آیا سوخت دیزل می سوزد؟ می سوزد و کاملاً قوی است. باقیمانده آن که در احتراق پیش مخلوط شرکت نکرده است در مرحله احتراق با نرخ متغیر مصرف می شود.
احتراق در موتورهای دیزلی بسیار دشوار است. تا دهه 1990، مکانیسم های دقیق آن به خوبی شناخته نشده بود. دمای احتراق سوخت دیزل در محفظه احتراق نیز در هر مورد متفاوت است. برای چندین دهه، به نظر می‌رسید که پیچیدگی این فرآیند با وجود در دسترس بودن ابزارهای مدرن مانند عکاسی با سرعت بالا در موتورهای شفاف، قدرت پردازش رایانه‌های مدرن و بسیاری از مدل‌های ریاضی، تلاش‌های محققان برای کشف رازهای متعدد آن را به چالش بکشد. طراحی شده برای شبیه سازی احتراق در گازوئیل استفاده از تصویربرداری لیزری ورق در فرآیند احتراق گازوئیل سنتی در دهه 1990 کلید بهبود قابل توجه درک این فرآیند بود.
این مقاله پوشش خواهد دادشناخته شده ترین مدل فرآیند برای یک موتور دیزل کلاسیک. این احتراق متعارف سوخت دیزل در درجه اول با اختلاط کنترل می شود که می تواند به دلیل انتشار سوخت و هوا قبل از احتراق رخ دهد.
دمای احتراق
سوخت گازوئیل در چه دمایی می سوزد؟ اگر قبلاً این سؤال دشوار به نظر می رسید ، اکنون می توان پاسخی کاملاً بدون ابهام به آن داد. دمای احتراق سوخت دیزل حدود 500-600 درجه سانتیگراد است. دما باید به حدی باشد که مخلوط سوخت و هوا را مشتعل کند. در کشورهای سرد که دمای محیط پایین غالب است، موتورها دارای شمع تابشی بودند که درگاه ورودی را گرم می کند تا به موتور کمک کند. به همین دلیل است که همیشه قبل از روشن کردن موتور باید منتظر بمانید تا نماد بخاری روی داشبورد خاموش شود. همچنین بر دمای احتراق سوخت دیزل تأثیر می گذارد. بیایید در نظر بگیریم که چه تفاوت های ظریف دیگری در کار او وجود دارد.
ویژگی ها
پیش نیاز اصلی برای سوزاندن سوخت دیزل در یک مشعل با کنترل خارجی، روش منحصر به فرد آن برای آزاد کردن انرژی شیمیایی ذخیره شده در آن است. برای انجام این فرآیند، اکسیژن باید در دسترس آن باشد تا احتراق تسهیل شود. یکی از مهمترین جنبه های این فرآیند اختلاط سوخت و هوا است که اغلب به عنوان پیش اختلاط نامیده می شود.
کاتالیزور احتراق گازوئیل
در موتورهای دیزلی، سوخت اغلب در انتهای حرکت تراکم، فقط چند درجه از زاویه میل لنگ قبل از نقطه مرگ بالا، به سیلندر موتور تزریق می شود. سوخت مایع معمولاً با سرعت بالا در یک یا چند جت از طریق سوراخ‌ها یا نازل‌های کوچک در نوک انژکتور تزریق می‌شود و به صورت قطرات ریز اتمیزه می‌شود و وارد محفظه احتراق می‌شود. سوخت اتمیزه شده گرما را از هوای فشرده گرم شده اطراف جذب می کند، تبخیر می شود و با هوای فشار بالا در دمای بالا مخلوط می شود. با ادامه حرکت پیستون به نقطه مرگ بالا (TDC)، دمای مخلوط (بیشتر هوا) به دمای احتراق خود می رسد. دمای احتراق سوخت دیزل Webasto با سایر گریدهای دیزل تفاوتی ندارد و به حدود 500-600 درجه می رسد.
اشتعال سریع برخی از سوخت و هوا از پیش مخلوط شده پس از یک دوره تاخیر در اشتعال رخ می دهد. این اشتعال سریع شروع احتراق در نظر گرفته می شود و با افزایش شدید فشار سیلندر در هنگام مصرف مخلوط هوا و سوخت مشخص می شود. افزایش فشار ناشی از احتراق از پیش مخلوط شده، قسمت نسوخته شارژ را فشرده و گرم می کند و تاخیر قبل از مشتعل شدن را کوتاه می کند. همچنین سرعت تبخیر سوخت باقیمانده را افزایش می دهد. سمپاشی، تبخیر، اختلاط آن با هوا تا سوختن تمام آن ادامه دارد. دمای احتراق نفت سفید و سوخت دیزل از این نظر ممکن است مشابه باشد.
ویژگی
ابتدا، بیایید به نماد بپردازیم: سپس A هوا (اکسیژن)، F سوخت است. احتراق دیزل با نسبت کلی A/F پایین مشخص می شود.کمترین میانگین A/F اغلب در شرایط اوج گشتاور مشاهده می شود. برای جلوگیری از تولید دود بیش از حد، حداکثر گشتاور A/F معمولاً بالای 25:1 حفظ می‌شود که بسیار بالاتر از نسبت هم ارزی استوکیومتری (از نظر شیمیایی صحیح) در حدود 14.4:1 است. این همچنین برای همه فعال‌کننده‌های احتراق گازوئیل صدق می‌کند.
در موتورهای دیزلی توربوشارژ، نسبت A/F در حالت دور آرام می تواند از 160:1 فراتر رود. در نتیجه، هوای اضافی موجود در سیلندر پس از احتراق سوخت همچنان با گازهای در حال سوختن و تخلیه شده مخلوط می شود. هنگامی که دریچه اگزوز باز می شود، هوای اضافی همراه با محصولات احتراق خارج می شود که ماهیت اکسیداتیو اگزوز دیزل را توضیح می دهد.
سوخت دیزل چه زمانی می سوزد؟ این فرآیند پس از مخلوط شدن سوخت تبخیر شده با هوا برای تشکیل یک مخلوط غنی محلی اتفاق می افتد. همچنین در این مرحله دمای احتراق مناسب سوخت دیزل به دست می آید. با این حال، نسبت کلی A/F کوچک است. به عبارت دیگر می توان گفت که بیشتر هوای ورودی به سیلندر موتور دیزل فشرده و گرم می شود اما هرگز در فرآیند احتراق شرکت نمی کند. اکسیژن موجود در هوای اضافی به اکسید شدن هیدروکربن های گازی و مونوکسید کربن کمک می کند و آنها را به غلظت بسیار پایین در گازهای خروجی کاهش می دهد. این فرآیند بسیار مهمتر از دمای احتراق سوخت دیزل است.
عوامل
عوامل زیر نقش عمده ای در فرآیند احتراق گازوئیل دارند:
- بار القایی هوا، دما و انرژی جنبشی آن در چند بعد.
- اتمیزه کردن سوخت تزریقی، نفوذ پاشش، دما و مشخصات شیمیایی.
اگرچه این دو عامل مهم ترین هستند، پارامترهای دیگری نیز وجود دارند که می توانند به طور قابل توجهی بر عملکرد موتور تأثیر بگذارند. آنها نقش ثانویه اما مهمی در فرآیند احتراق دارند. به عنوان مثال:
- طراحی ورودی. این تأثیر قوی بر حرکت هوای شارژ (به ویژه در لحظه ای که وارد سیلندر می شود) و روی سرعت اختلاط در محفظه احتراق دارد. این می تواند دمای احتراق سوخت دیزل را در دیگ تغییر دهد.
- طراحی درگاه ورودی نیز می تواند بر دمای هوای شارژ تأثیر بگذارد. این را می توان با انتقال گرما از ژاکت آب از طریق سطح ورودی به دست آورد.
- اندازه دریچه ورودی. کل جرم هوای ورودی به سیلندر را در مدت زمان محدود کنترل می کند.
- نسبت تراکم. بدون توجه به دمای احتراق سوخت دیزل در دیگ، بر تبخیر، سرعت اختلاط و کیفیت احتراق تأثیر می گذارد.
- فشار تزریق. مدت تزریق را برای یک پارامتر باز شدن نازل مشخص کنترل می کند.
- هندسه اتمیزاسیون، که به طور مستقیم بر کیفیت و دمای احتراق سوخت دیزل و بنزین برایحساب کاربری هوا به عنوان مثال، یک زاویه مخروط پاشش بزرگتر می تواند سوخت را در بالای پیستون و خارج از مخزن احتراق در موتورهای دیزل DI محفظه باز قرار دهد. این وضعیت می تواند منجر به "سیگار کشیدن" بیش از حد شود زیرا سوخت از دسترسی به هوا محروم است. زوایای مخروطی گسترده همچنین می تواند باعث پاشیدن سوخت بر روی دیواره سیلندر به جای داخل محفظه احتراق در جایی که لازم است شود. اگر روی دیواره سیلندر اسپری شود، در نهایت به داخل ظرف روغن حرکت می کند و عمر روغن روان کننده را کاهش می دهد. از آنجایی که زاویه پاشش یکی از متغیرهایی است که بر سرعت اختلاط هوا در جت سوخت نزدیک خروجی انژکتور تأثیر می گذارد، می تواند تأثیر قابل توجهی بر روند احتراق کلی داشته باشد.
- پیکربندی سوپاپ که موقعیت انژکتور را کنترل می کند. سیستم های دو سوپاپ یک موقعیت انژکتور کج ایجاد می کنند که به معنای پاشش ناهموار است. این منجر به نقض اختلاط سوخت و هوا می شود. از سوی دیگر، طرح‌های چهار سوپاپ امکان نصب انژکتور عمودی، اتمیزه‌سازی متقارن سوخت و دسترسی برابر به هوای موجود را برای هر اتمایزر فراهم می‌کنند.
- موقعیت رینگ پیستون بالایی. فضای مرده بین بالای پیستون و آستر سیلندر را کنترل می کند. این فضای مرده هوایی را به دام می اندازد که حتی بدون شرکت در فرآیند احتراق فشرده و منبسط می شود. بنابراین، درک این نکته مهم است که سیستم موتور دیزل محدود به محفظه احتراق، نازل های انژکتور ومحیط نزدیک آنها احتراق شامل هر بخش یا جزء است که می تواند بر نتیجه نهایی فرآیند تأثیر بگذارد. بنابراین، هیچ کس نباید در مورد سوختن گازوئیل شک داشته باشد.
جزئیات دیگر
احتراق گازوئیل با نسبت A/F بسیار ناچیز شناخته شده است:
- 25:1 در حداکثر گشتاور.
- 30:1 با سرعت نامی و حداکثر قدرت.
- بیش از 150:1 در حالت دور آرام برای موتورهای توربوشارژ.
با این حال، این هوای اضافی در فرآیند احتراق گنجانده نشده است. بسیار گرم می شود و تخلیه می شود و در نتیجه اگزوز دیزل ضعیف می شود. حتی اگر میانگین نسبت هوا به سوخت ضعیف است، اگر اقدامات مناسب در طول فرآیند طراحی انجام نشود، مناطق محفظه احتراق می‌تواند سرشار از سوخت باشد و منجر به انتشار دود بیش از حد شود.
محفظه احتراق
یک هدف اصلی طراحی، اطمینان از اختلاط کافی سوخت و هوا برای کاهش اثرات مناطق غنی از سوخت و اجازه دادن به موتور برای رسیدن به اهداف عملکرد و آلایندگی است. مشخص شده است که تلاطم در حرکت هوا در داخل محفظه احتراق برای فرآیند اختلاط مفید است و می توان برای دستیابی به آن از آن استفاده کرد. گرداب ایجاد شده توسط ورودی می تواند تقویت شود و پیستون می تواند ایجاد کنددر حین نزدیک شدن به سر سیلندر فشار می‌دهد تا به دلیل طراحی صحیح فنجان در سر پیستون، تلاطم بیشتری در طول عمل فشرده‌سازی ایجاد شود.
طراحی محفظه احتراق بیشترین تأثیر را بر انتشار ذرات دارد. همچنین می تواند بر هیدروکربن های نسوخته و CO تأثیر بگذارد. اگرچه انتشار NOx به طراحی کاسه بستگی دارد [De Risi 1999]، خواص گازهای حجیم نقش بسیار مهمی در سطوح گازهای خروجی آنها ایفا می کند. با این حال، با توجه به مبادله NOx/PM، طراحی محفظه احتراق باید با کاهش محدودیت های انتشار NOx تکامل می یافت. این عمدتاً برای جلوگیری از افزایش انتشار PM که در غیر این صورت اتفاق می‌افتد مورد نیاز است.
بهینه سازی
یک پارامتر مهم برای بهینه سازی سیستم احتراق سوخت دیزل در موتور، نسبت هوای موجود در این فرآیند است. ضریب K (نسبت حجم فنجان پیستون به فاصله) اندازه گیری تقریبی از نسبت هوای موجود برای احتراق است. کاهش جابجایی موتور منجر به کاهش ضریب نسبی K و تمایل به بدتر شدن ویژگی های احتراق می شود. برای یک جابجایی معین و در یک نسبت تراکم ثابت، ضریب K را می توان با انتخاب یک ضربه طولانی تر بهبود بخشید. انتخاب نسبت سوراخ سیلندر به موتور می تواند تحت تأثیر ضریب K و تعدادی از عوامل دیگر مانند بسته بندی موتور، سوراخ ها و سوپاپ ها و غیره باشد.
مشکلات احتمالی
مشکل مهمی در هنگام راه‌اندازیحداکثر نسبت سیلندر به کورس در بسته بندی بسیار پیچیده سرسیلندر نهفته است. این برای تطبیق طراحی چهار سوپاپ و سیستم تزریق سوخت مشترک ریلی با انژکتور واقع در مرکز ضروری است. سر سیلندرها به دلیل کانال های متعدد از جمله خنک کننده آب، پیچ های نگهدارنده سر سیلندر، درگاه های ورودی و خروجی، انژکتورها، شمع های تابش، سوپاپ ها، میل سوپاپ ها، فرورفتگی ها و نشیمنگاه ها و کانال های دیگری که برای چرخش مجدد گازهای خروجی در برخی طرح ها استفاده می شوند، پیچیده هستند.
محفظه های احتراق در موتورهای دیزلی مدرن تزریق مستقیم ممکن است به عنوان محفظه احتراق باز یا ثانویه نامیده شوند.
دوربین های باز
اگر سوراخ بالایی کاسه در پیستون قطر کمتری از حداکثر همان پارامتر کاسه داشته باشد، آن را برگشت پذیر می نامند. چنین کاسه هایی "لب" دارند. اگر نه، پس این یک محفظه احتراق باز است. در موتورهای دیزل، این طرح های کاسه کلاه مکزیکی از دهه 1920 شناخته شده است. آنها تا سال 1990 در موتورهای سنگین مورد استفاده قرار گرفتند تا جایی که کاسه برگشت از قبل اهمیت بیشتری پیدا کرد. این شکل از محفظه احتراق برای زمان های تزریق نسبتا پیشرفته طراحی شده است، جایی که کاسه حاوی بیشتر گازهای سوزان است. این برای استراتژی‌های تزریق تاخیری مناسب نیست.
موتور دیزل
این نام به افتخار مخترع رودولف دیزل گرفته شده است. این یک موتور احتراق داخلی است که در آن احتراق سوخت تزریق شده به دلیل افزایش استدمای هوا در سیلندر به دلیل فشرده سازی مکانیکی. دیزل تنها با فشرده سازی هوا کار می کند. این امر دمای هوای داخل سیلندر را به حدی افزایش می دهد که سوخت اتمیزه تزریق شده به محفظه احتراق خود به خود مشتعل می شود.
این با موتورهای جرقه زنی مانند بنزین یا LPG (استفاده از سوخت گازی به جای بنزین) متفاوت است. آنها از شمع برای احتراق مخلوط هوا و سوخت استفاده می کنند. در موتورهای دیزلی، می توان از شمع های تابش (گرمکن های محفظه احتراق) برای کمک به راه اندازی در هوای سرد و همچنین در نسبت تراکم پایین استفاده کرد. دیزل اصلی در یک چرخه فشار ثابت با احتراق تدریجی کار می کند و بوم صوتی تولید نمی کند.
ویژگی های کلی
دیزل به دلیل نسبت انبساط بسیار بالا و احتراق بدون چربی ذاتی، بالاترین راندمان حرارتی را در بین هر موتور احتراق داخلی و خارجی عملی دارد و به هوای اضافی اجازه می دهد گرما را دفع کند. همچنین بدون تزریق مستقیم از کاهش کارایی جلوگیری می شود، زیرا سوخت نسوخته هنگام بسته شدن سوپاپ وجود ندارد و سوخت مستقیماً از دستگاه ورودی (انژکتور) به لوله اگزوز جریان نمی یابد. موتورهای دیزلی با سرعت پایین، مانند موتورهای مورد استفاده در کشتی ها، می توانند بازده حرارتی بیش از 50 درصد داشته باشند.
دیزل ها را می توان به صورت دو زمانه یا چهار زمانه طراحی کرد. آنها در ابتدا به عنوان استفاده می شدندجایگزینی موثر برای موتورهای بخار ثابت از سال 1910 آنها در زیردریایی ها و کشتی ها استفاده شده اند. استفاده در لوکوموتیوها، کامیون ها، تجهیزات سنگین و نیروگاه ها بعداً دنبال شد. در دهه سی قرن گذشته، آنها در طراحی چندین اتومبیل جایگاهی پیدا کردند.
مزایا و معایب
از دهه 1970، استفاده از موتورهای دیزلی در خودروهای بزرگتر داخل و خارج از جاده در ایالات متحده افزایش یافته است. با توجه به انجمن تولیدکنندگان و سازندگان موتور بریتانیا، میانگین اتحادیه اروپا برای وسایل نقلیه دیزلی 50٪ از کل فروش است (از جمله 70٪ در فرانسه و 38٪ در بریتانیا).
در هوای سرد، راه اندازی موتورهای دیزلی پرسرعت می تواند دشوار باشد زیرا جرم بلوک و سرسیلندر گرمای تراکم را جذب می کند و به دلیل نسبت سطح به حجم بالاتر از اشتعال جلوگیری می کند. پیش از این، این واحدها از بخاری های الکتریکی کوچک در داخل محفظه هایی به نام شمع برق استفاده می کردند.
بازدید
بسیاری از موتورها از گرمکن های مقاومتی در منیفولد ورودی برای گرم کردن هوای ورودی و شروع به کار یا تا رسیدن به دمای کار استفاده می کنند. بخاری های بلوک موتور مقاومتی الکتریکی متصل به برق در آب و هوای سرد استفاده می شود. در چنین مواردی، برای کاهش زمان راه‌اندازی و فرسودگی، باید برای مدت طولانی (بیش از یک ساعت) روشن شود.
هیترهای بلوکیبرای منبع تغذیه اضطراری با ژنراتورهای دیزلی نیز استفاده می شوند که در صورت قطع برق باید به سرعت برق را تخلیه کنند. در گذشته، طیف گسترده‌تری از روش‌های شروع سرد استفاده می‌شد. برخی از موتورها، مانند دیترویت دیزل، از سیستمی برای وارد کردن مقادیر کمی اتر به منیفولد ورودی برای شروع احتراق استفاده کردند. برخی دیگر از سیستم ترکیبی با بخاری مقاوم در برابر سوختن متانول استفاده کرده اند. یک روش بداهه، به ویژه در موتورهای غیر فعال، اسپری دستی قوطی آئروسل مایع ضروری به جریان هوای ورودی است (معمولاً از طریق مجموعه فیلتر هوای ورودی).
تفاوت با موتورهای دیگر
شرایط دیزل با موتور جرقه زنی به دلیل چرخه ترمودینامیکی متفاوت متفاوت است. علاوه بر این، قدرت و سرعت چرخش آن به طور مستقیم توسط تامین سوخت کنترل می شود، و نه هوا، مانند یک موتور چرخه ای. دمای احتراق سوخت دیزل و بنزین نیز ممکن است متفاوت باشد.
موتورهای دیزلی متوسط نسبت قدرت به وزن کمتری نسبت به موتورهای بنزینی دارند. دلیل آن این است که دیزل به دلیل نیاز ساختاری به قطعات سنگین‌تر و قوی‌تر برای تحمل فشار عملیاتی، مجبور است با دور کمتری کار کند. همیشه ناشی از نسبت تراکم بالای موتور است که باعث افزایش نیروهای وارد بر قطعه در اثر نیروهای اینرسی می شود. برخی از دیزل ها برای استفاده تجاری هستند. این بارها در عمل تأیید شده است.
موتورهای دیزلی معمولاسکته مغزی طولانی داشته باشد اساساً این امر برای تسهیل دستیابی به نسبت تراکم مورد نیاز ضروری است. در نتیجه پیستون سنگین تر می شود. همین را می توان در مورد میله ها نیز گفت. نیروی بیشتری باید از طریق آنها و میل لنگ منتقل شود تا حرکت پیستون تغییر کند. این دلیل دیگری است که چرا یک موتور دیزلی باید برای همان قدرت خروجی موتور بنزینی قوی‌تر باشد.
