Brandt dieselbrandstof? Het brandt, en vrij sterk. Het residu dat niet deelnam aan de voorgemengde verbranding, wordt verbruikt in de verbrandingsfase met variabele snelheid.
Verbranding in dieselmotoren is erg moeilijk. Tot de jaren negentig werden de gedetailleerde mechanismen ervan niet goed begrepen. De verbrandingstemperatuur van dieselbrandstof in de verbrandingskamer varieerde ook van geval tot geval. Decennia lang leek de complexiteit van dit proces de pogingen van onderzoekers om de vele geheimen te ontrafelen te trotseren, ondanks de beschikbaarheid van moderne hulpmiddelen zoals hogesnelheidsfotografie die wordt gebruikt in "transparante" motoren, de verwerkingskracht van moderne computers en veel wiskundige modellen ontworpen om verbranding in diesel te simuleren De toepassing van plaatlaserbeeldvorming op het traditionele verbrandingsproces van diesel in de jaren negentig was de sleutel tot een aanzienlijk beter begrip van dit proces.
Dit artikel gaat overhet meest gevestigde procesmodel voor een klassieke dieselmotor. Deze conventionele verbranding van dieselbrandstof wordt voornamelijk gecontroleerd door vermenging, wat kan optreden als gevolg van de diffusie van brandstof en lucht vóór ontsteking.
Verbrandingstemperatuur
Op welke temperatuur verbrandt dieselbrandstof? Als deze vraag eerder moeilijk leek, kan nu een volledig ondubbelzinnig antwoord worden gegeven. De verbrandingstemperatuur van dieselbrandstof is ongeveer 500-600 graden Celsius. De temperatuur moet hoog genoeg zijn om het mengsel van brandstof en lucht te ontsteken. In koude landen waar lage omgevingstemperaturen overheersen, hadden motoren een gloeibougie die de inlaatpoort verwarmt om de motor te helpen starten. Daarom moet u altijd wachten tot het verwarmingspictogram op het dashboard uitgaat voordat u de motor start. Het beïnvloedt ook de verbrandingstemperatuur van dieselbrandstof. Laten we eens kijken welke andere nuances er in zijn werk zijn.
Kenmerken
De belangrijkste voorwaarde voor het verbranden van dieselbrandstof in een extern geregelde brander is de unieke manier om de chemische energie die erin is opgeslagen vrij te geven. Om dit proces uit te voeren, moet zuurstof beschikbaar zijn om de verbranding te vergemakkelijken. Een van de belangrijkste aspecten van dit proces is het mengen van brandstof en lucht, ook wel voormengen genoemd.
Dieselverbrandingskatalysator
Bij dieselmotoren wordt brandstof vaak in de motorcilinder geïnjecteerd aan het einde van de compressieslag, slechts enkele graden van de krukashoek voor het bovenste dode punt. De vloeibare brandstof wordt gewoonlijk met hoge snelheid in een of meer jets geïnjecteerd door kleine gaatjes of sproeiers in de injectorpunt, verneveld tot fijne druppeltjes en komt de verbrandingskamer binnen. De vernevelde brandstof absorbeert warmte van de omringende verwarmde perslucht, verdampt en vermengt zich met de omringende hoge temperatuur hogedruklucht. Naarmate de zuiger dichter bij het bovenste dode punt (BDP) komt, bereikt de temperatuur van het mengsel (meestal lucht) de ontstekingstemperatuur. De verbrandingstemperatuur van Webasto-dieselbrandstof verschilt niet van die van andere dieselsoorten en bereikt ongeveer 500-600 graden.
Snelle ontsteking van sommige voorgemengde brandstof en lucht vindt plaats na een periode van ontstekingsvertraging. Deze snelle ontsteking wordt beschouwd als het begin van de verbranding en wordt gekenmerkt door een sterke stijging van de cilinderdruk naarmate het lucht-brandstofmengsel wordt verbruikt. De verhoogde druk als gevolg van voorgemengde verbranding comprimeert en verwarmt het onverbrande deel van de lading en verkort de vertraging voordat het ontsteekt. Het verhoogt ook de verdampingssnelheid van de resterende brandstof. Het sproeien, verdampen en mengen met lucht gaat door totdat alles is verbrand. De verbrandingstemperatuur van kerosine en dieselbrandstof kan in dit opzicht vergelijkbaar zijn.
Karakteristiek
Laten we eerst de notatie behandelen: dan is A lucht (zuurstof), F is brandstof. Dieselverbranding wordt gekenmerkt door een lage algemene A/F-verhouding. De laagste gemiddelde A/F wordt vaak waargenomen bij piekkoppelomstandigheden. Om overmatige rookontwikkeling te voorkomen, wordt het piekkoppel A/F doorgaans boven 25:1 gehouden, ruim boven de stoichiometrische (chemisch correcte) equivalentieverhouding van ongeveer 14,4:1. Dit geldt ook voor alle dieselverbrandingsactivators.
In dieselmotoren met turbocompressor kan de A/F-verhouding bij stationair toerental hoger zijn dan 160:1. Hierdoor blijft de overtollige lucht die na de verbranding van de brandstof in de cilinder aanwezig is zich vermengen met de brandende en reeds afgevoerde gassen. Wanneer de uitlaatklep wordt geopend, wordt overtollige lucht samen met de verbrandingsproducten afgevoerd, wat de oxidatieve aard van dieseluitlaatgassen verklaart.
Wanneer brandt dieselbrandstof? Dit proces vindt plaats nadat de verdampte brandstof zich vermengt met lucht om een lokaal rijk mengsel te vormen. Ook in dit stadium wordt de juiste verbrandingstemperatuur van dieselbrandstof bereikt. De algehele A/F-verhouding is echter klein. Met andere woorden, het kan worden gezegd dat de meeste lucht die de cilinder van een dieselmotor binnenkomt, wordt gecomprimeerd en verwarmd, maar nooit deelneemt aan het verbrandingsproces. De zuurstof in de overtollige lucht helpt bij het oxideren van gasvormige koolwaterstoffen en koolmonoxide, waardoor deze in de uitlaatgassen tot extreem lage concentraties worden teruggebracht. Dit proces is veel belangrijker dan de verbrandingstemperatuur van dieselbrandstof.
Factoren
De volgende factoren spelen een grote rol bij het verbrandingsproces van diesel:
- De geïnduceerde lading van lucht, zijn temperatuur en zijn kinetische energie in verschillende dimensies.
- Atomisering van ingespoten brandstof, spatpenetratie, temperatuur en chemische eigenschappen.
Hoewel deze twee factoren de belangrijkste zijn, zijn er andere parameters die de motorprestaties aanzienlijk kunnen beïnvloeden. Ze spelen een secundaire maar belangrijke rol in het verbrandingsproces. Bijvoorbeeld:
- Ontwerp van de inlaat. Het heeft een sterke invloed op de beweging van de inlaatlucht (vooral op het moment dat deze de cilinder binnenkomt) en op de mengsnelheid in de verbrandingskamer. Dit kan de verbrandingstemperatuur van dieselbrandstof in de ketel veranderen.
- Het ontwerp van de inlaatpoort kan ook de temperatuur van de inlaatlucht beïnvloeden. Dit kan worden bereikt door warmte van de watermantel over te brengen via het oppervlak van de inlaat.
- Inlaatklep maat. Regelt de totale hoeveelheid lucht die wordt toegelaten tot de cilinder gedurende een eindige tijd.
- Compressieverhouding. Het beïnvloedt de verdamping, de mengsnelheid en de verbrandingskwaliteit, ongeacht de verbrandingstemperatuur van de dieselbrandstof in de ketel.
- Injectiedruk. Het regelt de injectieduur voor een gegeven mondstukopeningsparameter.
- Atomiseringsgeometrie, die rechtstreeks van invloed is op de kwaliteit en verbrandingstemperatuur van dieselbrandstof en benzine vooraccount voor luchtgebruik. Een grotere sproeikegelhoek kan bijvoorbeeld brandstof bovenop de zuiger en buiten de verbrandingstank plaatsen in DI-dieselmotoren met open kamer. Deze toestand kan leiden tot overmatig "roken", omdat de brandstof de toegang tot lucht wordt ontzegd. Grote kegelhoeken kunnen er ook voor zorgen dat brandstof op de cilinderwanden spettert in plaats van in de verbrandingskamer waar het nodig is. Als het op de cilinderwand wordt gespoten, zal het uiteindelijk in het oliecarter terechtkomen, waardoor de levensduur van de smeerolie wordt verkort. Omdat de sproeihoek een van de variabelen is die van invloed is op de mate van luchtmenging in de brandstofstraal nabij de uitlaat van de injector, kan deze een significant effect hebben op het algehele verbrandingsproces.
- Klepconfiguratie die de positie van de injector regelt. Systemen met twee kleppen creëren een gekantelde injectorpositie, wat ongelijkmatig spuiten betekent. Dit leidt tot een schending van de vermenging van brandstof en lucht. Aan de andere kant maken ontwerpen met vier kleppen een verticale injectormontage, symmetrische brandstofverneveling en gelijke toegang tot beschikbare lucht voor elke verstuiver mogelijk.
- Positie van de bovenste zuigerveer. Het regelt de dode ruimte tussen de bovenkant van de zuiger en de cilindervoering. Deze dode ruimte houdt lucht vast die comprimeert en uitzet zonder zelfs maar deel te nemen aan het verbrandingsproces. Daarom is het belangrijk om te begrijpen dat het dieselmotorsysteem niet beperkt is tot de verbrandingskamer, verstuivers enhun directe omgeving. Verbranding omvat elk onderdeel of component dat het eindresultaat van het proces kan beïnvloeden. Daarom hoeft niemand eraan te twijfelen of dieselbrandstof brandt.
Overige details
Dieselverbranding staat bekend als zeer arm met A/F-verhouding:
- 25:1 bij piekkoppel.
- 30:1 bij nominale snelheid en maximaal vermogen.
- Meer dan 150:1 bij stationair toerental voor motoren met turbocompressor.
Deze extra lucht wordt echter niet meegenomen in het verbrandingsproces. Het warmt behoorlijk op en raakt uitgeput, waardoor de dieseluitlaat slecht wordt. Ook al is de gemiddelde lucht-brandstofverhouding slecht, als er tijdens het ontwerpproces geen passende maatregelen worden genomen, kunnen verbrandingskamergebieden rijk zijn aan brandstof en resulteren in overmatige rookemissies.
Verbrandingskamer
Een belangrijk ontwerpdoel is om te zorgen voor voldoende vermenging van brandstof en lucht om de effecten van brandstofrijke gebieden te verminderen en de motor in staat te stellen zijn prestatie- en emissiedoelstellingen te bereiken. Gebleken is dat turbulentie in de beweging van lucht binnen de verbrandingskamer gunstig is voor het mengproces en kan worden gebruikt om dit te bereiken. De vortex gecreëerd door de inlaat kan worden versterkt en de zuiger kan creërenknijpen als het de cilinderkop nadert om meer turbulentie mogelijk te maken tijdens de compressie vanwege het juiste bekerontwerp in de zuigerkop.
Het ontwerp van de verbrandingskamer heeft de grootste impact op de uitstoot van deeltjes. Het kan ook onverbrande koolwaterstoffen en CO aantasten. Hoewel de NOx-emissies afhankelijk zijn van het ontwerp van de kom [De Risi 1999], spelen de eigenschappen van het bulkgas een zeer belangrijke rol in hun uitlaatgasniveaus. Vanwege de NOx/PM-afweging moesten de verbrandingsontwerpen echter evolueren naarmate de NOx-emissielimieten daalden. Dit is voornamelijk nodig om de toename van de PM-emissies te voorkomen die anders zou optreden.
Optimalisatie
Een belangrijke parameter voor het optimaliseren van het verbrandingssysteem van dieselbrandstof in de motor is het aandeel beschikbare lucht dat bij dit proces betrokken is. De K-factor (verhouding tussen het volume van de zuigerbeker en de speling) is een geschatte maat voor het aandeel lucht dat beschikbaar is voor verbranding. Het verminderen van de cilinderinhoud van de motor leidt tot een afname van de relatieve coëfficiënt K en tot een neiging tot verslechtering van de verbrandingseigenschappen. Bij een gegeven cilinderinhoud en bij een constante compressieverhouding kan de K-factor worden verbeterd door een langere slag te kiezen. De keuze van de verhouding tussen cilinderboring en motor kan worden beïnvloed door de K-factor en een aantal andere factoren, zoals motorverpakking, boringen en kleppen, enzovoort.
Mogelijke moeilijkheden
Een bijzonder groot probleem bij het opzettenDe maximale verhouding cilinder/slag zit in de zeer complexe verpakking van de cilinderkop. Dit is nodig om plaats te bieden aan het ontwerp met vier kleppen en het common-rail brandstofinjectiesysteem met de injector in het midden. Cilinderkoppen zijn complex vanwege de vele kanalen, waaronder waterkoeling, cilinderkopbevestigingsbouten, inlaat- en uitlaatpoorten, injectoren, gloeibougies, kleppen, klepstelen, uitsparingen en zittingen en andere kanalen die in sommige ontwerpen worden gebruikt voor uitlaatgasrecirculatie.
Verbrandingskamers in moderne dieselmotoren met directe injectie kunnen worden aangeduid als open of secundaire verbrandingskamers.
Open camera's
Als het bovenste gat van de kom in de zuiger een kleinere diameter heeft dan het maximum van dezelfde komparameter, wordt dit retourneerbaar genoemd. Dergelijke kommen hebben een "lip". Zo niet, dan is dit een open verbrandingskamer. In dieselmotoren zijn deze Mexicaanse hoedkomontwerpen bekend sinds de jaren 1920. Ze werden tot 1990 gebruikt in zware motoren tot het punt waarop de retourkom belangrijker werd dan vroeger. Deze vorm van verbrandingskamer is ontworpen voor relatief geavanceerde injectietijden, waarbij de kom de meeste brandende gassen bevat. Het is niet erg geschikt voor uitgestelde injectiestrategieën.
Dieselmotor
Het is vernoemd naar uitvinder Rudolf Diesel. Het is een verbrandingsmotor waarbij de ontsteking van de ingespoten brandstof wordt veroorzaakt door een verhoogdeluchttemperatuur in de cilinder door mechanische compressie. Diesel werkt door alleen lucht te comprimeren. Dit verhoogt de temperatuur van de lucht in de cilinder zodanig dat de vernevelde brandstof die in de verbrandingskamer wordt geïnjecteerd spontaan ontbrandt.
Dit is anders dan bij motoren met vonkontsteking, zoals benzine of LPG (die gasvormige brandstof gebruiken in plaats van benzine). Ze gebruiken een bougie om het lucht-brandstofmengsel te ontsteken. In dieselmotoren kunnen gloeibougies (verwarmers in de verbrandingskamer) worden gebruikt om het starten bij koud weer en ook bij lage compressieverhoudingen te vergemakkelijken. De originele diesel werkt op een constante drukcyclus van geleidelijke verbranding en produceert geen sonische knal.
Algemene kenmerken
Diesel heeft het hoogste thermische rendement van alle praktische interne en externe verbrandingsmotoren dankzij zijn zeer hoge expansieverhouding en inherente magere verbranding, waardoor overtollige lucht warmte kan afvoeren. Een klein rendementsverlies wordt ook voorkomen zonder directe injectie, aangezien er geen onverbrande brandstof aanwezig is wanneer de klep sluit en brandstof niet rechtstreeks van het inlaatsysteem (injector) naar de uitlaatpijp stroomt. Dieselmotoren met een laag toerental, zoals die in schepen worden gebruikt, kunnen een thermisch rendement van meer dan 50 procent hebben.
Diesels kunnen worden ontworpen als tweetakt of viertakt. Ze werden oorspronkelijk gebruikt alseffectieve vervanging voor stationaire stoommachines. Sinds 1910 worden ze gebruikt op onderzeeërs en schepen. Gebruik in locomotieven, vrachtwagens, zwaar materieel en krachtcentrales volgden later. In de jaren dertig van de vorige eeuw vonden ze een plaats in het ontwerp van meerdere auto's.
Voor- en nadelen
Sinds de jaren 70 is het gebruik van dieselmotoren in grotere on- en off-road voertuigen in de VS toegenomen. Volgens de British Society of Motor Manufacturers and Manufacturers is het EU-gemiddelde voor dieselvoertuigen 50% van de totale verkoop (waaronder 70% in Frankrijk en 38% in het VK).
Bij koud weer kan het starten van snelle dieselmotoren moeilijk zijn, omdat de massa van het blok en de cilinderkop de compressiewarmte absorbeert, waardoor ontsteking wordt voorkomen vanwege de hogere oppervlakte-volumeverhouding. Voorheen gebruikten deze units kleine elektrische verwarmingen in kamers die gloeibougies worden genoemd.
Beelden
Veel motoren gebruiken weerstandsverwarmers in het inlaatspruitstuk om de inlaatlucht te verwarmen en om te starten of totdat de bedrijfstemperatuur is bereikt. Elektrisch resistieve motorblokverwarmers die op het lichtnet zijn aangesloten, worden gebruikt in koude klimaten. In dergelijke gevallen moet het gedurende een lange tijd (meer dan een uur) ingeschakeld zijn om de opstarttijd en slijtage te verminderen.
Blokverwarmers worden ook gebruikt voor noodstroomvoorzieningen met dieselgeneratoren, die bij stroomuitval snel van stroom moeten worden voorzien. In het verleden is een grotere verscheidenheid aan koudestartmethoden gebruikt. Sommige motoren, zoals de Detroit Diesel, gebruikten een systeem om kleine hoeveelheden ether in het inlaatspruitstuk te brengen om de verbranding te starten. Anderen hebben een gemengd systeem gebruikt met een weerstandsverwarmer die op methanol brandt. Een geïmproviseerde methode, vooral bij niet-lopende motoren, is om handmatig een spuitbus met essentiële vloeistof in de inlaatluchtstroom te spuiten (meestal via het inlaatluchtfilter).
Verschillen met andere engines
Dieselomstandigheden zijn anders dan bij een motor met vonkontsteking vanwege de verschillende thermodynamische cyclus. Bovendien wordt het vermogen en de snelheid van zijn rotatie direct geregeld door de toevoer van brandstof, en niet door lucht, zoals bij een cyclische motor. De verbrandingstemperatuur van dieselbrandstof en benzine kan ook verschillen.
De gemiddelde dieselmotor heeft een lagere vermogen-gewichtsverhouding dan een benzinemotor. Dit komt omdat de diesel op een lager toerental moet draaien vanwege de structurele behoefte aan zwaardere en sterkere onderdelen om de werkdruk te weerstaan. Het wordt altijd veroorzaakt door een hoge compressieverhouding van de motor, waardoor de krachten op het onderdeel als gevolg van traagheidskrachten toenemen. Sommige diesels zijn voor commercieel gebruik. Dit is in de praktijk herhaaldelijk bevestigd.
Dieselmotoren meestaleen lange beroerte hebben. Dit is in principe nodig om het bereiken van de vereiste compressieverhoudingen te vergemakkelijken. Hierdoor wordt de zuiger zwaarder. Hetzelfde kan gezegd worden over de staven. Er moet meer kracht door hen en de krukas worden overgebracht om het momentum van de zuiger te veranderen. Dit is nog een reden waarom een dieselmotor sterker moet zijn voor hetzelfde vermogen als een benzinemotor.
