Luftindsprøjtning

Tegning af et luftindsprøjtningssystem

Dieselmotor af Langen & Wolf, 1898, set fra venstre, højre injektionsflasker

Dieselmotor fra Grazer Waggon- & Maschinen-Fabriks-Aktiengesellschaft vorm. Joh.Weitzer GRAZ , tydeligt synlig: Kompressor og trykluftbeholder, til højre topstykker ovenfra

Processen med luftindsprøjtning er historisk set den første form for intern blandingsdannelse til forbrændingsmotorer, som gjorde den tekniske realisering af dieselmotoren mulig fra 1896 . Brændstoffet blæses ind i forbrændingskammeret med trykluft . Den nødvendige trykluft genereres med en kompressor . Opfinderen af ​​luftindsprøjtning er George B. Brayton .

På det tidspunkt tillod teknologien kun lave hastigheder på op til omkring 360 min ⁻¹ , hvorfor motoreffekten kun kunne opnås med højt drejningsmoment og en tilsvarende stor slagvolumen, dvs. med store og tunge maskiner. Det kræver også en kompleks højtrykskompressor med over 50 bar og en trykluftbeholder . På grund af deres størrelse er motorer med luftindsprøjtning praktisk talt kun velegnede til stationær eller marin fremdrift . En simpel brændstofmålepumpe , som højst skulle overvinde trykket i trykluften , var tilstrækkelig til luftindsprøjtning . Indsprøjtningspumper , hvis indsprøjtningstryk var tilstrækkeligt til at forstøve brændstoffet direkte og fint nok, blev først implementeret i 1909 med indførelsen af forkammerindsprøjtning , hvilket også muliggjorde højhastighedsdieselmotorer til landdistrikterne køretøjer og dermed hurtigt fortrængte luftindsprøjtning fra 1920'erne.

historie

Luftindsprøjtning blev først brugt i en gasmotor af George Brayton i 1872 . Rudolf Diesel havde til hensigt at bygge en motor med direkte indsprøjtning , som han først brugte akkumuleringsprocessen til i 1893, dvs. brændstoffet blev sat under tryk (med trykluft) i en beholder og derefter injiceret i cylinderen på det rigtige tidspunkt. På grund af dieselbrændstoffernes høje viskositet og utilstrækkelige forbrændingsegenskaber fungerede akkumuleringen ikke tilfredsstillende. Diesel måtte derfor forbedre sit indsprøjtningssystem og erstattede i 1894 akkumuleringsbeholderen med Brayton luftindsprøjtningssystem. Ikke desto mindre ville Diesel finde en bedre løsning, fordi han var utilfreds med luftindsprøjtningen. Sammen med Rudolf Brandstetter fik Diesel i 1905 patent på et forbedret akkumuleringssystem, som dog heller ikke fungerede godt nok, så Diesel til sidst beskrev direkte indsprøjtning som "upraktisk"; På det tidspunkt var indsprøjtningspumpernes teknisk mulige indsprøjtningstryk for lavt til den nødvendige fine forstøvning. For at reducere det nødvendige injektionstryk, Prosper L'Orange opfandt den forkammeret , hvori forbrændingskammeret og indsprøjtningskammeret er adskilt fra hinanden. Dette system klarer sig uden højt indsprøjtningstryk og uden luftindsprøjtning, men det har ulempen ved lavere effektivitet. Med indirekte indsprøjtning lagde ikke desto mindre grundlaget for at bygge dieselmotorer så kompakte, at de også lander motorkøretøjer kan bruges. Den første kompressorløse dieselmotor med direkte indsprøjtning til køretøjer var MAN's W 4 V 10/18, hvoraf tre prototyper blev bygget mellem 1923 og 1925. Dette gjorde luftindsprøjtning forældet.

konstruktion

Systemet består af en eller flere trykluftbeholdere ( injektionsflasker ), der fodrer den kontrollerende indsprøjtningsventil i topstykket via en linje, der konstant er under tryk . Normalt fyldes trykluftsreserven konstant op til det nødvendige indsprøjtningstryk af en højtrykskompressor , som drives af motorens krumtapaksel . Den normalt større reservekapacitet af trykluftbeholderen bruges til at starte motoren.

Injektorsystemer

Der er et lukket og et åbent system til injektionsdyser:

Lukket injektionssystem

Det lukkede system er det ældre og meget mere almindelige system, hovedsageligt med stationære motorer (f.eks. Langen & Wolf -motoren på billedet til højre). Det kan bruges til både totakts- og firetaktsmotorer. Brændstofpumpen leverer brændstoffet til indsprøjtningsdysen, mens trykluften presses til injektionsdysen på samme tid. Brændstofpumpen skal derfor arbejde mod trykluften. Hvis indsprøjtningsventilen nu aktiveres af knastakslen, presses brændstoffet ind i forbrændingskammeret af trykluften. Inden injektionsventilen åbner, kommer hverken brændstof eller trykluft ind i forbrændingskammeret. Fordelen ved det lukkede system er den gode fordeling af brændstoffet i forbrændingskammeret, hvorfor det er særligt velegnet til motorer med stor volumen. Den gode forstøvning af brændstoffet resulterer i lavere brændstofforbrug end ved det åbne system. Ulemper er de høje fremstillingsomkostninger og den øgede indsats i konstruktionen af ​​brændstofpumpen, da den skal levere mod overtryk. Derudover er det teknisk svært at bygge en lukket systemmotor vandret, fordi luften kan komme ind i forbrændingskammeret uden at tvinge tilstrækkeligt brændstof til, hvilket kan føre til fejlbrande og forsinket tænding.

Åbent injektionssystem

I det åbne system, der næsten kun bruges i vandrette motorer, er brændstofkredsløbet forbundet med et kammer foran forbrændingskammeret, som er over hovedforbrændingskammeret. Ind imellem installeres trombocytforstøver . I dette design leverer brændstofpumpen ikke mod trykluften, men fylder opstrøms kammeret med lavt tryk før stempelets kompressionsslag. Det kan kun bruges til firetaktsmotorer. Men som i det lukkede system styres trykluften af ​​indsprøjtningsventilen. Når indsprøjtningsventilen åbner, presses luft ind i forbrændingskammeret, som trækker brændstoffet med sig fra opstrømskammeret. Det åbne design er lettere at tilpasse til vandrette motorer og frem for alt billigere at fremstille og bedre egnet til drift med tjæreolie . Desuden kan brændstofpumpen konstrueres mere enkelt, da den kun skal levere mod lavt tryk. Ulempen er den mindre gunstige brændstoffordeling i forbrændingskammeret: Ved begyndelsen af ​​indsprøjtningsprocessen når normalt for meget brændstof forbrændingskammeret. Som følge heraf øges arbejdstrykket massivt, når forbrændingen begynder, hvilket har en negativ effekt på levetiden. Forbrændingsprocessen nærmer sig benzinmotorens . Desuden kan den korrekte mængde brændstof ikke måles korrekt til større motorer, så dette system er kun egnet til mindre motorer.

Blæseproces

Ved hver indsprøjtning blæses omkring 3% brændstof og 97% luft (begge volumenprocent) ind, og luften er under et tryk på ca. 5-7  MPa (50-70 bar).

Indsprøjtningstrykket begrænser hastigheden , da jo hurtigere motoren kører, desto højere skal den være for at afslutte indsprøjtningsprocessen hurtigere mod stigende kompressionstryk og for at forhindre fejlfejl. Da indsprøjtningstrykket afhænger direkte af trykluftbeholderen, kan det kun justeres langsomt : hastigheden kan kun ændres langsomt; kun drejningsmomentet (belastningen) kan kontrolleres med den brændstofindsprøjtning ( kvalitativ blandingsregulering ). Driften med konstant hastighed er særligt velegnet til stationære motorer , kraftgeneratorer og skibsfart.

Atomizer typer

Injektionsdyserne har en såkaldt forstøver til forstøvning af brændstoffet. Si forstøver blev oprindeligt brugt, før de blev erstattet af plade forstøver. Der var også ring- eller blokforstøver som andre designs.

• Den ring forstøver er baseret på princippet om hastighedsforskellen mellem luften ved forskellige punkter i indsprøjtningsdysen, dvs. brændstoffet forstøves pneumatisk.
• I tilfælde af trombocytforstøveren anvendes perforerede blodplader på injektionsdysenålen, som forstøver brændstoffet gennem deres indbyrdes forskudte huller, når lufttrykket virker (se figur 6 på tegningen, øverst til højre). Afhængigt af forskydningen og mængden af ​​brændstof, der blev injiceret, blev der brugt mellem to og fire forstøverplader. Materialet afhænger af brændstoffet. Bronze og fosfor bronze blev almindeligvis brugt, mens motorer, der kører på tjæreolie, ofte brugte stål.

Hverken beregningen af ​​de korrekte dimensioner af indsprøjtningsdysens diameter eller det korrekte valg af forstøverpladens hulstørrelse var kendt i begyndelsen af ​​det 20. århundrede, designene var udelukkende baseret på praktisk erfaring. For store huldiametre kræver for meget lufttryk og dermed kompressor og i sidste ende motorkraft, mens en huldiameter, der er for lille, reducerer motorkraften. Julius Magg anbefales at sætte den smalleste hul diameter baseret på den angivne motoreffekt: . svarer til huldiameteren, motoreffekten i hk.${\ displaystyle D ^ {2} = 0,2N}$${\ displaystyle D}$${\ displaystyle N}$

ulempe

Den største ulempe ved luftindsprøjtning er det store antal store og komplekse komponenter, der er nødvendige for driften af ​​motoren.

• Især maksimalhastigheden for en luftindsprøjtningsmotor på op til 360 min ^{-1 er} ikke særlig høj, hvorfor den skal levere højt drejningsmoment med store dimensioner for at opnå sin ydeevne.
• Dynamiske belastningsændringer er næppe mulige.
• Luftkompressoren forbruger en del af motoreffekten.

fordele

• Motorer med et lukket indsprøjtningssystem opnåede lavt brændstofforbrug under forholdene omkring 1900 takket være den næsten ideelle brændstof forstøvning.
• Med en større lufttilførsel kan det nødvendige trykluftsystem også med fordel bruges til at starte motoren, da motorer med en ydelse på mere end 10 kW ikke længere kan startes med muskelkraft. Det er ikke nødvendigt at bruge en elektrisk starter med akkumulatorer til start.

Bemærkninger

1. ↑ ^{a b} Julius Magg beskriver i sit arbejde The Controls of Internal Combustion Engines tekniske aspekter af motorer med nominelle hastigheder på 160, 167, 210, 250, 300 og 360 min ^-1
2. ↑ ^{en b} Motoreffekten beregnes efter følgende formel: , i kW, m N x, i min ^-1${\ displaystyle P = {\ frac {M {{\ frac {n} {60}} {2 \ cdot \ pi}}} {1000}}}$${\ displaystyle P}$${\ displaystyle M}$${\ displaystyle n}$
3. ↑ Den første funktionelle dieselmotor har et specifikt brændstofforbrug på 324 g / kW · t. (Se Günter Mau: Handbuch Dieselmotoren im Kraftwerks- und Schiffsbetrieb , Vieweg, Braunschweig / Wiesbaden, 1984, ISBN 978-3-528-14889-8 . S.7)

Individuelle beviser

• MAN Nutzfahrzeuge AG: Ydeevne og vej: Om historien om MAN erhvervskøretøjskonstruktion . Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg. 1991. ISBN 978-3-642-93490-2 .

• Rüdiger Teichmann, Günter P. Merker (red.): Grundlaget for forbrændingsmotorer: Funktionalitet, simulering, måleteknologi , 7. udgave, Springer, Wiesbaden, 2014, ISBN 978-3-658-03195-4 .

• Friedrich Sass: Bygning og drift af dieselmotorer: En lærebog for studerende. Første bind: Fundamentals and machine elements , 2. udgave, Springer, Berlin / Heidelberg, 1948, ISBN 9783662004197 .

• Julius Magg : Betjeningen af ​​forbrændingsmotorerne . Springer forlag. Berlin. 1914. ISBN 978-3-642-47608-2 . Side 261-281.

• Anton Pischinger, Otto Cordier: Blandingsdannelse og forbrænding i dieselmotoren . Jumper. Wien. 1939. ISBN 978-3-7091-9724-0 .

• Otto Kraemer , Georg Jungbluth : Konstruktion og beregning af forbrændingsmotorer . Springer forlag. Berlin, Heidelberg. 1983. ISBN 9783642932410 .