Nhiên liệu diesel có cháy không? Nó cháy, và khá mạnh. Phần cặn của nó không tham gia vào quá trình đốt hỗn hợp trước sẽ được tiêu thụ trong giai đoạn đốt cháy tốc độ thay đổi.
Quá trình đốt cháy trong động cơ diesel rất khó. Cho đến những năm 1990, các cơ chế chi tiết của nó vẫn chưa được hiểu rõ. Nhiệt độ cháy của nhiên liệu diesel trong buồng đốt cũng thay đổi theo từng trường hợp. Trong nhiều thập kỷ, sự phức tạp của quá trình này dường như bất chấp nỗ lực của các nhà nghiên cứu để làm sáng tỏ nhiều bí mật của nó, bất chấp sự sẵn có của các công cụ hiện đại như chụp ảnh tốc độ cao được sử dụng trong động cơ "trong suốt", sức mạnh xử lý của máy tính hiện đại và nhiều mô hình toán học được thiết kế để mô phỏng quá trình đốt cháy trong động cơ diesel Việc áp dụng hình ảnh laser tấm vào quy trình đốt cháy động cơ diesel truyền thống trong những năm 1990 là chìa khóa để cải thiện đáng kể sự hiểu biết về quy trình này.
Bài viết này sẽ đề cập đếnmô hình quy trình được thiết lập tốt nhất cho động cơ diesel cổ điển. Quá trình đốt cháy nhiên liệu diesel thông thường này chủ yếu được kiểm soát bằng cách trộn, có thể xảy ra do sự khuếch tán của nhiên liệu và không khí trước khi đánh lửa.
Nhiệt độ đốt
Nhiên liệu diesel cháy ở nhiệt độ nào? Nếu trước đây câu hỏi này có vẻ khó, thì bây giờ nó có thể được đưa ra một câu trả lời hoàn toàn rõ ràng. Nhiệt độ cháy của nhiên liệu diesel khoảng 500-600 độ C. Nhiệt độ phải đủ cao để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí. Ở các nước lạnh, nơi nhiệt độ môi trường thấp chiếm ưu thế, động cơ có một phích cắm phát sáng làm ấm cổng nạp để giúp khởi động động cơ. Đây là lý do tại sao bạn nên luôn đợi cho đến khi biểu tượng lò sưởi trên bảng điều khiển tắt trước khi khởi động động cơ. Nó cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ cháy của nhiên liệu diesel. Hãy xem xét những sắc thái khác trong công việc của anh ấy.
Tính năng
Điều kiện tiên quyết chính để đốt cháy nhiên liệu diesel trong một đầu đốt được điều khiển bên ngoài là cách độc đáo để giải phóng năng lượng hóa học được lưu trữ trong đó. Để thực hiện quá trình này, phải có oxy để tạo điều kiện cho quá trình cháy. Một trong những khía cạnh quan trọng nhất của quá trình này là trộn nhiên liệu và không khí, thường được gọi là trộn trước.
Xúc tác đốt cháy diesel
Trong động cơ diesel, nhiên liệu thường được phun vào xi lanh động cơ ở cuối hành trình nén, chỉ một vài độ góc trục khuỷu trước tâm điểm chết trên. Nhiên liệu lỏng thường được phun ở tốc độ cao trong một hoặc nhiều tia thông qua các lỗ nhỏ hoặc vòi phun trên đầu kim phun, được phun thành các giọt nhỏ và đi vào buồng đốt. Nhiên liệu được nguyên tử hóa hấp thụ nhiệt từ không khí nén được đốt nóng xung quanh, bay hơi và trộn với không khí áp suất cao có nhiệt độ cao xung quanh. Khi piston tiếp tục di chuyển đến gần tâm chết trên (TDC), nhiệt độ của hỗn hợp (chủ yếu là không khí) đạt đến nhiệt độ bốc cháy của nó. Nhiệt độ cháy của nhiên liệu diesel Webasto không khác gì so với các loại diesel khác, đạt khoảng 500-600 độ.
Sự đánh lửa nhanh của một số nhiên liệu và không khí trộn sẵn xảy ra sau một thời gian chậm đánh lửa. Sự đánh lửa nhanh chóng này được coi là sự bắt đầu của quá trình đốt cháy và được đặc trưng bởi sự gia tăng mạnh áp suất xi lanh khi hỗn hợp nhiên liệu không khí được tiêu thụ. Áp suất tăng lên do quá trình đốt cháy hỗn hợp trước nén và làm nóng phần điện tích chưa được đốt cháy và rút ngắn thời gian trễ trước khi nó bốc cháy. Nó cũng làm tăng tốc độ bay hơi của nhiên liệu còn lại. Sự phun, bay hơi, trộn lẫn với không khí của nó tiếp tục cho đến khi tất cả chúng bị đốt cháy. Nhiệt độ cháy của dầu hỏa và nhiên liệu diesel về mặt này có thể tương tự nhau.
Đặc
Đầu tiên, hãy giải quyết ký hiệu: khi đó A là không khí (oxy), F là nhiên liệu. Quá trình đốt cháy diesel được đặc trưng bởi tỷ số A / F tổng thể thấp. A / F trung bình thấp nhất thường được quan sát thấy trong điều kiện mô-men xoắn cực đại. Để tránh tạo khói quá mức, mô-men xoắn cực đại A / F thường được duy trì trên 25: 1, cao hơn nhiều so với tỷ lệ tương đương (đúng về mặt hóa học) khoảng 14,4: 1. Điều này cũng áp dụng cho tất cả các chất kích hoạt đốt cháy động cơ diesel.
Trong động cơ diesel tăng áp, tỷ lệ A / F khi không tải có thể vượt quá 160: 1. Do đó, không khí dư có trong xi lanh sau quá trình đốt cháy nhiên liệu tiếp tục trộn với các khí đã cháy và đã cạn kiệt. Khi van xả được mở, không khí thừa sẽ thoát ra ngoài cùng với các sản phẩm của quá trình đốt cháy, điều này giải thích bản chất oxy hóa của khí thải động cơ diesel.
Khi nào nhiên liệu diesel cháy? Quá trình này xảy ra sau khi nhiên liệu hóa hơi trộn với không khí để tạo thành một hỗn hợp giàu cục bộ. Cũng ở giai đoạn này, nhiệt độ cháy thích hợp của nhiên liệu điêzen đạt được. Tuy nhiên, tỷ lệ A / F tổng thể là nhỏ. Nói cách khác, có thể nói rằng phần lớn không khí đi vào xi lanh của động cơ điêzen được nén và đốt nóng, nhưng không bao giờ tham gia vào quá trình cháy. Oxy trong không khí dư thừa sẽ giúp oxy hóa hydrocacbon ở thể khí và carbon monoxide, giảm chúng xuống nồng độ cực thấp trong khí thải. Quá trình này quan trọng hơn nhiều so với nhiệt độ cháy của nhiên liệu diesel.
Yếu tố
Các yếu tố sau đóng vai trò chính trong quá trình đốt cháy động cơ diesel:
- Điện tích cảm ứng của không khí, nhiệt độ và động năng của nó theo một số chiều.
- Nguyên tử hóa nhiên liệu phun vào, sự xâm nhập của tia nước, nhiệt độ và đặc tính hóa học.
Mặc dù hai yếu tố này là quan trọng nhất, nhưng có những thông số khác có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất động cơ. Chúng đóng một vai trò thứ yếu nhưng quan trọng trong quá trình đốt cháy. Ví dụ:
- Thiết kế của cửa vào. Nó có ảnh hưởng mạnh mẽ đến chuyển động của không khí nạp (đặc biệt là tại thời điểm nó đi vào xi lanh) và đến tốc độ hòa trộn trong buồng đốt. Điều này có thể thay đổi nhiệt độ đốt cháy của nhiên liệu diesel trong lò hơi.
- Thiết kế của cổng nạp cũng có thể ảnh hưởng đến nhiệt độ không khí nạp. Điều này có thể đạt được bằng cách truyền nhiệt từ áo nước qua diện tích bề mặt của đầu vào.
- Kích thước van nạp. Kiểm soát tổng khối lượng không khí được đưa vào xi lanh trong một thời gian hữu hạn.
- Tỷ số nén. Nó ảnh hưởng đến sự bay hơi, tốc độ trộn và chất lượng đốt cháy, bất kể nhiệt độ đốt cháy của nhiên liệu diesel trong lò hơi.
- Áp suất phun. Nó kiểm soát thời lượng phun cho một thông số mở đầu phun nhất định.
- Hình dạng nguyên tử hóa, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và nhiệt độ cháy của nhiên liệu diesel và xăng chotài khoản sử dụng hàng không. Ví dụ, góc hình nón phun lớn hơn có thể đặt nhiên liệu lên trên piston và bên ngoài thùng đốt trong động cơ diesel DI buồng hở. Tình trạng này có thể dẫn đến "bốc khói" quá mức vì nhiên liệu bị từ chối tiếp cận với không khí. Góc côn rộng cũng có thể khiến nhiên liệu bắn tung tóe trên thành xi-lanh chứ không phải bên trong buồng đốt nơi cần thiết. Được phun lên thành xi lanh, cuối cùng nó sẽ di chuyển xuống chảo dầu, làm giảm tuổi thọ của dầu bôi trơn. Vì góc phun là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ hòa trộn không khí trong tia nhiên liệu gần cửa ra của kim phun, nên nó có thể có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình đốt cháy tổng thể.
- Cấu hình van điều khiển vị trí của kim phun. Hệ thống hai van tạo ra vị trí kim phun nghiêng, nghĩa là phun không đều. Điều này dẫn đến vi phạm sự trộn lẫn nhiên liệu và không khí. Mặt khác, thiết kế bốn van cho phép lắp kim phun thẳng đứng, phun nhiên liệu đối xứng và khả năng tiếp cận bình đẳng với không khí có sẵn cho mỗi đầu phun.
- Vị trí của vòng piston trên. Nó kiểm soát không gian chết giữa đỉnh của piston và ống lót xi lanh. Không gian chết này giữ không khí nén và giãn nở mà thậm chí không tham gia vào quá trình đốt cháy. Do đó, điều quan trọng là phải hiểu rằng hệ thống động cơ diesel không giới hạn ở buồng đốt, vòi phun vàmôi trường ngay lập tức của họ. Quá trình đốt cháy bao gồm bất kỳ bộ phận hoặc thành phần nào có thể ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng của quá trình. Do đó, không ai phải nghi ngờ về việc liệu nhiên liệu diesel có cháy hay không.
Chi tiết khác
Quá trình đốt cháy diesel được biết là rất nhỏ với tỷ lệ A / F:
- 25: 1 ở mô-men xoắn cực đại.
- 30: 1 ở tốc độ định mức và công suất tối đa.
- Hơn 150: 1 khi không tải đối với động cơ tăng áp.
Tuy nhiên, không khí bổ sung này không được bao gồm trong quá trình đốt cháy. Nó nóng lên khá nhiều và cạn kiệt, do đó khí thải động cơ diesel trở nên kém. Mặc dù tỷ lệ nhiên liệu không khí trung bình thấp, nhưng nếu không áp dụng các biện pháp thích hợp trong quá trình thiết kế, các khu vực buồng đốt có thể chứa nhiều nhiên liệu và dẫn đến phát thải khói quá nhiều.
Buồng đốt
Mục tiêu thiết kế chính là đảm bảo trộn đủ nhiên liệu và không khí để giảm thiểu tác động của các khu vực giàu nhiên liệu và cho phép động cơ đạt được các mục tiêu về hiệu suất và lượng khí thải. Người ta nhận thấy rằng chuyển động hỗn loạn của không khí trong buồng đốt có lợi cho quá trình trộn và có thể được sử dụng để đạt được điều này. Dòng xoáy được tạo ra bởi đầu vào có thể được khuếch đại và piston có thể tạo raép khi nó đến gần đầu xi lanh để tạo ra nhiều nhiễu động hơn trong quá trình nén do thiết kế cốc chính xác ở đầu piston.
Thiết kế buồng đốt có tác động đáng kể nhất đến phát thải dạng hạt. Nó cũng có thể ảnh hưởng đến các hydrocacbon và CO chưa cháy. Mặc dù lượng phát thải NOx phụ thuộc vào thiết kế của bát [De Risi 1999], các đặc tính của khí khối đóng một vai trò rất quan trọng đối với mức khí thải của chúng. Tuy nhiên, do sự cân bằng NOx / PM, các thiết kế lò đốt phải phát triển khi giới hạn phát thải NOx giảm xuống. Điều này chủ yếu là bắt buộc để tránh sự gia tăng phát thải PM nếu không sẽ xảy ra.
Tối ưu hóa
Một thông số quan trọng để tối ưu hóa hệ thống đốt cháy nhiên liệu diesel trong động cơ là tỷ lệ không khí có sẵn tham gia vào quá trình này. Hệ số K (tỷ lệ giữa thể tích cốc piston và khe hở) là một số đo gần đúng về tỷ lệ không khí có sẵn cho quá trình đốt cháy. Giảm dịch chuyển của động cơ dẫn đến giảm hệ số tương đối K và có xu hướng xấu đi các đặc tính cháy. Đối với một chuyển vị nhất định và ở tỷ lệ nén không đổi, hệ số K có thể được cải thiện bằng cách chọn hành trình dài hơn. Việc lựa chọn tỷ lệ đường kính xylanh trên động cơ có thể bị ảnh hưởng bởi hệ số K và một số yếu tố khác như bao bì động cơ, lỗ khoan và van, v.v.
Khó khăn có thể xảy ra
Một vấn đề đặc biệt quan trọng khi thiết lậpTỷ lệ tối đa của xi lanh trên hành trình nằm trong bao bì rất phức tạp của đầu xi lanh. Điều này là cần thiết để phù hợp với thiết kế bốn van và hệ thống phun nhiên liệu đường ray chung với kim phun nằm ở trung tâm. Đầu xi lanh phức tạp do có nhiều kênh, bao gồm nước làm mát, bu lông giữ đầu xi lanh, cổng nạp và xả, kim phun, phích cắm phát sáng, van, thân van, hốc và ghế ngồi, và các kênh khác được sử dụng để tuần hoàn khí thải trong một số thiết kế.
Buồng đốt trong động cơ diesel phun trực tiếp hiện đại có thể được gọi là buồng đốt hở hoặc buồng đốt thứ cấp.
Mở máy ảnh
Nếu lỗ trên của bát trong piston có đường kính nhỏ hơn đường kính lớn nhất của cùng thông số bát thì nó được gọi là có thể quay lại. Những chiếc bát như vậy có một "môi". Nếu không, thì đây là một buồng đốt hở. Trong động cơ diesel, những thiết kế hình chiếc bát đội mũ Mexico này đã được biết đến từ những năm 1920. Chúng được sử dụng cho đến năm 1990 trong các động cơ hạng nặng, đến mức chiếc bát quay trở nên quan trọng hơn trước đây. Dạng buồng đốt này được thiết kế cho thời gian phun tương đối tiên tiến, trong đó bát chứa hầu hết các khí cháy. Nó không phù hợp cho các chiến lược tiêm trễ.
Động cơ diesel
Nó được đặt theo tên của nhà phát minh Rudolf Diesel. Nó là một động cơ đốt trong, trong đó sự đánh lửa của nhiên liệu phun vào được gây ra bởinhiệt độ không khí trong xilanh do quá trình nén cơ học. Diesel hoạt động bằng cách nén không khí duy nhất. Điều này làm tăng nhiệt độ của không khí bên trong xi lanh đến mức nhiên liệu được phun vào buồng đốt sẽ tự bốc cháy.
Điều này khác với động cơ đánh lửa bằng tia lửa điện như xăng hoặc LPG (sử dụng nhiên liệu khí chứ không phải xăng). Họ sử dụng một bugi để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu không khí. Trong động cơ diesel, phích cắm phát sáng (bộ sưởi buồng đốt) có thể được sử dụng để hỗ trợ khởi động trong thời tiết lạnh và cả ở tỷ số nén thấp. Động cơ diesel nguyên bản hoạt động theo chu kỳ áp suất không đổi đốt cháy dần dần và không tạo ra âm thanh bùng nổ.
Đặc điểm chung
Diesel có hiệu suất nhiệt cao nhất so với bất kỳ động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài thực tế nào do tỷ lệ giãn nở rất cao và quá trình đốt cháy nạc vốn có, cho phép không khí thừa tản nhiệt. Việc giảm hiệu suất nhỏ cũng được ngăn ngừa mà không cần phun trực tiếp, vì nhiên liệu chưa cháy sẽ không xuất hiện khi van đóng và nhiên liệu không chảy trực tiếp từ thiết bị nạp (kim phun) đến ống xả. Động cơ diesel tốc độ thấp, chẳng hạn như động cơ dùng trong tàu thủy, có thể có hiệu suất nhiệt vượt quá 50%.
Khuôn có thể được thiết kế như hai thì hoặc bốn thì. Ban đầu chúng được sử dụng nhưthay thế hiệu quả cho động cơ hơi nước đứng yên. Kể từ năm 1910, chúng đã được sử dụng trên tàu ngầm và tàu thủy. Sử dụng trong đầu máy xe lửa, xe tải, thiết bị nặng và các nhà máy điện sau này. Vào những năm ba mươi của thế kỷ trước, họ đã tìm thấy một vị trí trong thiết kế của một số chiếc xe hơi.
Ưu nhược điểm
Kể từ những năm 1970, việc sử dụng động cơ diesel trên các phương tiện địa hình và địa hình lớn hơn ở Mỹ đã tăng lên. Theo Hiệp hội các nhà sản xuất và chế tạo động cơ của Anh, mức trung bình của EU đối với xe chạy bằng động cơ diesel là 50% tổng doanh số bán hàng (trong đó 70% ở Pháp và 38% ở Anh).
Trong thời tiết lạnh, việc khởi động động cơ diesel ở tốc độ cao có thể khó khăn vì khối lượng của khối và đầu xi lanh hấp thụ nhiệt nén, ngăn cản sự bắt lửa do tỷ lệ bề mặt trên thể tích cao hơn. Trước đây, các thiết bị này sử dụng lò sưởi điện nhỏ bên trong các buồng được gọi là phích cắm phát sáng.
Lượt xem
Nhiều động cơ sử dụng bộ gia nhiệt điện trở trong đường ống nạp để làm nóng khí nạp và khởi động hoặc cho đến khi đạt đến nhiệt độ vận hành. Máy sưởi khối động cơ điện trở kết nối với nguồn điện được sử dụng ở vùng có khí hậu lạnh. Trong những trường hợp như vậy, nó cần được bật trong thời gian dài (hơn một giờ) để giảm thời gian khởi động và hao mòn.
Máy sưởiBlock còn được sử dụng để cấp nguồn khẩn cấp cho máy phát điện chạy dầu, cần ngắt điện nhanh chóng trong trường hợp mất điện. Trong quá khứ, nhiều phương pháp khởi động nguội đã được sử dụng. Một số động cơ, chẳng hạn như Detroit Diesel, sử dụng hệ thống đưa một lượng nhỏ ete vào đường ống nạp để bắt đầu đốt cháy. Những người khác đã sử dụng một hệ thống hỗn hợp với một bộ gia nhiệt điện trở đốt metanol. Một phương pháp ngẫu hứng, đặc biệt là đối với động cơ không chạy, là phun thủ công một bình khí dung chứa chất lỏng cần thiết vào dòng khí nạp (thường là thông qua cụm bộ lọc khí nạp).
Sự khác biệt so với các động cơ khác
Điều kiện động cơ diesel khác với động cơ đánh lửa do chu trình nhiệt động khác nhau. Ngoài ra, công suất và tốc độ quay của nó được điều khiển trực tiếp bởi nguồn cung cấp nhiên liệu chứ không phải không khí như trong động cơ tuần hoàn. Nhiệt độ cháy của nhiên liệu diesel và xăng cũng có thể khác nhau.
Động cơ diesel trung bình có tỷ lệ công suất trên trọng lượng thấp hơn động cơ xăng. Điều này là do động cơ diesel phải chạy ở tốc độ RPM thấp hơn do cấu trúc cần các bộ phận nặng hơn và chắc hơn để chịu được áp suất vận hành. Nguyên nhân luôn luôn là do tỷ số nén của động cơ cao làm tăng lực tác dụng lên chi tiết do lực quán tính. Một số động cơ diesel được sử dụng cho mục đích thương mại. Điều này đã được xác nhận nhiều lần trong thực tế.
Động cơ diesel thườngcó một nét vẽ dài. Về cơ bản, điều này là cần thiết để tạo điều kiện thuận lợi cho việc đạt được các tỷ lệ nén cần thiết. Kết quả là, piston trở nên nặng hơn. Điều tương tự cũng có thể nói về các que. Phải truyền thêm lực qua chúng và trục khuỷu để thay đổi động lượng của piston. Đây là một lý do khác tại sao động cơ diesel cần phải mạnh hơn để có công suất tương đương với động cơ xăng.
