Est-ce que le carburant diesel brûle ? Ça brûle, et assez fort. Ses résidus qui n'ont pas participé à la combustion pré-mélangée sont consommés dans la phase de combustion à vitesse variable.
La combustion dans les moteurs diesel est très difficile. Jusque dans les années 1990, ses mécanismes détaillés n'étaient pas bien compris. La température de combustion du carburant diesel dans la chambre de combustion variait également d'un cas à l'autre. Pendant des décennies, la complexité de ce processus a semblé défier les tentatives des chercheurs de percer ses nombreux secrets, malgré la disponibilité d'outils modernes tels que la photographie à grande vitesse utilisée dans les moteurs "transparents", la puissance de traitement des ordinateurs modernes et de nombreux modèles mathématiques. conçu pour simuler la combustion dans le diesel L'application de l'imagerie laser en feuille au processus de combustion diesel traditionnel dans les années 1990 a été la clé pour améliorer considérablement la compréhension de ce processus.
Cet article couvrirale modèle de processus le plus établi pour un moteur diesel classique. Cette combustion conventionnelle du carburant diesel est principalement contrôlée par le mélange, qui peut se produire en raison de la diffusion du carburant et de l'air avant l'allumage.
Température de combustion
À quelle température le carburant diesel brûle-t-il ? Si auparavant cette question semblait difficile, on peut maintenant lui donner une réponse sans ambiguïté. La température de combustion du carburant diesel est d'environ 500 à 600 degrés Celsius. La température doit être suffisamment élevée pour enflammer le mélange de carburant et d'air. Dans les pays froids où les basses températures ambiantes prédominent, les moteurs avaient une bougie de préchauffage qui réchauffe l'orifice d'admission pour aider à démarrer le moteur. C'est pourquoi vous devez toujours attendre que l'icône de chauffage sur le tableau de bord s'éteigne avant de démarrer le moteur. Il affecte également la température de combustion du carburant diesel. Considérons quelles autres nuances il y a dans son travail.
Caractéristiques
La principale condition préalable à la combustion du carburant diesel dans un brûleur à commande externe est sa manière unique de libérer l'énergie chimique qui y est stockée. Pour mener à bien ce processus, de l'oxygène doit lui être disponible afin de faciliter la combustion. L'un des aspects les plus importants de ce processus est le mélange de carburant et d'air, souvent appelé pré-mélange.
Catalyseur de combustion diesel
Dans les moteurs diesel, le carburant est souvent injecté dans le cylindre du moteur à la fin de la course de compression, à quelques degrés d'angle du vilebrequin avant le point mort haut. Le carburant liquide est généralement injecté à grande vitesse dans un ou plusieurs jets à travers de petits trous ou buses dans la pointe de l'injecteur, atomisé en fines gouttelettes et pénètre dans la chambre de combustion. Le carburant atomisé absorbe la chaleur de l'air comprimé chauffé environnant, s'évapore et se mélange avec l'air haute pression à haute température environnant. Au fur et à mesure que le piston continue de se rapprocher du point mort haut (PMH), la température du mélange (principalement de l'air) atteint sa température d'allumage. La température de combustion du carburant diesel Webasto n'est pas différente de celle des autres qualités de diesel, atteignant environ 500 à 600 degrés.
L'allumage rapide de certains mélanges de carburant et d'air se produit après une période de retard d'allumage. Cet allumage rapide est considéré comme le début de la combustion et se caractérise par une forte augmentation de la pression du cylindre à mesure que le mélange air-carburant est consommé. La pression accrue résultant de la combustion pré-mélangée comprime et chauffe la partie non brûlée de la charge et raccourcit le délai avant qu'elle ne s'enflamme. Il augmente également le taux d'évaporation du carburant restant. Sa pulvérisation, son évaporation, son mélange avec l'air se poursuivent jusqu'à ce que tout soit brûlé. La température de combustion du kérosène et du carburant diesel à cet égard peut être similaire.
Caractéristique
Commençons par la notation: alors A est l'air (oxygène), F est le carburant. La combustion diesel se caractérise par un faible rapport global A/F. Le rapport A/F moyen le plus bas est souvent observé dans des conditions de couple de pointe. Pour éviter une génération excessive de fumée, le couple maximal A/F est généralement maintenu au-dessus de 25:1, bien au-dessus du rapport d'équivalence stoechiométrique (chimiquement correct) d'environ 14,4:1. Ceci s'applique également à tous les activateurs de combustion diesel.
Dans les moteurs diesel turbocompressés, le rapport A/F au ralenti peut dépasser 160:1. Par conséquent, l'excès d'air présent dans le cylindre après la combustion du carburant continue de se mélanger aux gaz en combustion et déjà épuisés. Lorsque la soupape d'échappement est ouverte, l'excès d'air est évacué avec les produits de combustion, ce qui explique la nature oxydative des gaz d'échappement diesel.
Quand le carburant diesel brûle-t-il ? Ce processus se produit après que le carburant vaporisé se mélange à l'air pour former un mélange localement riche. Également à ce stade, la température de combustion appropriée du carburant diesel est atteinte. Cependant, le rapport A/F global est faible. En d'autres termes, on peut dire que la majeure partie de l'air entrant dans le cylindre d'un moteur diesel est comprimée et chauffée, mais ne participe jamais au processus de combustion. L'oxygène de l'excès d'air aide à oxyder les hydrocarbures gazeux et le monoxyde de carbone, les réduisant à des concentrations extrêmement faibles dans les gaz d'échappement. Ce processus est beaucoup plus important que la température de combustion du carburant diesel.
Facteurs
Les facteurs suivants jouent un rôle majeur dans le processus de combustion du diesel:
- La charge induite de l'air, sa température et son énergie cinétique en plusieurs dimensions.
- Atomisation du carburant injecté, pénétration des éclaboussures, température et caractéristiques chimiques.
Bien que ces deux facteurs soient les plus importants, il existe d'autres paramètres qui peuvent affecter de manière significative les performances du moteur. Ils jouent un rôle secondaire mais important dans le processus de combustion. Par exemple:
- Conception de l'entrée. Il a une forte influence sur le mouvement de l'air de suralimentation (surtout au moment où il entre dans le cylindre) et sur le taux de mélange dans la chambre de combustion. Cela peut modifier la température de combustion du carburant diesel dans la chaudière.
- La conception de l'orifice d'admission peut également affecter la température de l'air de suralimentation. Ceci peut être réalisé en transférant la chaleur de la chemise d'eau à travers la surface de l'entrée.
- Taille de la soupape d'admission. Contrôle la masse totale d'air admise dans le cylindre sur un temps fini.
- Taux de compression. Il affecte l'évaporation, la vitesse de mélange et la qualité de la combustion, quelle que soit la température de combustion du gazole dans la chaudière.
- Pression d'injection. Il contrôle la durée d'injection pour un paramètre d'ouverture de buse donné.
- Géométrie d'atomisation, qui affecte directement la qualité et la température de combustion du carburant diesel et de l'essence pourcompte d'utilisation de l'air. Par exemple, un angle de cône de pulvérisation plus grand peut placer le carburant au-dessus du piston et à l'extérieur du réservoir de combustion dans les moteurs diesel DI à chambre ouverte. Cette condition peut conduire à un "fumage" excessif car le carburant n'a pas accès à l'air. Les angles de cône larges peuvent également provoquer des éclaboussures de carburant sur les parois du cylindre plutôt qu'à l'intérieur de la chambre de combustion où cela est nécessaire. Pulvérisé sur la paroi du cylindre, il finira par descendre dans le carter d'huile, raccourcissant la durée de vie de l'huile de lubrification. Étant donné que l'angle de pulvérisation est l'une des variables qui affectent le taux de mélange d'air dans le jet de carburant près de la sortie de l'injecteur, il peut avoir un effet significatif sur le processus de combustion global.
- Configuration de vanne qui contrôle la position de l'injecteur. Les systèmes à deux soupapes créent une position d'injecteur inclinée, ce qui signifie une pulvérisation inégale. Cela conduit à une violation du mélange de carburant et d'air. D'autre part, les conceptions à quatre soupapes permettent un montage vertical des injecteurs, une atomisation symétrique du carburant et un accès égal à l'air disponible pour chaque atomiseur.
- Position du segment de piston supérieur. Il contrôle l'espace mort entre le haut du piston et la chemise de cylindre. Cet espace mort emprisonne l'air qui se comprime et se dilate sans même participer au processus de combustion. Par conséquent, il est important de comprendre que le système du moteur diesel ne se limite pas à la chambre de combustion, aux buses d'injection etleur environnement immédiat. La combustion comprend toute partie ou composant qui peut affecter le résultat final du processus. Par conséquent, personne ne devrait douter que le carburant diesel brûle.
Autres détails
La combustion diesel est connue pour être très pauvre avec un rapport A/F:
- 25:1 au couple maximal.
- 30:1 à la vitesse nominale et à la puissance maximale.
- Plus de 150:1 au ralenti pour les moteurs turbocompressés.
Cependant, cet air supplémentaire n'est pas inclus dans le processus de combustion. Il chauffe beaucoup et s'épuise, ce qui entraîne une mauvaise qualité des gaz d'échappement diesel. Même si le rapport air-carburant moyen est faible, si des mesures appropriées ne sont pas prises pendant le processus de conception, les zones de la chambre de combustion peuvent être riches en carburant et entraîner des émissions de fumée excessives.
Chambre de combustion
Un objectif clé de la conception est d'assurer un mélange suffisant de carburant et d'air pour atténuer les effets des zones riches en carburant et permettre au moteur d'atteindre ses objectifs de performances et d'émissions. Il a été trouvé que la turbulence dans le mouvement de l'air à l'intérieur de la chambre de combustion est bénéfique pour le processus de mélange et peut être utilisée pour y parvenir. Le vortex créé par l'entrée peut être amplifié et le piston peut créeren serrant à l'approche de la culasse pour permettre plus de turbulences pendant l'acte de compression en raison de la conception correcte de la coupelle dans la tête de piston.
La conception de la chambre de combustion a l'impact le plus important sur les émissions de particules. Il peut également affecter les hydrocarbures non brûlés et le CO. Bien que les émissions de NOx dépendent de la conception du bol [De Risi 1999], les propriétés des gaz en vrac jouent un rôle très important dans leurs niveaux de gaz d'échappement. Cependant, en raison du compromis NOx/PM, la conception des chambres de combustion a dû évoluer à mesure que les limites d'émission de NOx diminuaient. Cela est principalement nécessaire pour éviter l'augmentation des émissions de PM qui se produirait autrement.
Optimisation
Un paramètre important pour optimiser le système de combustion du carburant diesel dans le moteur est la proportion d'air disponible impliquée dans ce processus. Le facteur K (rapport du volume de la coupelle du piston au jeu) est une mesure approximative de la proportion d'air disponible pour la combustion. La réduction de la cylindrée du moteur entraîne une diminution du coefficient relatif K et une tendance à la dégradation des caractéristiques de combustion. Pour une cylindrée donnée et à taux de compression constant, le facteur K peut être amélioré en choisissant une course plus longue. La sélection du rapport entre l'alésage du cylindre et le moteur peut être affectée par le facteur K et un certain nombre d'autres facteurs tels que l'emballage du moteur, les alésages et les soupapes, etc.
Difficultés possibles
Un problème particulièrement important lors de la mise en placeLe rapport maximum du cylindre à la course réside dans l'emballage très complexe de la culasse. Cela est nécessaire pour s'adapter à la conception à quatre soupapes et au système d'injection de carburant à rampe commune avec l'injecteur situé au centre. Les culasses sont complexes en raison des nombreux canaux, y compris le refroidissement par eau, les boulons de retenue de culasse, les orifices d'admission et d'échappement, les injecteurs, les bougies de préchauffage, les soupapes, les tiges de soupape, les évidements et les sièges, et d'autres canaux utilisés pour la recirculation des gaz d'échappement dans certaines conceptions.
Les chambres de combustion des moteurs diesel à injection directe modernes peuvent être appelées chambres de combustion ouvertes ou secondaires.
Ouvrez les caméras
Si le trou supérieur du bol dans le piston a un diamètre inférieur au maximum du même paramètre de bol, alors il est dit retournable. Ces bols ont une "lèvre". Sinon, il s'agit d'une chambre de combustion ouverte. Dans les moteurs diesel, ces modèles de bols à chapeaux mexicains sont connus depuis les années 1920. Ils ont été utilisés jusqu'en 1990 dans les moteurs lourds au point où le bol de retour est devenu plus important qu'il ne l'était auparavant. Cette forme de chambre de combustion est conçue pour des temps d'injection relativement avancés, où le bol contient l'essentiel des gaz de combustion. Il n'est pas bien adapté aux stratégies d'injection différée.
Moteur diesel
Il porte le nom de l'inventeur Rudolf Diesel. C'est un moteur à combustion interne dans lequel l'allumage du carburant injecté est provoqué par une augmentationtempérature de l'air dans le cylindre due à la compression mécanique. Le diesel fonctionne en ne comprimant que de l'air. Cela augmente la température de l'air à l'intérieur du cylindre à un point tel que le carburant atomisé injecté dans la chambre de combustion s'enflamme spontanément.
Ceci est différent des moteurs à allumage par étincelle tels que l'essence ou le GPL (utilisant du carburant gazeux plutôt que de l'essence). Ils utilisent une bougie d'allumage pour enflammer le mélange air-carburant. Dans les moteurs diesel, des bougies de préchauffage (réchauffeurs de chambre de combustion) peuvent être utilisées pour faciliter le démarrage par temps froid et également à de faibles taux de compression. Le diesel d'origine fonctionne sur un cycle de pression constante de combustion progressive et ne produit pas de bang sonique.
Caractéristiques générales
Diesel a le rendement thermique le plus élevé de tous les moteurs à combustion interne et externe pratiques en raison de son taux d'expansion très élevé et de sa combustion pauvre inhérente, permettant à l'excès d'air de dissiper la chaleur. Une petite perte d'efficacité est également évitée sans injection directe, car le carburant non brûlé n'est pas présent lorsque la soupape se ferme et le carburant ne s'écoule pas directement du dispositif d'admission (injecteur) vers le tuyau d'échappement. Les moteurs diesel à basse vitesse, tels que ceux utilisés dans les navires, peuvent avoir des rendements thermiques supérieurs à 50 %.
Les diesels peuvent être conçus en deux ou quatre temps. Ils étaient à l'origine utilisés commeremplacement efficace des machines à vapeur stationnaires. Depuis 1910, ils sont utilisés sur les sous-marins et les navires. L'utilisation dans les locomotives, les camions, l'équipement lourd et les centrales électriques a suivi plus tard. Dans les années trente du siècle dernier, ils ont trouvé une place dans la conception de plusieurs voitures.
Avantages et inconvénients
Depuis les années 1970, l'utilisation de moteurs diesel dans les gros véhicules routiers et tout-terrain aux États-Unis a augmenté. Selon la British Society of Motor Manufacturers and Manufacturers, la moyenne européenne des véhicules diesel représente 50 % des ventes totales (dont 70 % en France et 38 % au Royaume-Uni).
Par temps froid, le démarrage des moteurs diesel à grande vitesse peut être difficile car la masse du bloc et de la culasse absorbe la chaleur de compression, empêchant l'allumage en raison du rapport surface/volume plus élevé. Auparavant, ces unités utilisaient de petits radiateurs électriques à l'intérieur de chambres appelées bougies de préchauffage.
Vues
De nombreux moteurs utilisent des résistances chauffantes dans le collecteur d'admission pour chauffer l'air d'admission et pour démarrer ou jusqu'à ce que la température de fonctionnement soit atteinte. Les chauffe-blocs électriques résistifs connectés au secteur sont utilisés dans les climats froids. Dans de tels cas, il doit être allumé pendant une longue période (plus d'une heure) pour réduire le temps de démarrage et l'usure.
Les chauffe-blocs sont également utilisés pour les alimentations électriques de secours avec des générateurs diesel, qui doivent décharger rapidement l'électricité en cas de panne de courant. Dans le passé, une plus grande variété de méthodes de démarrage à froid ont été utilisées. Certains moteurs, comme le Detroit Diesel, utilisaient un système pour introduire de petites quantités d'éther dans le collecteur d'admission pour démarrer la combustion. D'autres ont utilisé un système mixte avec un réchauffeur à résistance brûlant du méthanol. Une méthode impromptue, en particulier sur les moteurs qui ne fonctionnent pas, consiste à pulvériser manuellement une bombe aérosol de liquide essentiel dans le flux d'air d'admission (généralement à travers l'ensemble de filtre à air d'admission).
Différences avec les autres moteurs
Les conditions diesel sont différentes du moteur à allumage par étincelle en raison d'un cycle thermodynamique différent. De plus, la puissance et la vitesse de sa rotation sont directement contrôlées par l'alimentation en carburant, et non en air, comme dans un moteur cyclique. La température de combustion du carburant diesel et de l'essence peut également différer.
Le moteur diesel moyen a un rapport puissance/poids inférieur à celui d'un moteur à essence. En effet, le diesel doit fonctionner à un régime inférieur en raison du besoin structurel de pièces plus lourdes et plus solides pour résister à la pression de fonctionnement. Elle est toujours causée par un taux de compression élevé du moteur, ce qui augmente les efforts sur la pièce dus aux forces d'inertie. Certains diesels sont à usage commercial. Cela a été confirmé à plusieurs reprises dans la pratique.
Moteurs diesel généralementavoir un coup long. Fondamentalement, cela est nécessaire pour faciliter l'obtention des taux de compression requis. En conséquence, le piston devient plus lourd. On peut dire la même chose des tiges. Plus de force doit être transmise à travers eux et le vilebrequin pour modifier l'élan du piston. C'est une autre raison pour laquelle un moteur diesel doit être plus puissant pour la même puissance qu'un moteur à essence.
