El gasoil crema? Crema, i amb força. El seu residu que no va participar en la combustió premesclada es consumeix en la fase de combustió de velocitat variable.
La combustió en motors dièsel és molt difícil. Fins a la dècada de 1990, els seus mecanismes detallats no s'entenien bé. La temperatura de combustió del gasoil a la cambra de combustió també variava d'un cas a un altre. Durant dècades, la complexitat d'aquest procés semblava desafiar els intents dels investigadors de desvelar els seus molts secrets, malgrat la disponibilitat d'eines modernes com la fotografia d' alta velocitat utilitzada en motors "transparents", la potència de processament dels ordinadors moderns i molts models matemàtics. dissenyat per simular la combustió en dièsel L'aplicació d'imatges làser de làmines al procés tradicional de combustió del dièsel a la dècada de 1990 va ser la clau per millorar considerablement la comprensió d'aquest procés..
Aquest article tractaràel model de procés més establert per a un motor dièsel clàssic. Aquesta combustió convencional de gasoil es controla principalment mitjançant la barreja, que es pot produir a causa de la difusió de combustible i aire abans de l'encesa.
Temperatura de combustió
A quina temperatura crema el gasoil? Si abans aquesta pregunta semblava difícil, ara es pot donar una resposta completament inequívoca. La temperatura de combustió del gasoil és d'uns 500-600 graus centígrads. La temperatura ha de ser prou alta com per encendre la barreja de combustible i aire. Als països freds on predominen les temperatures ambientals baixes, els motors tenien una bugia incandescente que escalfa el port d'admissió per ajudar a engegar el motor. És per això que sempre hauríeu d'esperar fins que s'apagui la icona de l'escalfador del quadre de comandament abans d'engegar el motor. També afecta la temperatura de combustió del gasoil. Considerem quins altres matisos hi ha a la seva obra.
Característiques
El principal requisit previ per cremar gasoil en un cremador controlat externament és la seva manera única d'alliberar l'energia química emmagatzemada en ell. Per dur a terme aquest procés cal disposar d'oxigen per tal de facilitar la combustió. Un dels aspectes més importants d'aquest procés és la barreja de combustible i aire, sovint anomenada premescla.
Catalitzador de combustió dièsel
En els motors dièsel, sovint s'injecta combustible al cilindre del motor al final de la carrera de compressió, només uns quants graus d'angle del cigonyal abans del punt mort superior. El combustible líquid normalment s'injecta a gran velocitat en un o més dolls a través de petits forats o broquets a la punta de l'injector, atomitzat en gotes fines i entra a la cambra de combustió. El combustible atomitzat absorbeix la calor de l'aire comprimit escalfat circumdant, s'evapora i es barreja amb l'aire d' alta pressió d' alta temperatura circumdant. A mesura que el pistó continua apropant-se al punt mort superior (PMS), la temperatura de la mescla (principalment aire) arriba a la seva temperatura d'ignició. La temperatura de combustió del combustible dièsel Webasto no és diferent de la d' altres graus dièsel, arribant a uns 500-600 graus.
L'encesa ràpida d'una mica de combustible i aire premesclat es produeix després d'un període de retard en l'encesa. Aquesta ràpida ignició es considera l'inici de la combustió i es caracteritza per un fort augment de la pressió del cilindre a mesura que es consumeix la mescla aire-combustible. L'augment de la pressió resultant de la combustió premesclada comprimeix i escalfa la part no cremada de la càrrega i escurça el retard abans que s'encengui. També augmenta la velocitat d'evaporació del combustible restant. La seva polvorització, evaporació, mescla amb aire continua fins que es crema tot. La temperatura de combustió del querosè i del gasoil en aquest sentit pot ser similar.
Característica
Primer, tractem la notació: aleshores A és aire (oxigen), F és combustible. La combustió del dièsel es caracteritza per una relació A/F global baixa. La mitjana A/F més baixa s'observa sovint en condicions de parell màxim. Per evitar una generació excessiva de fum, el parell màxim A/F es manté normalment per sobre de 25:1, molt per sobre de la relació d'equivalència estequiomètrica (químicament correcta) d'uns 14,4:1. Això també s'aplica a tots els activadors de combustió dièsel.
En els motors dièsel turboalimentats, la relació A/F al ralentí pot superar els 160:1. En conseqüència, l'excés d'aire present al cilindre després de la combustió del combustible continua barrejant-se amb els gasos en combustió i ja esgotats. Quan s'obre la vàlvula d'escapament, l'excés d'aire s'escapa juntament amb els productes de la combustió, la qual cosa explica la naturalesa oxidativa de l'escapament del dièsel.
Quan crema el gasoil? Aquest procés es produeix després que el combustible vaporitzat es barregi amb l'aire per formar una mescla rica localment. També en aquesta etapa s'arriba a la temperatura de combustió adequada del gasoil. Tanmateix, la relació A/F global és petita. En altres paraules, es pot dir que la major part de l'aire que entra al cilindre d'un motor dièsel es comprimeix i s'escalfa, però mai participa en el procés de combustió. L'oxigen de l'excés d'aire ajuda a oxidar els hidrocarburs gasosos i el monòxid de carboni, reduint-los a concentracions extremadament baixes en els gasos d'escapament. Aquest procés és molt més important que la temperatura de combustió del gasoil.
Factors
Els factors següents tenen un paper important en el procés de combustió del dièsel:
- La càrrega induïda de l'aire, la seva temperatura i la seva energia cinètica en diverses dimensions.
- Atomització del combustible injectat, penetració d'esquitxades, temperatura i característiques químiques.
Tot i que aquests dos factors són els més importants, hi ha altres paràmetres que poden afectar significativament el rendiment del motor. Tenen un paper secundari però important en el procés de combustió. Per exemple:
- Disseny de l'entrada. Té una forta influència en el moviment de l'aire de càrrega (sobretot en el moment en què entra al cilindre) i en la velocitat de mescla a la cambra de combustió. Això pot canviar la temperatura de combustió del gasoil a la caldera.
- El disseny del port d'admissió també pot afectar la temperatura de l'aire de càrrega. Això es pot aconseguir transferint la calor de la camisa d'aigua a través de la superfície de l'entrada.
- Mida de la vàlvula d'admissió. Controla la massa total d'aire admesa al cilindre durant un temps finit.
- Relació de compressió. Afecta l'evaporació, la velocitat de mescla i la qualitat de la combustió, independentment de la temperatura de combustió del gasoil a la caldera.
- Presió d'injecció. Controla la durada de la injecció per a un paràmetre d'obertura de broquet determinat.
- Geometria d'atomització, que afecta directament la qualitat i la temperatura de combustió del gasoil i la gasolina percompte d'ús de l'aire. Per exemple, un angle de con de polvorització més gran pot col·locar combustible a la part superior del pistó i fora del dipòsit de combustió en els motors dièsel DI de cambra oberta. Aquesta condició pot provocar un "fum" excessiu, ja que al combustible se li nega l'accés a l'aire. Els angles de con amplis també poden fer que el combustible esquiqui a les parets del cilindre en lloc de dins de la cambra de combustió on es requereix. Ruixat a la paret del cilindre, finalment es mourà cap avall a la cassola d'oli, escurçant la vida útil de l'oli lubricant. Com que l'angle de polvorització és una de les variables que afecta la velocitat de barreja de l'aire al raig de combustible prop de la sortida de l'injector, pot tenir un efecte significatiu en el procés de combustió en general.
- Configuració de la vàlvula que controla la posició de l'injector. Els sistemes de dues vàlvules creen una posició de l'injector inclinada, la qual cosa significa una polvorització desigual. Això condueix a una violació de la barreja de combustible i aire. D' altra banda, els dissenys de quatre vàlvules permeten el muntatge vertical dels injectors, l'atomització simètrica del combustible i l'accés igualitari a l'aire disponible per a cada atomitzador.
- Posició de l'anell del pistó superior. Controla l'espai mort entre la part superior del pistó i la camisa del cilindre. Aquest espai mort atrapa l'aire que es comprimeix i s'expandeix sense ni tan sols participar en el procés de combustió. Per tant, és important entendre que el sistema del motor dièsel no es limita a la cambra de combustió, els broquets d'injecció iel seu entorn immediat. La combustió inclou qualsevol part o component que pugui afectar el resultat final del procés. Per tant, ningú hauria de tenir cap dubte sobre si el gasoil es crema.
Altres detalls
Se sap que la combustió deés molt magra amb la relació A/F:
- 25:1 amb el parell màxim.
- 30:1 a velocitat nominal i potència màxima.
- Més de 150:1 en ralent per a motors turboalimentats.
No obstant això, aquest aire addicional no s'inclou en el procés de combustió. S'escalfa molt i s'esgota, com a conseqüència de la qual cosa l'escapament del dièsel es fa malbé. Tot i que la relació aire-combustible mitjana és baixa, si no es prenen les mesures adequades durant el procés de disseny, les zones de la cambra de combustió poden ser riques en combustible i provocar emissions de fum excessives.
Camera de combustió
Un objectiu clau del disseny és garantir una barreja suficient de combustible i aire per mitigar els efectes de les zones riques en combustible i permetre que el motor assoleixi els seus objectius de rendiment i emissions. S'ha trobat que la turbulència en el moviment de l'aire dins de la cambra de combustió és beneficiosa per al procés de mescla i es pot utilitzar per aconseguir-ho. El vòrtex creat per l'entrada es pot amplificar i el pistó es pot crearprement a mesura que s'acosta a la culata per permetre més turbulències durant l'acte de compressió a causa del disseny correcte de la copa al cap del pistó.
El disseny de la cambra de combustió té l'impacte més important en les emissions de partícules. També pot afectar els hidrocarburs no cremats i el CO. Encara que les emissions de NOx depenen del disseny de la tassa [De Risi 1999], les propietats del gas a granel tenen un paper molt important en els seus nivells de gas d'escapament. No obstant això, a causa de la compensació NOx/PM, els dissenys de la combustió van haver d'evolucionar a mesura que els límits d'emissió de NOx van disminuir. Això es requereix principalment per evitar l'augment de les emissions de PM que d'una altra manera es produiria.
Optimització
Un paràmetre important per optimitzar el sistema de combustió del gasoil en el motor és la proporció d'aire disponible implicada en aquest procés. El factor K (proporció del volum de la copa del pistó a l'espai lliure) és una mesura aproximada de la proporció d'aire disponible per a la combustió. La reducció de la cilindrada del motor comporta una disminució del coeficient relatiu K i una tendència a empitjorar les característiques de combustió. Per a un desplaçament determinat i amb una relació de compressió constant, el factor K es pot millorar escollint una carrera més llarga. La selecció de la relació entre el diàmetre del cilindre i el motor es pot veure afectada pel factor K i una sèrie d' altres factors, com ara l'embalatge del motor, els forats i les vàlvules, etc.
Possibles dificultats
Un problema especialment important a l'hora de configurarLa relació màxima de cilindre a carrera es troba en l'embalatge molt complex de la culata. Això és necessari per acomodar el disseny de quatre vàlvules i el sistema d'injecció de combustible common-rail amb l'injector situat al centre. Les culatas són complexes a causa dels nombrosos canals, com ara la refrigeració per aigua, els cargols de retenció de la culata, els ports d'admissió i d'escapament, injectors, bugies incandescents, vàlvules, tiges de vàlvules, rebaix i seients i altres canals utilitzats per a la recirculació de gasos d'escapament en alguns dissenys.
Les cambres de combustió dels motors dièsel d'injecció directa moderns es poden anomenar cambres de combustió obertes o secundàries.
Càmeres obertes
Si el forat superior del bol del pistó té un diàmetre més petit que el màxim del mateix paràmetre del bol, s'anomena retornable. Aquests bols tenen un "llavi". Si no, es tracta d'una cambra de combustió oberta. En els motors dièsel, aquests dissenys de bol de barret mexicà es coneixen des dels anys 20. Es van utilitzar fins a l'any 1990 en motors pesats fins al punt que el bol de retorn es va fer més important del que abans. Aquesta forma de cambra de combustió està dissenyada per a temps d'injecció relativament avançats, on el bol conté la majoria dels gasos en combustió. No és adequat per a estratègies d'injecció retardada.
Motor dièsel
Porta el nom de l'inventor Rudolf Diesel. Es tracta d'un motor de combustió interna en el qual l'encesa del combustible injectat és provocada per l'augmenttemperatura de l'aire al cilindre a causa de la compressió mecànica. El dièsel funciona comprimint només aire. Això augmenta la temperatura de l'aire dins del cilindre fins a tal punt que el combustible atomitzat injectat a la cambra de combustió s'encén espontàniament.
Això és diferent dels motors d'encesa per guspira, com ara gasolina o GLP (que utilitzen combustible gasós en lloc de gasolina). Utilitzen una bugia per encendre la barreja aire-combustible. En els motors dièsel, les bugies incandescents (escalfadors de cambra de combustió) es poden utilitzar per ajudar a l'arrencada en temps fred i també amb relacions de compressió baixes. El dièsel original funciona amb un cicle de pressió constant de combustió gradual i no produeix un boom sonor.
Característiques generals
El dièsel té l'eficiència tèrmica més alta de qualsevol motor pràctic de combustió interna i externa a causa de la seva altíssima relació d'expansió i la seva combustió magra inherent, permetent que l'excés d'aire dissipi la calor. També s'evita una petita pèrdua d'eficiència sense injecció directa, ja que el combustible no cremat no està present quan es tanca la vàlvula i el combustible no flueix directament des del dispositiu d'admissió (injector) al tub d'escapament. Els motors dièsel de baixa velocitat, com els que s'utilitzen als vaixells, poden tenir una eficiència tèrmica superior al 50 per cent.
Els dièsels es poden dissenyar com a de dos o quatre temps. Originalment s'utilitzaven comsubstitució eficaç de màquines de vapor estacionàries. Des de 1910 s'utilitzen en submarins i vaixells. Més tard va seguir l'ús en locomotores, camions, equipament pesat i centrals elèctriques. Als anys trenta del segle passat, van trobar un lloc en el disseny de diversos cotxes.
Avantatges i desavantatges
Des de la dècada de 1970, l'ús de motors dièsel en vehicles més grans de carretera i tot terreny als EUA ha augmentat. Segons la British Society of Motor Manufacturers and Manufacturers, la mitjana de la UE per als vehicles dièsel és del 50% de les vendes totals (entre elles el 70% a França i el 38% al Regne Unit).
En temps fred, engegar motors dièsel d' alta velocitat pot ser difícil, ja que la massa del bloc i la culata absorbeixen la calor de compressió, evitant l'encesa a causa de la relació superfície/volum més alta. Anteriorment, aquestes unitats utilitzaven petits escalfadors elèctrics dins de cambres anomenades endolls.
Vistes
Molts motors utilitzen escalfadors de resistència al col·lector d'admissió per escalfar l'aire d'admissió i per engegar o fins que s'arribi a la temperatura de funcionament. Els escalfadors de blocs de motors elèctrics resistents connectats a la xarxa s'utilitzen en climes freds. En aquests casos, s'ha d'encendre durant molt de temps (més d'una hora) per reduir el temps d'engegada i el desgast.
Els escalfadors de bloc també s'utilitzen per a fonts d'alimentació d'emergència amb generadors dièsel, que han de descarregar ràpidament l'energia en cas de tall de corrent. En el passat, s'ha utilitzat una varietat més àmplia de mètodes d'arrencada en fred. Alguns motors, com el Detroit Diesel, utilitzaven un sistema per introduir petites quantitats d'èter al col·lector d'admissió per iniciar la combustió. Altres han utilitzat un sistema mixt amb un escalfador de resistència a la crema de metanol. Un mètode improvisat, especialment en motors que no funcionen, és ruixar manualment una llauna d'aerosol de líquid essencial al corrent d'aire d'admissió (normalment a través del conjunt del filtre d'aire d'admissió).
Diferències amb altres motors
Les condicions del dièsel són diferents de les del motor d'encesa per guspira a causa del cicle termodinàmic diferent. A més, la potència i la velocitat de la seva rotació es controla directament pel subministrament de combustible, i no d'aire, com en un motor cíclic. La temperatura de combustió del gasoil i la gasolina també pot ser diferent.
El motor dièsel mitjà té una relació potència-pes més baixa que un motor de gasolina. Això es deu al fet que el dièsel ha de funcionar a menors RPM a causa de la necessitat estructural de peces més pesades i resistents per suportar la pressió de funcionament. Sempre és causada per una alta relació de compressió del motor, que augmenta les forces sobre la peça a causa de les forces d'inèrcia. Alguns dièsel són per a ús comercial. Això s'ha confirmat repetidament a la pràctica.
Motors dièsel normalmenttenir un traç llarg. Bàsicament, això és necessari per facilitar l'assoliment de les relacions de compressió requerides. Com a resultat, el pistó es fa més pesat. El mateix es pot dir de les varetes. S'ha de transmetre més força a través d'ells i del cigonyal per canviar l'impuls del pistó. Aquest és un altre motiu pel qual un motor dièsel ha de ser més fort per obtenir la mateixa potència que un motor de gasolina.
