Czy olej napędowy się pali? Pali się i to dość mocno. Jego pozostałość, która nie brała udziału w spalaniu mieszanym, jest zużywana w fazie spalania o zmiennej szybkości.
Spalanie w silnikach wysokoprężnych jest bardzo trudne. Do lat 90. jej szczegółowe mechanizmy nie były dobrze rozumiane. Temperatura spalania oleju napędowego w komorze spalania również zmieniała się w zależności od przypadku. Przez dziesięciolecia złożoność tego procesu zdawała się przeczyć próbom rozwikłania jego wielu tajemnic, pomimo dostępności nowoczesnych narzędzi, takich jak szybka fotografia wykorzystywanych w „przezroczystych” silnikach, mocy obliczeniowej nowoczesnych komputerów i wielu modeli matematycznych. zaprojektowany do symulacji spalania w oleju napędowym Zastosowanie laserowego obrazowania arkuszy w tradycyjnym procesie spalania oleju napędowego w latach 90. było kluczem do znacznego lepszego zrozumienia tego procesu.
Ten artykuł obejmienajbardziej uznany model procesu dla klasycznego silnika wysokoprężnego. To konwencjonalne spalanie oleju napędowego jest przede wszystkim kontrolowane przez mieszanie, które może wystąpić w wyniku dyfuzji paliwa i powietrza przed zapłonem.
Temperatura spalania
W jakiej temperaturze spala się olej napędowy? Jeśli wcześniej to pytanie wydawało się trudne, teraz można na nie udzielić całkowicie jednoznacznej odpowiedzi. Temperatura spalania oleju napędowego wynosi około 500-600 stopni Celsjusza. Temperatura musi być wystarczająco wysoka, aby zapalić mieszankę paliwa i powietrza. W zimnych krajach, gdzie dominują niskie temperatury otoczenia, silniki miały świecę żarową, która podgrzewa otwór wlotowy, aby pomóc w uruchomieniu silnika. Dlatego przed uruchomieniem silnika należy zawsze poczekać, aż ikona grzałki na desce rozdzielczej zgaśnie. Wpływa również na temperaturę spalania oleju napędowego. Zastanówmy się, jakie inne niuanse są w jego pracy.
Funkcje
Głównym warunkiem spalania oleju napędowego w palniku sterowanym zewnętrznie jest jego unikalny sposób uwalniania zmagazynowanej w nim energii chemicznej. Aby przeprowadzić ten proces, musi być dla niego dostępny tlen, aby ułatwić spalanie. Jednym z najważniejszych aspektów tego procesu jest mieszanie paliwa i powietrza, często nazywane mieszaniem wstępnym.
Katalizator spalania oleju napędowego
W silnikach wysokoprężnych paliwo jest często wtryskiwane do cylindra silnika pod koniec suwu sprężania, zaledwie kilka stopni kąta wału korbowego przed górnym martwym punktem. Paliwo płynne jest zwykle wtryskiwane z dużą prędkością w jednym lub kilku strumieniach przez małe otwory lub dysze w końcówce wtryskiwacza, rozpylone na drobne kropelki i przedostające się do komory spalania. Rozpylone paliwo pochłania ciepło z otaczającego ogrzanego sprężonego powietrza, odparowuje i miesza się z otaczającym powietrzem o wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu. W miarę zbliżania się tłoka do górnego martwego punktu (TDC), temperatura mieszanki (głównie powietrza) osiąga temperaturę zapłonu. Temperatura spalania oleju napędowego Webasto nie różni się od innych gatunków oleju napędowego, osiągając około 500-600 stopni.
Szybki zapłon niektórych wstępnie zmieszanych paliw i powietrza następuje po okresie opóźnienia zapłonu. Ten szybki zapłon jest uważany za początek spalania i charakteryzuje się gwałtownym wzrostem ciśnienia w cylindrze w miarę zużywania mieszanki paliwowo-powietrznej. Podwyższone ciśnienie wynikające ze spalania mieszanki wstępnej powoduje kompresję i podgrzewanie niespalonej części wsadu oraz skraca opóźnienie przed jego zapaleniem. Zwiększa również szybkość parowania pozostałego paliwa. Jego rozpylanie, parowanie, mieszanie z powietrzem trwa aż do całkowitego spalenia. Temperatura spalania nafty i oleju napędowego pod tym względem może być zbliżona.
Charakterystyka
Najpierw zajmijmy się zapisem: wtedy A to powietrze (tlen), F to paliwo. Spalanie oleju napędowego charakteryzuje się niskim całkowitym stosunkiem A/F. Najniższy średni A/F jest często obserwowany w warunkach szczytowego momentu obrotowego. Aby uniknąć nadmiernego wytwarzania dymu, szczytowy moment obrotowy A/F jest zwykle utrzymywany powyżej 25:1, znacznie powyżej stechiometrycznego (chemicznie poprawnego) stosunku równoważności około 14,4:1. Dotyczy to również wszystkich aktywatorów spalania oleju napędowego.
W turbodoładowanych silnikach wysokoprężnych stosunek A/F na biegu jałowym może przekraczać 160:1. W konsekwencji nadmiar powietrza obecny w cylindrze po spaleniu paliwa nadal miesza się z palącymi się i już wypalonymi gazami. Kiedy zawór wydechowy jest otwarty, nadmiar powietrza jest wyrzucany wraz z produktami spalania, co wyjaśnia utleniający charakter spalin z silników Diesla.
Kiedy pali się olej napędowy? Proces ten zachodzi po zmieszaniu odparowanego paliwa z powietrzem, tworząc lokalnie bogatą mieszankę. Również na tym etapie osiągana jest właściwa temperatura spalania oleju napędowego. Jednak ogólny stosunek A/F jest niewielki. Innymi słowy, można powiedzieć, że większość powietrza wchodzącego do cylindra silnika wysokoprężnego jest sprężana i podgrzewana, ale nigdy nie uczestniczy w procesie spalania. Tlen w nadmiarze powietrza pomaga utleniać węglowodory gazowe i tlenek węgla, redukując je do bardzo niskich stężeń w spalinach. Proces ten jest znacznie ważniejszy niż temperatura spalania oleju napędowego.
Czynniki
Następujące czynniki odgrywają główną rolę w procesie spalania oleju napędowego:
- Indukowany ładunek powietrza, jego temperatura i energia kinetyczna w kilku wymiarach.
- Atomizacja wtryskiwanego paliwa, penetracja rozprysków, temperatura i charakterystyka chemiczna.
Chociaż te dwa czynniki są najważniejsze, istnieją inne parametry, które mogą znacząco wpłynąć na osiągi silnika. Odgrywają drugorzędną, ale ważną rolę w procesie spalania. Na przykład:
- Projekt wlotu. Ma silny wpływ na ruch powietrza doładowującego (szczególnie w momencie wejścia do cylindra) oraz szybkość mieszania w komorze spalania. Może to zmienić temperaturę spalania oleju napędowego w kotle.
- Konstrukcja portu wlotowego może również wpływać na temperaturę powietrza doładowującego. Można to osiągnąć poprzez przeniesienie ciepła z płaszcza wodnego przez powierzchnię wlotu.
- Rozmiar zaworu wlotowego. Kontroluje całkowitą masę powietrza wpuszczanego do butli w skończonym czasie.
- Współczynnik kompresji. Wpływa na parowanie, szybkość mieszania i jakość spalania, niezależnie od temperatury spalania oleju napędowego w kotle.
- Ciśnienie wtrysku. Kontroluje czas wtrysku dla danego parametru otwarcia dyszy.
- Geometria atomizacji, która bezpośrednio wpływa na jakość i temperaturę spalania oleju napędowego i benzyny dlakonto użytkowania powietrza. Na przykład większy kąt rozpylenia stożka może spowodować umieszczenie paliwa na górze tłoka i poza zbiornikiem spalania w silnikach wysokoprężnych z otwartą komorą spalania. Ten stan może prowadzić do nadmiernego „dymienia”, ponieważ paliwo nie ma dostępu do powietrza. Szerokie kąty stożka mogą również powodować rozpryskiwanie się paliwa na ściankach cylindra, a nie wewnątrz komory spalania, gdzie jest to wymagane. Natryskiwany na ścianę cylindra, w końcu przesunie się do miski olejowej, skracając żywotność oleju smarującego. Ponieważ kąt rozpylania jest jedną ze zmiennych wpływających na szybkość mieszania powietrza w strumieniu paliwa w pobliżu wylotu wtryskiwacza, może to mieć znaczący wpływ na ogólny proces spalania.
- Konfiguracja zaworu sterującego położeniem wtryskiwacza. Systemy dwuzaworowe tworzą przechyloną pozycję wtryskiwacza, co oznacza nierównomierne opryskiwanie. Prowadzi to do naruszenia mieszania paliwa i powietrza. Z kolei czterozaworowe konstrukcje umożliwiają pionowy montaż wtryskiwaczy, symetryczne rozpylanie paliwa oraz równy dostęp do powietrza dla każdego rozpylacza.
- Pozycja górnego pierścienia tłokowego. Kontroluje martwą przestrzeń między górną częścią tłoka a tuleją cylindra. Ta martwa przestrzeń zatrzymuje powietrze, które ściska się i rozszerza, nawet nie uczestnicząc w procesie spalania. Dlatego ważne jest, aby zrozumieć, że układ silnika wysokoprężnego nie ogranicza się do komory spalania, dysz wtryskiwaczy iich najbliższe otoczenie. Spalanie obejmuje każdą część lub składnik, który może wpłynąć na wynik końcowy procesu. Dlatego nikt nie powinien mieć wątpliwości, czy olej napędowy się pali.
Inne szczegóły
Spalanie oleju napędowego jest znane jako bardzo ubogie przy stosunku A/F:
- 25:1 przy maksymalnym momencie obrotowym.
- 30:1 przy znamionowej prędkości i maksymalnej mocy.
- Powyżej 150:1 na biegu jałowym dla silników z turbodoładowaniem.
Jednak to dodatkowe powietrze nie jest uwzględniane w procesie spalania. Dość mocno się nagrzewa i jest wyczerpany, w wyniku czego spaliny diesla stają się słabe. Nawet jeśli średni stosunek powietrza do paliwa jest niski, jeśli nie zostaną podjęte odpowiednie środki podczas procesu projektowania, obszary komory spalania mogą być bogate w paliwo i powodować nadmierną emisję dymu.
Komora spalania
Kluczowym celem projektowym jest zapewnienie wystarczającego wymieszania paliwa i powietrza, aby złagodzić skutki obszarów bogatych w paliwo i umożliwić silnikowi osiągnięcie docelowych osiągów i emisji. Stwierdzono, że turbulencja w ruchu powietrza w komorze spalania jest korzystna dla procesu mieszania i może być do tego wykorzystana. Wir wytworzony przez wlot może zostać wzmocniony, a tłok może tworzyćściskanie, gdy zbliża się do głowicy cylindra, aby umożliwić więcej turbulencji podczas ściskania dzięki prawidłowej konstrukcji miseczki w głowicy tłoka.
Konstrukcja komory spalania ma największy wpływ na emisję cząstek stałych. Może również wpływać na niespalone węglowodory i CO. Chociaż emisje NOx zależą od konstrukcji misy [De Risi 1999], właściwości gazów masowych odgrywają bardzo ważną rolę w ich poziomach gazów spalinowych. Jednak ze względu na kompromis NOx/PM, konstrukcje komór spalania musiały ewoluować w miarę zmniejszania się limitów emisji NOx. Jest to wymagane głównie w celu uniknięcia wzrostu emisji cząstek stałych, które w innym przypadku miałyby miejsce.
Optymalizacja
Ważnym parametrem optymalizacji systemu spalania oleju napędowego w silniku jest udział powietrza dostępnego w tym procesie. Współczynnik K (stosunek objętości miseczki tłoka do luzu) jest przybliżoną miarą proporcji powietrza dostępnego do spalania. Zmniejszenie pojemności skokowej silnika prowadzi do spadku względnego współczynnika K i tendencji do pogorszenia charakterystyki spalania. Przy danym przemieszczeniu i stałym stopniu sprężania współczynnik K można poprawić, wybierając dłuższy skok. Na wybór stosunku średnicy cylindra do silnika może mieć wpływ współczynnik K oraz szereg innych czynników, takich jak opakowanie silnika, otwory i zawory itd.
Możliwe trudności
Szczególnie poważny problem podczas konfiguracjiMaksymalny stosunek cylindra do skoku leży w bardzo złożonym opakowaniu głowicy cylindra. Jest to konieczne, aby dostosować czterozaworową konstrukcję i układ wtrysku paliwa Common Rail z wtryskiwaczem umieszczonym pośrodku. Głowice cylindrów są skomplikowane ze względu na wiele kanałów, w tym chłodzenie wodne, śruby mocujące głowicę cylindrów, otwory dolotowe i wydechowe, wtryskiwacze, świece żarowe, zawory, trzonki zaworów, wgłębienia i gniazda oraz inne kanały używane do recyrkulacji spalin w niektórych konstrukcjach.
Komory spalania w nowoczesnych silnikach wysokoprężnych z wtryskiem bezpośrednim mogą być określane jako otwarte lub wtórne komory spalania.
Otwórz kamery
Jeśli górny otwór miski w tłoku ma mniejszą średnicę niż maksimum tego samego parametru miski, nazywa się to zwrotnym. Takie miski mają „wargę”. Jeśli nie, to jest to otwarta komora spalania. W silnikach wysokoprężnych te meksykańskie konstrukcje misek kapeluszowych są znane od lat dwudziestych. Były używane do 1990 roku w ciężkich silnikach do momentu, w którym misa powrotna stała się ważniejsza niż kiedyś. Taka forma komory spalania przeznaczona jest do stosunkowo zaawansowanych czasów wtrysku, gdzie w misce znajduje się większość palących się gazów. Nie nadaje się do strategii opóźnionego wstrzykiwania.
Silnik wysokoprężny
Jest nazwany na cześć wynalazcy Rudolfa Diesela. Jest to silnik spalinowy, w którym zapłon wtryskiwanego paliwa spowodowany jest zwiększonymtemperatura powietrza w cylindrze wskutek kompresji mechanicznej. Diesel działa poprzez sprężanie tylko powietrza. Podnosi to temperaturę powietrza wewnątrz cylindra do tego stopnia, że rozpylone paliwo wtryskiwane do komory spalania zapala się samoczynnie.
Różni się to od silników o zapłonie iskrowym, takich jak benzyna lub LPG (zamiast benzyny). Używają świecy zapłonowej do zapalenia mieszanki paliwowo-powietrznej. W silnikach wysokoprężnych świece żarowe (grzałki komory spalania) mogą być używane do wspomagania rozruchu w niskich temperaturach, a także przy niskich stopniach sprężania. Oryginalny olej napędowy działa w cyklu stałego ciśnienia ze stopniowym spalaniem i nie wytwarza dźwięku.
Charakterystyka ogólna
Diesel ma najwyższą sprawność cieplną spośród wszystkich praktycznych silników spalinowych wewnętrznego i zewnętrznego spalania, ze względu na bardzo wysoki współczynnik rozszerzalności i nieodłączne spalanie ubogie, co pozwala na rozproszenie ciepła z nadmiaru powietrza. Niewielkiej utracie wydajności zapobiega się również bez bezpośredniego wtrysku, ponieważ niespalone paliwo nie jest obecne przy zamykaniu zaworu, a paliwo nie przepływa bezpośrednio z urządzenia dolotowego (wtryskiwacza) do rury wydechowej. Niskoobrotowe silniki wysokoprężne, takie jak te stosowane na statkach, mogą mieć sprawność cieplną przekraczającą 50 procent.
Diele mogą być zaprojektowane jako dwusuwowe lub czterosuwowe. Były pierwotnie używane jakoskuteczny zamiennik stacjonarnych silników parowych. Od 1910 roku są używane na okrętach podwodnych i statkach. Zastosowanie w lokomotywach, ciężarówkach, ciężkim sprzęcie i elektrowniach nastąpiło później. W latach trzydziestych ubiegłego wieku znaleźli miejsce w projektowaniu kilku samochodów.
Zalety i wady
Od lat 70. w Stanach Zjednoczonych wzrosło zastosowanie silników wysokoprężnych w większych pojazdach drogowych i terenowych. Według Brytyjskiego Stowarzyszenia Producentów i Producentów Silników średnia UE dla pojazdów z silnikiem Diesla wynosi 50% całkowitej sprzedaży (w tym 70% we Francji i 38% w Wielkiej Brytanii).
W zimne dni uruchamianie szybkoobrotowych silników wysokoprężnych może być trudne, ponieważ masa bloku i głowicy cylindrów pochłania ciepło sprężania, zapobiegając zapłonowi ze względu na wyższy stosunek powierzchni do objętości. Wcześniej jednostki te używały małych grzałek elektrycznych wewnątrz komór, zwanych świecami żarowymi.
Wyświetlenia
W wielu silnikach stosuje się grzałki oporowe w kolektorze dolotowym do podgrzewania powietrza dolotowego i do rozruchu lub do osiągnięcia temperatury roboczej. Elektryczne oporowe grzałki bloku silnika podłączone do sieci są używane w zimnym klimacie. W takich przypadkach musi być włączony przez długi czas (ponad godzinę), aby skrócić czas rozruchu i zużycie.
Grzałki blokowe są również używane do zasilania awaryjnego z generatorami diesla, które muszą szybko odłączyć zasilanie w przypadku przerwy w dostawie prądu. W przeszłości stosowano szerszą gamę metod zimnego rozruchu. Niektóre silniki, takie jak Detroit Diesel, wykorzystywały system do wprowadzania niewielkich ilości eteru do kolektora dolotowego w celu rozpoczęcia spalania. Inni stosowali system mieszany z grzałką oporową spalającą metanol. Zaimprowizowana metoda, zwłaszcza w przypadku silników niepracujących, polega na ręcznym rozpyleniu puszki aerozolu z niezbędnym płynem do strumienia powietrza dolotowego (zwykle przez zespół filtra powietrza dolotowego).
Różnice w stosunku do innych silników
Warunki diesla różnią się od warunków silnika z zapłonem iskrowym ze względu na inny cykl termodynamiczny. Ponadto moc i prędkość jego obrotów jest bezpośrednio kontrolowana przez dopływ paliwa, a nie powietrza, jak w silniku cyklicznym. Temperatura spalania oleju napędowego i benzyny również może się różnić.
Przeciętny silnik wysokoprężny ma niższy stosunek mocy do masy niż silnik benzynowy. Dzieje się tak, ponieważ silnik wysokoprężny musi pracować na niższych obrotach ze względu na strukturalne zapotrzebowanie na cięższe i mocniejsze części, aby wytrzymać ciśnienie robocze. Jest to zawsze spowodowane wysokim stopniem sprężania silnika, który zwiększa siły działające na część w wyniku sił bezwładności. Niektóre diesle są przeznaczone do użytku komercyjnego. Zostało to wielokrotnie potwierdzone w praktyce.
Silniki wysokoprężne zwyklemieć długi skok. Zasadniczo jest to konieczne, aby ułatwić osiągnięcie wymaganych stopni kompresji. W rezultacie tłok staje się cięższy. To samo można powiedzieć o prętach. Trzeba przez nie i wał korbowy przenosić więcej siły, aby zmienić pęd tłoka. To kolejny powód, dla którego silnik wysokoprężny musi być mocniejszy, aby uzyskać taką samą moc wyjściową jak silnik benzynowy.
