Il carburante diesel brucia? Brucia, e abbastanza forte. Il suo residuo che non ha partecipato alla combustione premiscelata viene consumato nella fase di combustione a velocità variabile.
La combustione nei motori diesel è molto difficile. Fino agli anni '90, i suoi meccanismi dettagliati non erano ben compresi. Anche la temperatura di combustione del gasolio nella camera di combustione variava da caso a caso. Per decenni, la complessità di questo processo sembrava sfidare i tentativi dei ricercatori di svelarne i numerosi segreti, nonostante la disponibilità di strumenti moderni come la fotografia ad alta velocità utilizzata nei motori "trasparenti", la potenza di elaborazione dei computer moderni e molti modelli matematici progettato per simulare la combustione nel diesel L'applicazione dell'imaging laser a foglio al tradizionale processo di combustione del diesel negli anni '90 è stata la chiave per migliorare notevolmente la comprensione di questo processo.
Questo articolo tratteràil modello di processo più affermato per un motore diesel classico. Questa combustione convenzionale di carburante diesel è controllata principalmente dalla miscelazione, che può verificarsi a causa della diffusione di carburante e aria prima dell'accensione.
Temperatura di combustione
A che temperatura brucia il gasolio? Se prima questa domanda sembrava difficile, ora si può dare una risposta del tutto inequivocabile. La temperatura di combustione del gasolio è di circa 500-600 gradi Celsius. La temperatura deve essere sufficientemente alta per accendere la miscela di carburante e aria. Nei paesi freddi in cui predominano le basse temperature ambiente, i motori avevano una candeletta a incandescenza che riscalda la porta di aspirazione per aiutare ad avviare il motore. Questo è il motivo per cui dovresti sempre aspettare che l'icona del riscaldatore sul cruscotto si spenga prima di avviare il motore. Influisce anche sulla temperatura di combustione del gasolio. Consideriamo quali altre sfumature ci sono nel suo lavoro.
Caratteristiche
Il prerequisito principale per bruciare combustibile diesel in un bruciatore a controllo esterno è il suo modo unico di rilasciare l'energia chimica in esso immagazzinata. Per eseguire questo processo, deve essere disponibile ossigeno per facilitare la combustione. Uno degli aspetti più importanti di questo processo è la miscelazione di carburante e aria, spesso indicata come premiscelazione.
Catalizzatore per combustione diesel
Nei motori diesel, il carburante viene spesso iniettato nel cilindro del motore alla fine della corsa di compressione, a pochi gradi di angolo dell'albero motore prima del punto morto superiore. Il carburante liquido viene solitamente iniettato ad alta velocità in uno o più getti attraverso piccoli fori o ugelli nella punta dell'iniettore, nebulizzato in goccioline fini ed entra nella camera di combustione. Il combustibile atomizzato assorbe il calore dall'aria compressa riscaldata circostante, evapora e si mescola con l'aria ad alta pressione ad alta temperatura circostante. Man mano che il pistone continua ad avvicinarsi al punto morto superiore (PMS), la temperatura della miscela (principalmente aria) raggiunge la sua temperatura di accensione. La temperatura di combustione del carburante diesel Webasto non è diversa da quella di altri tipi di diesel, raggiungendo circa 500-600 gradi.
L'accensione rapida di alcuni combustibili premiscelati e aria si verifica dopo un periodo di ritardo dell'accensione. Questa rapida accensione è considerata l'inizio della combustione ed è caratterizzata da un forte aumento della pressione del cilindro man mano che la miscela aria-carburante viene consumata. L'aumento della pressione risultante dalla combustione premiscelata comprime e riscalda la parte incombusta della carica e riduce il ritardo prima che si accenda. Aumenta anche la velocità di evaporazione del carburante rimanente. La sua spruzzatura, evaporazione, miscelazione con l'aria continua fino a quando non viene bruciata tutta. La temperatura di combustione del cherosene e del carburante diesel a questo riguardo potrebbe essere simile.
Caratteristica
Prima, affrontiamo la notazione: quindi A è aria (ossigeno), F è carburante. La combustione del diesel è caratterizzata da un basso rapporto A/F complessivo, che spesso si osserva in condizioni di coppia massima con la media A/F più bassa. Per evitare un'eccessiva generazione di fumo, la coppia di picco A/F viene generalmente mantenuta al di sopra di 25:1, ben al di sopra del rapporto di equivalenza stechiometrico (chimicamente corretto) di circa 14,4:1. Questo vale anche per tutti gli attivatori di combustione diesel.
Nei motori diesel turbocompressi, il rapporto A/F al minimo può superare 160:1. Di conseguenza, l'aria in eccesso presente nel cilindro dopo la combustione del combustibile continua a mescolarsi con i gas combusti e già esauriti. Quando la valvola di scarico viene aperta, l'aria in eccesso viene scaricata insieme ai prodotti della combustione, il che spiega la natura ossidativa dello scarico del diesel.
Quando brucia il gasolio? Questo processo si verifica dopo che il carburante vaporizzato si mescola con l'aria per formare una miscela ricca a livello locale. Anche in questa fase si raggiunge la corretta temperatura di combustione del gasolio. Tuttavia, il rapporto A/F complessivo è piccolo. In altre parole, si può affermare che la maggior parte dell'aria che entra nel cilindro di un motore diesel viene compressa e riscaldata, ma non partecipa mai al processo di combustione. L'ossigeno nell'aria in eccesso aiuta ad ossidare gli idrocarburi gassosi e il monossido di carbonio, riducendoli a concentrazioni estremamente basse nei gas di scarico. Questo processo è molto più importante della temperatura di combustione del carburante diesel.
Fattori
I seguenti fattori giocano un ruolo importante nel processo di combustione del diesel:
- La carica indotta dell'aria, la sua temperatura e la sua energia cinetica in diverse dimensioni.
- Atomizzazione del carburante iniettato, penetrazione degli schizzi, temperatura e caratteristiche chimiche.
Sebbene questi due fattori siano i più importanti, ci sono altri parametri che possono influenzare significativamente le prestazioni del motore. Svolgono un ruolo secondario ma importante nel processo di combustione. Ad esempio:
- Progettazione dell'ingresso. Ha una forte influenza sul movimento dell'aria di sovralimentazione (soprattutto nel momento in cui entra nel cilindro) e sulla velocità di miscelazione nella camera di combustione. Ciò può modificare la temperatura di combustione del gasolio nella caldaia.
- Il design della porta di aspirazione può anche influenzare la temperatura dell'aria di sovralimentazione. Ciò può essere ottenuto trasferendo il calore dalla camicia d'acqua attraverso la superficie dell'ingresso.
- Dimensione della valvola di aspirazione. Controlla la massa totale d'aria immessa nel cilindro in un tempo limitato.
- Rapporto di compressione. Influisce sull'evaporazione, sulla velocità di miscelazione e sulla qualità della combustione, indipendentemente dalla temperatura di combustione del gasolio nella caldaia.
- Pressione di iniezione. Controlla la durata dell'iniezione per un dato parametro di apertura dell'ugello.
- Geometria di atomizzazione, che influisce direttamente sulla qualità e sulla temperatura di combustione del gasolio e della benzinaconto dell'uso dell'aria. Ad esempio, un angolo del cono di spruzzatura più ampio può posizionare il carburante sopra il pistone e all'esterno del serbatoio di combustione nei motori diesel DI a camera aperta. Questa condizione può portare a un eccessivo "fumo" poiché al carburante viene negato l'accesso all'aria. Gli ampi angoli del cono possono anche causare schizzi di carburante sulle pareti del cilindro piuttosto che all'interno della camera di combustione dove è richiesto. Spruzzato sulla parete del cilindro, alla fine si sposterà nella coppa dell'olio, riducendo la durata dell'olio lubrificante. Poiché l'angolo di spruzzo è una delle variabili che influenza la velocità di miscelazione dell'aria nel getto del carburante vicino all'uscita dell'iniettore, può avere un effetto significativo sull'intero processo di combustione.
- Configurazione della valvola che controlla la posizione dell'iniettore. I sistemi a due valvole creano una posizione dell'iniettore inclinata, il che significa spruzzatura irregolare. Ciò porta a una violazione della miscelazione di carburante e aria. D' altra parte, i design a quattro valvole consentono il montaggio verticale dell'iniettore, l'atomizzazione simmetrica del carburante e un accesso uguale all'aria disponibile per ciascun atomizzatore.
- Posizione della fascia elastica superiore. Controlla lo spazio morto tra la parte superiore del pistone e la camicia del cilindro. Questo spazio morto intrappola l'aria che si comprime e si espande senza nemmeno partecipare al processo di combustione. Pertanto, è importante capire che il sistema del motore diesel non si limita alla camera di combustione, agli ugelli degli iniettori eloro ambiente immediato. La combustione include qualsiasi parte o componente che può influenzare il risultato finale del processo. Pertanto, nessuno dovrebbe avere dubbi sul consumo di carburante diesel.
Altri dettagli
La combustione del diesel è nota per essere molto magra con un rapporto A/F:
- 25:1 alla coppia massima.
- 30:1 alla velocità nominale e alla potenza massima.
- Più di 150:1 al minimo per motori turbo.
Tuttavia, questa aria aggiuntiva non è inclusa nel processo di combustione. Si riscalda parecchio e si esaurisce, di conseguenza lo scarico del diesel diventa scadente. Anche se il rapporto medio aria-carburante è scarso, se non vengono prese misure adeguate durante il processo di progettazione, le aree della camera di combustione possono essere ricche di carburante e provocare emissioni di fumo eccessive.
Camera di combustione
Un obiettivo di progettazione chiave è garantire una miscelazione sufficiente di carburante e aria per mitigare gli effetti delle aree ricche di carburante e consentire al motore di raggiungere i suoi obiettivi di prestazioni ed emissioni. È stato riscontrato che la turbolenza nel movimento dell'aria all'interno della camera di combustione è benefica per il processo di miscelazione e può essere utilizzata per ottenere ciò. Il vortice creato dall'ingresso può essere amplificato e il pistone può creareschiacciando mentre si avvicina alla testata del cilindro per consentire una maggiore turbolenza durante l'atto di compressione a causa del corretto design della coppa nella testa del pistone.
Il design della camera di combustione ha l'impatto più significativo sulle emissioni di particolato. Può anche influenzare gli idrocarburi incombusti e la CO. Sebbene le emissioni di NOx dipendano dal design della tazza [De Risi 1999], le proprietà del gas sfuso giocano un ruolo molto importante nei loro livelli di gas di scarico. Tuttavia, a causa del compromesso NOx/PM, i progetti dei combustori hanno dovuto evolversi con la diminuzione dei limiti di emissione di NOx. Ciò è necessario principalmente per evitare l'aumento delle emissioni di PM che altrimenti si verificherebbe.
Ottimizzazione
Un parametro importante per ottimizzare il sistema di combustione del carburante diesel nel motore è la proporzione di aria disponibile coinvolta in questo processo. Il fattore K (rapporto tra il volume della tazza del pistone e il gioco) è una misura approssimativa della proporzione di aria disponibile per la combustione. La riduzione della cilindrata del motore porta ad una diminuzione del coefficiente relativo K e ad una tendenza al peggioramento delle caratteristiche di combustione. Per una data cilindrata e con un rapporto di compressione costante, il fattore K può essere migliorato scegliendo una corsa più lunga. La selezione del rapporto tra alesaggio del cilindro e motore può essere influenzata dal fattore K e da una serie di altri fattori come l'imballaggio del motore, gli alesaggi e le valvole e così via.
Possibili difficoltà
Un problema particolarmente significativo durante la configurazioneIl rapporto massimo tra cilindro e corsa risiede nella confezione molto complessa della testata. Ciò è necessario per accogliere il design a quattro valvole e il sistema di iniezione del carburante common rail con l'iniettore posizionato al centro. Le teste dei cilindri sono complesse a causa dei numerosi canali, tra cui raffreddamento ad acqua, bulloni di fissaggio della testata, luci di aspirazione e scarico, iniettori, candelette, valvole, steli delle valvole, rientranze e sedi e altri canali utilizzati per il ricircolo dei gas di scarico in alcuni modelli.
Le camere di combustione nei moderni motori diesel a iniezione diretta possono essere chiamate camere di combustione aperte o secondarie.
Telecamere aperte
Se il foro superiore della tazza nel pistone ha un diametro inferiore al massimo dello stesso parametro della tazza, allora è detto a rendere. Tali ciotole hanno un "labbro". In caso contrario, questa è una camera di combustione aperta. Nei motori diesel, questi modelli di cappelli messicani sono noti dagli anni '20. Sono stati utilizzati fino al 1990 nei motori per impieghi gravosi al punto in cui la vasca di ritorno è diventata più importante di prima. Questa forma di camera di combustione è progettata per tempi di iniezione relativamente avanzati, in cui la tazza contiene la maggior parte dei gas in combustione. Non è adatto per strategie di iniezione ritardata.
Motore diesel
Prende il nome dall'inventore Rudolf Diesel. È un motore a combustione interna in cui l'accensione del carburante iniettato è causata da un aumentotemperatura dell'aria nel cilindro a causa della compressione meccanica. Diesel funziona comprimendo solo aria. Ciò aumenta la temperatura dell'aria all'interno del cilindro a tal punto che il carburante atomizzato iniettato nella camera di combustione si accende spontaneamente.
Questo è diverso dai motori ad accensione comandata come benzina o GPL (che utilizzano carburante gassoso anziché benzina). Usano una candela per accendere la miscela aria-carburante. Nei motori diesel, le candelette (riscaldatori della camera di combustione) possono essere utilizzate per facilitare l'avviamento a basse temperature e anche a bassi rapporti di compressione. Il diesel originale funziona con un ciclo a pressione costante di combustione graduale e non produce un boom sonico.
Caratteristiche generali
Il diesel ha la più alta efficienza termica di qualsiasi pratico motore a combustione interna ed esterna grazie al suo rapporto di espansione molto elevato e alla combustione magra intrinseca, consentendo all'aria in eccesso di dissipare il calore. Una piccola perdita di efficienza viene evitata anche senza iniezione diretta, poiché il carburante incombusto non è presente quando la valvola si chiude e il carburante non scorre direttamente dal dispositivo di aspirazione (iniettore) al tubo di scarico. I motori diesel a bassa velocità, come quelli utilizzati nelle navi, possono avere efficienze termiche superiori al 50%.
I diesel possono essere progettati come due o quattro tempi. Originariamente erano usati comesostituzione efficace per i motori a vapore stazionari. Dal 1910 sono stati utilizzati su sottomarini e navi. L'uso in locomotive, camion, attrezzature pesanti e centrali elettriche è seguito in seguito. Negli anni Trenta del secolo scorso trovarono un posto nella progettazione di diverse automobili.
Vantaggi e svantaggi
Dagli anni '70, l'uso di motori diesel nei veicoli fuoristrada e fuoristrada più grandi negli Stati Uniti è aumentato. Secondo la British Society of Motor Manufacturers and Manufacturers, la media UE per i veicoli diesel è il 50% delle vendite totali (di cui il 70% in Francia e il 38% nel Regno Unito).
A basse temperature, avviare motori diesel ad alta velocità può essere difficile poiché la massa del blocco e della testata assorbe il calore di compressione, impedendo l'accensione a causa del rapporto superficie/volume più elevato. In precedenza, queste unità utilizzavano piccoli riscaldatori elettrici all'interno di camere chiamate candelette.
Viste
Molti motori utilizzano riscaldatori a resistenza nel collettore di aspirazione per riscaldare l'aria di aspirazione e per avviarsi o fino al raggiungimento della temperatura di esercizio. I riscaldatori elettrici resistivi del monoblocco collegati alla rete elettrica sono utilizzati nei climi freddi. In questi casi, deve essere acceso a lungo (più di un'ora) per ridurre i tempi di avvio e l'usura.
I riscaldatori a blocchi vengono utilizzati anche per l'alimentazione di emergenza con generatori diesel, che devono scaricare rapidamente l'alimentazione in caso di interruzione di corrente. In passato è stata utilizzata una più ampia varietà di metodi di avviamento a freddo. Alcuni motori, come il Detroit Diesel, utilizzavano un sistema per introdurre piccole quantità di etere nel collettore di aspirazione per avviare la combustione. Altri hanno utilizzato un sistema misto con un riscaldatore a resistenza a combustione di metanolo. Un metodo estemporaneo, specialmente sui motori non in funzione, consiste nello spruzzare manualmente una bomboletta aerosol di liquido essenziale nel flusso d'aria di aspirazione (di solito attraverso il gruppo del filtro dell'aria di aspirazione).
Differenze da altri motori
Le condizioni del diesel sono diverse dal motore ad accensione comandata a causa del diverso ciclo termodinamico. Inoltre, la potenza e la velocità della sua rotazione sono controllate direttamente dalla fornitura di carburante, e non di aria, come in un motore ciclico. Anche la temperatura di combustione del gasolio e della benzina può variare.
Il motore diesel medio ha un rapporto peso/potenza inferiore rispetto a un motore a benzina. Questo perché il diesel deve funzionare a un numero di giri inferiore a causa della necessità strutturale di parti più pesanti e resistenti per resistere alla pressione di esercizio. È sempre causato da un elevato rapporto di compressione del motore, che aumenta le forze sulla parte dovute alle forze di inerzia. Alcuni diesel sono per uso commerciale. Ciò è stato ripetutamente confermato nella pratica.
Motori diesel di solitoavere una lunga corsa. Fondamentalmente, ciò è necessario per facilitare il raggiungimento dei rapporti di compressione richiesti. Di conseguenza, il pistone diventa più pesante. Lo stesso si può dire delle canne. È necessario trasmettere più forza attraverso di essi e l'albero motore per modificare la quantità di moto del pistone. Questo è un altro motivo per cui un motore diesel deve essere più potente per la stessa potenza di un motore a benzina.
