Kas diislikütus põleb? Põleb ja päris tugev alt. Selle jääk, mis ei osalenud eelsegatud põlemisel, tarbitakse muutuva kiirusega põlemisfaasis.
Diiselmootorites on põlemine väga keeruline. Kuni 1990. aastateni ei mõistetud selle üksikasjalikke mehhanisme hästi. Ka diislikütuse põlemistemperatuur põlemiskambris oli igal juhul erinev. Selle protsessi keerukus näis aastakümneid trotsivat teadlaste püüdlusi selle paljusid saladusi lahti harutada, hoolimata tänapäevaste tööriistade, nagu "läbipaistvates" mootorites kasutatav kiire fotograafia, kaasaegsete arvutite töötlemisvõimsusest ja paljudest matemaatilistest mudelitest, kättesaadavusest. mõeldud diislikütuse põlemise simuleerimiseks Lehtlaserpildi kasutamine traditsioonilises diislikütuse põlemisprotsessis 1990. aastatel oli võti selle protsessi mõistmise oluliseks parandamiseks.
See artikkel hõlmabklassikalise diiselmootori kõige väljakujunenud protsessimudel. Seda tavapärast diislikütuse põlemist juhitakse peamiselt segamise teel, mis võib toimuda kütuse ja õhu difusiooni tõttu enne süütamist.
Põlemistemperatuur
Millisel temperatuuril diislikütus põleb? Kui varem tundus see küsimus raske, siis nüüd saab sellele täiesti ühemõttelise vastuse anda. Diislikütuse põlemistemperatuur on umbes 500-600 kraadi Celsiuse järgi. Kütuse ja õhu segu süttimiseks peab temperatuur olema piisav alt kõrge. Külmades riikides, kus valitseb madal ümbritseva õhu temperatuur, oli mootoritel hõõgküünal, mis soojendab sisselaskeava, et aidata mootorit käivitada. Seetõttu peaksite enne mootori käivitamist alati ootama, kuni soojenduse ikoon armatuurlaual kustub. See mõjutab ka diislikütuse põlemistemperatuuri. Mõelgem, milliseid nüansse veel tema töös on.
Funktsioonid
Dislikütuse väliselt juhitavas põletis põletamise peamine eeldus on selle ainulaadne viis sellesse salvestatud keemilise energia vabastamiseks. Selle protsessi läbiviimiseks peab põlemise hõlbustamiseks olema hapnik kättesaadav. Selle protsessi üks olulisemaid aspekte on kütuse ja õhu segamine, mida sageli nimetatakse eelsegamiseks.
Diisli põlemiskatalüsaator
Diiselmootorites süstitakse kütus sageli mootori silindrisse survetakti lõpus, vaid mõni kraad väntvõlli nurga all enne ülemist surnud punkti. Vedelkütus pihustatakse tavaliselt suurel kiirusel ühe või mitme joaga läbi pihusti otsas olevate väikeste aukude või düüside, pihustatakse peeneks tilkadeks ja siseneb põlemiskambrisse. Pihustatud kütus neelab soojust ümbritsevast kuumutatud suruõhust, aurustub ja seguneb ümbritseva kõrge temperatuuriga kõrgsurveõhuga. Kui kolb liigub jätkuv alt ülemisele surnud punktile (TDC) lähemale, jõuab segu (enamasti õhu) temperatuur oma süttimistemperatuurini. Webasto diislikütuse põlemistemperatuur ei erine teiste diislikütuste omast, ulatudes umbes 500–600 kraadini.
Mõninga eelsegatud kütuse ja õhu kiire süttimine toimub pärast süüteviivitust. Seda kiiret süttimist peetakse põlemise alguseks ja seda iseloomustab silindri rõhu järsk tõus õhu-kütuse segu tarbimisel. Eelsegatud põlemisest tulenev suurenenud rõhk surub kokku ja soojendab laengu põlemata osa ning lühendab selle süttimise viivitust. Samuti suurendab see järelejäänud kütuse aurustumiskiirust. Selle pihustamine, aurustamine, õhuga segamine jätkub, kuni see kõik on ära põlenud. Selles suhtes võib petrooleumi ja diislikütuse põlemistemperatuur olla sarnane.
Iseloomulik
Esm alt tegeleme tähistusega: siis A on õhk (hapnik), F on kütus. Diislikütuse põlemist iseloomustab madal üldine A/F suhe. Madalaimat keskmist A/F-i täheldatakse sageli suurima pöördemomendi tingimustes. Ülemäärase suitsu tekke vältimiseks hoitakse tippmomenti A/F tavaliselt üle 25:1, mis on tunduv alt kõrgem kui stöhhiomeetriline (keemiliselt õige) ekvivalentsuhe ligikaudu 14,4:1. See kehtib ka kõigi diislikütuse põlemisaktivaatorite kohta.
Turboülelaaduriga diiselmootorites võib õhu ja õhu suhe tühikäigul ületada 160:1. Järelikult jätkab pärast kütuse põlemist silindris olev liigne õhk segunemist põlevate ja juba ammendatud gaasidega. Väljalaskeklapi avamisel väljub liigne õhk koos põlemisproduktidega, mis seletab diisli heitgaaside oksüdatiivset olemust.
Millal diislikütus põleb? See protsess toimub pärast seda, kui aurustunud kütus seguneb õhuga, moodustades lokaalselt rikkaliku segu. Ka selles etapis saavutatakse diislikütuse õige põlemistemperatuur. Üldine A/F suhe on aga väike. Ehk siis võib öelda, et suurem osa diiselmootori silindrisse sisenevast õhust on kokku surutud ja kuumutatud, kuid ei osale kunagi põlemisprotsessis. Liigses õhus sisalduv hapnik aitab oksüdeerida gaasilisi süsivesinikke ja süsinikmonooksiidi, vähendades need heitgaasides äärmiselt madalale kontsentratsioonile. See protsess on palju olulisem kui diislikütuse põlemistemperatuur.
Tegurid
Järgmised tegurid mängivad diislikütuse põlemisprotsessis olulist rolli:
- Õhu indutseeritud laeng, selle temperatuur ja kineetiline energia mitmes mõõtmes.
- Sissepritsitud kütuse pihustamine, pritsmete läbitungimine, temperatuur ja keemilised omadused.
Kuigi need kaks tegurit on kõige olulisemad, on ka teisi parameetreid, mis võivad mootori jõudlust oluliselt mõjutada. Nad mängivad põlemisprotsessis teisejärgulist, kuid olulist rolli. Näiteks:
- Sisselaskeava kujundus. Sellel on tugev mõju laadimisõhu liikumisele (eriti silindrisse sisenemise hetkel) ja segunemiskiirusele põlemiskambris. See võib muuta diislikütuse põlemistemperatuuri katlas.
- Sisselaskeava konstruktsioon võib samuti mõjutada laadimisõhu temperatuuri. Seda on võimalik saavutada, kandes soojust veesärgist läbi sisselaskeava pinna.
- Sisselaskeklapi suurus. Reguleerib piiratud aja jooksul silindrisse siseneva õhu kogumassi.
- Tihenduse suhe. See mõjutab aurustumist, segamiskiirust ja põlemiskvaliteeti, olenemata diislikütuse põlemistemperatuurist katlas.
- Sissepritserõhk. See juhib antud düüsi avamise parameetri süstimise kestust.
- Põhustamise geomeetria, mis mõjutab otseselt diislikütuse ja bensiini kvaliteeti ja põlemistemperatuuriõhukasutuse konto. Näiteks võib suurem pihustuskoonuse nurk paigutada kütust avatud kambriga diiselmootorites kolvi peale ja põlemispaagist väljapoole. See seisund võib põhjustada liigset "suitsetamist", kuna kütusel puudub juurdepääs õhule. Laiad koonusenurgad võivad põhjustada ka kütuse pritsimist silindri seintele, mitte põlemiskambrisse, kus seda vajatakse. Silindri seinale pihustatuna liigub see lõpuks alla õlivanni, lühendades määrdeõli eluiga. Kuna pihustusnurk on üks muutujatest, mis mõjutab õhu segunemiskiirust kütusejoas pihusti väljalaskeava lähedal, võib see avaldada märkimisväärset mõju üldisele põlemisprotsessile.
- Klapi konfiguratsioon, mis kontrollib pihusti asendit. Kahe ventiiliga süsteemid loovad kallutatud pihusti asendi, mis tähendab ebaühtlast pihustamist. See toob kaasa kütuse ja õhu segunemise rikkumise. Teisest küljest võimaldavad nelja ventiiliga konstruktsioonid vertikaalset pihusti paigaldamist, sümmeetrilist kütuse pihustamist ja võrdset juurdepääsu õhule iga pihusti jaoks.
- Ülemise kolvirõnga asend. See kontrollib kolvi ülaosa ja silindri voodri vahelist tühiruumi. See surnud ruum püüab kinni õhku, mis surub kokku ja paisub isegi põlemisprotsessis osalemata. Seetõttu on oluline mõista, et diiselmootori süsteem ei piirdu ainult põlemiskambri, pihusti düüside janende vahetu keskkond. Põlemine hõlmab mis tahes osa või komponenti, mis võib protsessi lõpptulemust mõjutada. Seetõttu ei tohiks kellelgi tekkida kahtlust, kas diislikütus põleb.
Muud üksikasjad
Diislikütuse põlemine on teadaolev alt väga lahja õhu ja õhu suhtega:
- 25:1 tipppöördemomendil.
- 30:1 nimikiirusel ja maksimaalsel võimsusel.
- Rohkem kui 150:1 tühikäigul turboülelaaduriga mootorite puhul.
Kuid seda lisaõhku põlemisprotsessis ei osaleta. See soojeneb päris palju ja on kurnatud, mille tagajärjel muutub diisli heitgaas kehvaks. Kuigi keskmine õhu-kütuse suhe on halb, võivad põlemiskambri alad olla rikkad ja tekitada liigset suitsu, kui projekteerimise käigus ei võeta õigeid meetmeid.
Põlemiskamber
Peamine disainieesmärk on tagada kütuse ja õhu piisav segunemine, et leevendada kütuserikaste piirkondade mõju ja võimaldada mootoril jõudluse ja heitgaaside eesmärgini jõuda. On leitud, et turbulents õhu liikumisel põlemiskambris on kasulik segamisprotsessile ja seda saab selle saavutamiseks kasutada. Sisselaskeava tekitatud keerist saab võimendada ja kolb tekitadapigistamine silindripeale lähenedes, et kolvipea õigest tiivast tulenev alt tekitada surve ajal rohkem turbulentsi.
Põlemiskambri konstruktsioonil on tahkete osakeste heitkogustele kõige olulisem mõju. See võib mõjutada ka põlemata süsivesinikke ja CO. Kuigi NOx heitkogused sõltuvad kausi konstruktsioonist [De Risi 1999], mängivad puistegaasi omadused nende heitgaaside tasemes väga olulist rolli. Kuid NOx/PM kompromissi tõttu pidid põletuskambrite konstruktsioonid muutuma NOx heitkoguste piirmäärade vähenemisel. See on peamiselt vajalik selleks, et vältida tahkete osakeste heitkoguste suurenemist, mis muidu tekiks.
Optimeerimine
Mootori diislikütuse põlemissüsteemi optimeerimise oluline parameeter on sellesse protsessi kaasatud vaba õhu osakaal. K-tegur (kolvikorgi mahu ja kliirensi suhe) on põlemiseks saadaoleva õhu ligikaudne osakaal. Mootori töömahu vähendamine toob kaasa suhtelise koefitsiendi K vähenemise ja kalduvuse põlemisomaduste halvenemisele. Antud nihke ja konstantse surveastme korral saab K-tegurit parandada, valides pikema käigu. Silindri ava ja mootori suhte valikut võivad mõjutada K-tegur ja mitmed muud tegurid, nagu mootori pakend, avad ja ventiilid jne.
Võimalikud raskused
Eriti oluline probleem seadistamiselSilindri ja käigu maksimaalne suhe seisneb silindripea väga keerulises pakendis. See on vajalik nelja ventiiliga konstruktsiooni ja ühisanumsissepritsesüsteemi, mille pihusti asub keskel, mahutamiseks. Silindripead on paljude kanalite tõttu keerukad, sealhulgas vesijahutus, silindripea kinnituspoldid, sisselaske- ja väljalaskeavad, pihustid, hõõgküünlad, ventiilid, klapivarred, süvendid ja istmed ning muud kanalid, mida mõnes konstruktsioonis kasutatakse heitgaaside retsirkulatsiooniks.
Kaasaegsete otsesissepritsega diiselmootorite põlemiskambreid võib nimetada avatud või sekundaarseteks põlemiskambriteks.
Avatud kaamerad
Kui kausi ülemine ava kolvis on väiksema läbimõõduga kui sama kausi parameetri maksimum, siis nimetatakse seda tagastatavaks. Sellistel kaussidel on "huul". Kui ei, siis on see avatud põlemiskamber. Diiselmootorites on need Mehhiko kübarakausi kujundused tuntud juba 1920. aastatest. Neid kasutati kuni 1990. aastani raskeveokite mootorites kuni punktini, kus tagastuskauss muutus olulisemaks kui varem. See põlemiskambri vorm on ette nähtud suhteliselt pikkadeks sissepritseaegadeks, kus kauss sisaldab enamikku põlevatest gaasidest. See ei sobi hästi viivitatud süstimisstrateegiate jaoks.
Diiselmootor
See on nime saanud leiutaja Rudolf Dieseli järgi. See on sisepõlemismootor, milles sissepritsetud kütuse süttimine on põhjustatud suurenenud kütusestõhutemperatuur silindris mehaanilise kokkusurumise tõttu. Diisel töötab ainult õhu kokkusurumisel. See tõstab silindris oleva õhu temperatuuri sedavõrd, et põlemiskambrisse süstitud pihustatud kütus süttib iseeneslikult.
See erineb ottomootoritest, nagu bensiin või LPG (kasutavad bensiini asemel gaaskütust). Nad kasutavad õhu-kütuse segu süütamiseks süüteküün alt. Diiselmootorites saab hõõgküünlaid (põlemiskambrisoojendeid) kasutada käivitamise hõlbustamiseks külma ilmaga ja ka madala surveastme korral. Originaaldiisel töötab pideva rõhutsükliga ja põleb järk-järgult ja ei tekita helilist poomi.
Üldomadused
Diislil on kõigist praktilistest sise- ja välispõlemismootoritest kõrgeim soojuslik kasutegur tänu selle väga kõrgele paisumisastmele ja loomupärasele lahjale põlemisele, mis võimaldab liigsel õhul soojust hajutada. Väikest efektiivsuse kadu välditakse ka ilma otsesissepritseta, kuna klapi sulgemisel põlemata kütust ei esine ja kütus ei voola sisselaskeseadmest (pihustist) otse väljalasketorusse. Madala kiirusega diiselmootorite (nt laevadel kasutatavate mootorite) soojuslik kasutegur võib ületada 50 protsenti.
Diisleid saab konstrueerida kahe- või neljataktilistena. Neid kasutati algselt kuistatsionaarsete aurumasinate tõhus asendus. Alates 1910. aastast on neid kasutatud allveelaevadel ja laevadel. Hiljem järgnes kasutamine vedurites, veoautodes, rasketehnikas ja elektrijaamades. Eelmise sajandi kolmekümnendatel leidsid nad koha mitme auto disainis.
Eelised ja puudused
Alates 1970. aastatest on USA-s suurenenud diiselmootorite kasutamine suuremates maantee- ja maastikusõidukites. Briti mootoritootjate ja -tootjate ühingu andmetel moodustab ELi keskmine diiselmootoriga sõidukite kogumüügist 50% (sealhulgas 70% Prantsusmaal ja 38% Ühendkuningriigis).
Külma ilmaga võib kiirete diiselmootorite käivitamine olla keeruline, kuna ploki ja silindripea mass neelab kokkusurumisel tekkivat soojust, vältides suurema pinna ja mahu suhte tõttu süttimist. Varem kasutasid need seadmed kambrites väikeseid elektrisoojendeid, mida kutsuti hõõgküünaldeks.
Vaatused
Paljud mootorid kasutavad sisselaskekollektoris takistussoojendeid sisselaskeõhu soojendamiseks ja käivitamiseks või kuni töötemperatuuri saavutamiseni. Elektritakistuslikud mootoriplokisoojendused, mis on ühendatud vooluvõrku, on kasutusel külmas kliimas. Sellistel juhtudel tuleb see käivitamisaja ja kulumise vähendamiseks pikka aega (üle tunni) sisse lülitada.
Plokküttekehasid kasutatakse ka diiselgeneraatoritega avariitoite jaoks, mis peavad elektrikatkestuse korral kiiresti voolu maha laadima. Varem on kasutatud palju erinevaid külmkäivitusmeetodeid. Mõned mootorid, näiteks Detroidi diisel, kasutasid põlemise käivitamiseks sisselaskekollektorisse väikese koguse eetrit sisestavat süsteemi. Teised on kasutanud metanoolipõleva takistussoojendiga segasüsteemi. Eksprompt-meetod, eriti mittetöötavate mootorite puhul, on olulise vedeliku aerosooliballooni käsitsi pihustamine sisselaskeõhu voolu (tavaliselt läbi sisselaskeõhu filtri komplekti).
Erinevused teistest mootoritest
Diisli tingimused erinevad ottomootorist erineva termodünaamilise tsükli tõttu. Lisaks juhib selle pöörlemiskiirust ja -kiirust otseselt kütuse, mitte õhu, nagu tsüklilise mootori puhul. Diislikütuse ja bensiini põlemistemperatuur võib samuti erineda.
Keskmisel diiselmootoril on madalam võimsuse ja kaalu suhe kui bensiinimootoril. Selle põhjuseks on asjaolu, et diisel peab töötama madalamal pöörete arvul, kuna töörõhu talumiseks on vaja raskemaid ja tugevamaid osi. Seda põhjustab alati mootori kõrge surveaste, mis suurendab inertsijõudude mõjul detailile mõjuvaid jõude. Mõned diislid on mõeldud kommertskasutuseks. Seda on praktikas korduv alt kinnitatud.
Tavaliselt diiselmootoridteil on pikk insult. Põhimõtteliselt on see vajalik nõutavate tihendusastmete saavutamise hõlbustamiseks. Selle tulemusena muutub kolb raskemaks. Sama võib öelda varraste kohta. Nende ja väntvõlli kaudu tuleb kolvi impulsi muutmiseks edastada rohkem jõudu. See on veel üks põhjus, miks diiselmootor peab bensiinimootoriga sama võimsuse saavutamiseks olema tugevam.