Горить дизельне паливо? Горить, причому досить сильно. Його залишок, який не брав участь в попередньо змішаному згорянні, витрачається в фазі згоряння з регульованою швидкістю.
Спалювання в дизельних двигунах дуже складно. До 90-х років минулого століття його детальні механізми не були добре зрозумілі. Температура горіння дизельного палива в камері згорання також варіювалася від випадку до випадку. Протягом десятиліть складність даного процесу, здавалося, не піддалася спроб дослідників розкрити його численні секрети, незважаючи на наявність сучасних інструментів, таких як високошвидкісна фотографія, використовувана в «прозорих» двигунах, обчислювальна потужність сучасних комп’ютерів і безліч математичних моделей, призначених для імітації згоряння в дизелі. Застосування лазерної візуалізації листа до традиційного процесу спалювання дизельного палива в 90-х роках минулого століття стало ключем до значного поглиблення розуміння цього процесу.
У цій статті буде розглянуто найбільш усталена модель процесу для класичного дизельного двигуна. Це звичайне згоряння дизельного палива, в першу чергу, контролюється змішуванням, що може відбуватися із-за дифузії пального і повітря перед запалюванням.
Температура горіння
При якій температурі горить дизельне паливо? Якщо раніше це питання здавався складним, то зараз на нього можна дати цілком однозначну відповідь. Температура горіння дизельного палива – близько 500-600 градусів за Цельсієм. Температура повинна бути досить високою, щоб запалити суміш горючого і повітря. У холодних країнах, де переважає низька температура навколишнього середовища, у двигунів була свічка розжарювання, яка зігріває впускний канал, щоб допомогти запустити двигун. Ось чому необхідно завжди почекати, поки значок обігрівача не згасне на приладовій панелі, перш ніж запустити двигун. Це також впливає на температуру горіння дизпалива. Розглянемо, які ще є нюанси в його роботі.
Особливості
Основною передумовою горіння дизельного палива в пальнику, температура якої регулюється ззовні, є його унікальний спосіб вивільнення хімічної енергії, запасеної в ньому. Щоб виконати цей процес, кисень повинен бути доступним для нього, щоб полегшити загоряння. Одним з найбільш важливих аспектів цього процесу є змішування горючого і повітря, яке часто називають приготуванням суміші.
Каталізатор горіння дизельного палива
У дизельних двигунах пальне часто впорскується в циліндр двигуна в кінці такту стиснення, всього за кілька градусів кута повороту колінчастого вала до верхньої мертвої точки. Рідке паливо зазвичай впорскується з високою швидкістю у вигляді однієї або декількох струменів через невеликі отвори або сопла в наконечнику інжектора, розпилюється на дрібні крапельки і проникає в камеру згоряння. Розпорошену пальне поглинає тепло від навколишнього нагрітого стисненого повітря, випаровується і змішується з навколишнім високотемпературним повітрям високого тиску. Оскільки поршень продовжує рухатися ближче до верхньої мертвої точки (ВМТ), температура суміші (в основному повітря) досягає температури займання. Температура горіння дизпалива “Вебасто” нічим не відрізняється від аналогічної температури інших сортів дизеля, досягаючи близько 500-600 градусів.
Швидке займання деякого попередньо змішаного пального і повітря відбувається після періоду затримки запалювання. Таке швидке займання вважається початком згоряння і характеризується різким збільшенням тиску в циліндрі в міру витрачання паливоповітряної суміші. Підвищений тиск, який виникає в результаті попередньо змішаного згоряння, стискає і нагріває несгоревшую частина заряду і скорочує затримку перед його спалюванням. Це також збільшує швидкість випаровування залишився пального. Його розпилювання, випаровування, змішування з повітрям тривають до тих пір, поки воно не згорить. Температура горіння гасу і дизпалива в цьому відношенні може бути схожою.
Характеристика
Спершу розберемося з позначеннями: A – це повітря (кисень), F – паливо. Дизельне згоряння характеризується низьким загальним ставленням A / F. Найменше середнє значення A / F часто спостерігається в умовах пікового моменту. Щоб уникнути надмірного утворення диму, A / F при піковому моменті зазвичай підтримується вище 25:1, що значно вище стехіометричного (хімічно правильного) відношення еквівалентності близько 14,4:1. Це також стосується всіх активаторів горіння дизпалива.
У дизельних двигунах з турбонаддувом відношення A / F на холостому ходу може перевищувати 160:1. Отже, надмірна повітря, присутній в циліндрі після згоряння палива, продовжує змішуватися з палаючими і вже відпрацьованими газами. При відкриванні випускного клапана надлишок повітря разом із продуктами згоряння виснажується, що пояснює окислювальний характер вихлопу дизеля.
Коли горить дизпаливо? Цей процес відбувається після того, як испаренное пальне змішується з повітрям, утворює локально багату суміш. Також на цьому етапі досягається належна температура горіння дизельного палива. Однак загальне відношення A / F невелика. Іншими словами можна сказати, що більша частина повітря, впускаемого в циліндр дизельного двигуна, стискається і нагрівається, але ніколи не бере участь в процесі згоряння. Кисень в надлишку повітря допомагає окислювати газоподібні вуглеводні і окис вуглецю, знижуючи їх до вкрай малих концентрацій у вихлопних газах. Цей процес набагато більш важливий, ніж температура горіння дизельного палива.
Фактори
У процесі згоряння дизеля основну роль грають наступні фактори:
- Індукований заряд повітря, його температура і його кінетична енергія в кількох вимірах.
- Распыляемость уприскуваного палива, проникнення бризок, температура і хімічні характеристики.
Хоча ці два чинники є найбільш важливими, існують інші параметри, які можуть істотно вплинути на роботу двигуна. Вони відіграють вторинну, але важливу роль в процесі згоряння. Наприклад:
- Конструкція впускного каналу. Вона надає сильний вплив на рух наддувочного повітря (особливо в той момент, коли він входить у циліндр) і на швидкість перемішування в камері згоряння. Від цього може змінюватись температура горіння дизельного палива в котлі.
- Конструкція впускного отвору також може впливати на температуру наддувочного повітря. Це може бути досягнуто шляхом передачі тепла від водяної сорочки через площу поверхні впускного отвору.
- Розмір впускного клапана. Контролює загальну масу повітря, впускаемого в циліндр за кінцевий час.
- Ступінь стиснення. Вона впливає на випаровування, швидкість перемішування і якість згоряння, незалежно від температури горіння дизельного палива в котлі.
- Тиск уприскування. Воно контролює тривалість вприскування для заданого параметра отвору сопла.
- Геометрія розпилення, яка безпосередньо впливає на якість і температуру горіння дизельного палива та бензину за рахунок використання повітря. Наприклад, більший кут конуса розбризкування може помістити пальне зверху поршня і зовні бака згоряння в дизельних двигунах DI з відкритою камерою. Ця умова може призвести до надмірного “паління”, так як пальне позбавляється доступу до повітря. Широкі кути конуса можуть також призвести до розбризкування палива на стінках циліндра, а не всередині камери згоряння, де це потрібно. Розпорошену на стінку циліндра, воно в кінцевому підсумку буде переміщено вниз в масляний піддон, що скоротить термін служби мастила. Оскільки кут розбризкування є однією із змінних, що впливають на швидкість перемішування повітря в паливній струмені поблизу вихідного отвору інжектора, він може зробити істотний вплив на загальний процес згоряння.
- Конфігурація клапана, яка контролює стан інжектора. Двухклапанные системи створюють похиле положення інжектора, що передбачає нерівномірне розпилення. Це призводить до порушення змішування палива і повітря. З іншого боку, конструкції з чотирма клапанами допускають вертикальну установку інжектора, симетричне розташування розпилення палива і рівний доступ до доступного повітрю для кожного з розпилювачів.
- Положення верхнього поршневого кільця. Воно контролює мертве простір між верхнім майданчиком поршнем і гільзою циліндра. Це мертве простір затримує повітря, що стискається й розширюється, навіть не беручи участі в процесі згоряння. Тому важливо розуміти, що система роботи дизельного двигуна не обмежується камерою згоряння, розпилювачі форсунок і їхнім безпосереднім оточенням. Згоряння включає в себе будь-яку частину або компонент, які можуть вплинути на кінцевий результат процесу. Тому ні у кого не повинно бути сумнівів з приводу того, чи горить дизельне паливо.
Інші нюанси
Відомо, що згоряння дизеля є дуже збідненим з відношенням A / F:
- 25:1 при піковому крутному моменті.
- 30:1 при номінальній швидкості і максимальної потужності.
- Більше 150: 1 на холостому ходу для двигунів з турбонаддувом.
Однак цей додатковий повітря не входить в процес згоряння. Він досить сильно нагрівається і виснажується, в результаті чого вихлоп дизеля стає бідним. Навіть враховуючи те, що середня повітряно-паливна ставлення є бідним, якщо в процесі проектування не будуть вжиті належні заходи, області камери згоряння можуть бути багаті пальним і призводити до надмірних викидів диму.
Камера згоряння
Ключова мета при її проектуванні полягає в тому, щоб забезпечити достатню змішування палива і повітря для пом’якшення впливу областей, багатих пальним, і дозволити двигуну досягти своїх показників продуктивності і викидів. Виявлено, що турбулентність в русі повітря всередині камери згоряння корисна для процесу перемішування і може бути використана для досягнення цієї мети. Вихор, створюваний впускним отвором, може посилюватися, а поршень може створювати здавлювання, коли він наближається до головці циліндра, щоб забезпечити більше турбулентності під час акту стиснення завдяки правильній конструкції чаші в голівці поршня.
Конструкція камери згоряння надає найбільш значний вплив на викиди твердих частинок. Вона також може впливати на незгорілі вуглеводні і СО. Хоча викиди NOx залежать від конструкції чаші [De Risi 1999], властивості об’ємного газу грають дуже важливу роль в рівнях їх вихлопних газів. Однак за компромісу з NOx / PM конструкції камер згоряння повинні були розвиватися по мірі зменшення меж викидів NOx. В основному це потрібно, щоб уникнути збільшення викидів PM, які в іншому випадку могли б виникнути.
Оптимізація
Важливим параметром для оптимізації системи згорання дизельного палива в двигуні є частка доступного повітря, що бере участь у цьому процесі. Коефіцієнт (відношення обсягу поршневий чаші до зазору) є приблизною мірою частки повітря, необхідного для згоряння. Зменшення робочого об’єму двигуна призводить до зменшення відносного коефіцієнта До і тенденції до погіршення характеристик згоряння. Для цього зміщення і при постійній ступеня стиснення коефіцієнт K можна поліпшити, вибравши більш довгий хід. На підбір співвідношення діаметра циліндра двигуна може вплинути фактор K і ряд інших факторів, таких як упаковка двигуна, отвори і клапани і так далі.
Можливі труднощі
Особливо суттєва проблема при налаштуванні максимального відносини циліндра до робочого ходу полягає в дуже складній упаковці головки блоку циліндрів. Це необхідно для розміщення конструкції з чотирма клапанами і системи вприскування палива Common-Rail з інжектором, розташованим в центрі. Головки циліндрів мають складну конструкцію з-за безлічі каналів, включаючи водяне охолодження, утримують болти головки циліндрів, впускні і випускні отвори, інжектори, свічки розжарювання, клапани, їх стрижні, поглиблення і сідла, а також інші канали, що використовуються для рециркуляції вихлопних газів в деяких конструкціях.
Камери згоряння в сучасних дизельних двигунах з прямим уприскуванням можуть називатись відкритими або повторними.
Відкриті камери
Якщо верхнє отвір чаші в поршні має менший діаметр, ніж максимальний цей же параметр чаші, то її називають поворотною. Такі чаші мають «губу». Якщо її немає, то це відкрита камера згорання. У дизельних двигунах дані конструкції з чашею типу «мексиканський капелюх» відомі з 20-х років минулого століття. Вони використовувалися до 1990 року в двигунах великої вантажопідйомності до того моменту, коли поворотна чаша стала більш важливою, ніж була раніше. Ця форма камери згоряння призначена для відносно просунутих значень часу уприскування, де чаша містить більшу частину гарячих газів. Вона не дуже підходить для стратегій уповільненої уприскування.
Дизельний двигун
Він названий на честь винахідника Рудольфа Дизеля. Є двигуном внутрішнього згоряння, в якому займання уприскуваного палива викликається підвищеною температурою повітря в циліндрі через механічного стиснення. Дизель працює, стискаючи тільки повітря. Це підвищує температуру повітря всередині циліндра до такої міри, що палива, впорскують в камеру згоряння, що самозагорається.
Це відрізняється від двигунів з іскровим запалюванням, таких як бензиновий або газовий (використовує газоподібне пальне, а не бензин). У них використовують свічку запалювання для займання паливоповітряної суміші. У дизельних двигунах свічки розжарювання (підігрівачі камери згоряння) можуть застосовуватися для полегшення запуску в холодну погоду, а також при низькому ступені стиснення. Оригінальний дизель працює по циклу постійного тиску поступового згоряння і не виробляє звукового удару.
Загальна характеристика
Дизель має самий високий тепловий ККД серед всіх практичних двигунів внутрішнього і зовнішнього згоряння завдяки дуже високій мірі розширення і притаманного збідненої горіння, що дозволяє розсіювати тепло надлишковим повітрям. Невелика втрата ефективності також запобігає без безпосереднього вприскування, оскільки незгоріле пальне не присутній при перекритті клапана, а паливо не надходить безпосередньо з впускного (впорскує) пристрою у вихлопну трубу. Низькошвидкісні дизельні двигуни, які використовуються, наприклад, на суднах, можуть мати тепловий ККД, що перевищує 50 відсотків.
Дизелі можуть бути сконструйовані як двотактні, так і чотиритактні. Спочатку вони використовувалися як більш ефективної заміни для стаціонарних парових двигунів. З 1910 року вони застосовувалися на підводних човнах і кораблях. Використання в локомотивах, вантажівках, важкому обладнанні і електростанціях було пізніше. У тридцятих роках минулого століття вони знайшли місце в конструкції декількох автомобілів.
Переваги і недоліки
З 70-х років минулого століття використання дизельних двигунів в більш великих дорожніх і позашляхових транспортних засобах у США зросла. Згідно з даними Британського товариства виробників і виробників автомобілів, середній показник по ЄС для дизельних авто становить 50 % від загального обсягу продажів (серед них 70 % – у Франції і 38 % – у Великобританії).
У холодну погоду запуск високошвидкісних дизельних двигунів може бути утруднений, оскільки маса блоку та головки циліндрів поглинає тепло стиснення, запобігаючи займання з-за більш високого відношення поверхні до об’єму. Попередньо такі агрегати використовують невеликі електричні нагрівачі всередині камер, званих свічками розжарювання.
Види
Багато двигуни використовують резистивні нагрівачі у впускному колекторі для нагріву вхідного повітря і для запуску або до тих пір, поки не буде досягнута робоча температура. Електричні резистивні нагрівачі блоку двигуна, підключені до електромережі, використовуються в холодних кліматичних умовах. У таких випадках його потрібно включати на тривалий час (більше години), щоб зменшити час запуску і знос.
Блокові нагрівачі також застосовуються для аварійних джерел живлення з дизельними генераторами, які повинні швидко знімати навантаження при збої в роботі. У минулому використовувалося більш широке різноманітність методів холодного запуску. Деякі двигуни, наприклад Detroit Diesel, використовували систему для введення невеликих кількостей ефіру у впускний колектор, щоб почати згоряння. Інші використовували змішану систему з резистивним нагрівачем, використовують метанол. Імпровізований метод, особливо на непрацюючих двигунах, полягає в тому, щоб вручну розпорошувати аерозольний балончик з ефірної рідиною в потік всмоктуваного повітря (зазвичай через вузол фільтра всмоктуваного повітря).
Відмінності від інших двигунів
Умови в дизелі відрізняються від двигуна з іскровим запалюванням з-за різного термодинамічного циклу. Крім того, потужність і частота його обертання безпосередньо контролюються подачею пального, а не повітря, як в двигуні з циклічним циклом. Температура горіння дизельного палива і бензину також може різнитися.
Середній дизельний двигун має більш низьке відношення потужності до ваги, ніж бензиновий. Це пов’язано з тим, що дизель повинен працювати на більш низьких оборотах з-за конструкційної необхідності в більш важких і міцних деталях, щоб протистояти робочому тиску. Воно завжди викликається високим ступенем стиснення двигуна, яка збільшує зусилля на деталі з-за сил інерції. Деякі дизелі призначені для комерційного використання. Це багаторазово підтверджено на практиці.
Дизельні двигуни зазвичай мають велику довжину ходу. В основному це потрібно для полегшення досягнення необхідних ступенів стиснення. В результаті поршень стає важче. Те ж можна сказати і про шатунах. Через них і колінчастий вал необхідно передавати більше зусиль для зміни імпульсу поршня. Це ще одна причина, по якій дизельний двигун повинен бути сильніше за тієї ж вихідної потужності, що і бензиновий.
