هل يحترق وقود الديزل؟ إنه يحترق ، وبقوة. يتم استهلاك بقاياها التي لم تشارك في الاحتراق المختلط مسبقًا في مرحلة الاحتراق ذات المعدل المتغير.
الاحتراق في محركات الديزل صعب للغاية. حتى التسعينيات ، لم تكن آلياتها التفصيلية مفهومة جيدًا. كما تختلف درجة حرارة احتراق وقود الديزل في غرفة الاحتراق من حالة إلى أخرى. لعقود من الزمن ، بدا أن تعقيد هذه العملية يتحدى محاولات الباحثين لكشف أسرارها العديدة ، على الرغم من توفر الأدوات الحديثة مثل التصوير عالي السرعة المستخدم في المحركات "الشفافة" ، وقوة المعالجة لأجهزة الكمبيوتر الحديثة ، والعديد من النماذج الرياضية. مصممة لمحاكاة الاحتراق في الديزل كان تطبيق التصوير بالليزر للصفائح في عملية احتراق الديزل التقليدية في التسعينيات هو المفتاح لتحسين فهم هذه العملية بشكل كبير.
ستغطي هذه المقالةنموذج العملية الأكثر رسوخًا لمحرك ديزل كلاسيكي. يتم التحكم في هذا الاحتراق التقليدي لوقود الديزل بشكل أساسي عن طريق الخلط ، والذي يمكن أن يحدث بسبب انتشار الوقود والهواء قبل الاشتعال.
درجة حرارة الاحتراق
في أي درجة حرارة يحترق وقود الديزل؟ إذا بدا هذا السؤال صعبًا في وقت سابق ، فيمكن الآن تقديم إجابة لا لبس فيها تمامًا. تبلغ درجة حرارة احتراق وقود الديزل حوالي 500-600 درجة مئوية. يجب أن تكون درجة الحرارة عالية بما يكفي لإشعال خليط الوقود والهواء. في البلدان الباردة حيث تسود درجات الحرارة المحيطة المنخفضة ، كان للمحركات سدادة توهج تعمل على تدفئة منفذ السحب للمساعدة في بدء تشغيل المحرك. هذا هو السبب الذي يجعلك تنتظر دائمًا حتى تنطفئ أيقونة السخان على لوحة القيادة قبل بدء تشغيل المحرك. كما أنه يؤثر على درجة حرارة احتراق وقود الديزل. دعونا نفكر في الفروق الدقيقة الأخرى الموجودة في عمله.
الميزات
الشرط الأساسي الأساسي لحرق وقود الديزل في موقد يتم التحكم فيه خارجيًا هو طريقته الفريدة في إطلاق الطاقة الكيميائية المخزنة فيه. من أجل تنفيذ هذه العملية ، يجب أن يتوفر الأكسجين لها من أجل تسهيل الاحتراق. أحد أهم جوانب هذه العملية هو خلط الوقود والهواء ، وغالبًا ما يشار إليه بالخلط المسبق.
محفز احتراق الديزل
في محركات الديزل ، غالبًا ما يتم حقن الوقود في أسطوانة المحرك في نهاية شوط الانضغاط ، فقط بضع درجات من زاوية العمود المرفقي قبل أعلى المركز الميت. يُحقن الوقود السائل عادةً بسرعة عالية في نفاثة واحدة أو أكثر من خلال فتحات أو فوهات صغيرة في طرف الحاقن ، ويحول إلى قطرات دقيقة ويدخل إلى غرفة الاحتراق. يمتص الوقود المصغر الحرارة من الهواء المضغوط الساخن المحيط ، ويتبخر ويختلط مع هواء الضغط العالي المحيط بدرجة الحرارة العالية. مع استمرار المكبس في الاقتراب من المركز الميت العلوي (TDC) ، تصل درجة حرارة الخليط (الهواء في الغالب) إلى درجة حرارة الاشتعال. لا تختلف درجة حرارة احتراق وقود الديزل Webasto عن درجات حرارة الديزل الأخرى ، حيث تصل إلى حوالي 500-600 درجة.
يحدث اشتعال سريع لبعض الوقود والهواء المخلوط مسبقًا بعد فترة من تأخير الإشعال. يعتبر هذا الاشتعال السريع بداية الاحتراق ويتميز بزيادة حادة في ضغط الأسطوانة مع استهلاك خليط الوقود والهواء. الضغط المتزايد الناتج عن الاحتراق المخلوط مسبقًا يضغط ويسخن الجزء غير المحترق من الشحنة ويقصر التأخير قبل أن يشتعل. كما أنه يزيد من معدل تبخر الوقود المتبقي. يستمر رشه وتبخره وخلطه بالهواء حتى يحترق بالكامل. قد تكون درجة حرارة احتراق الكيروسين ووقود الديزل في هذا الصدد متشابهة.
مميزة
أولاً ، دعنا نتعامل مع التدوين: إذن A هو الهواء (الأكسجين) ، F هو الوقود. يتميز احتراق الديزل بنسبة إجمالية منخفضة A / F ، وغالبًا ما يلاحظ أدنى متوسط A / F تحت ظروف ذروة عزم الدوران. لتجنب توليد الدخان المفرط ، يتم الحفاظ على ذروة عزم الدوران A / F عادةً أعلى من 25: 1 ، أعلى بكثير من نسبة التكافؤ المتكافئة (الصحيحة كيميائيًا) والتي تبلغ حوالي 14.4: 1. ينطبق هذا أيضًا على جميع منشطات احتراق الديزل.
في محركات الديزل المزودة بشاحن توربيني ، يمكن أن تتجاوز نسبة A / F عند الخمول 160: 1. وبالتالي ، يستمر الهواء الزائد الموجود في الأسطوانة بعد احتراق الوقود في الاختلاط مع الغازات المحترقة والمستنفدة بالفعل. عندما يتم فتح صمام العادم ، يتم استنفاد الهواء الزائد مع نواتج الاحتراق ، وهو ما يفسر الطبيعة المؤكسدة لعادم الديزل.
متى يحترق وقود الديزل؟ تحدث هذه العملية بعد أن يختلط الوقود المتبخر مع الهواء لتشكيل خليط غني محليًا. في هذه المرحلة أيضًا ، يتم الوصول إلى درجة حرارة الاحتراق المناسبة لوقود الديزل. ومع ذلك ، فإن نسبة A / F الإجمالية صغيرة. بمعنى آخر ، يمكن القول أن معظم الهواء الداخل إلى أسطوانة محرك الديزل يتم ضغطه وتسخينه ، ولكنه لا يشارك أبدًا في عملية الاحتراق. يساعد الأكسجين الموجود في الهواء الزائد على أكسدة الهيدروكربونات الغازية وأول أكسيد الكربون ، مما يؤدي إلى تقليلها إلى تركيزات منخفضة للغاية في غازات العادم. هذه العملية أهم بكثير من درجة حرارة احتراق وقود الديزل.
العوامل
تلعب العوامل التالية دورًا رئيسيًا في عملية احتراق الديزل:
- شحنة الهواء المستحثة ودرجة حرارتها وطاقتها الحركية بأبعاد متعددة.
- الانحلال للوقود المحقون ، اختراق الرش ، درجة الحرارة والخصائص الكيميائية.
على الرغم من أن هذين العاملين هما الأهم ، إلا أن هناك معلمات أخرى يمكن أن تؤثر بشكل كبير على أداء المحرك. يلعبون دورًا ثانويًا ولكنه مهم في عملية الاحتراق. على سبيل المثال:
- تصميم المدخل. له تأثير قوي على حركة هواء الشحن (خاصة في اللحظة التي يدخل فيها الأسطوانة) وعلى معدل الخلط في غرفة الاحتراق. هذا يمكن أن يغير درجة حرارة احتراق وقود الديزل في المرجل.
- يمكن أن يؤثر تصميم منفذ السحب أيضًا على درجة حرارة هواء الشحن. يمكن تحقيق ذلك عن طريق نقل الحرارة من الغلاف المائي عبر مساحة سطح المدخل.
- حجم صمام السحب. يتحكم في الكتلة الكلية للهواء الداخل إلى الأسطوانة على مدى فترة زمنية محددة.
- نسبة الضغط. يؤثر على التبخر وسرعة الخلط وجودة الاحتراق بغض النظر عن درجة حرارة احتراق وقود الديزل في الغلاية.
- ضغط الحقن. يتحكم في مدة الحقن لمعلمة فتح فوهة معينة.
- هندسة الانحلال ، والتي تؤثر بشكل مباشر على جودة ودرجة حرارة احتراق وقود الديزل والبنزينحساب استخدام الهواء. على سبيل المثال ، يمكن لزاوية مخروط الرش الأكبر أن تضع الوقود أعلى المكبس وخارج خزان الاحتراق في محركات الديزل DI ذات الغرفة المفتوحة. يمكن أن تؤدي هذه الحالة إلى الإفراط في "التدخين" حيث يُحرم الوقود من الوصول إلى الهواء. يمكن أن تتسبب الزوايا المخروطية العريضة أيضًا في تناثر الوقود على جدران الأسطوانة بدلاً من داخل غرفة الاحتراق حيث تكون مطلوبة. عند رشه على جدار الأسطوانة ، سينتقل في النهاية إلى وعاء الزيت ، مما يقصر من عمر زيت التشحيم. نظرًا لأن زاوية الرش هي أحد المتغيرات التي تؤثر على معدل خلط الهواء في طائرة الوقود بالقرب من مخرج الحاقن ، فيمكن أن يكون لها تأثير كبير على عملية الاحتراق الكلية.
- تكوين الصمام الذي يتحكم في موضع الحاقن. تعمل الأنظمة ثنائية الصمام على إنشاء موضع حاقن مائل ، مما يعني الرش غير المتكافئ. هذا يؤدي إلى انتهاك خلط الوقود والهواء. من ناحية أخرى ، تسمح تصميمات الصمامات الأربعة بتركيب الحاقن العمودي ، وترذيذ الوقود المتماثل ، والوصول المتكافئ إلى الهواء المتاح لكل رذاذ.
- موضع حلقة المكبس العلوي. يتحكم في المسافة الميتة بين أعلى المكبس وبطانة الأسطوانة. هذا الفضاء الميت يحبس الهواء الذي ينضغط ويتوسع دون حتى المشاركة في عملية الاحتراق. لذلك ، من المهم أن نفهم أن نظام محرك الديزل لا يقتصر على غرفة الاحتراق وفوهات الحاقن وبيئتهم المباشرة. يشمل الاحتراق أي جزء أو مكون يمكن أن يؤثر على النتيجة النهائية للعملية. لذلك لا ينبغي أن يساور أحد أدنى شك فيما إذا كان وقود الديزل يحترق.
تفاصيل أخرى
من المعروف أن احتراق الديزل ضعيف جدًا مع نسبة A / F:
- 25: 1 عند ذروة عزم الدوران
- 30: 1 بالسرعة المقدرة و الطاقة القصوى
- أكثر من 150: 1 في وضع الخمول للمحركات التوربينية
ومع ذلك ، لا يتم تضمين هذا الهواء الإضافي في عملية الاحتراق. يسخن كثيرًا وينضب ، ونتيجة لذلك يصبح عادم الديزل ضعيفًا. على الرغم من أن متوسط نسبة الهواء إلى الوقود ضعيف ، إذا لم يتم اتخاذ التدابير المناسبة أثناء عملية التصميم ، يمكن أن تكون مناطق غرفة الاحتراق غنية بالوقود وتؤدي إلى انبعاثات دخان مفرطة.
غرفة الاحتراق
هدف التصميم الرئيسي هو ضمان المزج الكافي للوقود والهواء للتخفيف من آثار المناطق الغنية بالوقود والسماح للمحرك بالوصول إلى أهدافه المتعلقة بالأداء والانبعاثات. لقد وجد أن الاضطراب في حركة الهواء داخل غرفة الاحتراق مفيد لعملية الخلط ويمكن استخدامه لتحقيق ذلك. يمكن تضخيم الدوامة الناتجة عن المدخل ويمكن للمكبس تكوينهاالضغط عند اقترابه من رأس الأسطوانة للسماح بمزيد من الاضطراب أثناء عملية الضغط بسبب تصميم الكوب الصحيح في رأس المكبس.
تصميم غرفة الاحتراق له التأثير الأكثر أهمية على انبعاثات الجسيمات. يمكن أن يؤثر أيضًا على الهيدروكربونات غير المحترقة وثاني أكسيد الكربون. على الرغم من أن انبعاثات أكاسيد النيتروجين تعتمد على تصميم الوعاء [De Risi 1999] ، تلعب خصائص الغاز السائب دورًا مهمًا للغاية في مستويات غاز العادم. ومع ذلك ، نظرًا لمقايضة أكاسيد النيتروجين / الجسيمات ، كان لابد من تطوير تصميمات الاحتراق مع انخفاض حدود انبعاثات أكاسيد النيتروجين. هذا مطلوب بشكل أساسي لتجنب الزيادة في انبعاثات المواد الجسيمية التي قد تحدث لولا ذلك.
التحسين
معلمة مهمة لتحسين نظام احتراق وقود الديزل في المحرك هي نسبة الهواء المتاح المتضمن في هذه العملية. عامل K (نسبة حجم كوب المكبس إلى الخلوص) هو مقياس تقريبي لنسبة الهواء المتاح للاحتراق. يؤدي تقليل إزاحة المحرك إلى انخفاض المعامل النسبي K وإلى الميل إلى تفاقم خصائص الاحتراق. من أجل إزاحة معينة ونسبة ضغط ثابتة ، يمكن تحسين عامل K باختيار حد أطول. يمكن أن يتأثر اختيار نسبة تجويف الأسطوانة إلى نسبة المحرك بالعامل K وعدد من العوامل الأخرى مثل تغليف المحرك ، والتجويفات والصمامات ، وما إلى ذلك.
الصعوبات المحتملة
مشكلة كبيرة بشكل خاص عند الإعدادتكمن أقصى نسبة من الأسطوانة إلى السكتة الدماغية في العبوة المعقدة للغاية لرأس الأسطوانة. يعد ذلك ضروريًا لاستيعاب تصميم الصمامات الأربعة ونظام حقن الوقود ذي القضيب المشترك مع الحاقن الموجود في المركز. تعتبر رؤوس الأسطوانات معقدة بسبب القنوات العديدة ، بما في ذلك تبريد المياه ، ومسامير تثبيت رأس الأسطوانة ، ومنافذ السحب والعادم ، والحاقنات ، وشمعات التوهج ، والصمامات ، وسيقان الصمامات ، والفواصل والمقاعد ، والقنوات الأخرى المستخدمة لإعادة تدوير غاز العادم في بعض التصميمات.
غرف الاحتراق في محركات الديزل الحديثة بالحقن المباشر يمكن الإشارة إليها بغرف احتراق مفتوحة أو ثانوية.
فتح الكاميرات
إذا كان قطر الفتحة العلوية للوعاء في المكبس أصغر من الحد الأقصى لمعلمة الوعاء نفسها ، فيُطلق عليها اسم قابل للإرجاع. هذه الأوعية لها "شفة". إذا لم يكن كذلك ، فهذه غرفة احتراق مفتوحة. في محركات الديزل ، تُعرف تصاميم وعاء القبعة المكسيكية هذه منذ عشرينيات القرن الماضي. تم استخدامها حتى عام 1990 في المحركات شديدة التحمل لدرجة أن وعاء الإرجاع أصبح أكثر أهمية مما كان عليه من قبل. تم تصميم هذا النموذج من غرفة الاحتراق لأوقات الحقن المتقدمة نسبيًا ، حيث يحتوي الوعاء على معظم الغازات المحترقة. انها ليست مناسبة تماما لاستراتيجيات الحقن المتأخر.
محرك ديزل
سميت على اسم المخترع رودولف ديزل. إنه محرك احتراق داخلي ينتج عن زيادة اشتعال الوقود المحقوندرجة حرارة الهواء في الاسطوانة بسبب الضغط الميكانيكي. يعمل الديزل بضغط الهواء فقط. هذا يرفع درجة حرارة الهواء داخل الأسطوانة لدرجة أن الوقود الذري المحقون في غرفة الاحتراق يشتعل تلقائيًا.
هذا يختلف عن محركات الإشعال بالشرارة مثل البنزين أو غاز البترول المسال (باستخدام الوقود الغازي بدلاً من البنزين). يستخدمون شمعة احتراق لإشعال خليط وقود الهواء. في محركات الديزل ، يمكن استخدام شمعات التوهج (سخانات غرفة الاحتراق) للمساعدة في البدء في الطقس البارد وأيضًا بنسب ضغط منخفضة. يعمل الديزل الأصلي بدورة ضغط ثابتة من الاحتراق التدريجي ولا ينتج طفرة صوتية.
الخصائص العامة
يتمتع الديزل بأعلى كفاءة حرارية مقارنة بأي محرك احتراق داخلي وخارجي عملي نظرًا لنسبة تمدده العالية جدًا واحتراقه الهزيل المتأصل ، مما يسمح للهواء الزائد بتبديد الحرارة. يتم أيضًا منع حدوث خسارة صغيرة في الكفاءة بدون الحقن المباشر ، نظرًا لعدم وجود الوقود غير المحترق عند إغلاق الصمام ، ولا يتدفق الوقود مباشرة من جهاز السحب (الحاقن) إلى أنبوب العادم. يمكن لمحركات الديزل منخفضة السرعة ، مثل تلك المستخدمة في السفن ، أن تتمتع بكفاءة حرارية تزيد عن 50 بالمائة.
يمكن تصميم محركات الديزل كضربتين أو أربع أشواط. تم استخدامها في الأصل باسمالاستبدال الفعال للمحركات البخارية الثابتة. منذ عام 1910 تم استخدامها في الغواصات والسفن. استخدم في القاطرات والشاحنات والمعدات الثقيلة ومحطات الطاقة في وقت لاحق. في الثلاثينيات من القرن الماضي وجدوا مكانا في تصميم عدة سيارات
مزايا وعيوب
منذ سبعينيات القرن الماضي ، ازداد استخدام محركات الديزل في المركبات الكبيرة على الطرق الوعرة والوعرة في الولايات المتحدة. وفقًا للجمعية البريطانية لمصنعي ومصنعي السيارات ، يبلغ متوسط الاتحاد الأوروبي لمركبات الديزل 50٪ من إجمالي المبيعات (من بينها 70٪ في فرنسا و 38٪ في المملكة المتحدة).
في الطقس البارد ، قد يكون بدء تشغيل محركات الديزل عالية السرعة أمرًا صعبًا حيث تمتص كتلة الكتلة ورأس الأسطوانة حرارة الانضغاط ، مما يمنع الاشتعال بسبب ارتفاع نسبة السطح إلى الحجم. في السابق ، كانت هذه الوحدات تستخدم سخانات كهربائية صغيرة داخل حجرات تسمى شمعات التوهج.
المشاهدات
تستخدم العديد من المحركات سخانات مقاومة في مشعب السحب لتسخين هواء السحب وبدء التشغيل أو حتى الوصول إلى درجة حرارة التشغيل. تستخدم سخانات كتلة المحرك المقاومة الكهربائية المتصلة بالتيار الكهربائي في المناخات الباردة. في مثل هذه الحالات ، يجب تشغيله لفترة طويلة (أكثر من ساعة) لتقليل وقت بدء التشغيل والتآكل.
تُستخدم سخانات الكتلة أيضًا لإمدادات الطاقة في حالات الطوارئ مع مولدات الديزل ، والتي تحتاج إلى تفريغ الطاقة بسرعة في حالة انقطاع التيار الكهربائي. في الماضي ، تم استخدام مجموعة متنوعة من طرق البدء على البارد. استخدمت بعض المحركات ، مثل ديترويت ديزل ، نظامًا لإدخال كميات صغيرة من الأثير في مجمع السحب لبدء الاحتراق. استخدم البعض الآخر نظامًا مختلطًا مع سخان مقاومة لاحتراق الميثانول. تتمثل إحدى الطرق المرتجلة ، خاصة على المحركات غير العاملة ، في رش علبة رذاذ من سائل أساسي يدويًا في تيار الهواء الداخل (عادةً من خلال مجموعة مرشح هواء السحب).
الاختلافات عن المحركات الأخرى
تختلف ظروف الديزل عن محرك الإشعال بالشرارة بسبب اختلاف الدورة الديناميكية الحرارية. بالإضافة إلى ذلك ، يتم التحكم في قوة وسرعة دورانه بشكل مباشر عن طريق إمداد الوقود ، وليس الهواء ، كما هو الحال في المحرك الدوري. قد تختلف أيضًا درجة حرارة احتراق وقود الديزل والبنزين.
محرك الديزل المتوسط لديه نسبة طاقة إلى وزن أقل من محرك البنزين. هذا لأن الديزل يجب أن يعمل بسرعة RPM منخفضة بسبب الحاجة الهيكلية لأجزاء أثقل وأقوى لتحمل ضغط التشغيل. يحدث دائمًا بسبب نسبة ضغط عالية للمحرك ، مما يزيد من القوى على الجزء بسبب قوى القصور الذاتي. بعض محركات الديزل للاستخدام التجاري. تم تأكيد ذلك مرارًا وتكرارًا في الممارسة.
محركات الديزل عادةلديه سكتة دماغية طويلة. في الأساس ، هذا ضروري لتسهيل تحقيق نسب الضغط المطلوبة. نتيجة لذلك ، يصبح المكبس أثقل. يمكن قول الشيء نفسه عن القضبان. يجب أن تنتقل المزيد من القوة من خلالها والعمود المرفقي لتغيير زخم المكبس. هذا سبب آخر لضرورة أن يكون محرك الديزل أقوى لنفس خرج الطاقة مثل محرك البنزين.
