Γενικά για DIESEL. Mέθοδοι ψεκασμού καυσίμου. Προϋποθέσεις τέλειας καύσης.

Γενικά για DIESEL. Mέθοδοι ψεκασμού καυσίμου. Προϋποθέσεις τέλειας καύσης. 1

Θα παρουσιαστούν τα παρακάτω: Ιστορικά στοιχεία. Κύκλοι λειτουργίας των κινητήρων DIESEL. Κατηγορίες κινητήρων DIESEL To καύσιμο DIESEL Σχηματισμός καυσίμου μίγματος Καύση και παραγωγή ρύπων Συστήματα τροφοδοσίας πετρελαιοκινητήρων 2

Ιστορικά στοιχεία. Ο Rudolf Diesel γεννήθηκε στις 18 Μαρτίου 1858 από Γερμανούς γονείς στο Παρίσι. Μετά το τέλος του Γαλλογερμανικού πολέμου 1870-71 μετακόμισε στο Augsburg όπου με θετούς γονείς έπρεπε μόνος του να παλέψει για τη ζωή του. Με υποτροφίες κατάφερε να τελειώσει το 1880 το Polytechnikum Munchen ως ο καλύτερος μέχρι τότε απόφοιτος. 3

Ιστορικά στοιχεία. Στις 27 Φεβρουαρίου 1892 ο Rudolf Diesel κατέθεσε αίτηση ευρεσιτεχνίας στο Βασιλικό Γραφείο ευρεσιτεχνιών του Βερολίνου περί «μιάς αποδεκτής θερμικής μηχανής». Στις 23 Φεβρουαρίου 1893 κατοχυρώθηκε στο όνομά του η ευρεσιτεχνία DRP 67207 για τον «Σχεδιασμό και τρόπο λειτουργίας των μηχανών εσωτερικής καύσεως». 4

Ιστορικά στοιχεία. Το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας που κατοχύρωσε ο Rudolf Diesel 5

Αξίζει να παρουσιάσουμε ένα κομμάτι της συγγραφής αξιώσεων, του αντικειμένου δηλ. για το οποίο ζητείται η ευρεσιτεχνία. Μεταξύ άλλων έλεγε: Ιστορικά στοιχεία. «Ο τρόποςεργασίαςγιατιςμηχανέςκαύσεωςχαρακτηρίζεταιαπόένα έμβολο εργασίας το οποίο συμπιέζει τον καθαρό αέρα τόσο έντονα, που η παραγόμενη θερμοκρασία (ως αποτέλεσμα της συμπίεσης) είναι πολύ υψηλότερη από το σημείο ανάφλεξης του καυσίμου που χρησιμοποιείται, το καύσιμο παρέχεται τόσο βαθμιαία μετά άνω νεκρό σημείο όπου εξαιτίας του κατερχόμενου εμβόλου και της εκτόνωσης του συμπιεσμένου αέρα, η καύση του συμβαίνει χωρίς σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας και της πίεσης, ακολούθως μετά τον τερματισμό της παροχής καυσίμου η μάζα του αέρα στον κύλινδρο εκτονούται παραπέρα.» 6

Ο πρώτοςκινητήρας που κατασκεύασε ο Rudolf Diesel. Ιστορικά στοιχεία. Φυλάσσεται στο ΜΑΝ Diesel Museum στo Augsburg. Διάμετρος= 150 mm Διαδρομή=400mm 7

Ιστορικά στοιχεία. Ημερίδα ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΣΗΣ Η εξέλιξη της πετρελαιομηχανής του Diesel από τον Αύγουστο του 1893 μέχρι τον Φεβρουάριο του 1897 όπως φαίνεται στα δυναμοδεικτικά διαγράμματα. 8

Ο ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΕΤΡΑΧΡΟΝΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ DIESEL Κύκλοι λειτουργίας των κινητήρων DIESEL. 1 ος χρόνος: (ΑΒ) ισοβαρής εισαγωγή αέρα. (ΑΝΣ ΚΝΣ) 2 ος χρόνος: (ΒΓ) αδιαβατική συμπίεση. (ΚΝΣ ΑΝΣ) 3 ος χρόνος: ΑΝΣ ψεκασμός καυσίμου, έναρξη ισοβαρούς καύσης, αδιαβατική εκτόνωση. (ΓΔΕ) (ΑΝΣ ΚΝΣ) 4 ος χρόνος: (ΕΑ) ισοβαρής εξαγωγή καυσαερίων. (ΚΝΣ ΑΝΣ) P-VΔιάγραμμα 9

Κύκλοι λειτουργίας των κινητήρων DIESEL. Ημερίδα ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΣΗΣ Ο ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΕΤΡΑΧΡΟΝΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ DIESEL P-V Διάγραμμα Κυκλικό Διάγραμμα 10

Κύκλοι λειτουργίας των κινητήρων DIESEL. Η συγκρότηση ενός τυπικού 4χρονου κινητήρα DIESEL. Κατασκευαστικά είναι όμοιος με τον αντίστοιχο κινητήρα ΟΤΤΟ. Τα δομικά στοιχεία μπλοκ στροφαλοφόρος έμβολα κλπ πιο ενισχυμένα Διαφοροποιείται στα συστήματα τροφοδοσίας και μείωσης εκπομπών ρύπων απουσία συστήματος ανάφλεξης. Λειτουργικά όμοια συστήματα εισαγωγής - αέρα εξαγωγής καυσαερίων, λίπανσης, ψύξης. Η χρήση μπλόκ αλουμινίου κερδίζει έδαφος. Η χρήση υπερτροφοδότη είναι βασικό χαρακτηριστικό τους. 11

Σήμερα 4χρονοι DIESEL κινητήρες χρησιμοποιούνται σε: Κινητήρες επιβατηγών αυτοκινήτων 12

Κινητήρες φορτηγών και λεωφορείων 13

Κινητήρες τρένων 14

Ναυτικούς κινητήρες 15

Ακόμη και κινητήρες ελαφρών αεροσκαφών 16

Ο ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΔΙΧΡΟΝΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ DIESEL Κύκλοι λειτουργίας των κινητήρων DIESEL. 1 ος χρόνος: ΑΝΣ έναρξη ψεκασμού - ισοβαρής καύση (ΖΗ) αδιαβατική εκτόνωση (ΗΘ) εξαγωγή καυσαερίων (ΘΑΒ) εισαγωγή αέρα (ΑΒ) ΚΝΣ 2ος χρόνος: ΚΝΣ εξαγωγή καυσαερίων (ΒΕ) εισαγωγή αέρα (ΒΔ) αδιαβατική συμπίεση (ΕΖ) ΑΝΣ P-VΔιάγραμμα 17

Κύκλοι λειτουργίας των κινητήρων DIESEL. Ημερίδα ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΣΗΣ Ο ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΔΙΧΡΟΝΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ DIESEL P-V Διάγραμμα Κυκλικό Διάγραμμα 18

Κύκλοι λειτουργίας των κινητήρων DIESEL. Ημερίδα ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΣΗΣ Λειτουργία 2χρονου κινητήρα DIESEL 19

Η ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ 2ΧΡΟΝΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ DIESEL ΣΗΜΕΡΑ Σήμερα η χρήση των 2χρονων κινητήρων DIESEL περιορίζεται σε στατικές μηχανές μεγάλης ισχύος (χιλιάδων HP) πχ. Μηχανές πρόωσης πλοίων. Ο τρόπος λειτουργίας τους επιβάλει τη χρήση υπερπλήρωσης με χρήση στροβιλοσυμπιεστών στις μικρότερες ναυτικές μηχανές και ηλεκτροκίνητων συμπιεστών στις μεγαλύτερες 20

ΕΙΔΗ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ DIESEL ΤΡΟΠΟΙ ΨΕΚΑΣΜΟΥ Σήμερα εφαρμόζονται δύο τρόποι ψεκασμού του καυσίμου μίγματος στο θάλαμο καύσης. Κατηγορίες κινητήρων DIESEL Ο τρόπος ψεκασμού επηρεάζει άμεσα το σχεδιασμό του θαλάμου καύσεως δηλ. το άνω μέρος του εμβόλου, την κυλινδροκεφαλή, τη θέση του μπέκ ψεκασμού και την χρήση η όχι προθερμαντήρα. Κινητήρες άμεσου ψεκασμού (DI): το καύσιμο ψεκάζεται κατ ευθείαν στον θάλαμο καύσης, που πάντα είναι το άνω μέρος του εμβόλου. Κινητήρες έμμεσου ψεκασμού (IDI): το καύσιμο ψεκάζεται σε έναν προθάλαμο καύσης, που σχηματίζεται στο χώρο της κυλινδροκεφαλής. 21

1. Κινητήρες άμεσου ψεκασμού (DI): το καύσιμο ψεκάζεται κατ ευθείαν στον θάλαμο καύσης, που πάντα είναι το άνω μέρος του εμβόλου. Κατηγορίες κινητήρων DIESEL Κινητήρας άμεσου ψεκασμού. Η κυλινδροκεφαλή έχει πιο απλή σχεδίαση. Το μπέκ τοποθετείται σχεδόν η στο κέντρο του θαλάμου σε συγκεκριμένη θέση. Ο θάλαμος καύσης σχηματίζεται αποκλειστικά στο άνω μέρος του εμβόλου. Ο στροβιλισμός του αέρα επιτυγχάνεται με λεπτομερή σχεδιασμό αυλών εισαγωγής, θέση βαλβίδων και σχήμα του θαλάμου καύσεως. Μπορούν να σχεδιαστούν 4βάλβιδες κεφαλές. Η χρήση προθερμαντήρα βελτιώνει την κρύα εκκίνηση. 22

Κατηγορίες κινητήρων DIESEL Ημερίδα ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΣΗΣ 1. Κινητήρες άμεσου ψεκασμού (DI): το καύσιμο ψεκάζεται κατ ευθείαν στον θάλαμο καύσης, που πάντα είναι το άνω μέρος του εμβόλου. Κινητήρας άμεσου ψεκασμού. 23

Κινητήρες έμμεσου ψεκασμού (IDI) Κατηγορίες κινητήρων DIESEL ΒΑΣΙΚΗ ΙΔΕΑ: Το καύσιμο ψεκάζεται σε έναν προθάλαμο καύσης, που σχηματίζεται στην κυλινδροκεφαλή. Αυτοί οι κινητήρες με τη σειρά τους χωρίζονται σε: Κινητήρες με προθάλαμο καύσης. Κινητήρες με θάλαμο στροβιλισμού. 24

Κινητήρες με προθάλαμο καύσης. Κατηγορίες κινητήρων DIESEL Ο προθάλαμος κατασκευάζεται στην κυλινδροκεφαλή. Ο αέρας καθώς συμπιέζεται από το εμβολο μπαίνει με μεγάλη ταχύτητα και ανάδευση στον προθάλαμο. Το καύσιμο ψεκάζεται στον προθάλαμο, η καύση αρχίζει εκεί. Από τον προθάλαμο εξέρχονται με μεγάλη ταχύτητα καυσαέρια και καύσιμοτοοποίοσυνεχίζεινακαίγεται στον κυρίως θάλαμο πάνω από το έμβολο Κινητήρας έμμεσου ψεκασμού με προθάλαμο καύσης 25

Κινητήρες με προθάλαμο καύσης. Κατηγορίες κινητήρων DIESEL Έξοδος του προθαλάμου στον κύριο θάλαμο καύσης 26

Κινητήρες με θάλαμο στροβιλισμού. Κατηγορίες κινητήρων DIESEL Ο θάλαμος στροβιλισμού κατασκευάζεται ως ένθετος στην κυλινδροκεφαλή. Ο αέρας καθώς συμπιέζεται από το έμβολο μπαίνει με μεγάλη ταχύτητα και στροβιλισμό στον προθάλαμο. Το καύσιμο ψεκάζεται στον θάλαμο στροβιλισμού, η καύση αρχίζει εκεί. Από τον προθάλαμο εξέρχονται με μεγάλη ταχύτητα καυσαέρια και καύσιμο το οποίο συνεχίζει να καίγεται στον κυρίως θάλαμο πάνω από το έμβολο. Κινητήρας έμμεσου ψεκασμού με θάλαμο στροβιλισμού. 27

Κατηγορίες κινητήρων DIESEL Ημερίδα ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΣΗΣ Κινητήρες με θάλαμο στροβιλισμού. Θάλαμος στροβιλισμού. Φαίνονται το μισό κομμάτι και ο προθερμαντήρας. 28

Σύγκριση κινητήρων άμεσου και έμμεσου ψεκασμού. Κινητήρες άμεσου ψεκασμού. Κινητήρες έμμεσου ψεκασμού. Κατηγορίες κινητήρων DIESEL Υψηλός βαθμός απόδοσης. Μικρή ειδική κατανάλωση καυσίμου. Καλή ικανότητα ψυχρής εκκίνησης. Κυλινδροκεφαλή με απλή σχεδίαση. Σκληρός θόρυβος λειτουργίας. Υψηλή θερμική και μηχανική φόρτιση Πιο ήρεμη καύση σε δύο βαθμίδες. Πιο μαλακός θόρυβος λειτουργίας. Υψηλότερη ειδική κατανάλωση καυσίμου, ελαφρά μικρότερος θερμικός βαθμός απόδοσης. Κυλινδροκεφαλή με πολύπλοκη σχεδίαση. Ανάγκη για υποβοήθηση ψυχρής εκκίνησης με προθερμαντήρα 29

ΤΟ ΚΑΥΣΙΜΟ DIESEL To καύσιμο DIESEL Από την ατμοσφαιρική η υπό κενό απόσταξη του αργού πετρελαίου το προϊόν μέσων θερμοκρασιών απόσταξης έχει τη γενική ονομασία gas oil. Με επεξεργασία του gas oil προκύπτει το καύσιμο diesel. Άλλοι τρόποι παραγωγής από gas oil και υπόλοιπα απόσταξης είναι: με θερμική διάσπαση και υδρογόνωση. Καταλυτική διάσπαση. Διάσπαση παρουσία υδρογόνου. Απλοποιημένο σκαρίφημα εγκατάστασης διύλισης αργού πετρελαίου 30

Ποιότητα κοιτασμάτων αργού πετρελαίου. To καύσιμο DIESEL Ποσοστό μέσου αποστάγματος σε σχέση με την προέλευση Περιεκτικότητα Κ.Β. σε θείο (S 2 ) 31

Σύσταση του καυσίμου DIESEL. Το καύσιμο DIESEL παράγεται με κλασματική απόσταξη του αργούπετρελαίουσεθερμοκρασίεςαπό180 ο C μέχρι 350 ο C. To καύσιμο DIESEL Αυτό επηρεάζει την χημική του σύσταση. Έτσι αποτελείται από σημαντικά μεγάλο αριθμό υδρογονανθράκων (περισσότερες από 200 ενώσεις), που μπορούν να ενταχθούν στις παρακάτω οικογένειες: Κανονικές παραφίνες. Ολεφίνες. Αρωματικοί υδρογονάνθρακες. Ναφθένια. 32

Κανονικές παραφίνες To καύσιμο DIESEL Είναι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες με η χωρίς διακλαδώσεις στην αλυσίδα τους. Βασικό συστατικό του καυσίμου σε μεγάλο ποσοστό. Έχουν μεγάλο αριθμό κετανίου (για το δεκαεξάνιο η κετάνιο =100. Οι διακλαδωμένες ισοπαραφίνες έχουν χαμηλό αριθμό κετανίου (ισοκετάνιο=15) ακατάλληλες για καύσιμο. Έχουν μεγάλο ιξώδες σε χαμηλές θερμοκρασίες οπότε χρειάζονται βελτιωτικά ροής. 33

Ολεφίνες. To καύσιμο DIESEL Είναι παραφίνες με έναν η περισσότερους διπλούς δεσμούς άνθρακα, με η χωρίς διακλαδώσεις στην αλυσίδα τους. Αν και περιέχουν διπλούς δεσμούς, διατηρούν υψηλό αριθμό κετανίου (1- cetene = 84,2). Ενας διπλός δεσμός σε μακρές παραφινικές αλυσίδες επηρεάζει ελαφρά τα χαρακτηριστικά κάυσης. 34

Αρωματικοί υδρογονάνθρακες. To καύσιμο DIESEL Είναι μονο-αρωματικοί υδρογονάνθρακες η πολύ-αρωματικοί υδρογονάνθρακες (παράγωγα του ναφθαλενίου η του ανθρακενίου). Περιέχουν παραφινικές αλυσίδες ποικίλου μήκους. Γενικά είναι ανεπιθύμητοι στο καύσιμο επειδή έχουν χαμηλή ποιότητα ανάφλεξης. Ο αρωματικός δακτύλιος είναι υπεύθυνος για την εκπομπή υψηλών συγκεντρώσεων σωματιδίων. Το ποσοστό τους στην σύσταση του καυσίμου περιορίζεται στο 11% μέγιστο. 35

Ναφθένια. To καύσιμο DIESEL Τα ναφθένια είναι κυκλικοί κορεσμένοι υδρογονάνθρακες, παράγωγα του κυκλοεξανίου και της δεκαλίνης. Βρίσκονται στο αργό πετρέλαιο σε διάφορες ποσότητες και παράγονται επίσης από την υδρογόνωση αρωματικών υδρογονανθράκων. Έχουν καλή συμπεριφορά σε χαμηλές θερμοκρασίες αλλά παρουσιάζουν μέσο αριθμό κετανίου (αλλά υψηλότερο από αυτόν των αρωματικών συστατικών) 36

Προδιαγραφές καυσίμου DIESEL To καύσιμο DIESEL Είναι απαραίτητες γιατί εξασφαλίζουν την συνεργασία μεταξύ διυλιστηρίων, κατασκευαστών κινητήρων, μεταπωλητών και καταναλωτών. Καθορίζουν τις ελάχιστες η μέγιστες τιμές των ιδιοτήτων του καυσίμου DIESEL. Σήμερα στην Ευρώπη βρίσκεται σε ισχύ το πρότυπο ΕΝ590 (2008-2009) με έναρξη ισχύος το 1993 το οποίο βρίσκεται σε διαδικασία αναθεώρησης. 37

To καύσιμο DIESEL Ημερίδα ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΣΗΣ Οι Ευρωπαϊκές προδιαγραφές καυσίμου DIESEL ΕΝ590 38

Οι προδιαγραφή του καυσίμου DIESEL ΕΝ590 εναρμονίζεται με τις προδιαγραφές των εκπεμπόμενων ρύπων από πετρελαιοκινητήρες. To καύσιμο DIESEL Πέραν των άλλων φυσικών και χημικών χαρακτηριστικών, καθορίζουν δύο σημαντικές ιδιότητες του καυσίμου τον αριθμό κετανίου (cetane number) και την περιεκτικότητα σε θείο (sulphur content). 39

Η σημαντικότερη προδιαγραφόμενη ιδιότητα για το καύσιμο DIESEL, που επηρεάζει σημαντικά την συνολική λειτουργία των πετρελαιοκινητήρων, είναι ο αριθμός κετανίου (cetane number) και ο δείκτης κετανίου (cetane index). To καύσιμο DIESEL Ο αριμός κετανίου εκφράζει την καθυστέρηση ανάφλεξης του πετρελαίου. 40

To καύσιμο DIESEL Ημερίδα ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΣΗΣ Η ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗ ΑΝΑΦΛΕΞΗΣ ΤΟΥ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ Κατά τον ψεκασμό του πετρελαίου στον θάλαμο καύσης: Μεσολαβεί κάποιος μικρός χρόνος από την έναρξη του ψεκασμού μέχρι την έναρξη της αυτανάφλεξης. 41

To καύσιμο DIESEL Εξαρτάται από: Αυτός ο χρόνος: Φυσικούς παράγοντες: ταχύτητα και διάσπαση της δέσμης καυσίμου, μέγεθος σταγονιδίων, εξάτμιση των συστατικών των σταγονιδίων καυσίμου και την δημιουργία αναφλέξιμου μίγματος αέρα καυσίμου. Χημικούς παράγοντες: Η σύσταση του καυσίμου και η περιεκτικότητα του σε παραφίνες (υψηλός αριθμός κετανίου) η σεαρωματικούς(χαμηλός αριθμός κετανίου). Επιδρά σημαντικά στην λειτουργία του κινητήρα (απουσία η παρουσία θορύβων και μηχανικών καταπονήσεων, εκπομπή η μη ρυπογόνων καυσαερίων). 42

Ο αριθμός κετανίου κυμαίνεται: από 40 έως 60 To καύσιμο DIESEL Χαμηλός αριθμός κετανίου προκαλεί συσσώρευση άκαυτου πετρελαίου και βίαιη καύση του όταν αναφλεγεί, προκαλώντας θορυβώδη λειτουργία και μηχανική καταπόνηση του κινητήρα. Πρέπει να είναι πάνω από 51 για να ικανοποιούνται οι αυστηροί περιορισμοί Euro3 μέχρι και Euro6 σε καυσαέρια και παραγόμενο θόρυβο. Η ευκολία εκκίνησης και ο θόρυβος του κινητήρα και ειδικότερα οι εκπομπές τόσο HC και CO όσο και NOχ βελτιώνονται όσο ο αριθμός κετανίου αυξάνεται. 43

To καύσιμο DIESEL Ημερίδα ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΣΗΣ Αριθμός κετανίου των συστατικών του καυσίμου DIESEL 44

Προσδιορισμός αριθμού κετανίου. Ο αριθμός κετανίου (CN) υπολογίζεται εργαστηριακά, σε πρότυπους κινητήρες. To καύσιμο DIESEL ΟκινητήραςCFR σύμφωνα με την προδιαγραφή ΕΝ ISO 5165, και ο κινητήρας BASF σύμφωνα με την προδιαγραφή ΕΝ 15195 χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό του αριθμού κετανίου (έχουν δυνατότητα μεταβολής της συμπίεσης κατά τη λειτουργία τους). Η δοκιμή συνίσταται στην επίτευξη ίδιας καθυστέρησης ανάφλεξης του προς προσδιορισμό καυσίμου, με πρότυπα μίγματα καυσίμων στα οποία μεταβάλλεται η % περιεκτικότητα κετανίου (CN =100) και α-μεθυλοναφθαλενίου (CN =0). Η περιεκτικότητα % σε κετάνιο του προτύπου μίγματος που έχει ίδια καθυστέρηση ανάφλεξης με το προς χαρακτηρισμό μίγμα είναι ο ζητούμενος αριθμός κετανίου. 45

Ο δείκτης κετανίου Ο δείκτης κετανίου εκφράζει και αυτός την καθυστέρηση ανάφλεξης του καυσίμου DIESEL. To καύσιμο DIESEL Σε αντίθεση με τον αριθμό κετανίου, οδείκτηςαυτός υπολογίζεται με εμπειρική μαθηματική φόρμουλα, μετά απόμελέτηπερίπου1200 δειγμάτων καυσίμου. Κύρια στοιχεία που λαμβάνονται υπόψη για τον υπολογισμό του, είναι η πυκνότητα του καυσίμου, καθώς και το κλάσμα απόσταξης σε επιλεγμένες θερμοκρασίες από 180 ο C μέχρι 350 ο C. Δεν μπορεί να λάβει υπόψη τα βελτιωτικά ανάφλεξης. Αναπόφευκτα οι διαφορά μεταξύ αριθμού κετανίου και δείκτη κετανίου κυμαίνεται ως 3 μονάδες. 46

Πρόσθετα του καυσίμου DIESEL Για να βελτιωθούν οι ιδιότητες του παραγόμενου από το διυλιστήριο καυσίμου DIESEL προστίθενται ουσίες που βελτιώνουν ορισμένα χαρακτηριστικά του. Τέτοια είναι: To καύσιμο DIESEL Βελτιωτικά ροής (Flow Improvers) Αντικαθιζαντικά (Wax Anti-settling Additives, (WASA)) Βελτιωτικά ανάφλεξης (Ignition Improvers) Αντιτριβικά πρόσθετα.anti-wear Additives Αντιαφριστικά (Antifoaming Agents Αντιδιαβρωτικά (Corrosion Protection) Αντιμυκητισιακά πρόσθετα. Αντιηλεκτροστατικά πρόσθετα 47

Απαιτήσεις συστήματος τροφοδοσίας των μηχανών DIESEL Σχηματισμός καυσίμου μίγματος Το σύστημα τροφοδοσίας των μηχανών DIESEL πρέπει να: Δημιουργεί την απαιτούμενη πίεση στο μπέκ διασκορπισμού. Μετρά και παρέχει την απαιτούμενη ποσότητα καυσίμου. Δημιουργεί δέσμη καυσίμου μεγάλης ταχύτητας. Εξασφαλίζει την διάσπαση της δέσμης και δημιουργία σταγονιδίων, όσο το δυνατόν μικρότερα. Έτσι ώστε να δημιουργείται γρήγορα καύσιμο μίγμα 48

Σχηματισμός μίγματος κύριες παράμετροι που επιδρούν. Το μίγμα είναι ετερογενές: Πρέπει να αναμιχθεί όσο το δυνατό καλύτερα ο αέρας με τα όσο το δυνατόν μικρότερα σταγονίδια καυσίμου. Σχηματισμός καυσίμου μίγματος Αέρας Περιδίνηση Σύνθλιψη Σχεδιασμός θαλάμου καύσης Καύσιμο Πίεση ψεκασμού Μορφολογία ακροφυσίου Δημιουργία σταγονιδίων 49

Αέρας: Περιδίνηση Σχηματισμός καυσίμου μίγματος Μπορεί να δημιουργηθεί με κατάλληλη σχεδίαση των αυλών εισαγωγής. Η δημιουργία υψηλής περιδίνησης μπορεί να στραγγαλίσει τη ροή αέρα στις υψηλές στροφές. Όσο αυξάνονται οι οπές των μπεκ ψεκασμού η ανάγκη περιδίνησης μικραίνει. Αλλά: μέγιστος αριθμός οπών 5-8. 50

Αέρας: Σύνθλιψη Σχηματισμός καυσίμου μίγματος Η σύνθλιψη του αέρα στο άνω μέρος του εμβόλου δημιουργεί μια δευτερογενή περιδίνηση. Ο συνδυασμός των δύο κινήσεων του αέρα παρασύρει τις δέσμες καυσίμου σε όλο το χώρο του θαλάμου καύσης. 51

Αέρας: Σχεδιασμός θαλάμου καύσης. Σχηματισμός καυσίμου μίγματος Σχεδιασμός της κορώνας του εμβόλου (θαλάμου καύσης) και θέση των μπέκ ψεκασμού. (a) (d) υψηλή περιδίνηση αέρα. 52

Διάσπαση δέσμης καυσίμου. Σχηματισμός καυσίμου μίγματος Ο σχεδιασμός των οπών του ακροφυσίου (μήκος διάμετρος καμπυλότητες) καθορίζει το μέγεθος και τον αριθμό των αποκολλημένων περιοχών σπηλαίωσης. Οι σπηλαιώσεις και ο στροβιλισμός τους, οδηγούν σε επιφανειακές διαταραχές που, σε συνδυασμό με την μεγάλη ταχύτητα της δέσμης, προκαλούν διάσπαση της δέσμης αρχικά σε λωρίδες και τελικά σε σταγονίδια. 53

Καύση πετρελαίου και παραγωγή ρύπων. Μηχανισμός έναρξης της καύσης. Καθώς το σταγονίδιο του καυσίμου εισέρχεται με ταχύτητα στον χώρο καύσης αρχίζει η εξάτμιση του. Καύση και παραγωγή ρύπων Όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα του σταγονιδίου (αυξάνεται με την αύξηση της πίεσης ψεκασμού) τόσο εντονότερη είναι η μεταφορά θερμότητας από τον αέρα στο σταγονίδιο και μάζας (εξάτμιση) από το σταγονίδιο στον περιβάλλοντα αέρα. Γύρω από το σταγονίδιο σχηματίζεται μια ζώνη εξατμισμένου καυσίμου, (steam zone) που είναι αναφλέξιμη (reaction zone) για τιμές λ 0,5<λ<1,5 54

Σημαντικοί ρύποι πετρελαιοκινητήρων Καύση και παραγωγή ρύπων Οι ρύποι ενδιαφέροντος για τους πετρελαιοκινητήρες είναι: Άκαυτοι υδρογονάνθρακες (HC). Οξείδια του αζώτου (NOx). Σωματίδια αιθάλης (Soot particulates) και μονοξείδιο του άνθρακα (CO). 55

Καύση και παραγωγή ρύπων Χαρακτηριστικό των ετερογενών καυσίμων μιγμάτων είναι η δημιουργία ζωνών η περιοχών μέσα στο θάλαμο όπου ο λόγος λ κυμαίνεται από λ 0 (πυρήνας της δέσμης) μέχρι λ (μακριά από τη δέσμη). Αυτή η διαφοροποίηση του λόγου λ εκτός από την ποιότητα της καύσης, διαφοροποιεί και τις θερμοκρασίες στο θάλαμο καύσης. Οι υψηλότερες θερμοκρασίες δημιουργούνται σε ζώνες με λ 1,1. 56

Άκαυτοι υδρογονάνθρακες (HC). Καύση και παραγωγή ρύπων Μακριά από την δέσμη καυσίμου σε περιοχές φτωχού μίγματος οι θερμοκρασίες είναι αρκετά χαμηλές ώστε να μην υπάρξει καύση του συνόλου του καυσίμου. Τέτοιες περιοχές είναι μπροστά από τη συμπαγή δέσμη καυσίμου και κοντά στα σχετικά κρύα τοιχώματα του θαλάμου καύσης. Αυτές οι είναι περιοχές δημιουργίας των άκαυστων υδρογονανθράκων (HC). 57

Οξείδια του αζώτου (NOx). Καύση και παραγωγή ρύπων Στις πλευρές της δέσμης και σε περιοχές με περίσσεια αέρα λ 1,1 εμφανίζονται οι μεγαλύτερες θερμοκρασίες (τοπικά και σύντομα 2200 ο Κ) στο θάλαμο καύσης. Αυτές οι είναι περιοχές δημιουργίας των οξειδίων του αζώτου (NOx). 58

Σωματίδια αιθάλης (Soot particulates) και μονοξείδιο του άνθρακα (CO). Καύση και παραγωγή ρύπων Στον πυρήνα της δέσμης το μίγμα είναι πολύ πλούσιο και η θερμοκρασία χαμηλή (θερμοκρασία καυσίμου). Αυτές οι περιοχές ευνοούν την παραγωγή σωματιδίων αιθάλης και μονοξειδίου του άνθρακα. 59

Σύστημα ψεκασμού με αντλία σειράς. Συστήματα τροφοδοσίας πετρελαιοκινητήρων Οι αντλίες έγχυσης διαθέτουν για κάθε κύλινδρο του κινητήρα ένα στοιχείο αντλίας. Αυτά είναι διατεταγμένα σε σειρά. Σήμερα χρησιμοποιούνται πλέον σχεδόν μόνο σε επαγγελματικά αυτοκίνητα, λεωφορεία, δομικές και αγροτικές μηχανές καθώς και σε σταθερές ντιζελομηχανές. Επιτρέπει πιέσεις έγχυσης μέχρι και 1.300 bar. Απαιτεί ρυθμίσεις για κάθε στοιχείο αντλίας. 60

Σύστημα ψεκασμού με αντλία τύπου διανομέα. Συστήματα τροφοδοσίας πετρελαιοκινητήρων Ένα περιστρεφόμενο έμβολο δημιουργεί την απαιτούμενη πίεση και διανέμει όσες ποσότητες καυσίμου. Με μηχανικό ή ηλεκτρονικό έλεγχο. Μπορούν να δημιουργηθούν πιέσεις μέχρι 1.500 bar. Περιορισμός: Μια αντλία μέχρι 6 κυλίνδρους. 61

Σύστημα ψεκασμού με αντλία ακτινικών εμβόλων. Συστήματα τροφοδοσίας πετρελαιοκινητήρων Δύο ακτινικά έμβολα δημιουργούν την απαιτούμενη πίεση και διανέμει όσες ποσότητες καυσίμου. Με ηλεκτρονικό έλεγχο. Μπορούν να δημιουργηθούν πιέσεις μέχρι 2.000 bar. Περιορισμός: Μια αντλία μέχρι 6 κυλίνδρους. 62

Το Unit Pump System (UPS) Συστήματα τροφοδοσίας πετρελαιοκινητήρων Σε κάθε κύλινδρο του κινητήρα αντιστοιχεί ένα Unit Pump (UP). Αποτελείται από την αντλία υψηλής πίεσης με ενσωματωμένη μαγνητική βαλβίδα, έναν κοντό αγωγό έγχυσης, και ένα μπέκ ψεκασμού. Μια ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου φροντίζει για τη βέλτιστη λειτουργία του κινητήρα. Πλεονέκτημα του συστήματος: Επιτρέπει πιέσεις έγχυσης μέχρι 2.200 bar. Σε κινητήρες επαγγελματικών αυτοκινήτων με τέσσερεις έως δεκαοκτώ κυλίνδρους με μια ισχύ μέχρι και 92 kw ανά κύλινδρο. 63

Το σύστημα Unit Injector (UIS) Συστήματα τροφοδοσίας πετρελαιοκινητήρων Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό είναι ότι η αντλία έγχυσης και το ακροφύσιο έγχυσης αποτελούν μια δομική μονάδα (Init Injector). Τοποθετείται ανά κύλινδρο απευθείας επάνω στην κεφαλή του κυλίνδρου. Για την μηχανική ανάπτυξη της πίεσης χρησιμεύει ο εκκεντροφόρος άξονας του κινητήρα. Πιέσεις πάνω από 2000 bar. Μια μαγνητική βαλβίδα ταχείας ενεργοποίησης καθορίζει την έναρξη, το τέλος και την ποσότητα έγχυσης. Έτσι δεν απαιτούνται οι αγωγοί υψηλής πίεσης. 64

Το σύστημα ψεκασμού Common Rail Συστήματα τροφοδοσίας πετρελαιοκινητήρων μπήκε το 1997 στην αγορά σαν μια παγκόσμια καινοτομία της Bosch για ΙΧ αυτοκίνητα. Χαρακτηριστικό του η κοινή γραμμή υψηλής πίεσης (Common Rail), ηοποία τροφοδοτεί όλους τους κυλίνδρους με καύσιμα και χρησιμεύει και ως αποταμιευτής πίεσης. Μια ξεχωριστή αντλία υψηλής πίεσης μεταφέρει συνεχώς τα καύσιμα προς το Rail. Μια ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου φροντίζει για τη βέλτιστη λειτουργία του κινητήρα. Πίεση λειτουργίας μέχρι 2,200 bar διαθέσιμη σε όλο το φάσμα στοφών του κινητήρα. 65

Σύγκριση χαρακτηριστικών μηχανών DIESEL - OTTO Χαρακτηριστικό Μηχανή DIESEL Μηχανή OTTO Σχηματισμός μίγματος Εσωτερικά στο θάλαμο Εξωτερικά του θαλάμου (εκτός αμέσου ψεκασμού) Τύπος μίγματος Ετερογενές Ομογενές Ανάφλεξη Αναλογία αέρα καυσίμου Μεταβολή ροπής Αυτανάφλεξη με περίσσεια αέρα Ανάφλεξη με σπινθήρα μέσα στα όρια αναφλεξιμότητας. λ V >λ min >1 0.6< λ V <1.3 Με μεταβολή του λ V (ποιοτικός έλεγχος) Με μεταβολή της ποσότητας μίγματος (ποσοτικός έλεγχος) 66

Συνοψίζοντας παρουσιάστηκαν τα εξής θέματα: Η εφεύρεση του κινητήρα DIESEL, χαρακτηριστικά της λειτουργίας αυτών των κινητήρων καθώς και είδη τους, το καύσιμο DIESEL, πως σχηματίζεται και καίγεται το καύσιμο μίγμα, οι παραγόμενοι ρύποι και τα συστήματα τροφοδοσίας των κινητήρων αυτών. 67

Ευχαριστώ για την προσοχή σας 68