Hoří nafta? Pálí, a to dost silně. Jeho zbytek, který se nezúčastnil předem smíchaného spalování, je spotřebován ve fázi s proměnnou rychlostí spalování.
Spalování v dieselových motorech je velmi obtížné. Až do 90. let nebyly jeho detailní mechanismy dobře pochopeny. Teplota spalování motorové nafty ve spalovací komoře se také případ od případu lišila. Po celá desetiletí se zdálo, že složitost tohoto procesu vzdorovala pokusům výzkumníků odhalit jeho mnohá tajemství, a to navzdory dostupnosti moderních nástrojů, jako je vysokorychlostní fotografie používaná v „průhledných“motorech, výpočetní výkon moderních počítačů a mnoho matematických modelů. navržený pro simulaci spalování v naftě Aplikace listového laserového zobrazování na tradiční proces spalování nafty v 90. letech minulého století byla klíčem k výraznému zlepšení porozumění tomuto procesu.
Tento článek se bude týkatnejrozšířenější procesní model pro klasický vznětový motor. Toto konvenční spalování motorové nafty je primárně řízeno mícháním, ke kterému může dojít v důsledku difúze paliva a vzduchu před zapálením.
Spalovací teplota
Při jaké teplotě spaluje motorová nafta? Pokud se dříve tato otázka zdála obtížná, nyní na ni lze dát zcela jednoznačnou odpověď. Teplota spalování motorové nafty je asi 500-600 stupňů Celsia. Teplota musí být dostatečně vysoká, aby zapálila směs paliva a vzduchu. V chladných zemích, kde převládají nízké okolní teploty, měly motory žhavicí svíčku, která zahřívá sací otvor, aby pomohla nastartovat motor. Proto před nastartováním motoru vždy počkejte, dokud nezhasne ikona topení na palubní desce. Ovlivňuje také teplotu spalování motorové nafty. Podívejme se, jaké další nuance jsou v jeho práci.
Funkce
Hlavním předpokladem pro spalování motorové nafty v externě řízeném hořáku je jeho unikátní způsob uvolňování chemické energie v něm uložené. Aby bylo možné tento proces provést, musí mít k dispozici kyslík, aby se usnadnilo spalování. Jedním z nejdůležitějších aspektů tohoto procesu je mísení paliva a vzduchu, často označované jako předmíchání.
Naftový spalovací katalyzátor
U dieselových motorů se palivo často vstřikuje do válce motoru na konci kompresního zdvihu, jen několik stupňů úhlu klikového hřídele před horní úvratí. Kapalné palivo je obvykle vstřikováno vysokou rychlostí v jednom nebo více proudech malými otvory nebo tryskami ve špičce vstřikovače, rozprášeno na jemné kapičky a vstupuje do spalovací komory. Rozprášené palivo absorbuje teplo z okolního ohřátého stlačeného vzduchu, odpařuje se a mísí se s okolním vysokoteplotním vysokotlakým vzduchem. Jak se píst stále přibližuje k horní úvrati (TDC), teplota směsi (většinou vzduchu) dosáhne své zápalné teploty. Teplota spalování motorové nafty Webasto se neliší od teploty jiných druhů motorové nafty a dosahuje přibližně 500–600 stupňů.
Po určité době zpoždění zapalování dojde k rychlému vznícení některých předem smíchaných paliv a vzduchu. Toto rychlé zapálení je považováno za začátek spalování a je charakterizováno prudkým zvýšením tlaku ve válci, jak se spotřebovává směs vzduchu a paliva. Zvýšený tlak vyplývající z předem smíchaného spalování stlačuje a ohřívá nespálenou část vsázky a zkracuje prodlevu před jejím zapálením. Zvyšuje také rychlost odpařování zbývajícího paliva. Jeho stříkání, odpařování, míchání se vzduchem pokračuje, dokud se to celé nespálí. Teplota spalování petroleje a motorové nafty může být v tomto ohledu podobná.
Charakteristika
Nejprve se vypořádejme se zápisem: pak A je vzduch (kyslík), F je palivo. Spalování nafty se vyznačuje nízkým celkovým poměrem A/F. Nejnižší průměr A/F je často pozorován za podmínek špičkového točivého momentu. Aby se předešlo nadměrné tvorbě kouře, špičkový točivý moment A/F se typicky udržuje nad 25:1, což je výrazně nad stechiometrickým (chemicky správným) poměrem ekvivalence přibližně 14,4:1. To platí také pro všechny aktivátory spalování nafty.
U vznětových motorů přeplňovaných turbodmychadlem může poměr A/F při volnoběhu překročit 160:1. V důsledku toho se přebytečný vzduch přítomný ve válci po spálení paliva dále mísí s hořícími a již vyčerpanými plyny. Když se výfukový ventil otevře, přebytečný vzduch se vypustí spolu s produkty spalování, což vysvětluje oxidační povahu výfukových plynů nafty.
Kdy se spaluje nafta? K tomuto procesu dochází poté, co se odpařené palivo smísí se vzduchem za vzniku lokálně bohaté směsi. Také v této fázi je dosaženo správné teploty spalování motorové nafty. Celkový poměr A/F je však malý. Jinými slovy lze říci, že většina vzduchu vstupujícího do válce dieselového motoru je stlačena a ohřátá, ale nikdy se nezúčastní procesu spalování. Kyslík v přebytečném vzduchu pomáhá oxidovat plynné uhlovodíky a oxid uhelnatý, čímž je redukuje na extrémně nízké koncentrace ve výfukových plynech. Tento proces je mnohem důležitější než teplota spalování motorové nafty.
Factors
V procesu spalování nafty hrají hlavní roli následující faktory:
- Indukovaný náboj vzduchu, jeho teplota a jeho kinetická energie v několika dimenzích.
- Atomizace vstřikovaného paliva, penetrace rozstřiku, teplota a chemické vlastnosti.
Přestože jsou tyto dva faktory nejdůležitější, existují další parametry, které mohou výrazně ovlivnit výkon motoru. Ve spalovacím procesu hrají vedlejší, ale důležitou roli. Například:
- Provedení vstupu. Má silný vliv na pohyb plnicího vzduchu (zejména v okamžiku, kdy vstupuje do válce) a na rychlost míchání ve spalovacím prostoru. To může změnit teplotu spalování nafty v kotli.
- Konstrukce sacího otvoru může také ovlivnit teplotu plnicího vzduchu. Toho lze dosáhnout přenosem tepla z vodního pláště přes povrch vstupu.
- Velikost sacího ventilu. Řídí celkovou hmotnost vzduchu vpuštěného do válce za omezenou dobu.
- Kompresní poměr. Ovlivňuje odpařování, rychlost míchání a kvalitu spalování bez ohledu na teplotu spalování nafty v kotli.
- Vstřikovací tlak. Řídí dobu vstřikování pro daný parametr otevření trysky.
- Geometrie atomizace, která přímo ovlivňuje kvalitu a teplotu spalování nafty a benzínu proúčet využití vzduchu. Například větší úhel rozstřikovacího kužele může umístit palivo na horní část pístu a vně spalovací nádrže u dieselových motorů s otevřenou komorou DI. Tento stav může vést k nadměrnému „kouření“, protože palivu je odepřen přístup ke vzduchu. Široké úhly kužele mohou také způsobit rozstřikování paliva na stěny válce spíše než uvnitř spalovací komory, kde je to potřeba. Nastříkaný na stěnu válce se nakonec posune dolů do olejové vany a zkrátí životnost mazacího oleje. Protože úhel rozstřiku je jednou z proměnných, která ovlivňuje rychlost míšení vzduchu v proudu paliva poblíž výstupu vstřikovače, může mít významný vliv na celkový proces spalování.
- Konfigurace ventilu, která řídí polohu vstřikovače. Dvouventilové systémy vytvářejí nakloněnou polohu vstřikovače, což znamená nerovnoměrné rozstřikování. To vede k narušení míchání paliva a vzduchu. Na druhou stranu čtyřventilové konstrukce umožňují vertikální montáž vstřikovačů, symetrické rozprašování paliva a rovný přístup k dostupnému vzduchu pro každý atomizér.
- Poloha horního pístního kroužku. Řídí mrtvý prostor mezi horní částí pístu a vložkou válce. Tento mrtvý prostor zachycuje vzduch, který se stlačuje a expanduje, aniž by se účastnil procesu spalování. Proto je důležité pochopit, že systém vznětového motoru není omezen na spalovací komoru, vstřikovací trysky ajejich bezprostřední okolí. Spalování zahrnuje jakoukoli část nebo součást, která může ovlivnit konečný výsledek procesu. Proto by nikdo neměl pochybovat o tom, zda nafta hoří.
Další podrobnosti
Je známo, že spalování nafty je velmi chudé s poměrem A/F:
- 25:1 při maximálním točivém momentu.
- 30:1 při jmenovité rychlosti a maximálním výkonu.
- Více než 150:1 při volnoběhu u přeplňovaných motorů.
Tento přídavný vzduch však není součástí spalovacího procesu. Poměrně hodně se zahřívá a ubývá, následkem čehož ochuzuje výfuk nafty. I když je průměrný poměr vzduch-palivo nízký, pokud nebudou během procesu návrhu přijata správná opatření, mohou být oblasti spalovací komory bohaté na palivo a vést k nadměrným emisím kouře.
Spalovací komora
Klíčovým konstrukčním cílem je zajistit dostatečné promíchání paliva a vzduchu, aby se zmírnily účinky oblastí bohatých na palivo a umožnilo motoru dosáhnout svých cílů v oblasti výkonu a emisí. Bylo zjištěno, že turbulence v pohybu vzduchu ve spalovací komoře je prospěšná pro proces míchání a může být použita k dosažení tohoto cíle. Vír vytvořený vstupem může být zesílen a píst může vytvořitmačkání, když se přibližuje k hlavě válce, aby se umožnilo větší turbulence během komprese díky správné konstrukci misky v hlavě pístu.
Konstrukce spalovací komory má nejvýznamnější vliv na emise pevných částic. Může také ovlivnit nespálené uhlovodíky a CO. Přestože emise NOx závisí na konstrukci nádoby [De Risi 1999], vlastnosti velkého množství plynu hrají velmi důležitou roli v jejich hladinách výfukových plynů. Vzhledem ke kompromisu mezi NOx/PM se však konstrukce spalovacích komor musely vyvíjet, protože emisní limity NOx se snižovaly. To je nutné hlavně proto, aby se zabránilo nárůstu emisí PM, ke kterému by jinak došlo.
Optimalizace
Důležitým parametrem pro optimalizaci spalovacího systému nafty v motoru je podíl dostupného vzduchu zapojeného do tohoto procesu. Faktor K (poměr objemu misky pístu k vůli) je přibližnou mírou podílu vzduchu dostupného pro spalování. Snížení zdvihového objemu motoru vede ke snížení relativního koeficientu K a k tendenci zhoršovat spalovací charakteristiku. Pro daný zdvihový objem a při konstantním kompresním poměru lze K faktor zlepšit volbou delšího zdvihu. Výběr poměru vrtání válce k motoru může být ovlivněn faktorem K a řadou dalších faktorů, jako je balení motoru, vrtání a ventily atd.
Možné potíže
Zvlášť závažný problém při nastavováníMaximální poměr válce ke zdvihu spočívá ve velmi složitém balení hlavy válců. To je nezbytné pro čtyřventilovou konstrukci a systém vstřikování paliva common-rail se vstřikovačem umístěným uprostřed. Hlavy válců jsou složité kvůli mnoha kanálům, včetně vodního chlazení, upevňovacích šroubů hlavy válců, sacích a výfukových otvorů, vstřikovačů, žhavicích svíček, ventilů, dříků ventilů, vybrání a sedel a dalších kanálů používaných pro recirkulaci výfukových plynů u některých konstrukcí.
Spalovací komory v moderních vznětových motorech s přímým vstřikováním mohou být označovány jako otevřené nebo sekundární spalovací komory.
Otevřené kamery
Pokud má horní otvor misky v pístu menší průměr, než je maximum stejného parametru misky, pak se nazývá vratný. Takové misky mají "ret". Pokud ne, jedná se o otevřenou spalovací komoru. U dieselových motorů jsou tyto návrhy mexických kloboukových mís známé již od 20. let 20. století. Byly používány až do roku 1990 v těžkých motorech až do bodu, kdy se vratná mísa stala důležitější, než bývala. Tato forma spalovací komory je navržena pro relativně pokročilé doby vstřikování, kdy mísa obsahuje většinu hořících plynů. Není příliš vhodný pro strategie zpožděného vstřikování.
Dieselový motor
Je pojmenován po vynálezci Rudolfu Dieselovi. Jedná se o spalovací motor, u kterého je vznícení vstřikovaného paliva způsobeno zvýšenýmteplota vzduchu ve válci v důsledku mechanické komprese. Diesel funguje tak, že stlačuje pouze vzduch. To zvýší teplotu vzduchu uvnitř válce do takové míry, že se rozprášené palivo vstřikované do spalovací komory samovolně vznítí.
To se liší od zážehových motorů, jako je benzín nebo LPG (používá plynné palivo spíše než benzín). K zapálení směsi vzduchu a paliva používají zapalovací svíčku. U vznětových motorů lze použít žhavicí svíčky (ohřívače spalovací komory) pro usnadnění startování za chladného počasí a také při nízkých kompresních poměrech. Původní diesel pracuje na konstantním tlakovém cyklu postupného spalování a neprodukuje sonický třesk.
Obecné vlastnosti
Nafta má nejvyšší tepelnou účinnost ze všech praktických motorů s vnitřním a vnějším spalováním díky velmi vysokému expanznímu poměru a přirozenému chudému spalování, což umožňuje přebytečnému vzduchu odvádět teplo. Bez přímého vstřikování je také zabráněno malé ztrátě účinnosti, protože při uzavření ventilu není přítomno nespálené palivo a palivo neproudí přímo ze sacího (vstřikovacího) zařízení do výfukového potrubí. Nízkorychlostní dieselové motory, jako jsou ty, které se používají na lodích, mohou mít tepelnou účinnost přesahující 50 procent.
Naftové motory mohou být navrženy jako dvoutaktní nebo čtyřtaktní. Původně byly používány jakoúčinná náhrada za stacionární parní stroje. Od roku 1910 se používají na ponorkách a lodích. Později následovalo použití v lokomotivách, kamionech, těžké technice a elektrárnách. Ve třicátých letech minulého století našli místo v designu několika vozů.
Výhody a nevýhody
Od 70. let 20. století se v USA zvýšilo používání vznětových motorů ve větších silničních a terénních vozidlech. Podle British Society of Motor Manufacturers and Manufacturers je průměr EU pro dieselová vozidla 50 % celkových prodejů (mezi nimi 70 % ve Francii a 38 % ve Spojeném království).
V chladném počasí může být startování vysokootáčkových vznětových motorů obtížné, protože hmota bloku a hlavy válců pohlcuje kompresní teplo a brání vznícení kvůli vyššímu poměru povrchu k objemu. Dříve tyto jednotky používaly malé elektrické ohřívače uvnitř komor nazývané žhavicí svíčky.
Zobrazení
Mnoho motorů používá odporové ohřívače v sacím potrubí k ohřevu nasávaného vzduchu a ke spuštění nebo do dosažení provozní teploty. Elektrické odporové ohřívače bloku motoru připojené k elektrické síti se používají v chladném klimatu. V takových případech je potřeba jej zapnout na dlouhou dobu (více než hodinu), aby se zkrátila doba spouštění a opotřebení.
Blokové ohřívače se také používají pro nouzové napájení dieselových generátorů, které potřebují v případě výpadku proudu rychle vybít proud. V minulosti se používalo širší spektrum metod studeného startu. Některé motory, jako například Detroit Diesel, používaly systém k zavedení malého množství éteru do sacího potrubí, aby se zahájilo spalování. Jiní použili smíšený systém s odporovým ohřívačem spalujícím metanol. Improvizovaná metoda, zvláště u neběžících motorů, je ruční stříkání aerosolové plechovky základní kapaliny do proudu nasávaného vzduchu (obvykle přes sestavu filtru nasávaného vzduchu).
Odlišnosti od jiných motorů
Podmínky nafty se liší od zážehového motoru v důsledku odlišného termodynamického cyklu. Výkon a rychlost jeho rotace jsou navíc přímo řízeny přísunem paliva, a nikoli vzduchu, jako u cyklického motoru. Teplota spalování nafty a benzínu se také může lišit.
Průměrný vznětový motor má nižší poměr výkonu k hmotnosti než benzinový motor. Diesel totiž musí jet při nižších otáčkách kvůli konstrukční potřebě těžších a pevnějších dílů, aby vydržely provozní tlak. Je to vždy způsobeno vysokým kompresním poměrem motoru, který zvyšuje síly na díl vlivem setrvačných sil. Některé diesely jsou pro komerční použití. To se v praxi opakovaně potvrdilo.
Obvykle vznětové motorymít dlouhý zdvih. V zásadě je to nutné pro usnadnění dosažení požadovaných kompresních poměrů. V důsledku toho se píst stává těžším. Totéž lze říci o prutech. Přes ně a klikový hřídel se musí přenést větší síla, aby se změnila hybnost pístu. To je další důvod, proč musí být dieselový motor silnější pro stejný výkon jako benzínový motor.
