Apakah bahan bakar diesel terbakar? Itu terbakar, dan cukup kuat. Residunya yang tidak berpartisipasi dalam pembakaran pra-campuran dikonsumsi dalam fase pembakaran tingkat variabel.
Pembakaran di mesin diesel sangat sulit. Sampai tahun 1990-an, mekanisme rincinya tidak dipahami dengan baik. Suhu pembakaran bahan bakar diesel di ruang bakar juga bervariasi dari kasus ke kasus. Selama beberapa dekade, kerumitan proses ini tampaknya menentang upaya para peneliti untuk mengungkap banyak rahasianya, terlepas dari ketersediaan alat modern seperti fotografi berkecepatan tinggi yang digunakan dalam mesin "transparan", kekuatan pemrosesan komputer modern, dan banyak model matematika. dirancang untuk mensimulasikan pembakaran di diesel Penerapan pencitraan laser lembaran pada proses pembakaran diesel tradisional pada 1990-an adalah kunci untuk meningkatkan pemahaman proses ini.
Artikel ini akan membahasmodel proses yang paling mapan untuk mesin diesel klasik. Pembakaran konvensional bahan bakar diesel ini terutama dikendalikan oleh pencampuran, yang dapat terjadi karena difusi bahan bakar dan udara sebelum penyalaan.
Suhu pembakaran
Pada suhu berapa bahan bakar diesel terbakar? Jika sebelumnya pertanyaan ini tampak sulit, sekarang dapat diberikan jawaban yang sama sekali tidak ambigu. Temperatur pembakaran solar sekitar 500-600 derajat Celcius. Temperatur harus cukup tinggi untuk menyalakan campuran bahan bakar dan udara. Di negara-negara dingin di mana suhu lingkungan yang rendah mendominasi, mesin memiliki busi pijar yang menghangatkan port intake untuk membantu menghidupkan mesin. Inilah sebabnya mengapa Anda harus selalu menunggu sampai ikon pemanas di dasbor mati sebelum menghidupkan mesin. Ini juga mempengaruhi suhu pembakaran bahan bakar diesel. Mari kita pertimbangkan apa nuansa lain yang ada dalam karyanya.
Fitur
Prasyarat utama untuk membakar bahan bakar diesel dalam pembakar yang dikontrol secara eksternal adalah caranya yang unik untuk melepaskan energi kimia yang tersimpan di dalamnya. Untuk melakukan proses ini, oksigen harus tersedia untuk memfasilitasi pembakaran. Salah satu aspek terpenting dari proses ini adalah pencampuran bahan bakar dan udara, yang sering disebut sebagai pra-pencampuran.
Katalis pembakaran diesel
Pada mesin diesel, bahan bakar sering disuntikkan ke dalam silinder mesin pada akhir langkah kompresi, hanya beberapa derajat dari sudut poros engkol sebelum titik mati atas. Bahan bakar cair biasanya disuntikkan dengan kecepatan tinggi dalam satu atau lebih jet melalui lubang kecil atau nozel di ujung injektor, diatomisasi menjadi tetesan halus, dan memasuki ruang bakar. Bahan bakar yang dikabutkan menyerap panas dari udara bertekanan tinggi di sekitarnya, menguap dan bercampur dengan udara bertekanan tinggi bertemperatur tinggi di sekitarnya. Saat piston terus bergerak mendekati titik mati atas (TMA), suhu campuran (kebanyakan udara) mencapai suhu penyalaannya. Temperatur pembakaran solar Webasto tidak berbeda dengan solar grade lainnya, mencapai sekitar 500-600 derajat.
Pengapian cepat dari beberapa bahan bakar dan udara pra-campuran terjadi setelah periode penundaan pengapian. Pengapian cepat ini dianggap sebagai permulaan pembakaran dan ditandai dengan peningkatan tajam dalam tekanan silinder saat campuran udara-bahan bakar dikonsumsi. Peningkatan tekanan yang dihasilkan dari pembakaran pra-campuran memampatkan dan memanaskan bagian muatan yang tidak terbakar dan mempersingkat waktu tunda sebelum menyala. Ini juga meningkatkan laju penguapan bahan bakar yang tersisa. Penyemprotannya, penguapannya, pencampurannya dengan udara terus dilakukan hingga semuanya terbakar. Temperatur pembakaran minyak tanah dan solar dalam hal ini mungkin sama.
Karakteristik
Pertama, mari kita berurusan dengan notasi: maka A adalah udara (oksigen), F adalah bahan bakar. Pembakaran diesel dicirikan oleh rasio A/F keseluruhan yang rendah. A/F rata-rata terendah sering diamati pada kondisi torsi puncak. Untuk menghindari pembentukan asap yang berlebihan, torsi puncak A/F biasanya dipertahankan di atas 25:1, jauh di atas rasio ekivalensi stoikiometri (secara kimiawi benar) sekitar 14,4:1. Ini juga berlaku untuk semua aktivator pembakaran diesel.
Pada mesin diesel turbocharged, rasio A/F saat idle dapat melebihi 160:1. Akibatnya, udara berlebih yang ada di dalam silinder setelah pembakaran bahan bakar terus bercampur dengan gas yang terbakar dan sudah habis. Ketika katup buang dibuka, udara berlebih dikeluarkan bersama dengan produk pembakaran, yang menjelaskan sifat oksidatif dari knalpot diesel.
Kapan bahan bakar diesel terbakar? Proses ini terjadi setelah bahan bakar yang diuapkan bercampur dengan udara untuk membentuk campuran kaya lokal. Juga pada tahap ini, suhu pembakaran bahan bakar diesel yang tepat tercapai. Namun, rasio A/F keseluruhannya kecil. Dengan kata lain, dapat dikatakan bahwa sebagian besar udara yang masuk ke silinder mesin diesel dikompresi dan dipanaskan, tetapi tidak pernah berpartisipasi dalam proses pembakaran. Oksigen di udara berlebih membantu mengoksidasi gas hidrokarbon dan karbon monoksida, menguranginya ke konsentrasi yang sangat rendah dalam gas buang. Proses ini jauh lebih penting daripada temperatur pembakaran solar.
Faktor
Faktor berikut memainkan peran utama dalam proses pembakaran diesel:
- Muatan induksi udara, suhu dan energi kinetiknya dalam beberapa dimensi.
- Atomisasi bahan bakar yang disuntikkan, penetrasi percikan, suhu dan karakteristik kimia.
Meskipun kedua faktor ini adalah yang paling penting, ada parameter lain yang dapat mempengaruhi performa mesin secara signifikan. Mereka memainkan peran sekunder tetapi penting dalam proses pembakaran. Misalnya:
- Desain saluran masuk. Ini memiliki pengaruh kuat pada pergerakan udara muatan (terutama pada saat memasuki silinder) dan pada kecepatan pencampuran di ruang bakar. Hal ini dapat mengubah temperatur pembakaran solar di boiler.
- Desain lubang masuk juga dapat memengaruhi suhu udara pengisian. Ini dapat dicapai dengan mentransfer panas dari jaket air melalui luas permukaan saluran masuk.
- Ukuran katup masuk. Mengontrol total massa udara yang masuk ke silinder selama waktu yang terbatas.
- Rasio kompresi. Ini mempengaruhi penguapan, kecepatan pencampuran dan kualitas pembakaran, terlepas dari suhu pembakaran bahan bakar diesel di boiler.
- Tekanan injeksi. Ini mengontrol durasi injeksi untuk parameter pembukaan nozzle yang diberikan.
- Geometri atomisasi, yang secara langsung mempengaruhi kualitas dan suhu pembakaran bahan bakar diesel dan bensin untukakun penggunaan udara. Misalnya, sudut kerucut semprotan yang lebih besar dapat menempatkan bahan bakar di atas piston dan di luar tangki pembakaran di mesin diesel DI ruang terbuka. Kondisi ini dapat menyebabkan "merokok" berlebihan karena bahan bakar tidak dapat mengakses udara. Sudut kerucut yang lebar juga dapat menyebabkan bahan bakar memercik di dinding silinder daripada di dalam ruang bakar di tempat yang diperlukan. Disemprotkan ke dinding silinder, akhirnya akan turun ke panci minyak, memperpendek umur minyak pelumas. Karena sudut semprotan merupakan salah satu variabel yang mempengaruhi laju pencampuran udara di jet bahan bakar di dekat outlet injektor, maka dapat berpengaruh signifikan terhadap proses pembakaran secara keseluruhan.
- Konfigurasi katup yang mengontrol posisi injektor. Sistem dua katup membuat posisi injektor miring, yang berarti penyemprotan tidak merata. Ini mengarah pada pelanggaran pencampuran bahan bakar dan udara. Di sisi lain, desain empat katup memungkinkan pemasangan injektor vertikal, atomisasi bahan bakar simetris, dan akses yang sama ke udara yang tersedia untuk setiap alat penyemprot.
- Posisi ring piston atas. Ini mengontrol ruang mati antara bagian atas piston dan liner silinder. Ruang mati ini menjebak udara yang memampatkan dan mengembang tanpa ikut serta dalam proses pembakaran. Oleh karena itu, penting untuk dipahami bahwa sistem mesin diesel tidak terbatas pada ruang bakar, nozel injektor danlingkungan terdekat mereka. Pembakaran meliputi setiap bagian atau komponen yang dapat mempengaruhi hasil akhir proses. Oleh karena itu, tidak ada yang meragukan apakah bahan bakar diesel terbakar.
Detail lainnya
Pembakaran diesel dikenal sangat ramping dengan rasio A/F:
- 25:1 pada torsi puncak.
- 30:1 pada kecepatan terukur dan daya maksimum.
- Lebih dari 150:1 saat idle untuk mesin turbocharged.
Namun, udara tambahan ini tidak termasuk dalam proses pembakaran. Panasnya cukup banyak dan habis, akibatnya knalpot diesel menjadi buruk. Meskipun rasio udara-bahan bakar rata-rata buruk, jika tindakan yang tepat tidak diambil selama proses desain, area ruang bakar dapat kaya bahan bakar dan menghasilkan emisi asap yang berlebihan.
Ruang bakar
Sasaran desain utama adalah untuk memastikan pencampuran bahan bakar dan udara yang cukup untuk mengurangi efek area yang kaya bahan bakar dan memungkinkan engine mencapai target kinerja dan emisinya. Telah ditemukan bahwa turbulensi dalam pergerakan udara di dalam ruang bakar bermanfaat bagi proses pencampuran dan dapat digunakan untuk mencapai hal ini. Pusaran yang dibuat oleh saluran masuk dapat diperkuat dan piston dapat dibuatmeremas saat mendekati kepala silinder untuk memungkinkan lebih banyak turbulensi selama tindakan kompresi karena desain cangkir yang benar di kepala piston.
Desain ruang bakar memiliki dampak paling signifikan terhadap emisi partikulat. Ini juga dapat mempengaruhi hidrokarbon dan CO yang tidak terbakar. Meskipun emisi NOx bergantung pada desain mangkuk [De Risi 1999], sifat-sifat gas curah memainkan peran yang sangat penting dalam tingkat gas buangnya. Namun, karena pertukaran NOx/PM, desain ruang bakar harus berkembang karena batas emisi NOx menurun. Hal ini terutama diperlukan untuk menghindari peningkatan emisi PM yang seharusnya tidak terjadi.
Optimasi
Parameter penting untuk mengoptimalkan sistem pembakaran bahan bakar diesel di mesin adalah proporsi udara tersedia yang terlibat dalam proses ini. Faktor K (rasio volume cangkir piston dengan jarak bebas) adalah ukuran perkiraan proporsi udara yang tersedia untuk pembakaran. Mengurangi perpindahan mesin menyebabkan penurunan koefisien relatif K dan kecenderungan untuk memperburuk karakteristik pembakaran. Untuk perpindahan tertentu dan pada rasio kompresi konstan, faktor K dapat ditingkatkan dengan memilih langkah yang lebih panjang. Pemilihan rasio lubang silinder terhadap mesin dapat dipengaruhi oleh faktor K dan sejumlah faktor lain seperti kemasan mesin, lubang dan katup, dan sebagainya.
Kemungkinan kesulitan
Masalah yang sangat signifikan saat menyiapkanRasio maksimum silinder terhadap langkah terletak pada kemasan kepala silinder yang sangat kompleks. Ini diperlukan untuk mengakomodasi desain empat katup dan sistem injeksi bahan bakar common-rail dengan injektor terletak di tengah. Kepala silinder rumit karena banyak saluran, termasuk pendingin air, baut penahan kepala silinder, lubang masuk dan keluar, injektor, busi pijar, katup, batang katup, ceruk dan kursi, dan saluran lain yang digunakan untuk resirkulasi gas buang di beberapa desain.
Ruang bakar pada mesin diesel injeksi langsung modern dapat disebut sebagai ruang pembakaran terbuka atau sekunder.
Buka kamera
Jika lubang atas mangkuk di piston memiliki diameter lebih kecil dari maksimum parameter mangkuk yang sama, maka itu disebut dapat dikembalikan. Mangkuk seperti itu memiliki "bibir". Jika tidak, maka ini adalah ruang bakar terbuka. Di mesin diesel, desain mangkuk topi Meksiko ini sudah dikenal sejak tahun 1920-an. Mereka digunakan sampai tahun 1990 di mesin tugas berat ke titik di mana mangkuk kembali menjadi lebih penting daripada sebelumnya. Bentuk ruang bakar ini dirancang untuk waktu injeksi yang relatif maju, di mana mangkuk berisi sebagian besar gas yang terbakar. Ini tidak cocok untuk strategi injeksi tertunda.
Mesin diesel
Ini dinamai menurut penemunya Rudolf Diesel. Ini adalah mesin pembakaran internal di mana pengapian bahan bakar yang disuntikkan disebabkan oleh peningkatansuhu udara di dalam silinder karena kompresi mekanis. Diesel bekerja dengan hanya mengompresi udara. Hal ini meningkatkan suhu udara di dalam silinder sedemikian rupa sehingga bahan bakar yang dikabutkan yang disuntikkan ke dalam ruang bakar menyala secara spontan.
Ini berbeda dengan mesin busi seperti bensin atau LPG (menggunakan bahan bakar gas daripada bensin). Mereka menggunakan busi untuk menyalakan campuran udara-bahan bakar. Pada mesin diesel, busi pijar (pemanas ruang bakar) dapat digunakan untuk membantu memulai dalam cuaca dingin dan juga pada rasio kompresi rendah. Diesel asli beroperasi pada siklus tekanan konstan pembakaran bertahap dan tidak menghasilkan ledakan sonik.
Karakteristik umum
Diesel memiliki efisiensi termal tertinggi dari semua mesin pembakaran internal dan eksternal yang praktis karena rasio ekspansi yang sangat tinggi dan pembakaran ramping yang melekat, memungkinkan udara berlebih untuk membuang panas. Sedikit kehilangan efisiensi juga dicegah tanpa injeksi langsung, karena bahan bakar yang tidak terbakar tidak ada saat katup menutup, dan bahan bakar tidak mengalir langsung dari perangkat intake (injektor) ke pipa knalpot. Mesin diesel kecepatan rendah, seperti yang digunakan di kapal, dapat memiliki efisiensi termal lebih dari 50 persen.
Diesel dapat dirancang sebagai dua langkah atau empat langkah. Mereka awalnya digunakan sebagaipengganti yang efektif untuk mesin uap stasioner. Sejak 1910 mereka telah digunakan di kapal selam dan kapal. Penggunaan di lokomotif, truk, alat berat dan pembangkit listrik menyusul kemudian. Pada tiga puluhan abad terakhir, mereka menemukan tempat dalam desain beberapa mobil.
Kelebihan dan kekurangan
Sejak tahun 1970-an, penggunaan mesin diesel pada kendaraan on-road dan off-road yang lebih besar di AS telah meningkat. Menurut British Society of Motor Manufacturers and Manufacturers, rata-rata UE untuk kendaraan diesel adalah 50% dari total penjualan (di antaranya 70% di Prancis dan 38% di Inggris).
Dalam cuaca dingin, menghidupkan mesin diesel kecepatan tinggi bisa jadi sulit karena massa blok dan kepala silinder menyerap panas kompresi, mencegah penyalaan karena rasio permukaan terhadap volume yang lebih tinggi. Sebelumnya, unit ini menggunakan pemanas listrik kecil di dalam ruang yang disebut busi pijar.
Tampilan
Banyak mesin menggunakan pemanas resistansi di intake manifold untuk memanaskan udara masuk dan untuk memulai atau hingga suhu pengoperasian tercapai. Pemanas blok mesin resistif listrik yang terhubung ke listrik digunakan di iklim dingin. Dalam kasus seperti itu, perlu dihidupkan untuk waktu yang lama (lebih dari satu jam) untuk mengurangi waktu start-up dan keausan.
Block heaters juga digunakan untuk catu daya darurat dengan generator diesel, yang perlu segera melepas daya jika terjadi pemadaman listrik. Di masa lalu, variasi yang lebih luas dari metode start dingin telah digunakan. Beberapa mesin, seperti Detroit Diesel, menggunakan sistem untuk memasukkan sejumlah kecil eter ke dalam intake manifold untuk memulai pembakaran. Yang lain telah menggunakan sistem campuran dengan pemanas tahan pembakaran metanol. Metode dadakan, terutama pada mesin yang tidak bekerja, adalah dengan menyemprotkan kaleng aerosol cairan esensial secara manual ke aliran udara masuk (biasanya melalui rakitan filter udara masuk).
Perbedaan dari mesin lain
Kondisi diesel berbeda dengan mesin pengapian busi karena siklus termodinamika yang berbeda. Selain itu, tenaga dan kecepatan putarannya dikendalikan secara langsung oleh pasokan bahan bakar, dan bukan udara, seperti pada mesin siklik. Temperatur pembakaran solar dan bensin mungkin juga berbeda.
Rata-rata mesin diesel memiliki rasio power-to-weight yang lebih rendah daripada mesin bensin. Ini karena diesel harus bekerja pada RPM yang lebih rendah karena kebutuhan struktural akan suku cadang yang lebih berat dan lebih kuat untuk menahan tekanan operasi. Itu selalu disebabkan oleh rasio kompresi mesin yang tinggi, yang meningkatkan gaya pada bagian karena gaya inersia. Beberapa mesin diesel untuk penggunaan komersial. Ini telah berulang kali dikonfirmasi dalam praktik.
Mesin diesel biasanyamengalami stroke yang panjang. Pada dasarnya, ini diperlukan untuk memfasilitasi pencapaian rasio kompresi yang diperlukan. Akibatnya piston menjadi lebih berat. Hal yang sama dapat dikatakan tentang batang. Lebih banyak gaya harus ditransmisikan melalui mereka dan poros engkol untuk mengubah momentum piston. Ini adalah alasan lain mengapa mesin diesel harus lebih kuat untuk output daya yang sama seperti mesin bensin.
