Horí nafta? Horí, a to dosť silno. Jeho zvyšok, ktorý sa nezúčastnil predzmiešaného spaľovania, sa spotrebuje vo fáze s premenlivou rýchlosťou spaľovania.
Spaľovanie v dieselových motoroch je veľmi náročné. Až do 90. rokov neboli jeho podrobné mechanizmy dobre pochopené. Teplota spaľovania motorovej nafty v spaľovacej komore sa tiež líšila od prípadu k prípadu. Po celé desaťročia sa zložitosť tohto procesu zdalo, že odporuje pokusom výskumníkov odhaliť jeho mnohé tajomstvá, a to aj napriek dostupnosti moderných nástrojov, ako je vysokorýchlostná fotografia používaná v „transparentných“motoroch, výpočtový výkon moderných počítačov a množstvo matematických modelov. určený na simuláciu spaľovania v nafte Aplikácia plátového laserového zobrazovania na tradičný proces spaľovania nafty v 90. rokoch minulého storočia bola kľúčom k výraznému zlepšeniu pochopenia tohto procesu.
Tento článok sa bude týkaťnajbežnejší procesný model pre klasický dieselový motor. Toto konvenčné spaľovanie motorovej nafty je primárne riadené miešaním, ku ktorému môže dôjsť v dôsledku difúzie paliva a vzduchu pred zapálením.
Teplota spaľovania
Pri akej teplote horí nafta? Ak sa predtým táto otázka zdala ťažká, teraz na ňu možno dať úplne jednoznačnú odpoveď. Teplota spaľovania motorovej nafty je asi 500-600 stupňov Celzia. Teplota musí byť dostatočne vysoká na zapálenie zmesi paliva a vzduchu. V chladných krajinách, kde prevládajú nízke teploty okolia, mali motory žeraviacu sviečku, ktorá ohrieva sací otvor, aby pomohla naštartovať motor. Preto pred naštartovaním motora vždy počkajte, kým nezhasne ikona kúrenia na prístrojovej doske. Ovplyvňuje aj teplotu spaľovania motorovej nafty. Pozrime sa, aké ďalšie nuansy sú v jeho práci.
Funkcie
Hlavným predpokladom spaľovania motorovej nafty v externe riadenom horáku je jeho jedinečný spôsob uvoľňovania chemickej energie v ňom uloženej. Aby sa tento proces mohol uskutočniť, musí mať k dispozícii kyslík, aby sa uľahčilo spaľovanie. Jedným z najdôležitejších aspektov tohto procesu je miešanie paliva a vzduchu, často označované ako predmiešanie.
Naftový spaľovací katalyzátor
V dieselových motoroch sa palivo často vstrekuje do valca motora na konci kompresného zdvihu, len niekoľko stupňov uhla kľukového hriadeľa pred hornou úvraťou. Kvapalné palivo sa zvyčajne vstrekuje vysokou rýchlosťou v jednom alebo viacerých prúdoch cez malé otvory alebo dýzy v hrote vstrekovača, rozprašuje sa na jemné kvapôčky a vstupuje do spaľovacej komory. Rozprášené palivo absorbuje teplo z okolitého ohriateho stlačeného vzduchu, odparuje sa a mieša sa s okolitým vysokoteplotným vysokotlakovým vzduchom. Keď sa piest stále približuje k hornej úvrati (TDC), teplota zmesi (väčšinou vzduchu) dosiahne teplotu vznietenia. Teplota spaľovania motorovej nafty Webasto sa nelíši od teploty iných druhov nafty a dosahuje približne 500 – 600 stupňov.
Po určitom čase oneskorenia vznietenia dôjde k rýchlemu vznieteniu niektorých vopred zmiešaných palív a vzduchu. Toto rýchle zapálenie sa považuje za začiatok spaľovania a je charakterizované prudkým zvýšením tlaku vo valci, keď sa spotrebúva zmes vzduchu a paliva. Zvýšený tlak vyplývajúci z predzmiešaného spaľovania stláča a ohrieva nespálenú časť náplne a skracuje oneskorenie pred jej zapálením. Zvyšuje tiež rýchlosť odparovania zvyšného paliva. Jeho striekanie, odparovanie, miešanie so vzduchom pokračuje, až kým to všetko nespáli. Teplota spaľovania petroleja a motorovej nafty môže byť v tomto ohľade podobná.
Charakteristika
Najprv sa vysporiadajme so zápisom: potom A je vzduch (kyslík), F je palivo. Spaľovanie nafty sa vyznačuje nízkym celkovým pomerom A/F. Najnižší priemer A/F sa často pozoruje pri podmienkach špičkového krútiaceho momentu. Aby sa predišlo nadmernej tvorbe dymu, špičkový krútiaci moment A/F sa zvyčajne udržiava nad 25:1, čo je výrazne nad stechiometrickým (chemicky správnym) pomerom ekvivalencie približne 14,4:1. To platí aj pre všetky aktivátory vznetového spaľovania.
V dieselových motoroch s turbodúchadlom môže pomer A/F pri voľnobehu presiahnuť 160:1. V dôsledku toho sa prebytočný vzduch prítomný vo valci po spálení paliva naďalej mieša s horiacimi a už vyčerpanými plynmi. Keď sa výfukový ventil otvorí, prebytočný vzduch sa vypustí spolu s produktmi spaľovania, čo vysvetľuje oxidačnú povahu výfukových plynov nafty.
Kedy horí nafta? Tento proces nastáva potom, čo sa odparené palivo zmieša so vzduchom za vzniku lokálne bohatej zmesi. Aj v tomto štádiu sa dosiahne správna teplota spaľovania motorovej nafty. Celkový pomer A/F je však malý. Inými slovami, možno povedať, že väčšina vzduchu vstupujúceho do valca naftového motora je stlačená a ohriata, no nikdy sa nezúčastňuje spaľovacieho procesu. Kyslík v prebytočnom vzduchu pomáha oxidovať plynné uhľovodíky a oxid uhoľnatý, čím ich znižuje na extrémne nízke koncentrácie vo výfukových plynoch. Tento proces je oveľa dôležitejší ako teplota spaľovania motorovej nafty.
Factors
Nasledovné faktory hrajú hlavnú úlohu v procese spaľovania nafty:
- Indukovaný náboj vzduchu, jeho teplota a jeho kinetická energia v niekoľkých dimenziách.
- Atomizácia vstrekovaného paliva, prienik rozstreku, teplota a chemické vlastnosti.
Hoci sú tieto dva faktory najdôležitejšie, existujú aj iné parametre, ktoré môžu výrazne ovplyvniť výkon motora. V procese spaľovania zohrávajú sekundárnu, ale dôležitú úlohu. Napríklad:
- Konštrukcia prívodu. Má silný vplyv na pohyb plniaceho vzduchu (najmä v momente, keď vstupuje do valca) a na rýchlosť miešania v spaľovacej komore. To môže zmeniť teplotu spaľovania nafty v kotle.
- Konštrukcia sacieho otvoru môže tiež ovplyvniť teplotu plniaceho vzduchu. To sa dá dosiahnuť prenosom tepla z vodného plášťa cez povrchovú plochu prívodu.
- Veľkosť sacieho ventilu. Riadi celkovú hmotnosť vzduchu vpusteného do valca za konečný čas.
- Kompresný pomer. Ovplyvňuje odparovanie, rýchlosť miešania a kvalitu spaľovania bez ohľadu na teplotu spaľovania motorovej nafty v kotle.
- Vstrekovací tlak. Riadi trvanie vstrekovania pre daný parameter otvorenia trysky.
- Geometria atomizácie, ktorá priamo ovplyvňuje kvalitu a teplotu spaľovania nafty a benzínu preúčet používania vzduchu. Napríklad väčší uhol rozprašovacieho kužeľa môže umiestniť palivo na hornú časť piesta a mimo spaľovacej nádrže v DI dieselových motoroch s otvorenou komorou. Tento stav môže viesť k nadmernému „fajčeniu“, pretože palivu je zakázaný prístup k vzduchu. Široké uhly kužeľa môžu tiež spôsobiť rozstrekovanie paliva na steny valca, a nie do spaľovacej komory, kde je to potrebné. Nastriekaný na stenu valca sa nakoniec posunie dole do olejovej vane, čím sa skráti životnosť mazacieho oleja. Pretože uhol striekania je jednou z premenných, ktorá ovplyvňuje rýchlosť miešania vzduchu v prúde paliva v blízkosti výstupu vstrekovača, môže mať významný vplyv na celkový proces spaľovania.
- Konfigurácia ventilu, ktorá riadi polohu vstrekovača. Dvojventilové systémy vytvárajú naklonenú polohu vstrekovača, čo znamená nerovnomerné striekanie. To vedie k narušeniu miešania paliva a vzduchu. Na druhej strane štvorventilový dizajn umožňuje vertikálnu montáž vstrekovača, symetrické rozprašovanie paliva a rovnaký prístup k dostupnému vzduchu pre každý atomizér.
- Poloha horného piestneho krúžku. Riadi mŕtvy priestor medzi hornou časťou piestu a vložkou valca. Tento mŕtvy priestor zachytáva vzduch, ktorý sa stláča a expanduje bez toho, aby sa podieľal na spaľovacom procese. Preto je dôležité pochopiť, že systém dieselového motora nie je obmedzený na spaľovaciu komoru, vstrekovacie dýzy aich bezprostredné okolie. Spaľovanie zahŕňa akúkoľvek časť alebo komponent, ktorý môže ovplyvniť konečný výsledok procesu. Preto by nikto nemal mať pochybnosti o tom, či motorová nafta horí.
Ďalšie podrobnosti
Je známe, že spaľovanie nafty je veľmi chudobné s pomerom A/F:
- 25:1 pri maximálnom krútiacom momente.
- 30:1 pri menovitej rýchlosti a maximálnom výkone.
- Viac ako 150:1 pri voľnobehu pre motory s turbodúchadlom.
Tento dodatočný vzduch však nie je zahrnutý v procese spaľovania. Pomerne veľa sa zahrieva a vyčerpáva, v dôsledku čoho dochádza k chudobe výfuku nafty. Aj keď je priemerný pomer vzduchu a paliva nízky, ak sa počas procesu navrhovania neprijmú vhodné opatrenia, oblasti spaľovacej komory môžu byť bohaté na palivo a viesť k nadmerným emisiám dymu.
Spaľovacia komora
Kľúčovým konštrukčným cieľom je zabezpečiť dostatočné premiešanie paliva a vzduchu, aby sa zmiernili účinky oblastí bohatých na palivo a umožnilo sa motoru dosiahnuť výkonnostné a emisné ciele. Zistilo sa, že turbulencia v pohybe vzduchu v spaľovacej komore je prospešná pre proces miešania a môže sa použiť na dosiahnutie tohto cieľa. Vír vytvorený vstupom môže byť zosilnený a piest môže vytváraťstláčanie, keď sa približuje k hlave valca, aby sa umožnila väčšia turbulencia počas stláčania vďaka správnej konštrukcii misky v hlave piestu.
Konštrukcia spaľovacej komory má najvýznamnejší vplyv na emisie častíc. Môže tiež ovplyvniť nespálené uhľovodíky a CO. Hoci emisie NOx závisia od konštrukcie nádoby [De Risi 1999], vlastnosti veľkého množstva plynu zohrávajú veľmi dôležitú úlohu pri hladinách výfukových plynov. V dôsledku kompromisu medzi NOx/PM sa však konštrukcie spaľovacích zariadení museli vyvíjať so znížením emisných limitov NOx. Vyžaduje sa to hlavne preto, aby sa zabránilo zvýšeniu emisií PM, ku ktorému by inak došlo.
Optimalizácia
Dôležitým parametrom pre optimalizáciu spaľovacieho systému nafty v motore je podiel dostupného vzduchu zapojeného do tohto procesu. Faktor K (pomer objemu misky piesta k vôli) je približnou mierou podielu vzduchu dostupného na spaľovanie. Zmenšovanie zdvihového objemu motora vedie k zníženiu relatívneho koeficientu K a k tendencii zhoršovať charakteristiky spaľovania. Pri danom zdvihovom objeme a pri konštantnom kompresnom pomere možno K faktor zlepšiť voľbou dlhšieho zdvihu. Výber pomeru vŕtania valca k motoru môže byť ovplyvnený faktorom K a množstvom ďalších faktorov, ako je balenie motora, vŕtanie a ventily atď.
Možné ťažkosti
Obzvlášť závažný problém pri nastavovaníMaximálny pomer valca k zdvihu spočíva vo veľmi zložitom balení hlavy valcov. To je potrebné na prispôsobenie štvorventilovej konštrukcii a systému vstrekovania paliva common-rail so vstrekovačom umiestneným v strede. Hlavy valcov sú zložité kvôli množstvu kanálov, vrátane vodného chladenia, upevňovacích skrutiek hlavy valcov, sacích a výfukových otvorov, vstrekovačov, žeraviacich sviečok, ventilov, driekov ventilov, vybraní a sediel a iných kanálov používaných na recirkuláciu výfukových plynov v niektorých konštrukciách.
Spaľovacie komory v moderných dieselových motoroch s priamym vstrekovaním možno označovať ako otvorené alebo sekundárne spaľovacie komory.
Otvorené kamery
Ak má horný otvor misky v pieste menší priemer ako je maximum rovnakého parametra misky, potom sa nazýva vratná. Takéto misky majú "pysk". Ak nie, potom ide o otvorenú spaľovaciu komoru. V dieselových motoroch sú tieto dizajny mexickej klobúkovej misy známe už od 20. rokov minulého storočia. Používali sa až do roku 1990 v ťažkých motoroch až do bodu, kedy sa vratná nádoba stala dôležitejšou, než bývala. Táto forma spaľovacej komory je navrhnutá pre relatívne pokročilé časy vstrekovania, kde misa obsahuje väčšinu horiacich plynov. Nie je vhodný pre stratégie oneskoreného vstrekovania.
Dieselový motor
Je pomenovaný po vynálezcovi Rudolfovi Dieselovi. Ide o spaľovací motor, v ktorom je vznietenie vstrekovaného paliva spôsobené zvteplota vzduchu vo valci v dôsledku mechanického stlačenia. Diesel funguje tak, že stláča iba vzduch. To zvýši teplotu vzduchu vo valci do takej miery, že rozprášené palivo vstreknuté do spaľovacej komory sa samovoľne zapáli.
To sa líši od zážihových motorov, ako je benzín alebo LPG (používajúce skôr plynné palivo ako benzín). Na zapálenie zmesi vzduchu a paliva používajú zapaľovaciu sviečku. V dieselových motoroch je možné použiť žeraviace sviečky (ohrievače spaľovacej komory) na pomoc pri štartovaní v chladnom počasí a tiež pri nízkych kompresných pomeroch. Pôvodný diesel pracuje na konštantnom tlakovom cykle postupného spaľovania a neprodukuje sonický tresk.
Všeobecné charakteristiky
Nafta má najvyššiu tepelnú účinnosť zo všetkých praktických motorov s vnútorným a vonkajším spaľovaním vďaka veľmi vysokému expanznému pomeru a prirodzenému spaľovaniu chudobnej zmesi, čo umožňuje prebytočnému vzduchu odvádzať teplo. Bez priameho vstrekovania sa tiež zabráni malej strate účinnosti, pretože pri zatváraní ventilu nie je prítomné nespálené palivo a palivo netečie priamo zo sacieho (vstrekovacieho) zariadenia do výfukového potrubia. Nízkorýchlostné dieselové motory, ako sú tie, ktoré sa používajú na lodiach, môžu mať tepelnú účinnosť presahujúcu 50 percent.
Naftové motory môžu byť navrhnuté ako dvojtaktné alebo štvortaktné. Pôvodne sa používali akoefektívna náhrada za stacionárne parné stroje. Od roku 1910 sa používali na ponorkách a lodiach. Neskôr nasledovalo použitie v lokomotívach, nákladných autách, ťažkej technike a elektrárňach. V tridsiatych rokoch minulého storočia našli miesto v dizajne niekoľkých áut.
Výhody a nevýhody
Od 70. rokov minulého storočia sa v USA zvýšilo používanie dieselových motorov vo väčších cestných a terénnych vozidlách. Podľa British Society of Motor Manufacturers and Manufacturers je priemer EÚ pre dieselové vozidlá 50 % celkového predaja (medzi nimi 70 % vo Francúzsku a 38 % v Spojenom kráľovstve).
V chladnom počasí môže byť štartovanie vysokootáčkových dieselových motorov náročné, pretože hmotnosť bloku a hlavy valcov pohlcuje kompresné teplo, čím zabraňuje vznieteniu v dôsledku vyššieho pomeru povrchu k objemu. Predtým tieto jednotky používali malé elektrické ohrievače vo vnútri komôr nazývaných žeraviace sviečky.
Zobrazenia
Mnoho motorov používa odporové ohrievače v sacom potrubí na ohrev nasávaného vzduchu a na spustenie alebo do dosiahnutia prevádzkovej teploty. Elektrické odporové ohrievače bloku motora pripojené k elektrickej sieti sa používajú v chladnom podnebí. V takýchto prípadoch je potrebné ho zapnúť na dlhší čas (viac ako hodinu), aby sa skrátil čas spustenia a opotrebovanie.
Blokové ohrievače sa používajú aj na núdzové napájanie dieselových generátorov, ktoré potrebujú v prípade výpadku prúdu rýchlo vybiť energiu. V minulosti sa používala širšia paleta metód studeného štartu. Niektoré motory, ako napríklad Detroit Diesel, používali systém na privádzanie malého množstva éteru do sacieho potrubia na spustenie spaľovania. Iní použili zmiešaný systém s odporovým ohrievačom spaľujúcim metanol. Improvizovaná metóda, najmä na nebežiacich motoroch, je ručné nastriekanie aerosólovej nádoby s esenciálnou kvapalinou do prúdu nasávaného vzduchu (zvyčajne cez zostavu filtra nasávaného vzduchu).
Odlišnosti od iných motorov
Podmienky naftového motora sa líšia od zážihového motora v dôsledku odlišného termodynamického cyklu. Okrem toho je výkon a rýchlosť jeho otáčania priamo riadená prívodom paliva, a nie vzduchu, ako v cyklickom motore. Teplota spaľovania nafty a benzínu sa tiež môže líšiť.
Priemerný naftový motor má nižší pomer výkonu a hmotnosti ako benzínový motor. Diesel totiž musí bežať pri nižších otáčkach kvôli konštrukčnej potrebe ťažších a pevnejších dielov, aby vydržali prevádzkový tlak. Je to vždy spôsobené vysokým kompresným pomerom motora, ktorý zvyšuje sily na diel zotrvačnými silami. Niektoré diesely sú na komerčné použitie. Toto sa v praxi opakovane potvrdilo.
Obvykle dieselové motorymať dlhý zdvih. V zásade je to potrebné na uľahčenie dosiahnutia požadovaných kompresných pomerov. V dôsledku toho sa piest stáva ťažším. To isté možno povedať o prútoch. Cez ne a kľukový hriadeľ sa musí preniesť väčšia sila, aby sa zmenila hybnosť piestu. To je ďalší dôvod, prečo musí byť dieselový motor silnejší, aby mal rovnaký výkon ako benzínový motor.
