האם סולר נשרף? זה שורף, ודי חזק. שאריות שלו שלא השתתפו בעירה מעורבת מראש נצרך בשלב הבעירה בקצב משתנה.
בעירה במנועי דיזל קשה מאוד. עד שנות ה-90, המנגנונים המפורטים שלו לא היו מובנים היטב. גם טמפרטורת הבעירה של סולר בתא הבעירה השתנתה ממקרה למקרה. במשך עשרות שנים, נראה היה שהמורכבות של תהליך זה מתריסה נגד ניסיונות החוקרים לחשוף את סודותיו הרבים, למרות הזמינות של כלים מודרניים כמו צילום מהיר המשמש במנועים "שקופים", כוח העיבוד של מחשבים מודרניים ומודלים מתמטיים רבים. נועד לדמות בעירה בדיזל היישום של הדמיית לייזר גיליונות בתהליך הבעירה המסורתי של דיזל בשנות ה-90 היה המפתח לשיפור ניכר בהבנת תהליך זה.
מאמר זה יכסהדגם התהליך המבוסס ביותר למנוע דיזל קלאסי. בעירה קונבנציונלית זו של סולר נשלטת בעיקר על ידי ערבוב, שעלול להתרחש עקב דיפוזיה של דלק ואוויר לפני ההצתה.
טמפרטורת בעירה
באיזו טמפרטורה נשרף סולר? אם קודם לכן שאלה זו נראתה קשה, כעת ניתן לתת לה תשובה חד משמעית לחלוטין. טמפרטורת הבעירה של סולר היא כ-500-600 מעלות צלזיוס. הטמפרטורה חייבת להיות גבוהה מספיק כדי להצית את תערובת הדלק והאוויר. במדינות קרות שבהן טמפרטורות סביבה נמוכות שולטות, למנועים היה פקק זוהר שמחמם את יציאת היניקה כדי לעזור להתניע את המנוע. זו הסיבה שעליך תמיד להמתין עד שסמל המחמם בלוח המחוונים יכבה לפני התנעת המנוע. זה משפיע גם על טמפרטורת הבעירה של סולר. בואו נחשוב אילו ניואנסים נוספים יש בעבודתו.
תכונות
תנאי הסף העיקרי לשריפת סולר במבער מבוקר חיצוני הוא הדרך הייחודית שלו לשחרר את האנרגיה הכימית האצורה בו. על מנת לבצע תהליך זה, חמצן חייב להיות זמין עבורו על מנת להקל על הבעירה. אחד ההיבטים החשובים ביותר בתהליך זה הוא ערבוב של דלק ואוויר, המכונה לעתים קרובות ערבוב מראש.
זרז בעירה דיזל
במנועי דיזל, לעתים קרובות מוזרק דלק לצילינדר המנוע בסוף מהלך הדחיסה, רק כמה מעלות של זווית גל ארכובה לפני המרכז המת עליון. הדלק הנוזלי מוזרק בדרך כלל במהירות גבוהה בסילוני אחד או יותר דרך חורים קטנים או חרירים בקצה המזרק, מפורק לטיפות דקות ונכנס לתא הבעירה. הדלק המרוסק סופג חום מהאוויר הדחוס המחומם שמסביב, מתאדה ומתערבב עם אוויר בלחץ גבוה בטמפרטורה גבוהה שמסביב. כשהבוכנה ממשיכה להתקרב למרכז המת העליון (TDC), טמפרטורת התערובת (בעיקר האוויר) מגיעה לטמפרטורת ההצתה שלה. טמפרטורת הבעירה של סולר וובסטו אינה שונה מזו של סוגי דיזל אחרים, ומגיעה לכ-500-600 מעלות.
הצתה מהירה של קצת דלק ואוויר מעורבבים מראש מתרחשת לאחר תקופה של עיכוב הצתה. הצתה מהירה זו נחשבת לתחילת הבעירה ומאופיינת בעלייה חדה בלחץ הצילינדר עם צריכת תערובת האוויר והדלק. הלחץ המוגבר הנובע מבעירה מעורבת מראש דוחס ומחמם את החלק הלא נשרף של המטען ומקצר את ההשהיה לפני שהוא נדלק. זה גם מגביר את קצב האידוי של הדלק הנותר. הריסוס, האידוי, הערבוב שלו באוויר נמשכים עד שכולו נשרף. טמפרטורת הבעירה של נפט וסולר מבחינה זו עשויה להיות דומה.
אופייני
ראשית, נעסוק בסימון: ואז A הוא אוויר (חמצן), F הוא דלק. שריפת דיזל מאופיינת ביחס A/F הכולל נמוך. A/F הממוצע הנמוך ביותר נצפה לעתים קרובות בתנאי שיא המומנט. כדי למנוע יצירת עשן מופרזת, שיא מומנט A/F נשמר בדרך כלל מעל 25:1, הרבה מעל יחס השקילות הסטוכיומטרי (נכון מבחינה כימית) של כ-14.4:1. זה חל גם על כל מפעילי הבעירה בדיזל.
במנועי דיזל מוגדשי טורבו, יחס ה-A/F במצב סרק יכול לעלות על 160:1. כתוצאה מכך, עודף האוויר המצוי בצילינדר לאחר שרפת הדלק ממשיך להתערבב עם הגזים הבוערים וכבר מותשים. כאשר שסתום הפליטה נפתח, עודף אוויר נפלט יחד עם תוצרי הבעירה, מה שמסביר את האופי החמצוני של פליטת דיזל.
מתי סולר נשרף? תהליך זה מתרחש לאחר שהדלק המאוד מתערבב עם אוויר ליצירת תערובת עשירה מקומית. גם בשלב זה, מגיעים לטמפרטורת הבעירה המתאימה של סולר. עם זאת, יחס ה-A/F הכולל קטן. במילים אחרות, ניתן לומר שרוב האוויר הנכנס לצילינדר של מנוע דיזל הוא דחוס ומחומם, אך לעולם אינו משתתף בתהליך הבעירה. החמצן באוויר העודף עוזר לחמצן פחמימנים גזים ופחמן חד חמצני, ומפחית אותם לריכוזים נמוכים במיוחד בגזי הפליטה. תהליך זה חשוב הרבה יותר מטמפרטורת הבעירה של סולר.
גורמים
הגורמים הבאים ממלאים תפקיד מרכזי בתהליך שריפת הסולר:
- המטען המושרה של האוויר, הטמפרטורה שלו והאנרגיה הקינטית שלו בכמה ממדים.
- אטומיזציה של דלק מוזרק, חדירת נתזים, טמפרטורה ומאפיינים כימיים.
למרות ששני הגורמים הללו הם החשובים ביותר, ישנם פרמטרים נוספים שיכולים להשפיע באופן משמעותי על ביצועי המנוע. הם ממלאים תפקיד משני אך חשוב בתהליך הבעירה. לדוגמה:
- עיצוב פתח הכניסה. יש לו השפעה חזקה על תנועת אוויר המטען (במיוחד ברגע שהוא נכנס לצילינדר) ועל קצב הערבוב בתא הבעירה. זה יכול לשנות את טמפרטורת הבעירה של סולר בדוד.
- העיצוב של יציאת היניקה יכול להשפיע גם על טמפרטורת אוויר הטעינה. ניתן להשיג זאת על ידי העברת חום ממעיל המים דרך שטח הפנים של הכניסה.
- גודל שסתום הכנסה. שולט במסה הכוללת של האוויר הנכנס לגליל במשך זמן סופי.
- יחס דחיסה. זה משפיע על האידוי, מהירות הערבוב ואיכות הבעירה, ללא קשר לטמפרטורת הבעירה של הסולר בדוד.
- לחץ הזרקה. הוא שולט על משך ההזרקה עבור פרמטר נתון של פתיחת זרבובית.
- גיאומטריית האטומיזציה, המשפיעה ישירות על האיכות וטמפרטורת הבעירה של סולר ובנזין עבורחשבון שימוש באוויר. לדוגמה, זווית חרוט ריסוס גדולה יותר יכולה להניח דלק על גבי הבוכנה ומחוץ למיכל הבעירה במנועי דיזל DI עם תא פתוח. מצב זה עלול להוביל ל"עישון" מוגזם מכיוון שהדלק נמנעת מגישה לאוויר. זוויות חרוט רחבות יכולות גם לגרום לדלק להתיז על דפנות הצילינדר ולא בתוך תא הבעירה היכן שהוא נדרש. מרוסס על דופן הצילינדר, הוא בסופו של דבר יעבור למטה לתוך סיר השמן, יקצר את חיי שמן הסיכה. מכיוון שזווית ההתזה היא אחד המשתנים המשפיעים על קצב ערבוב האוויר בסילון הדלק ליד יציאת המזרק, יכולה להיות לה השפעה משמעותית על תהליך הבעירה הכולל.
- תצורת שסתום השולטת במיקום המזרק. מערכות שני שסתומים יוצרות תנוחת מזרק מוטה, מה שאומר ריסוס לא אחיד. זה מוביל להפרה של ערבוב של דלק ואוויר. מצד שני, עיצובים של ארבעה שסתומים מאפשרים הרכבה אנכית של מזרק, פירוק דלק סימטרי וגישה שווה לאוויר זמין עבור כל מרסס.
- מיקום טבעת הבוכנה העליונה. הוא שולט על השטח המת בין החלק העליון של הבוכנה לבין ציפוי הצילינדר. שטח מת זה לוכד אוויר שנדחס ומתרחב מבלי אפילו להשתתף בתהליך הבעירה. לכן, חשוב להבין שמערכת מנוע הדיזל אינה מוגבלת לתא הבעירה, חרירי ההזרקה והסביבה הקרובה שלהם. בעירה כוללת כל חלק או רכיב שיכול להשפיע על התוצאה הסופית של התהליך. לכן, לאף אחד לא צריך להיות ספק אם סולר נשרף.
פרטים נוספים
שריפת דיזל ידועה כרזה מאוד עם יחס A/F:
- 25:1 בשיא המומנט.
- 30:1 במהירות מדורגת והספק מרבי.
- יותר מ-150:1 במצב סרק עבור מנועי טורבו.
עם זאת, אוויר נוסף זה אינו כלול בתהליך הבעירה. הוא מתחמם די הרבה ומתרוקן, וכתוצאה מכך אגזוז הדיזל הופך לקוי. למרות שיחס האוויר-דלק הממוצע גרוע, אם לא ננקטים אמצעים מתאימים במהלך תהליך התכנון, אזורי תאי הבעירה יכולים להיות עשירים בדלק ולגרום לפליטת עשן מוגזמת.
תא בעירה
מטרת עיצוב מרכזית היא להבטיח ערבוב מספיק של דלק ואוויר כדי למתן את ההשפעות של אזורים עשירים בדלק ולאפשר למנוע להגיע ליעדי הביצועים והפליטה שלו. נמצא שמערבולת בתנועת האוויר בתוך תא הבעירה מועילה לתהליך הערבוב וניתן להשתמש בה כדי להשיג זאת. ניתן להגביר את המערבולת שנוצרת מהכניסה והבוכנה יכולה ליצורמעיכה כשהיא מתקרבת לראש הצילינדר כדי לאפשר יותר מערבולות במהלך פעולת הדחיסה עקב עיצוב הכוס הנכון בראש הבוכנה.
לעיצוב תאי בעירה יש את ההשפעה המשמעותית ביותר על פליטת חלקיקים. זה יכול גם להשפיע על פחמימנים לא שרופים ו-CO. למרות שפליטת NOx תלויה בעיצוב הקערה [De Risi 1999], לתכונות הגז בתפזורת יש תפקיד חשוב מאוד ברמות גזי הפליטה שלהם. עם זאת, עקב הפשרה של NOx/PM, עיצובי הבעירה נאלצו להתפתח כאשר מגבלות פליטת ה-NOx ירדו. זה נדרש בעיקר כדי למנוע את העלייה בפליטת PM שאחרת הייתה מתרחשת.
אופטימיזציה
פרמטר חשוב לייעול מערכת הבעירה של סולר במנוע הוא שיעור האוויר הזמין המעורב בתהליך זה. גורם K (יחס בין נפח כוס הבוכנה למרווח) הוא מדד משוער לשיעור האוויר הזמין לבעירה. הקטנת נפח המנוע מביאה לירידה במקדם K היחסי ולנטייה להחמיר את מאפייני הבעירה. עבור תזוזה נתונה וביחס דחיסה קבוע, ניתן לשפר את גורם K על ידי בחירת מהלך ארוך יותר. בחירת יחס קדחת הצילינדר למנוע יכולה להיות מושפעת מגורם K וממספר גורמים נוספים כגון אריזת מנוע, קדחים ושסתומים וכן הלאה.
קשיים אפשריים
בעיה משמעותית במיוחד בעת ההגדרההיחס המרבי בין צילינדר למכה טמון באריזה המורכבת מאוד של ראש הצילינדר. זה הכרחי כדי להתאים את עיצוב ארבעת השסתומים ואת מערכת הזרקת הדלק המסילה המשותפת כשהמזרק ממוקם במרכז. ראשי צילינדר מורכבים בשל הערוצים הרבים, לרבות קירור מים, ברגי שמירה של ראש צילינדר, יציאות יניקה ופליטות, מזרקים, אטמי זוהר, שסתומים, גבעולים, שקעים ומושבים וערוצים אחרים המשמשים למחזור גזי פליטה בחלק מהעיצובים.
תאי בעירה במנועי דיזל מודרניים בהזרקה ישירה עשויים להיקרא כתאי בעירה פתוחים או משניים.
מצלמות פתוחות
אם לחור העליון של הקערה בבוכנה יש קוטר קטן יותר מהמקסימום של אותו פרמטר קערה, אז זה נקרא החזר. לקערות כאלה יש "שפה". אם לא, אז זהו תא בעירה פתוח. במנועי דיזל, עיצובי קערות כובעים מקסיקניים אלו ידועים מאז שנות ה-20. הם שימשו עד 1990 במנועים כבדים עד לנקודה שבה קערת ההחזרה הפכה חשובה יותר משהייתה בעבר. צורת תא בעירה זו מיועדת לזמני הזרקה מתקדמים יחסית, כאשר הקערה מכילה את רוב הגזים הבוערים. זה לא מתאים לאסטרטגיות הזרקה מושהות.
מנוע דיזל
זה נקרא על שם הממציא רודולף דיזל. זהו מנוע בעירה פנימית שבו הצתה של הדלק המוזרק נגרמת על ידי מוגברתטמפרטורת האוויר בצילינדר עקב דחיסה מכנית. דיזל פועל על ידי דחיסה של אוויר בלבד. זה מעלה את טמפרטורת האוויר בתוך הצילינדר עד כדי כך שהדלק המרוסק המוזרק לתא הבעירה מתלקח באופן ספונטני.
זה שונה ממנועי הצתות כמו בנזין או גפ מ (המשתמשים בדלק גזי במקום בנזין). הם משתמשים במצת כדי להצית את תערובת דלק האוויר. במנועי דיזל ניתן להשתמש בפלאגי זוהר (מחממי תאי בעירה) כדי לסייע בהתנעה במזג אוויר קר וגם ביחסי דחיסה נמוכים. הדיזל המקורי פועל במחזור לחץ קבוע של בעירה הדרגתית ואינו מייצר בום קולי.
מאפיינים כלליים
לדיזל יש את היעילות התרמית הגבוהה ביותר מכל מנוע בעירה פנימית וחיצונית מעשי בשל יחס ההתפשטות הגבוה מאוד והבעירה הרזה המובנית, המאפשרת לאוויר עודף לפזר חום. אובדן יעילות קטן נמנע גם ללא הזרקה ישירה, שכן דלק לא נשרף אינו קיים בעת סגירת השסתום, והדלק אינו זורם ישירות ממכשיר היניקה (המזרק) אל צינור הפליטה. מנועי דיזל מהירים נמוכים, כמו אלו המשמשים בספינות, יכולים להיות בעלי יעילות תרמית העולה על 50 אחוזים.
ניתן לעצב דיזלים כדו פעימות או ארבע פעימות. הם שימשו במקור בתורתחליף יעיל למנועי קיטור נייחים. מאז 1910 נעשה בהם שימוש בצוללות ובספינות. השימוש בקטרים, במשאיות, בציוד כבד ובתחנות כוח הגיע מאוחר יותר. בשנות השלושים של המאה הקודמת, הם מצאו מקום בעיצוב של כמה מכוניות.
יתרונות וחסרונות
מאז שנות ה-70, גדל השימוש במנועי דיזל ברכבי כביש ושטח גדולים יותר בארה ב. לפי האיגוד הבריטי ליצרני ויצרני רכב, הממוצע באיחוד האירופי עבור רכבי דיזל הוא 50% מסך המכירות (ביניהם 70% בצרפת ו-38% בבריטניה).
במזג אוויר קר, התנעת מנועי דיזל מהירים עלולה להיות קשה מכיוון שמסת הבלוק וראש הצילינדר סופגים את חום הדחיסה, ומונעים התלקחות בגלל יחס פני השטח לנפח הגבוה יותר. בעבר, יחידות אלה משתמשות בתנורי חימום חשמליים קטנים בתוך תאים הנקראים פקקי זוהר.
צפיות
מנועים רבים משתמשים במחממי התנגדות בסעפת היניקה כדי לחמם את אוויר היניקה ולהתניע או עד הגעה לטמפרטורת הפעולה. מחממי מנוע התנגדות חשמליים המחוברים לרשת משמשים באקלים קר. במקרים כאלה, צריך להפעיל אותו במשך זמן רב (יותר משעה) כדי להפחית את זמן ההפעלה והבלאי.
מחממי בלוק משמשים גם לאספקת חשמל חירום עם גנרטורים של דיזל, שצריכים להוריד במהירות את החשמל במקרה של הפסקת חשמל. בעבר, נעשה שימוש במגוון רחב יותר של שיטות התחלה קרה. מנועים מסוימים, כמו דטרויט דיזל, השתמשו במערכת להחדרת כמויות קטנות של אתר לסעפת היניקה כדי להתחיל בעירה. אחרים השתמשו במערכת מעורבת עם מחמם התנגדות לשריפת מתנול. שיטה מאולתרת, במיוחד במנועים שאינם פועלים, היא ריסוס ידני של פחית אירוסול של נוזל חיוני לתוך זרם האוויר הנכנס (בדרך כלל דרך מכלול מסנן האוויר הנכנס).
הבדלים ממנועים אחרים
תנאי דיזל שונים ממנוע הצתת ניצוץ עקב מחזור תרמודינמי שונה. בנוסף, הכוח ומהירות הסיבוב שלו נשלטים ישירות על ידי אספקת הדלק, ולא האוויר, כמו במנוע מחזורי. גם טמפרטורת הבעירה של סולר ובנזין עשויה להיות שונה.
למנוע דיזל ממוצע יש יחס הספק-משקל נמוך יותר מאשר למנוע בנזין. הסיבה לכך היא שהדיזל צריך לפעול בסל ד נמוך יותר בשל הצורך המבני בחלקים כבדים וחזקים יותר כדי לעמוד בלחץ ההפעלה. זה תמיד נגרם מיחס דחיסה גבוה של המנוע, מה שמגביר את הכוחות על החלק בגלל כוחות האינרציה. חלק מהדיזלים מיועדים לשימוש מסחרי. זה אושר שוב ושוב בפועל.
מנועי דיזל בדרך כלללעבור שבץ ארוך. בעיקרון, זה הכרחי כדי להקל על השגת יחסי הדחיסה הנדרשים. כתוצאה מכך, הבוכנה הופכת כבדה יותר. אותו הדבר ניתן לומר על המוטות. יש להעביר יותר כוח דרכם וגל הארכובה כדי לשנות את המומנטום של הבוכנה. זו סיבה נוספת לכך שמנוע דיזל צריך להיות חזק יותר עבור אותו הספק כמו מנוע בנזין.
