Bilgiseller / Gemi makineleri ve enerji
Gaz motorlarında vuruntu ve tekleme: karışım sınırları ve yakıt bileşimi
Uç gazın kendiliğinden tutuşmasını başarısız yanmadan ayırın; bileşimin hava fazlalığını nasıl değiştirdiğini hesaplayın ve metan sayısını ısıl değerle metan oranından ayırın.
Bu sayfada
Ön karışımlı fakir yanmalı gaz motoru, yanmamış uç gazın kontrolsüz kendiliğinden tutuşmasına izin vermeden ısıyı güvenilir biçimde açığa çıkarmalıdır. Fazla hava yanma sıcaklığını düşürebilir; ancak yeterince fakir veya kötü ateşlenen karışım düzensiz yanabilir ya da hiç yanmayabilir. Yararlı çalışma bölgesi yük, yakıt bileşimi ve motor durumuyla yer değiştiren birkaç kısıt arasında kalır. Tek hava–yakıt sayısı bu bölgeyi bütün motorlar için tanımlayamaz.
Önce yanma ilkesini belirlemek
Bu anlatım, büyük ölçüde önceden karışmış gaz–hava dolgusuyla çalışan motorları; uygun kıvılcımla ateşlemeli ve düşük basınçlı çift yakıt gaz modlarını kapsar. Çift yakıt motorunda sıvı pilot; diğer tasarımlarda kıvılcım veya ön oda yanmayı başlatabilir. Dizel benzeri süreç izleyen yüksek basınçlı doğrudan gaz püskürtmesi farklıdır ve ön karışımlı motor haritasını aynen kullanmamalıdır.
CIMAC, gaz motoru yanma ilkelerini ve erken ateşleme, tekleme ile vuruntuyu birbirinden ayırır. “Yanma düzensizliği” adlı alarm tek fiziksel neden belirtmediğinden bu ayrımlar önemlidir. Önce kurulu motorun yanma modu ve ölçülen sinyallerin anlamı belirlenmelidir.
Vuruntu, erken ateşleme ve tekleme farklı olaylardır
Normal ön karışımlı yanmada amaçlanan ateşleme kaynağı, dolgu içinde ilerleyen alevi oluşturur. Uç gaz, alevin önündeki yanmamış karışımdır. Sıkışıp ısınırken kimyasal tutuşma gecikmesi, alevin ulaşmasına kalan süreden kısa olabilir. Uç gazın hızla kendiliğinden tutuşması güçlü basınç salınımlarını uyarabilir; vuruntunun temel mekanizması budur.
Erken ateşleme, örneğin istenmeyen sıcak bir kaynaktan, amaçlanan ateşleme olayından önce başlar. Vuruntuyu da kolaylaştırabilir; fakat iki terim eş anlamlı değildir. Tekleme, çevrimde istenen yanmanın güvenilir biçimde gelişmemesidir. Aşırı fakir karışım olası nedenlerden yalnız biridir. Ateşleme arızası, uygunsuz yakıt beslemesi, kötü karışım dağılımı ve başka mekanik/kontrol sorunları da etkili olabilir.
“Daha zengin” ile “zengin” karışımı karıştırmadan hava fazlalığı
Hava fazlalık katsayısı λ, aynı miktar ve bileşimdeki yakıt için gerçek havanın stokiyometrik havaya oranıdır. λ = 1 stokiyometrik, λ > 1 fakirdir. Eşdeğerlik oranı φ bunun tersi, 1/λ olur. λ = 1,9’dan 1,7’ye geçen karışım önceye göre zenginleşir ama hâlâ fakirdir. “Daha zengin” sözü her zaman kimyasal gereksinimden az hava demek değildir.
Yakıt değişince stokiyometrik gereksinim değişir. Sabit hava debisi ve yakıt valfi konumu, özellikle bileşim, yoğunluk veya besleme koşulları değiştiğinde sabit λ kanıtı değildir. Egzoz oksijeni karışım kontrolüne bilgi verebilir; fakat yorumu ölçüm temeline, yanmanın tamamlanmasına, hava kaçağına ve belirli motora bağlıdır. Ortak egzoz sinyali her silindirde aynı karışımı da garanti etmez.
Yakıt kalitesinin birkaç boyutu vardır
ASTM metan sayısını gaz yakıtın kendiliğinden tutuşma veya vuruntuya direncinin ölçüsü olarak tanımlar. Bu, teslim edilen yakıtın metan yüzdesi değildir. Belirli yöntemle hesaplanan metan sayısı vuruntuyla ilgili özelliği anlatır; ısıl değeri, stokiyometrik hava gereksinimini veya izin verilen motor gücünü tek başına vermez.
Isıl değer, belirtilen temelde açığa çıkan enerjidir. Wobbe indeksi, hacimsel ısıl değerle bağıl yoğunluğu genellikle W = H/√SG biçiminde birleştirir; alt/üst ısıl değer seçimi ve referans koşulları tutarlı olmalıdır. Belirli kısıttan geçen yakıtın değiştirilebilirliğinin bir yönünü ele alır, bütün yanma yanıtını değil. Caterpillar yakıt kılavuzu gaz değerlendirmesinde bileşim, metan sayısı, ısıl değer ve Wobbe indeksini ayrı ele alır.
Sayısal örnek: önce gereken oksijeni hesaplamak
1 kmol yakıt karışımı için kuru ideal gaz mol temeli kullanalım. A yakıtı molce %90 metan, %5 etan ve %5 azot içersin. Tam yanmada CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O ve C2H6 + 3,5O2 → 2CO2 + 3H2O olur. Azot bu stokiyometrik hesapta inert kabul edilir. Gereken oksijen 0,90 × 2 + 0,05 × 3,5 = 1,975 kmol bulunur.
Kuru havanın tam %21 mol oksijen içerdiğini varsayıp küçük bileşenleri ihmal edelim. Stokiyometrik hava, bu yakıtın kmolü başına 1,975/0,21 = 9,40476 kmol olur. Aynı temelde gerçek hava 18,00 kmol ise λA = 18/9,40476 = 1,91392 ve φA = 0,52249 bulunur. Fazla hava %91,39’dur. Bunlar kimyasal hesap sonuçlarıdır; motor ayarı veya kararlı yanma öngörüsü değildir.
Bileşim değişince kontrollerden önce λ değişebilir
B yakıtı molce %80 metan, %15 etan ve aynı %5 azot içersin. Verilen yakıt 1 kmol, gerçek hava 18 kmol kalsın. Oksijen gereksinimi 0,80 × 2 + 0,15 × 3,5 = 2,125 kmol olur; A’dan %7,59 fazladır. Stokiyometrik hava 10,11905 kmol; λB = 1,77882 ve φB = 0,56217 olur. Karışım hâlâ fakir, fakat öncekinden daha az fakirdir; fazla hava %77,88’dir.
Yalnız aritmetik olarak A ile aynı λ değerini korumak, bu temelde B için 19,36709 kmol hava gerektirir. Bu bileşim karşılaştırmasıdır; motorun hava ayarını değiştirme talimatı değildir. Gerçek kontrol yanıtı istenen enerji girdisine, yakıt ölçümüne, dolgu basıncına, ateşlemeye ve onaylı çalışma haritasına da bağlıdır.
Burada iki yakıtın da metan sayısı hesaplanmamıştır. Metan yüzdesini λ içine koymak veya doğrulanmış yöntem olmadan bileşen metan sayılarını doğrusal ortalamak metan sayısını vermez. Örnek, belirli silindirin vuruntu veya tekleme yapıp yapmayacağını değil, stokiyometrik gereksinimin değişimini ortaya koyar.
Yük ve geçiciler çalışma bölgesini neden değiştirir?
Yük artışı silindir basıncını ve uç gaz sıcaklığını yükseltebilir; dolgu soğutması, sıkıştırma oranı, ateşleme fazı, seyreltme ve yakıt kimyası kendiliğinden tutuşmaya kalan zamanı değiştirir. Fakir tarafta yavaş alev gelişimi ve çevrimler arası değişkenlik, kararlı yanma payını azaltabilir. Karşıt etkiler, “daha çok hava ekle” yaklaşımının neden genel çözüm olmadığını açıklar.
Hızlı yük değişiminde yakıt kabulü, turboşarj yanıtı, emme hacminin dolması ve ateşleme kontrolü birlikte değişmeyebilir. Bir silindir gaz valfi, ateşleme kaynağı veya dolgu dağılımıyla ortalamadan da ayrılabilir. Yeterli payı olan kararlı nokta, o noktaya geçişin izin verilen bölge içinde kaldığını kendiliğinden kanıtlamaz. Belirli motorun geçici sınırlarına ve silindir kontrolüne uyulmalıdır.
Mekanizmaları ayırmak için birkaç sinyal kullanmak
Tasarıma göre silindir basınç izleri, vuruntu bandı titreşimi, krank hızı düzensizliği, yanma fazı, egzoz sıcaklığı, oksijen, gaz basıncı ve ateşleme durumu kanıt olabilir. Tek sıcaklık veya ses bütün durumları tanımlamaz. Düşük egzoz sıcaklığı zayıf ateşlemeyle uyumlu olabilir; sensör veya yük dağılımı sorunundan da kaynaklanabilir. Arızalı ya da yanlış yorumlanan vuruntu sensörü, vuruntusuz yanma kanıtı değildir.
Woodward fakir yanma kontrol açıklaması; emme basıncı/sıcaklığı, devir, egzoz oksijeni, ateşleme ve yanma teşhislerini birleştirir. Bu, tasarlanmış denetleyicinin kullanabileceği değişken örneğidir; gemi motoru kalibrasyon tarifi değildir. Kaynak kimliğini, zamanları ve etkin yanma modunu korumak, kanıtı tek alarm değeri ekranından çok daha yararlı kılar.
Yakıt değişikliği bileşim temelli inceleme gerektirir
Gerçek gaz analizi, mol veya kütle temeli, numune zamanı, ısıl değer tanımı, referans sıcaklık/basınç, metan sayısı yöntemi ve motor yakıt şartnamesi kaydedilir. Tedarikçinin aynı “doğal gaz” adını kullanması bileşimin değişmediğini göstermez. Sıvı taşınması ve kirleticiler de ayrıca incelenir; gaz fazı stokiyometri modeli bunları temsil etmez.
Yakıtın “çalışıp çalışmadığını” denemek için vuruntu veya tekleme koruması atlanmamalıdır. Tekrarlanan anormal yanma parçalara zarar verebilir ve aşağı sistemlere yanmamış yakıt gönderebilir. Güvenli numune alma ve yetkin teknik destekle üreticinin yanıtı ve onaylı yakıt değişim yöntemi izlenmelidir. Yararlı sonuç sınırları belirli uyumluluk incelemesidir: hangi yakıt değişti, hangi yanma özelliği değişti, hangi pay etkilendi ve seçilen yanıtı hangi kanıt destekliyor?