¿Por qué es difícil diseñar un motor diésel de alta velocidad?
Si miras el salpicadero de un coche diésel, tiene una sensación muy diferente al de un coche de gasolina. La mayor diferencia es el tacómetro: la lectura máxima del tacómetro de un automóvil de gasolina puede llegar a 7.000~8.000 rpm, mientras que la lectura máxima de una motocicleta de un solo cilindro puede llegar a 10.000 rpm. La velocidad máxima del tacómetro de un vehículo diésel suele ser de unas 4.000 rpm, mientras que la velocidad máxima del tacómetro de un camión es de sólo 2.800 rpm. El rango de velocidad más económico suele ser de unas 1.500 rpm. No se recomienda el rango de alta velocidad. Mucha gente se pregunta: ¿Por qué la velocidad de un motor de gasolina puede ser tan alta, pero la velocidad de un motor diésel puede ser tan baja? ¿Qué pasa si la velocidad del motor diésel también está diseñada para ser muy alta? Analicemos este interesante tema.
En primer lugar, veamos las características de los motores diésel. El llamado motor diésel se refiere a un motor que utiliza diésel como fuente de energía para liberar la energía térmica del diésel y convertirla en energía mecánica.
Una máquina. Los motores diésel se caracterizan por un alto par a baja velocidad, economía de combustible y alta eficiencia térmica (aproximadamente un 5% más que los motores de gasolina en promedio), pero sus desventajas son un funcionamiento brusco y un ruido fuerte. Como combustible de los motores diésel, el diésel tiene un punto de autoignición muy bajo, sólo 220 °C, y puede alcanzar la ignición por compresión al final de la compresión. Al mismo tiempo, debido al alto rango de destilación del diésel durante el proceso de refinación, generalmente entre 180 y 370°C, es difícil que el diésel se atomice y evapore, y también es difícil formar una mezcla inflamable uniforme con el aire. Además, el diésel tiene una alta viscosidad y un alto poder calorífico, pero su velocidad de combustión es lenta.
Entonces, ¿cuál es el proceso de combustión del diésel en un motor diésel?
Cuando el pistón se mueve hasta un cierto ángulo antes del punto muerto superior de compresión (ángulo de avance de la inyección), el inyector comienza a inyectar diésel de alta presión y alta velocidad en el cilindro. Durante el proceso de inyección, parte del combustible diesel que ingresa a la cámara de combustión se evaporará y atomizará y se mezclará con el aire comprimido de alta temperatura y alta presión en el cilindro para formar una mezcla combustible. Debido a que el punto de autoignición del diésel es relativamente bajo, en áreas con altas temperaturas y una gran cantidad de diésel, el diésel se encenderá y arderá espontáneamente, formando múltiples centros de llama en el cilindro al mismo tiempo, comenzando a empujar el pistón hacia abajo para haz el trabajo. Durante el proceso de trabajo posterior, el diésel se inyectará continuamente, se mezclará con aire y se quemará, formando un proceso único de "inyección, mezcla y combustión". Todo el proceso se puede dividir básicamente en cuatro etapas: precombustión, combustión rápida, combustión lenta y postcombustión. El proceso de combustión del diésel es similar al calentamiento a presión constante. Debido a que hay potencia durante todo el proceso de generación de energía, el par del motor diésel es más suficiente.
Se puede observar que el proceso de combustión de los motores diésel es completamente diferente al de los motores de gasolina. La mezcla combustible en un motor de gasolina está premezclada y no hay inyección de gasolina durante la operación de potencia. En el punto muerto superior de compresión, la bujía enciende la mezcla combustible y la mezcla combustible se quema instantáneamente. antes de que el pistón descienda. Esto es similar al proceso de calentamiento a volumen constante. Luego, el gas de alta temperatura y alta presión generado por la combustión empuja el pistón hacia abajo, empujando el cigüeñal para que gire y genere potencia. La fuerza de empuje disminuye gradualmente durante el movimiento descendente del pistón, por lo que el par del motor de gasolina es relativamente pequeño.
Se puede ver en el proceso de combustión del diésel que la mezcla de diésel y aire es desigual. Debido a la alta viscosidad del diésel, la lenta evaporación y atomización, es difícil mezclarlo completamente con el aire en el momento de la inyección. De hecho, forma un aerosol de gotas de diésel suspendidas en el aire. Además, el proceso de combustión del diésel también es muy complicado, la velocidad de combustión es lenta y la combustión completa lleva mucho tiempo. Por lo tanto, la velocidad de los motores diésel generalmente no es alta, básicamente no más de 4000 rpm, generalmente por debajo de 3000 rpm, y la velocidad económica generalmente es de alrededor de 1500 rpm. Su estructura es generalmente un diseño de baja velocidad con una carrera del pistón mayor que el diámetro del cilindro.
¿Qué pasará si la velocidad del motor diésel se diseña para que sea muy alta? De hecho, es relativamente sencillo aumentar la velocidad del motor. Debido a que el control del motor diésel es un control de "calidad", sin acelerador, la cantidad de aire que ingresa al motor es básicamente fija. Simplemente inyectar más combustible aumenta la velocidad del motor.
Sin embargo, si la velocidad es demasiado alta, el diésel no tendrá tiempo suficiente para atomizarse completamente y mezclarse con el aire en el cilindro, formando una mezcla combustible extremadamente desigual. Esto conducirá a una distribución desigual del centro de la llama formada durante la combustión. de la mezcla combustible y el motor diesel no funcionará suavemente. Además, debido a la lenta velocidad de combustión del diésel, una gran cantidad de diésel se descargará del cilindro sin una combustión completa y el automóvil emitirá humo negro, lo que reducirá en gran medida la economía y las emisiones de escape del motor diésel.
Además, los primeros motores diésel utilizaban bombas mecánicas para suministrar aceite y reguladores mecánicos para controlar la velocidad del motor. Si la velocidad del motor es demasiado alta, el regulador de velocidad se atascará, provocando una falla de "aceleración". En este momento, la velocidad del motor es extremadamente alta y no está controlada por el acelerador. Cuando la biela del pistón del motor funciona a alta velocidad, debido a una lubricación insuficiente, es fácil causar problemas como tracción del cilindro y derretimiento de las baldosas. En casos severos, el cilindro de tracción puede incluso romperse y el bloque del motor puede romperse. En la actualidad, la mayoría de los motores diésel utilizan sistemas ferroviarios de alto voltaje controlados electrónicamente, lo que elimina la necesidad de reguladores de velocidad. La inyección de diésel está controlada directamente por una válvula solenoide. Si el sensor de velocidad del cigüeñal detecta que la velocidad del motor es demasiado alta, cortará directamente el suministro de combustible para evitar que la velocidad del motor sea demasiado alta.
En resumen, debido a la lenta velocidad de combustión del diésel, la mezcla desigual de diésel y aire y el complejo proceso de combustión del diésel, la velocidad de los motores diésel generalmente no es muy alta. Si diseña a la fuerza un motor diésel de alta velocidad, perderá sus propias ventajas. Aunque el motor diésel tiene baja velocidad, tiene suficiente par y puede equiparse con una caja de cambios de gran relación para aumentar la velocidad de salida final. Por lo tanto, aunque la velocidad del motor diésel es baja, la velocidad del vehículo diésel no es baja.