Vai deg dīzeļdegviela? Tas dedzina, un diezgan spēcīgi. Tās atlikumi, kas nepiedalījās iepriekš sajauktajā sadegšanā, tiek patērēti mainīga ātruma sadegšanas fāzē.
Dīzeļdzinējos sadegšana ir ļoti sarežģīta. Līdz 90. gadiem tā detalizētie mehānismi nebija labi saprotami. Arī dīzeļdegvielas sadegšanas temperatūra sadegšanas kamerā dažādos gadījumos bija atšķirīga. Šķiet, ka šī procesa sarežģītība gadu desmitiem ir pretrunā pētnieku mēģinājumiem atklāt tā daudzos noslēpumus, neskatoties uz to, ka ir pieejami mūsdienīgi rīki, piemēram, ātrgaitas fotografēšana, ko izmanto "caurspīdīgos" dzinējos, mūsdienu datoru apstrādes jauda un daudzi matemātiskie modeļi. izstrādāts, lai imitētu degšanu dīzeļdegvielā Lokšņu lāzera attēlveidošanas izmantošana tradicionālajā dīzeļdegvielas sadedzināšanas procesā 1990. gados bija atslēga, lai ievērojami uzlabotu izpratni par šo procesu.
Šis raksts aptversvisizplatītākais procesa modelis klasiskajam dīzeļdzinējam. Šo parasto dīzeļdegvielas sadegšanu galvenokārt kontrolē sajaukšana, kas var notikt degvielas un gaisa difūzijas dēļ pirms aizdedzes.
Degšanas temperatūra
Kādā temperatūrā deg dīzeļdegviela? Ja agrāk šis jautājums šķita grūts, tad tagad uz to var sniegt pilnīgi nepārprotamu atbildi. Dīzeļdegvielas sadegšanas temperatūra ir aptuveni 500-600 grādi pēc Celsija. Temperatūrai jābūt pietiekami augstai, lai aizdedzinātu degvielas un gaisa maisījumu. Aukstās valstīs, kur dominē zema apkārtējā temperatūra, dzinējiem bija kvēlsvece, kas sasilda ieplūdes atveri, lai palīdzētu iedarbināt dzinēju. Tāpēc pirms dzinēja iedarbināšanas vienmēr jāgaida, līdz uz paneļa nodziest sildītāja ikona. Tas ietekmē arī dīzeļdegvielas sadegšanas temperatūru. Apsvērsim, kādas vēl nianses ir viņa darbā.
Funkcijas
Galvenais priekšnoteikums dīzeļdegvielas sadedzināšanai ārēji vadāmā degli ir tās unikālais veids, kā atbrīvot tajā uzkrāto ķīmisko enerģiju. Lai veiktu šo procesu, tai ir jābūt pieejamam skābeklim, lai veicinātu degšanu. Viens no svarīgākajiem šī procesa aspektiem ir degvielas un gaisa sajaukšana, ko bieži dēvē par iepriekšēju sajaukšanu.
Dīzeļa degšanas katalizators
Dīzeļdzinējos degvielu bieži iesmidzina dzinēja cilindrā kompresijas gājiena beigās, tikai dažus grādus no kloķvārpstas leņķa pirms augšējā mirušā centra. Šķidrā degviela parasti tiek iesmidzināta lielā ātrumā vienā vai vairākās strūklās caur maziem caurumiem vai sprauslām inžektora galā, izsmidzina smalkos pilienos un nonāk sadegšanas kamerā. Izsmidzinātā degviela absorbē siltumu no apkārtējā sakarsētā saspiestā gaisa, iztvaiko un sajaucas ar apkārtējo augstas temperatūras augstspiediena gaisu. Virzulim turpinot virzīties tuvāk augšējam mirušajam centram (TDC), maisījuma (galvenokārt gaisa) temperatūra sasniedz aizdegšanās temperatūru. Webasto dīzeļdegvielas sadegšanas temperatūra neatšķiras no citu dīzeļdegvielu marku degšanas temperatūras, sasniedzot aptuveni 500-600 grādus.
Dažas iepriekš sajauktas degvielas un gaisa ātra aizdegšanās notiek pēc aizdedzes aizkaves perioda. Šī ātrā aizdegšanās tiek uzskatīta par degšanas sākumu, un to raksturo straujš cilindra spiediena pieaugums, kad tiek patērēts gaisa un degvielas maisījums. Paaugstināts spiediens, kas rodas iepriekš sajauktas sadegšanas rezultātā, saspiež un sasilda nesadegušo lādiņa daļu un saīsina aizdegšanos. Tas arī palielina atlikušās degvielas iztvaikošanas ātrumu. Tā izsmidzināšana, iztvaicēšana, sajaukšanās ar gaisu turpinās, līdz viss tiek sadedzināts. Petrolejas un dīzeļdegvielas sadegšanas temperatūra šajā ziņā var būt līdzīga.
Raksturīgs
Vispirms tiksim galā ar apzīmējumu: tad A ir gaiss (skābeklis), F ir degviela. Dīzeļdegvielas sadegšanu raksturo zema kopējā A/F attiecība. Zemākā vidējā A/F bieži tiek novērota maksimālā griezes momenta apstākļos. Lai izvairītos no pārmērīgas dūmu veidošanās, maksimālais griezes moments A/F parasti tiek uzturēts virs 25:1, kas ir krietni virs stehiometriskās (ķīmiski pareizas) ekvivalences attiecības aptuveni 14,4:1. Tas attiecas arī uz visiem dīzeļdegvielas sadegšanas aktivizētājiem.
Dīzeļdzinējos ar turbokompresoru A/F attiecība tukšgaitā var pārsniegt 160:1. Līdz ar to balonā esošais liekais gaiss pēc degvielas sadegšanas turpina sajaukties ar degošajām un jau izplūdušajām gāzēm. Atverot izplūdes vārstu, tiek izvadīts liekais gaiss kopā ar sadegšanas produktiem, kas izskaidro dīzeļdegvielas izplūdes gāzu oksidatīvo raksturu.
Kad deg dīzeļdegviela? Šis process notiek pēc tam, kad iztvaicētā degviela sajaucas ar gaisu, veidojot lokāli bagātīgu maisījumu. Arī šajā posmā tiek sasniegta atbilstošā dīzeļdegvielas sadegšanas temperatūra. Tomēr kopējā A/F attiecība ir maza. Citiem vārdiem sakot, var teikt, ka lielākā daļa gaisa, kas nonāk dīzeļdzinēja cilindrā, tiek saspiests un uzkarsēts, bet nekad nepiedalās degšanas procesā. Gaisa pārpalikumā esošais skābeklis palīdz oksidēt gāzveida ogļūdeņražus un oglekļa monoksīdu, samazinot tos līdz ārkārtīgi zemai koncentrācijai izplūdes gāzēs. Šis process ir daudz svarīgāks par dīzeļdegvielas sadegšanas temperatūru.
Faktori
Dīzeļdegvielas sadegšanas procesā lielu lomu spēlē šādi faktori:
- Inducētais gaisa lādiņš, tā temperatūra un kinētiskā enerģija vairākās dimensijās.
- Iesmidzinātās degvielas izsmidzināšana, šļakatu iespiešanās, temperatūra un ķīmiskās īpašības.
Lai gan šie divi faktori ir vissvarīgākie, ir arī citi parametri, kas var būtiski ietekmēt dzinēja darbību. Viņiem ir sekundāra, bet svarīga loma degšanas procesā. Piemēram:
- Ieplūdes dizains. Tam ir spēcīga ietekme uz lādētā gaisa kustību (īpaši brīdī, kad tas nonāk cilindrā) un sajaukšanas ātrumu sadegšanas kamerā. Tas var mainīt dīzeļdegvielas sadegšanas temperatūru katlā.
- Ieplūdes atveres dizains var ietekmēt arī uzlādes gaisa temperatūru. To var panākt, pārnesot siltumu no ūdens apvalka caur ieplūdes atveres virsmu.
- Ieplūdes vārsta izmērs. Kontrolē kopējo gaisa masu, kas ieplūst cilindrā noteiktā laika periodā.
- Saspiešanas pakāpe. Tas ietekmē iztvaikošanu, sajaukšanas ātrumu un degšanas kvalitāti neatkarīgi no dīzeļdegvielas sadegšanas temperatūras katlā.
- Iesmidzināšanas spiediens. Tas kontrolē iesmidzināšanas ilgumu noteiktam sprauslas atvēršanas parametram.
- Izsmidzināšanas ģeometrija, kas tieši ietekmē dīzeļdegvielas un benzīna kvalitāti un sadegšanas temperatūrugaisa lietošanas konts. Piemēram, lielāks smidzināšanas konusa leņķis var novietot degvielu virs virzuļa un ārpus iekšdedzes tvertnes atvērtas kameras DI dīzeļdzinējos. Šis stāvoklis var izraisīt pārmērīgu "smēķēšanu", jo degvielai tiek liegta piekļuve gaisam. Plaši konusa leņķi var izraisīt arī degvielas izšļakstīšanos uz cilindra sienām, nevis sadegšanas kamerā, kur tas ir nepieciešams. Izsmidzināts uz cilindra sienas, tas galu galā pārvietosies uz leju eļļas tvertnē, saīsinot smēreļļas kalpošanas laiku. Tā kā izsmidzināšanas leņķis ir viens no mainīgajiem lielumiem, kas ietekmē gaisa sajaukšanās ātrumu degvielas strūklā netālu no inžektora izejas, tas var būtiski ietekmēt kopējo sadegšanas procesu.
- Vārsta konfigurācija, kas kontrolē inžektora pozīciju. Divu vārstu sistēmas rada slīpu inžektora stāvokli, kas nozīmē nevienmērīgu izsmidzināšanu. Tas noved pie degvielas un gaisa sajaukšanas pārkāpuma. No otras puses, četru vārstu konstrukcija nodrošina vertikālu inžektora uzstādīšanu, simetrisku degvielas izsmidzināšanu un vienlīdzīgu piekļuvi pieejamajam gaisam katram izsmidzinātājam.
- Augšējā virzuļa gredzena pozīcija. Tas kontrolē tukšo telpu starp virzuļa augšdaļu un cilindra čaulu. Šī nedzīvā telpa aiztur gaisu, kas saspiež un izplešas, pat nepiedaloties sadegšanas procesā. Tāpēc ir svarīgi saprast, ka dīzeļdzinēja sistēma neaprobežojas tikai ar sadegšanas kameru, inžektora sprauslām unsavu tuvāko vidi. Degšana ietver jebkuru daļu vai sastāvdaļu, kas var ietekmēt procesa gala rezultātu. Tāpēc nevienam nevajadzētu būt šaubām par to, vai dīzeļdegviela deg.
Cita informācija
Ir zināms, ka dīzeļdegvielas degšana ir ļoti vāja ar A/F attiecību:
- 25:1 pie maksimālā griezes momenta.
- 30:1 ar nominālo ātrumu un maksimālo jaudu.
- Vairāk nekā 150:1 tukšgaitā dzinējiem ar turbokompresoru.
Tomēr šis papildu gaiss nav iekļauts sadegšanas procesā. Tas diezgan daudz uzsilst un ir izsmelts, kā rezultātā dīzeļa izplūdes gāze kļūst slikta. Lai gan vidējā gaisa un degvielas attiecība ir slikta, ja projektēšanas procesā netiek veikti atbilstoši pasākumi, sadegšanas kameras zonas var būt bagātas ar degvielu un izraisīt pārmērīgu dūmu emisiju.
Sadegšanas kamera
Galvenais dizaina mērķis ir nodrošināt pietiekamu degvielas un gaisa sajaukšanos, lai mazinātu ar degvielu bagātu vietu ietekmi un ļautu dzinējam sasniegt tā veiktspējas un emisiju mērķus. Ir konstatēts, ka turbulence gaisa kustībā sadegšanas kamerā ir labvēlīga sajaukšanas procesam, un to var izmantot, lai to panāktu. Ieplūdes radītais virpulis var tikt pastiprināts un virzulis var radītsaspiežoties, kad tas tuvojas cilindra galvai, lai nodrošinātu lielāku turbulenci saspiešanas laikā, jo virzuļa galvā ir pareiza kausa konstrukcija.
Sadegšanas kameras konstrukcijai ir visnozīmīgākā ietekme uz daļiņu emisijām. Tas var ietekmēt arī nesadegušos ogļūdeņražus un CO. Lai gan NOx emisijas ir atkarīgas no bļodas konstrukcijas [De Risi 1999], lielapjoma gāzes īpašībām ir ļoti liela nozīme to izplūdes gāzu līmeņos. Tomēr NOx/PM kompromisa dēļ, samazinoties NOx emisiju robežvērtībām, sadedzināšanas iekārtu konstrukcijai bija jāattīstās. Tas galvenokārt ir nepieciešams, lai izvairītos no PM emisiju pieauguma, kas citādi notiktu.
Optimizācija
Svarīgs parametrs dīzeļdegvielas sadegšanas sistēmas optimizēšanai dzinējā ir šajā procesā iesaistītā pieejamā gaisa proporcija. K koeficients (virzuļa kausa tilpuma attiecība pret klīrensu) ir aptuvens sadegšanai pieejamā gaisa proporcijas mērs. Dzinēja darba tilpuma samazināšana noved pie relatīvā koeficienta K samazināšanās un tendences pasliktināt degšanas īpašības. Ar noteiktu pārvietojumu un nemainīgu kompresijas pakāpi K koeficientu var uzlabot, izvēloties garāku gājienu. Cilindra urbuma un dzinēja attiecības izvēli var ietekmēt K faktors un vairāki citi faktori, piemēram, dzinēja iepakojums, urbumi un vārsti utt.
Iespējamas grūtības
Īpaši nozīmīga problēma iestatīšanas laikāMaksimālā cilindra un gājiena attiecība slēpjas ļoti sarežģītajā cilindra galvas iepakojumā. Tas ir nepieciešams, lai pielāgotos četru vārstu konstrukcijai un Common-Rail degvielas iesmidzināšanas sistēmai ar inžektoru, kas atrodas centrā. Cilindru galvas ir sarežģītas daudzo kanālu dēļ, tostarp ūdens dzesēšana, cilindru galvas stiprinājuma skrūves, ieplūdes un izplūdes atveres, inžektori, kvēlsveces, vārsti, vārstu kāti, padziļinājumi un ligzdas, kā arī citi kanāli, ko dažos veidos izmanto izplūdes gāzu recirkulācijai.
Mūsdienu tiešās iesmidzināšanas dīzeļdzinēju sadegšanas kameras var saukt par atvērtām vai sekundārajām sadegšanas kamerām.
Atvērt kameras
Ja virzuļa bļodas augšējam caurumam ir mazāks diametrs nekā tā paša bļodas parametra maksimālais diametrs, tad to sauc par atgriezenisko. Šādām bļodiņām ir "lūpa". Ja nē, tad šī ir atvērta sadegšanas kamera. Dīzeļdzinējos šie meksikāņu cepuru bļodu modeļi ir zināmi kopš 20. gadsimta 20. gadiem. Tie tika izmantoti līdz 1990. gadam lieljaudas dzinējos, līdz atgriešanas tvertne kļuva svarīgāka nekā agrāk. Šī sadegšanas kameras forma ir paredzēta salīdzinoši progresīviem iesmidzināšanas laikiem, kur bļoda satur lielāko daļu degošo gāzu. Tas nav labi piemērots aizkavētas injekcijas stratēģijām.
Dīzeļdzinējs
Tas ir nosaukts izgudrotāja Rūdolfa Dīzela vārdā. Tas ir iekšdedzes dzinējs, kurā iesmidzinātās degvielas aizdegšanos izraisa palielinātagaisa temperatūra cilindrā mehāniskās saspiešanas dēļ. Dīzelis darbojas, saspiežot tikai gaisu. Tas paaugstina gaisa temperatūru cilindrā tiktāl, ka sadegšanas kamerā ievadītā izsmidzinātā degviela spontāni aizdegas.
Tas atšķiras no dzirksteļaizdedzes dzinējiem, piemēram, benzīna vai LPG (izmantojot gāzveida degvielu, nevis benzīnu). Viņi izmanto aizdedzes sveci, lai aizdedzinātu gaisa un degvielas maisījumu. Dīzeļdzinējos kvēlsveces (sadegšanas kameras sildītājus) var izmantot, lai palīdzētu iedarbināt aukstā laikā un arī ar zemu kompresijas pakāpi. Oriģinālā dīzeļdegviela darbojas ar pastāvīgu spiediena ciklu, pakāpeniski degot, un neizraisa skaņas izlici.
Vispārīgās īpašības
Dīzelim ir visaugstākā termiskā efektivitāte no visiem praktiskiem iekšdedzes un ārdedzes dzinējiem, pateicoties tā ļoti augstajai izplešanās pakāpei un tai piemītošajai liesai sadegšanai, ļaujot liekajam gaisam izkliedēt siltumu. Neliels efektivitātes zudums tiek novērsts arī bez tiešās iesmidzināšanas, jo, aizveroties vārstam, nav nesadegušās degvielas, un degviela neplūst tieši no ieplūdes (inžektora) ierīces uz izplūdes cauruli. Zema ātruma dīzeļdzinējiem, piemēram, tiem, ko izmanto kuģos, termiskā efektivitāte var pārsniegt 50 procentus.
Dīzeļus var konstruēt kā divtaktu vai četrtaktu. Sākotnēji tie tika izmantoti kāefektīva stacionāro tvaika dzinēju nomaiņa. Kopš 1910. gada tos izmanto uz zemūdenēm un kuģiem. Vēlāk sekoja izmantošana lokomotīvēs, kravas automašīnās, smagajā iekārtās un spēkstacijās. Pagājušā gadsimta trīsdesmitajos gados tās atrada vietu vairāku automašīnu dizainā.
Priekšrocības un trūkumi
Kopš 1970. gadiem ASV ir palielinājusies dīzeļdzinēju izmantošana lielākos apvidus un bezceļa transportlīdzekļos. Saskaņā ar Lielbritānijas Motoru ražotāju un ražotāju biedrības datiem ES vidējais rādītājs dīzeļdzinēju transportlīdzekļiem ir 50% no kopējā pārdošanas apjoma (tostarp 70% Francijā un 38% Apvienotajā Karalistē).
Aukstā laikā ātrgaitas dīzeļdzinēju iedarbināšana var būt sarežģīta, jo bloka un cilindra galvas masa absorbē saspiešanas siltumu, novēršot aizdegšanos, jo ir lielāka virsmas un tilpuma attiecība. Iepriekš šajās ierīcēs tika izmantoti mazi elektriskie sildītāji kamerās, ko sauca par kvēlsvecēm.
Skatījumi
Daudzos dzinējos ieplūdes kolektorā tiek izmantoti pretestības sildītāji, lai sildītu ieplūdes gaisu un iedarbinātu vai līdz tiek sasniegta darba temperatūra. Elektriskie pretestības motora bloku sildītāji, kas pieslēgti elektrotīklam, tiek izmantoti aukstā klimatā. Šādos gadījumos tas ir jāieslēdz uz ilgu laiku (vairāk nekā stundu), lai samazinātu palaišanas laiku un nodilumu.
Bloku sildītājus izmanto arī avārijas barošanas avotam ar dīzeļģeneratoriem, kuriem strāvas padeves pārtraukuma gadījumā ātri jāatslogo. Agrāk tika izmantotas plašākas aukstās palaišanas metodes. Dažos dzinējos, piemēram, Detroit Diesel, tika izmantota sistēma, lai ieplūdes kolektorā ievadītu nelielu daudzumu ētera, lai sāktu degšanu. Citi ir izmantojuši jauktu sistēmu ar metanola degšanas pretestības sildītāju. Improvizēta metode, īpaši dzinējiem, kas nedarbojas, ir manuāli izsmidzināt aerosola baloniņu ar būtisku šķidrumu ieplūdes gaisa plūsmā (parasti caur ieplūdes gaisa filtra komplektu).
Atšķirības no citiem dzinējiem
Dīzeļa apstākļi atšķiras no dzirksteļaizdedzes dzinēja atšķirīgā termodinamiskā cikla dēļ. Turklāt tā griešanās jaudu un ātrumu tieši kontrolē degvielas padeve, nevis gaiss, kā tas ir cikliskā dzinējā. Var atšķirties arī dīzeļdegvielas un benzīna sadegšanas temperatūra.
Vidējam dīzeļdzinējam ir zemāka jaudas un svara attiecība nekā benzīna dzinējam. Tas ir tāpēc, ka dīzeļdegvielai ir jādarbojas ar zemākiem apgriezieniem minūtē, jo konstrukcijai ir vajadzīgas smagākas un stiprākas daļas, lai tās izturētu darba spiedienu. To vienmēr izraisa augsta dzinēja kompresijas pakāpe, kas palielina detaļas spēkus inerces spēku dēļ. Daži dīzeļi ir paredzēti komerciālai lietošanai. Tas ir vairākkārt apstiprināts praksē.
Dīzeļdzinēji parastiir garš insults. Būtībā tas ir nepieciešams, lai atvieglotu nepieciešamo kompresijas pakāpju sasniegšanu. Tā rezultātā virzulis kļūst smagāks. To pašu var teikt par stieņiem. Caur tiem un kloķvārpstu ir jāpārraida lielāks spēks, lai mainītu virzuļa impulsu. Tas ir vēl viens iemesls, kāpēc dīzeļdzinējam ir jābūt spēcīgākam, lai nodrošinātu tādu pašu jaudu kā benzīna dzinējam.
