Някои дизели са за търговска употреба. Това многократно се потвърждава на практика.
Обикновено дизелови двигателиимат дълъг инсулт. По принцип това е необходимо, за да се улесни постигането на необходимите съотношения на компресия. В резултат на това буталото става по-тежко. Същото може да се каже и за пръчките. През тях и коляновия вал трябва да се предаде повече сила, за да се промени инерцията на буталото. Това е друга причина, поради която дизеловият двигател трябва да бъде по-силен за същата мощност като бензиновия двигател.
