Dizel yakıt yanar mı? Yanıyor ve oldukça güçlü. Önceden karıştırılmış yanmaya katılmayan tortusu, değişken oranlı yanma aşamasında tüketilir.
Dizel motorlarda yanma çok zordur. 1990'lara kadar ayrıntılı mekanizmaları iyi anlaşılmamıştı. Dizel yakıtın yanma odasındaki yanma sıcaklığı da duruma göre değişiklik göstermiştir. “Şeffaf” motorlarda kullanılan yüksek hızlı fotoğrafçılık, modern bilgisayarların işlem gücü ve birçok matematiksel model gibi modern araçların mevcudiyetine rağmen, onlarca yıldır bu sürecin karmaşıklığı, araştırmacıların birçok sırrını çözme girişimlerine meydan okuyor gibi görünüyordu. dizelde yanmayı simüle etmek için tasarlanmıştır 1990'larda geleneksel dizel yakma işlemine levha lazer görüntülemenin uygulanması, bu işlemin anlaşılmasını büyük ölçüde geliştirmenin anahtarıydı.
Bu makaleklasik bir dizel motor için en yerleşik süreç modeli. Dizel yakıtın bu geleneksel yanması, öncelikle, ateşlemeden önce yakıt ve havanın difüzyonu nedeniyle oluşabilen karıştırma ile kontrol edilir.
Yanma sıcaklığı
Dizel yakıt hangi sıcaklıkta yanar? Daha önce bu soru zor görünüyorsa, şimdi tamamen açık bir cevap verilebilir. Dizel yakıtın yanma sıcaklığı yaklaşık 500-600 santigrat derecedir. Sıcaklık, yakıt ve hava karışımını tutuşturacak kadar yüksek olmalıdır. Düşük ortam sıcaklıklarının hakim olduğu soğuk ülkelerde, motorlarda motorun çalıştırılmasına yardımcı olmak için giriş portunu ısıtan bir kızdırma bujisi vardı. Bu nedenle motoru çalıştırmadan önce daima gösterge panelindeki ısıtıcı simgesinin sönmesini beklemelisiniz. Ayrıca dizel yakıtın yanma sıcaklığını da etkiler. Çalışmasında başka hangi nüanslar olduğunu düşünelim.
Özellikler
Dıştan kontrollü bir brülörde dizel yakıt yakmanın temel ön koşulu, içinde depolanan kimyasal enerjiyi serbest bırakmanın benzersiz yoludur. Bu işlemi gerçekleştirmek için, yanmayı kolaylaştırmak için oksijenin mevcut olması gerekir. Bu işlemin en önemli yönlerinden biri, genellikle ön karıştırma olarak adlandırılan yakıt ve havanın karıştırılmasıdır.
Dizel yanma katalizörü
Dizel motorlarda, yakıt genellikle sıkıştırma strokunun sonunda, üst ölü noktadan önce sadece birkaç derecelik krank mili açısında motor silindirine enjekte edilir. Sıvı yakıt genellikle enjektör ucundaki küçük deliklerden veya nozüllerden bir veya daha fazla jetle yüksek hızda püskürtülür, ince damlacıklar halinde atomize edilir ve yanma odasına girer. Atomize yakıt, çevreleyen ısıtılmış basınçlı havadan ısıyı emer, buharlaşır ve çevreleyen yüksek sıcaklıktaki yüksek basınçlı hava ile karışır. Piston üst ölü noktaya (TDC) yaklaşmaya devam ettikçe, karışımın sıcaklığı (çoğunlukla hava) tutuşma sıcaklığına ulaşır. Webasto dizel yakıtının yanma sıcaklığı, diğer dizel sınıflarından farklı değildir ve yaklaşık 500-600 dereceye ulaşır.
Önceden karıştırılmış bazı yakıt ve havanın hızlı tutuşması, bir tutuşma gecikmesi süresinden sonra gerçekleşir. Bu hızlı ateşleme, yanmanın başlangıcı olarak kabul edilir ve hava-yakıt karışımı tükendikçe silindir basıncında keskin bir artış ile karakterize edilir. Önceden karıştırılmış yanmadan kaynaklanan artan basınç, yükün yanmamış kısmını sıkıştırır ve ısıtır ve ateşlemeden önceki gecikmeyi kıs altır. Ayrıca kalan yakıtın buharlaşma oranını da arttırır. Püskürtmesi, buharlaşması, hava ile karışması tamamı yanana kadar devam eder. Bu bakımdan kerosen ve dizel yakıtın yanma sıcaklığı benzer olabilir.
Karakteristik
Önce, gösterimi ele alalım: o zaman A havadır (oksijen), F yakıttır. Dizel yanma, düşük bir genel A/F oranı ile karakterize edilir. En düşük ortalama A/F, genellikle en yüksek tork koşullarında gözlenir. Aşırı duman oluşumunu önlemek için, tepe torku A/F tipik olarak 25:1'in üzerinde, yaklaşık 14.4:1 olan stokiyometrik (kimyasal olarak doğru) denklik oranının oldukça üzerinde tutulur. Bu aynı zamanda tüm dizel yanma aktivatörleri için de geçerlidir.
Turbo şarjlı dizel motorlarda, rölantide A/F oranı 160:1'i geçebilir. Sonuç olarak, yakıtın yanmasından sonra silindirde bulunan fazla hava, yanan ve zaten tükenmiş gazlarla karışmaya devam eder. Egzoz valfi açıldığında, dizel egzozunun oksidatif yapısını açıklayan yanma ürünleriyle birlikte fazla hava dışarı atılır.
Dizel yakıt ne zaman yanar? Bu işlem, buharlaşan yakıtın yerel olarak zengin bir karışım oluşturmak üzere hava ile karışmasından sonra gerçekleşir. Ayrıca bu aşamada dizel yakıtın uygun yanma sıcaklığına ulaşılır. Ancak, genel A/F oranı küçüktür. Başka bir deyişle, bir dizel motorun silindirine giren havanın çoğunun sıkıştırılıp ısıtıldığı, ancak yanma sürecine hiçbir zaman katılmadığı söylenebilir. Fazla havadaki oksijen, gaz halindeki hidrokarbonları ve karbon monoksiti oksitlemeye yardımcı olur ve bunları egzoz gazlarında son derece düşük konsantrasyonlara indirir. Bu işlem dizel yakıtın yanma sıcaklığından çok daha önemlidir.
Faktörler
Dizel yanma sürecinde aşağıdaki faktörler önemli bir rol oynar:
- Havanın indüklenen yükü, sıcaklığı ve çeşitli boyutlardaki kinetik enerjisi.
- Enjekte edilen yakıtın atomizasyonu, sıçrama nüfuzu, sıcaklık ve kimyasal özellikler.
Bu iki faktör en önemli olsa da, motor performansını önemli ölçüde etkileyebilecek başka parametreler de vardır. Yanma sürecinde ikincil fakat önemli bir rol oynarlar. Örneğin:
- Girişin tasarımı. Şarj havasının hareketi (özellikle silindire girdiği anda) ve yanma odasındaki karışım oranı üzerinde güçlü bir etkisi vardır. Bu, kazandaki dizel yakıtın yanma sıcaklığını değiştirebilir.
- Giriş portunun tasarımı ayrıca şarj havası sıcaklığını da etkileyebilir. Bu, su ceketinden gelen ısıyı girişin yüzey alanı boyunca aktararak sağlanabilir.
- Emme valfi boyutu. Sınırlı bir süre boyunca silindire verilen toplam hava kütlesini kontrol eder.
- Sıkıştırma oranı. Kazandaki dizel yakıtın yanma sıcaklığından bağımsız olarak buharlaşmayı, karıştırma hızını ve yanma kalitesini etkiler.
- Enjeksiyon basıncı. Belirli bir meme açma parametresi için enjeksiyon süresini kontrol eder.
- Dizel yakıt ve benzinin kalitesini ve yanma sıcaklığını doğrudan etkileyen atomizasyon geometrisihava kullanım hesabı. Örneğin, daha büyük bir püskürtme konisi açısı, açık odalı DI dizel motorlarda yakıtı pistonun üstüne ve yanma tankının dışına yerleştirebilir. Yakıtın havaya erişimi engellendiğinden bu durum aşırı "sigara içmeye" yol açabilir. Geniş koni açıları ayrıca yakıtın gerektiğinde yanma odasının içinden ziyade silindir duvarlarına sıçramasına neden olabilir. Silindir duvarına püskürtüldüğünde, sonunda yağ karterine inerek yağlama yağının ömrünü kıs altır. Püskürtme açısı, enjektör çıkışına yakın yakıt jetindeki hava karışım oranını etkileyen değişkenlerden biri olduğundan, genel yanma süreci üzerinde önemli bir etkisi olabilir.
- Enjektörün konumunu kontrol eden valf konfigürasyonu. İki valfli sistemler, eğik bir enjektör konumu oluşturur, bu da eşit olmayan püskürtme anlamına gelir. Bu, yakıt ve hava karışımının ihlaline yol açar. Öte yandan, dört valfli tasarımlar dikey enjektör montajına, simetrik yakıt atomizasyonuna ve her atomizer için mevcut havaya eşit erişime izin verir.
- Üst piston segmanının konumu. Pistonun üst kısmı ile silindir gömleği arasındaki ölü boşluğu kontrol eder. Bu ölü boşluk, yanma sürecine bile katılmadan sıkışan ve genişleyen havayı hapseder. Bu nedenle dizel motor sisteminin yanma odası, enjektör memeleri ve enjektörlerle sınırlı olmadığını anlamak önemlidir.onların yakın çevresi. Yanma, işlemin sonucunu etkileyebilecek herhangi bir parçayı veya bileşeni içerir. Bu nedenle dizel yakıtın yandığından kimsenin şüphesi olmasın.
Diğer ayrıntılar
Dizel yanmanın A/F oranıyla çok yalın olduğu bilinmektedir:
- 25:1 en yüksek torkta.
- 30:1 nominal hızda ve maksimum güçte.
- Turbo şarjlı motorlar için rölantide 150:1'den fazla.
Ancak, bu ek hava yanma sürecine dahil değildir. Oldukça fazla ısınır ve tükenir, bunun sonucunda dizel egzozu zayıflar. Ortalama hava-yakıt oranı düşük olsa da, tasarım sürecinde uygun önlemler alınmazsa yanma odası alanları yakıt açısından zengin olabilir ve aşırı duman emisyonlarına neden olabilir.
Yanma odası
Temel tasarım hedeflerinden biri, yakıt açısından zengin alanların etkilerini az altmak ve motorun performans ve emisyon hedeflerine ulaşmasını sağlamak için yeterli yakıt ve hava karışımını sağlamaktır. Yanma odası içindeki hava hareketindeki türbülansın karıştırma işlemi için faydalı olduğu ve bunu başarmak için kullanılabileceği bulunmuştur. Giriş tarafından oluşturulan girdap büyütülebilir ve piston oluşturabilirpiston kafasındaki doğru kap tasarımı nedeniyle sıkıştırma eylemi sırasında daha fazla türbülansa izin vermek için silindir kapağına yaklaştıkça sıkma.
Yanma odası tasarımı, partikül emisyonları üzerinde en önemli etkiye sahiptir. Ayrıca yanmamış hidrokarbonları ve CO2'yi de etkileyebilir. NOx emisyonları haznenin tasarımına bağlı olmasına rağmen [De Risi 1999], dökme gazın özellikleri egzoz gazı seviyelerinde çok önemli bir rol oynamaktadır. Ancak NOx/PM değiş tokuşu nedeniyle, NOx emisyon limitleri azaldıkça yanma odası tasarımları gelişmek zorunda kaldı. Bu, esas olarak, aksi takdirde meydana gelecek olan PM emisyonlarındaki artışı önlemek için gereklidir.
Optimizasyon
Motordaki dizel yakıtın yanma sistemini optimize etmek için önemli bir parametre, bu sürece dahil olan mevcut havanın oranıdır. K faktörü (piston kabı hacminin boşluğa oranı), yanma için mevcut hava oranının yaklaşık bir ölçüsüdür. Motorun yer değiştirmesinin az altılması, K bağıl katsayısında bir azalmaya ve yanma özelliklerini kötüleştirme eğilimine yol açar. Belirli bir yer değiştirme için ve sabit bir sıkıştırma oranında, daha uzun bir strok seçilerek K faktörü iyileştirilebilir. Silindir çapının motora oranının seçimi, K faktöründen ve motor ambalajı, borular ve valfler gibi bir dizi başka faktörden etkilenebilir.
Olası zorluklar
Kurulum sırasında özellikle önemli bir sorunSilindirin stroğa maksimum oranı, silindir kafasının çok karmaşık ambalajında yatmaktadır. Bu, dört valf tasarımına ve merkezde bulunan enjektöre sahip common-rail yakıt enjeksiyon sistemine uyum sağlamak için gereklidir. Silindir kapakları, su soğutma, silindir kapağı tutma cıvataları, emme ve egzoz portları, enjektörler, kızdırma bujileri, valfler, valf gövdeleri, girintiler ve yuvalar ve bazı tasarımlarda egzoz gazı devridaimi için kullanılan diğer kanallar dahil olmak üzere birçok kanal nedeniyle karmaşıktır.
Modern doğrudan enjeksiyonlu dizel motorlardaki yanma odaları, açık veya ikincil yanma odaları olarak adlandırılabilir.
Açık kameralar
Pistondaki haznenin üst deliği, aynı hazne parametresinin maksimumundan daha küçük bir çapa sahipse, buna geri dönüşlü denir. Bu tür kaselerin bir "dudağı" vardır. Değilse, bu açık bir yanma odasıdır. Dizel motorlarda, bu Meksika şapka kasesi tasarımları 1920'lerden beri bilinmektedir. 1990 yılına kadar ağır hizmet motorlarında, dönüş çanağının eskisinden daha önemli hale geldiği noktaya kadar kullanıldılar. Bu yanma odası şekli, haznenin yanan gazların çoğunu içerdiği nispeten ileri enjeksiyon süreleri için tasarlanmıştır. Gecikmeli enjeksiyon stratejileri için pek uygun değildir.
Dizel motor
Adını mucit Rudolf Diesel'den almıştır. Enjekte edilen yakıtın ateşlemesinin artmasıyla oluşan içten yanmalı bir motordur.mekanik sıkıştırma nedeniyle silindirdeki hava sıcaklığı. Dizel sadece havayı sıkıştırarak çalışır. Bu, silindir içindeki havanın sıcaklığını öyle bir yükseltir ki, yanma odasına püskürtülen atomize yakıt kendiliğinden tutuşur.
Bu, benzin veya LPG (benzin yerine gaz yakıt kullanan) gibi buji ateşlemeli motorlardan farklıdır. Hava-yakıt karışımını ateşlemek için bir buji kullanırlar. Dizel motorlarda, soğuk havalarda ve ayrıca düşük sıkıştırma oranlarında çalıştırmaya yardımcı olmak için kızdırma bujileri (yanma odası ısıtıcıları) kullanılabilir. Orijinal dizel, kademeli yanmanın sabit bir basınç döngüsünde çalışır ve bir ses patlaması üretmez.
Genel özellikler
Dizel, çok yüksek genleşme oranı ve aşırı havanın ısıyı dağıtmasına izin veren doğal zayıf yanması nedeniyle, herhangi bir pratik içten ve dıştan yanmalı motorun en yüksek termal verimliliğine sahiptir. Valf kapandığında yanmamış yakıt bulunmadığından ve yakıt doğrudan emme (enjektör) cihazından egzoz borusuna akmadığı için doğrudan enjeksiyon olmadan küçük bir verim kaybı da önlenir. Gemilerde kullanılanlar gibi düşük hızlı dizel motorlar yüzde 50'nin üzerinde termal verimliliğe sahip olabilir.
Dizeller iki zamanlı veya dört zamanlı olarak tasarlanabilir. Başlangıçta olarak kullanıldılarsabit buhar motorları için etkili bir yedek. 1910'dan beri deniz altılarda ve gemilerde kullanılmaktadırlar. Daha sonra lokomotif, kamyon, ağır ekipman ve enerji santrallerinde kullanım izledi. Geçen yüzyılın otuzlu yıllarında, birkaç arabanın tasarımında bir yer buldular.
Avantajlar ve dezavantajlar
1970'lerden bu yana, ABD'de daha büyük kara ve arazi araçlarında dizel motorların kullanımı arttı. İngiliz Motor Üreticileri ve Üreticileri Derneği'ne göre, dizel araçlar için AB ortalaması toplam satışların %50'sidir (bunların arasında Fransa'da %70 ve Birleşik Krallık'ta %38).
Soğuk havalarda, bloğun kütlesi ve silindir kafası sıkıştırma ısısını emdiği ve daha yüksek yüzey/hacim oranı nedeniyle tutuşmayı önlediği için yüksek hızlı dizel motorları çalıştırmak zor olabilir. Önceden, bu üniteler, kızdırma bujileri adı verilen haznelerin içinde küçük elektrikli ısıtıcılar kullanıyordu.
Görüntüleme
Birçok motor, emme havasını ısıtmak ve çalıştırmak için veya çalışma sıcaklığına ulaşılana kadar emme manifoldunda dirençli ısıtıcılar kullanır. Soğuk iklimlerde şebekeye bağlı elektrikli rezistif motor bloğu ısıtıcıları kullanılmaktadır. Bu gibi durumlarda, başlatma süresini ve aşınmayı az altmak için uzun süre (bir saatten fazla) açık kalması gerekir.
Blok ısıtıcılar, elektrik kesintisi durumunda gücü hızla boş altması gereken dizel jeneratörlü acil durum güç kaynakları için de kullanılır. Geçmişte, daha geniş çeşitlilikte soğuk çalıştırma yöntemleri kullanılmıştır. Detroit Diesel gibi bazı motorlar, yanmayı başlatmak için emme manifolduna küçük miktarlarda eter veren bir sistem kullandı. Diğerleri metanol yakan dirençli ısıtıcı ile karışık bir sistem kullanmıştır. Özellikle çalışmayan motorlarda doğaçlama olmayan bir yöntem, emme havası akışına (genellikle emme havası filtre tertibatı aracılığıyla) bir aerosol kutusu temel sıvıyı manuel olarak püskürtmektir.
Diğer motorlardan farkı
Dizel koşulları, farklı termodinamik çevrim nedeniyle buji ateşlemeli motordan farklıdır. Ek olarak, dönüşünün gücü ve hızı, döngüsel bir motorda olduğu gibi hava ile değil, doğrudan yakıt beslemesi ile kontrol edilir. Dizel yakıt ve benzinin yanma sıcaklığı da farklı olabilir.
Ortalama bir dizel motor, benzinli motora göre daha düşük bir güç-ağırlık oranına sahiptir. Bunun nedeni, çalışma basıncına dayanmak için daha ağır ve daha güçlü parçalara yönelik yapısal ihtiyaç nedeniyle dizelin daha düşük bir RPM'de çalışması gerektiğidir. Her zaman motorun yüksek sıkıştırma oranından kaynaklanır, bu da atalet kuvvetleri nedeniyle parça üzerindeki kuvvetleri arttırır. Bazı dizeller ticari kullanım içindir. Bu, uygulamada defalarca teyit edilmiştir.
Dizel motorlar genellikleuzun bir felç geçir. Temel olarak, gerekli sıkıştırma oranlarının elde edilmesini kolaylaştırmak için bu gereklidir. Sonuç olarak, piston ağırlaşır. Aynı şey çubuklar için de söylenebilir. Pistonun momentumunu değiştirmek için içlerinden ve krank milinden daha fazla kuvvet iletilmelidir. Bu, dizel motorun benzinli motorla aynı güç çıkışı için daha güçlü olması gerekmesinin bir başka nedenidir.
