O diesel queima? Ele queima, e com bastante força. Seu resíduo que não participou da combustão pré-misturada é consumido na fase de combustão de taxa variável.
A combustão em motores diesel é muito difícil. Até a década de 1990, seus mecanismos detalhados não eram bem compreendidos. A temperatura de combustão do óleo diesel na câmara de combustão também variou de caso para caso. Durante décadas, a complexidade desse processo pareceu desafiar as tentativas dos pesquisadores de desvendar seus muitos segredos, apesar da disponibilidade de ferramentas modernas, como a fotografia de alta velocidade usada em mecanismos "transparentes", o poder de processamento dos computadores modernos e muitos modelos matemáticos. projetado para simular a combustão em diesel A aplicação de imagens a laser de folha ao processo tradicional de combustão de diesel na década de 1990 foi a chave para melhorar bastante a compreensão desse processo.
Este artigo irá cobriro modelo de processo mais estabelecido para um motor diesel clássico. Essa combustão convencional do diesel é controlada principalmente pela mistura, que pode ocorrer devido à difusão do combustível e do ar antes da ignição.
Temperatura de combustão
A que temperatura o diesel queima? Se antes esta pergunta parecia difícil, agora pode ser dada uma resposta completamente inequívoca. A temperatura de combustão do combustível diesel é de cerca de 500-600 graus Celsius. A temperatura deve ser alta o suficiente para inflamar a mistura de combustível e ar. Em países frios onde predominam temperaturas ambientes baixas, os motores tinham uma vela de incandescência que aquece a porta de admissão para ajudar a ligar o motor. É por isso que você deve sempre esperar até que o ícone do aquecedor no painel se apague antes de ligar o motor. Também afeta a temperatura de combustão do combustível diesel. Vamos considerar que outras nuances existem em seu trabalho.
Recursos
O principal pré-requisito para a queima de óleo diesel em um queimador controlado externamente é sua maneira única de liberar a energia química armazenada nele. Para realizar este processo, o oxigênio deve estar disponível para facilitar a combustão. Um dos aspectos mais importantes deste processo é a mistura de combustível e ar, muitas vezes referida como pré-mistura.
Catalisador de combustão a diesel
Em motores a diesel, o combustível é frequentemente injetado no cilindro do motor no final do curso de compressão, apenas alguns graus do ângulo do virabrequim antes do ponto morto superior. O combustível líquido geralmente é injetado em alta velocidade em um ou mais jatos através de pequenos orifícios ou bicos na ponta do injetor, atomizado em gotículas finas e entra na câmara de combustão. O combustível atomizado absorve o calor do ar comprimido aquecido circundante, evapora e se mistura com o ar de alta pressão de alta temperatura circundante. À medida que o pistão continua a se aproximar do ponto morto superior (TDC), a temperatura da mistura (principalmente ar) atinge sua temperatura de ignição. A temperatura de combustão do combustível diesel Webasto não é diferente da de outros tipos de diesel, atingindo cerca de 500-600 graus.
Ignição rápida de algum combustível pré-misturado e ar ocorre após um período de retardo de ignição. Essa ignição rápida é considerada o início da combustão e é caracterizada por um aumento acentuado na pressão do cilindro à medida que a mistura ar-combustível é consumida. O aumento da pressão resultante da combustão pré-misturada comprime e aquece a porção não queimada da carga e reduz o tempo de espera antes da ignição. Também aumenta a taxa de evaporação do combustível restante. Sua pulverização, evaporação, mistura com o ar continua até que tudo seja queimado. A temperatura de combustão do querosene e do óleo diesel a este respeito pode ser semelhante.
Característica
Primeiro, vamos lidar com a notação: então A é ar (oxigênio), F é combustível. A combustão de diesel é caracterizada por uma baixa relação A/F geral, sendo que a média A/F mais baixa é frequentemente observada em condições de pico de torque. Para evitar a geração excessiva de fumaça, o pico de torque A/F é normalmente mantido acima de 25:1, bem acima da razão de equivalência estequiométrica (quimicamente correta) de cerca de 14,4:1. Isso também se aplica a todos os ativadores de combustão a diesel.
Em motores diesel turboalimentados, a relação A/F em marcha lenta pode exceder 160:1. Consequentemente, o excesso de ar presente no cilindro após a combustão do combustível continua a se misturar com os gases queimados e já exaustos. Quando a válvula de escape é aberta, o excesso de ar é expelido juntamente com os produtos da combustão, o que explica a natureza oxidativa do escape do diesel.
Quando o diesel queima? Este processo ocorre depois que o combustível vaporizado se mistura com o ar para formar uma mistura localmente rica. Também nesta fase, a temperatura adequada de combustão do óleo diesel é atingida. No entanto, a relação A/F geral é pequena. Em outras palavras, pode-se dizer que a maior parte do ar que entra no cilindro de um motor diesel é comprimido e aquecido, mas nunca participa do processo de combustão. O oxigênio no ar em excesso ajuda a oxidar os hidrocarbonetos gasosos e o monóxido de carbono, reduzindo-os a concentrações extremamente baixas nos gases de escape. Este processo é muito mais importante do que a temperatura de combustão do óleo diesel.
Fatores
Os seguintes fatores desempenham um papel importante no processo de combustão do diesel:
- A carga induzida do ar, sua temperatura e sua energia cinética em várias dimensões.
- Atomização do combustível injetado, penetração de respingos, temperatura e características químicas.
Embora esses dois fatores sejam os mais importantes, existem outros parâmetros que podem afetar significativamente o desempenho do motor. Eles desempenham um papel secundário, mas importante no processo de combustão. Por exemplo:
- Design da entrada. Tem uma forte influência no movimento do ar de carga (especialmente no momento em que entra no cilindro) e na taxa de mistura na câmara de combustão. Isso pode alterar a temperatura de combustão do óleo diesel na caldeira.
- O design da porta de entrada também pode afetar a temperatura do ar de admissão. Isso pode ser obtido transferindo calor da camisa de água através da área da superfície da entrada.
- Tamanho da válvula de admissão. Controla a massa total de ar admitida no cilindro durante um tempo finito.
- Relação de compressão. Afeta a evaporação, a velocidade de mistura e a qualidade da combustão, independente da temperatura de combustão do óleo diesel na caldeira.
- Pressão de injeção. Ele controla a duração da injeção para um determinado parâmetro de abertura do bico.
- Geometria de atomização, que afeta diretamente a qualidade e temperatura de combustão do óleo diesel e da gasolina paraconta de uso do ar. Por exemplo, um ângulo de cone de pulverização maior pode colocar combustível no topo do pistão e fora do tanque de combustão em motores diesel DI de câmara aberta. Essa condição pode levar ao "fumo" excessivo, pois o combustível não tem acesso ao ar. Ângulos de cone largos também podem fazer com que o combustível respingue nas paredes do cilindro, em vez de dentro da câmara de combustão, onde é necessário. Pulverizado na parede do cilindro, ele acabará se movendo para baixo no cárter de óleo, encurtando a vida útil do óleo lubrificante. Como o ângulo de pulverização é uma das variáveis que afeta a taxa de mistura do ar no jato de combustível próximo à saída do injetor, ele pode ter um efeito significativo no processo geral de combustão.
- Configuração da válvula que controla a posição do injetor. Os sistemas de duas válvulas criam uma posição inclinada do injetor, o que significa pulverização irregular. Isso leva a uma violação da mistura de combustível e ar. Por outro lado, os projetos de quatro válvulas permitem a montagem vertical do injetor, atomização de combustível simétrica e acesso igual ao ar disponível para cada atomizador.
- Posição do anel do pistão superior. Ele controla o espaço morto entre o topo do pistão e a camisa do cilindro. Este espaço morto retém o ar que se comprime e se expande sem sequer participar do processo de combustão. Portanto, é importante entender que o sistema do motor diesel não se limita à câmara de combustão, bicos injetores eseu ambiente imediato. A combustão inclui qualquer parte ou componente que possa afetar o resultado final do processo. Portanto, ninguém deve ter dúvidas se o diesel queima.
Outros detalhes
Combustão a diesel é conhecida por ser muito enxuta com relação A/F:
- 25:1 no pico de torque.
- 30:1 na velocidade nominal e potência máxima.
- Mais de 150:1 em marcha lenta para motores turboalimentados.
No entanto, este ar adicional não é incluído no processo de combustão. Ele aquece bastante e está esgotado, como resultado do qual a exaustão do diesel fica ruim. Embora a relação ar-combustível média seja baixa, se as medidas adequadas não forem tomadas durante o processo de projeto, as áreas da câmara de combustão podem ser ricas em combustível e resultar em emissões excessivas de fumaça.
Câmara de combustão
Um dos principais objetivos do projeto é garantir uma mistura suficiente de combustível e ar para mitigar os efeitos das áreas ricas em combustível e permitir que o motor atinja suas metas de desempenho e emissões. Verificou-se que a turbulência no movimento do ar dentro da câmara de combustão é benéfica para o processo de mistura e pode ser usada para conseguir isso. O vórtice criado pela entrada pode ser amplificado e o pistão pode criarapertando à medida que se aproxima da cabeça do cilindro para permitir mais turbulência durante o ato de compressão devido ao design correto do copo na cabeça do pistão.
O projeto da câmara de combustão tem o impacto mais significativo nas emissões de partículas. Também pode afetar hidrocarbonetos não queimados e CO. Embora as emissões de NOx dependam do projeto da cuba [De Risi 1999], as propriedades do gás a granel desempenham um papel muito importante em seus níveis de gás de exaustão. No entanto, devido ao trade-off NOx/PM, os projetos dos combustores tiveram que evoluir à medida que os limites de emissão de NOx diminuíram. Isso é necessário principalmente para evitar o aumento das emissões de MP que ocorreriam de outra forma.
Otimização
Um parâmetro importante para otimizar o sistema de combustão do óleo diesel no motor é a proporção de ar disponível envolvida neste processo. O fator K (relação entre o volume do copo do pistão e a folga) é uma medida aproximada da proporção de ar disponível para combustão. A redução do deslocamento do motor leva a uma diminuição do coeficiente relativo K e a uma tendência a piorar as características de combustão. Para um determinado deslocamento e com uma taxa de compressão constante, o fator K pode ser melhorado escolhendo um curso mais longo. A seleção da relação entre o diâmetro do cilindro e o motor pode ser afetada pelo fator K e vários outros fatores, como embalagem do motor, orifícios e válvulas, etc.
Possíveis dificuldades
Um problema particularmente significativo ao configurarA relação máxima entre cilindro e curso está na embalagem muito complexa do cabeçote. Isso é necessário para acomodar o projeto de quatro válvulas e o sistema de injeção de combustível common-rail com o injetor localizado no centro. Os cabeçotes são complexos devido aos muitos canais, incluindo resfriamento a água, parafusos de retenção do cabeçote, portas de admissão e escape, injetores, velas de incandescência, válvulas, hastes de válvulas, recessos e assentos e outros canais usados para recirculação de gases de escape em alguns projetos.
As câmaras de combustão em motores diesel de injeção direta modernos podem ser chamadas de câmaras de combustão abertas ou secundárias.
Câmeras abertas
Se o furo superior do bojo no pistão tiver um diâmetro menor que o máximo do mesmo parâmetro do bojo, então é chamado de retornável. Essas tigelas têm um "lábio". Se não, então esta é uma câmara de combustão aberta. Nos motores a diesel, esses designs de tigelas de chapéu mexicanos são conhecidos desde a década de 1920. Eles foram usados até 1990 em motores pesados até o ponto em que a tigela de retorno se tornou mais importante do que costumava ser. Esta forma de câmara de combustão é projetada para tempos de injeção relativamente avançados, onde a cuba contém a maior parte dos gases em combustão. Não é adequado para estratégias de injeção atrasada.
Motor Diesel
É nomeado após o inventor Rudolf Diesel. É um motor de combustão interna em que a ignição do combustível injetado é causada pelo aumento datemperatura do ar no cilindro devido à compressão mecânica. O diesel funciona comprimindo apenas o ar. Isso eleva a temperatura do ar dentro do cilindro a tal ponto que o combustível atomizado injetado na câmara de combustão se inflama espontaneamente.
Isso é diferente de motores de ignição por centelha, como gasolina ou GLP (usando combustível gasoso em vez de gasolina). Eles usam uma vela de ignição para inflamar a mistura ar-combustível. Nos motores a diesel, as velas de incandescência (aquecedores da câmara de combustão) podem ser usadas para auxiliar na partida em clima frio e também em baixas taxas de compressão. O diesel original opera em um ciclo de pressão constante de combustão gradual e não produz um estrondo sônico.
Características gerais
Diesel tem a maior eficiência térmica de qualquer motor de combustão interna e externa prático devido à sua taxa de expansão muito alta e combustão magra inerente, permitindo que o excesso de ar dissipe o calor. Uma pequena perda de eficiência também é evitada sem injeção direta, uma vez que o combustível não queimado não está presente quando a válvula fecha e o combustível não flui diretamente do dispositivo de admissão (injetor) para o tubo de escape. Motores a diesel de baixa velocidade, como os usados em navios, podem ter eficiências térmicas superiores a 50%.
Os diesel podem ser projetados como dois tempos ou quatro tempos. Eles foram originalmente usados comosubstituto eficaz para motores a vapor estacionários. Desde 1910 eles têm sido usados em submarinos e navios. O uso em locomotivas, caminhões, equipamentos pesados e usinas de energia veio depois. Nos anos trinta do século passado, eles encontraram um lugar no design de vários carros.
Vantagens e desvantagens
Desde a década de 1970, o uso de motores a diesel em veículos on e off-road maiores nos EUA aumentou. De acordo com a Sociedade Britânica de Fabricantes e Fabricantes de Motores, a média da UE para veículos a diesel é de 50% do total de vendas (entre elas 70% na França e 38% no Reino Unido).
Em climas frios, a partida de motores diesel de alta velocidade pode ser difícil, pois a massa do bloco e do cabeçote absorve o calor da compressão, evitando a ignição devido à maior relação superfície/volume. Anteriormente, essas unidades usavam pequenos aquecedores elétricos dentro de câmaras chamadas velas de incandescência.
Visualizações
Muitos motores usam resistências de aquecimento no coletor de admissão para aquecer o ar de admissão e dar partida ou até atingir a temperatura de operação. Aquecedores elétricos do bloco do motor resistivo conectados à rede são usados em climas frios. Nesses casos, ele precisa ficar ligado por um longo tempo (mais de uma hora) para reduzir o tempo de partida e o desgaste.
Aquecedores de bloco também são usados para fontes de alimentação de emergência com geradores a diesel, que precisam descarregar rapidamente a energia em caso de f alta de energia. No passado, uma variedade maior de métodos de partida a frio foi usada. Alguns motores, como o Detroit Diesel, usavam um sistema para introduzir pequenas quantidades de éter no coletor de admissão para iniciar a combustão. Outros usaram um sistema misto com um aquecedor de resistência à queima de metanol. Um método improvisado, especialmente em motores que não funcionam, é borrifar manualmente uma lata de aerossol de líquido essencial no fluxo de ar de admissão (geralmente através do conjunto do filtro de ar de admissão).
Diferenças de outros motores
As condições do diesel são diferentes do motor de ignição por centelha devido ao ciclo termodinâmico diferente. Além disso, a potência e a velocidade de sua rotação são controladas diretamente pelo fornecimento de combustível, e não de ar, como em um motor cíclico. A temperatura de combustão do diesel e da gasolina também pode diferir.
O motor diesel médio tem uma relação potência-peso menor do que um motor a gasolina. Isso ocorre porque o diesel precisa rodar em uma RPM menor devido à necessidade estrutural de peças mais pesadas e mais fortes para suportar a pressão de operação. É sempre causado por uma alta taxa de compressão do motor, que aumenta as forças na peça devido às forças de inércia. Alguns diesels são para uso comercial. Isso foi repetidamente confirmado na prática.
Motores a diesel geralmentetem um curso longo. Basicamente, isso é necessário para facilitar a obtenção das taxas de compressão necessárias. Como resultado, o pistão fica mais pesado. O mesmo pode ser dito sobre as hastes. Mais força deve ser transmitida através deles e do virabrequim para alterar o momento do pistão. Esta é outra razão pela qual um motor a diesel precisa ser mais forte para a mesma potência que um motor a gasolina.
