Madal-rõhk, madal-temperatuur ja madal-hapniku keskkond platoodel seab diiselmootorite tööle ranged piirtingimused. Lähtudes termodünaamilistest alustest, analüüsib käesolev artikkel sügavuti platookeskkonna mõjumehhanisme põlemisprotsessile, turboülelaadimissüsteemide sobivusele ja diiselmootorite põhikomponentide töökindlusele ning uurib tehnilisi vastumeetmeid.
I. Põhiteooria: piiritingimuste muutmine platookeskkondades
Diiselmootor on "diiselmootoriga" soojusmootor ja selle tööefektiivsus sõltub suuresti sisselaskeõhu olekust. Põhilised muutused platookeskkonnas on järgmised:
1. Atmosfäärirõhk (P₀) ja õhutihedus (ρ) vähenevad: iga 1000 meetri kõrguse tõusuga langeb atmosfäärirõhk ligikaudu 11,5% ja õhutihedus ligikaudu 8,7% (standardse atmosfäärimudeli korral). 4500 meetri kõrgusel on sissepuhkeõhu tihedus vaid 55–60% merepinna tasemest.
2. Keskkonnatemperatuuri langus (T₀): iga 1000 meetri kõrguse tõusu korral langeb keskmine keskkonnatemperatuur 6,5 kraadi võrra.
3. Hapniku osarõhu langus: Kuigi hapniku mahuosa jääb muutumatuks (21%), viib kogu rõhulang hapniku osarõhu vastava vähenemiseni, mis on põlemist kõige otsesemalt mõjutav tegur.
Need muutused piirtingimustes on diiselmootorite tööstsenaariume põhjalikult ümber kujundanud.
II. Põlemisprotsessi põhierinevused ja jõudluse halvenemine
Diiselmootorite põlemiskvaliteedi määravad neli tegurit: kütus, õhk, segu ja temperatuur. Platoo keskkond halvendab neid tegureid süstemaatiliselt.
Võimsus ja ökonoomsus sumbumine
1.Teoreetiline tsükli töö vähendamine: mootori tööpõhimõtte kohaselt on selle näidatud töö otseselt võrdeline tsükli sisselaske mahuga. Sisselasketiheduse vähenemine viib otseselt silindrisse siseneva hapniku massi vähenemiseni igas töötsüklis.
2. Kvaliteedi reguleerimise piirangud: diiselmootorid töötavad kvaliteedi reguleerimise põhimõttel, mis tähendab, et sisselaskeõhu maht jääb suures osas konstantseks ja võimsust reguleeritakse kütuse sissepritse mahu muutmisega tsükli kohta. Suurel kõrgusel muutub piiravaks teguriks sissepuhkeõhu hapnikusisaldus. Tõsise musta suitsu eraldumise ja mehaaniliste ülekoormuste vältimiseks peab ECU aktiivselt piirama kütuse sissepritse mahtu, mille tulemuseks on võimsuse ja pöördemomendi vähenemine. Võimsuse korrektsioon järgib tavaliselt empiirilist valemit:
Ne_ High Altitudes=Ne_Plain * k (kus k on parandustegur, ligikaudu 0,7 kuni 1,0). Seda nähtust nimetatakse tavaliselt "pöördemomendi vähendamiseks suurtel kõrgustel".
3. Põlemisefektiivsuse ja termilise efektiivsuse vähenemine:
Difusioonpõlemise halvenemine: hapnikupuuduse tõttu väheneb õhuga sissepritsitud kütuse segunemiskiirus, pikeneb järelpõlemisperiood, põlemine on mittetäielik ja heitgaaside temperatuur tõuseb.
Näidatud soojustõhususe vähenemine: aeglane põlemiskiirus, diislikütuse vähenenud soojuseralduskiirus, põlemisel tekkiva soojuse eraldumise mustri kõrvalekalle ideaalsest kõverast, mille tulemuseks on termilise -to-energia mehaanilise muundamise efektiivsuse langus.
Vähendatud mehaaniline efektiivsus: sama võimsuse väljastamiseks on vaja suuremat gaasihoova avamist, mootori pöörlemissagedus suureneb ning pumpamis- ja hõõrdekadu osakaal.
Külmkäivituse jõudluse väljakutse
1. Survesüüte tingimused on häiritud: diiselmootorid toetuvad kompressiooni lõpus kõrgele temperatuurile, et kütus iseeneslikult süttiks. Temperatuur kokkusurumise lõpus, T_c (temperatuur kokkusurumise lõpus) = T_a (sissepuhkeõhu temperatuur) * ε^(n-1) (kus ε on surveaste). Madal temperatuur suurtel kõrgustel toob kaasa sissepuhkeõhu temperatuuri T_a languse. Samal ajal on selliste tegurite tõttu nagu soojuse hajumine silindri seinalt veelgi raskem, et surve ja temperatuur saavutaks kokkusurumise lõpus diislikütuse isesüttimispunkti (tavaliselt umbes 250 kraadi).
Lahendus. Külmkäivituse tagamiseks tuleb kasutada lisakäivitusseadmeid, nagu sisselaskeõhu eelsoojenduskorgid, silindri vooderdise vee eelsoojendid ja -suure energiatarbega akud, et tagada külmkäivitamine, tõstes temperatuuri kompressiooni alguses ja parandades käivituskiirust.
2. Heiteomaduste halvenemine
Tahmaheitmete järsk suurenemine: suure koormuse tingimustes ilma kütusekoguse piiranguteta põhjustab kohalik hapnikuvaegus kütuse kõrgel{0}}temperatuuril pragunemist, mis tekitab suurel hulgal tahma ja DPF-i regeneratsioone.
Suurenenud CO ja HC emissioon: ka mittetäieliku põlemise tõttu.
III. Erinevused ülelaadimissüsteemides: toest kuni pliini
Platool pole turboülelaadur enam pelgalt võimsuse suurendamise komponent, vaid elu toetav süsteem, mis säilitab diiselmootorite põhitöö.
Turboülelaaduri tööpunkti nihe
Ülepingeoht: suurel{0}}kõrgustel sisselaskeava väikese tihedusega õhk põhjustab kompressori tööpunkti lähenemise liigpinge joonele. Madalatel kiirustel ja suurel koormusel (nt ronides) võib tekkida tõus, mida iseloomustavad tugev vibratsioon ja ebatavaline müra, mis võib turboülelaadurit kahjustada.
Kiiruse ületamise oht: Suurel kõrgusel madalama keskkonnarõhu tõttu heitgaasitakistus väheneb. Suurel-kiirusel ja suurel{2}}koormusel võib turboülelaaduri pöörlemiskiirus ületada projekteeritud piiri, mis põhjustab turbiini labade pragunemist.
Täiustatud ülelaadimistehnoloogia rakendamine
Muutuva geomeetriaga turbiin (VGT): see on optimaalne lahendus kõrgmäestiku{0}}diiselmootoritele. Reguleerides düüsirõnga nurka, vähendab VGT voolu ristlõiget-madalatel pööretel, suurendades heitgaasi kiirust, suurendades seeläbi märkimisväärselt madalal-kiirusel turboülelaaduri reaktsiooni ja pöördemomenti, ületades tõhusalt võimsuse viivituse suurtel kõrgustel. Suurtel kiirustel suurendab see ristlõiget-, et vältida ebapiisavat sissepuhkeõhu mahtu, mis võib viia kõrge heitgaasi temperatuurini ja turboülelaaduri üle-kiiruseni.
Kahe{0}}astmeline ülelaadimine: see kasutab väikese turbo ja suure turbo või mehaanilise ülelaadimise ja turboülelaadimise kombinatsiooni. Mehaaniline ülelaadur ehk väike turbo tagab kiire reageerimise madalatel pööretel, samas kui suur turbo vastutab suure väljundvõimsuse eest, pakkudes piisavat ülelaadimisrõhku laiemal töötingimustel.
Turboülelaadimise ja vahejahutuse tähtsus: kõrgel{0}}kõrguse keskkonnas on ka õhutemperatuur pärast turboülelaadimist väga kõrge. Vahejahuti võib tõhusalt alandada sisselaskeõhu temperatuuri ja suurendada sisselaskeõhu tihedust, mis on turboülelaadimise tõhususe parandamise võtmelüli.
IV. Lahendused kriitilistele süsteemidele ja haavatavatele komponentidele
Kütusesüsteem:
Kõrgsurve-common rail süsteemi eelised: kaasaegsed elektrooniliselt juhitavad common rail süsteemid suudavad kõrgusandurilt saadud teabe põhjal (või MAP-anduri kaudu arvutatud) kütuse sissepritse MAP-diagrammi dünaamiliselt korrigeerida, saavutades täpse kütusekoguse kontrolli ja mitme sissepritse (pilootpritse, põhisissepritse, järelsissepritse), et optimeerida põlemist suurtel kõrgustel ning tasakaalustada võimsust ja heitgaase.
Kütusepihustid: halb põlemine suurel kõrgusel võib kergesti põhjustada süsiniku ladestumist kütusepihustitele ja omavahel ühendatud osade kulumist. On vaja kasutada kvaliteetset-kütust ja spetsiaalseid diislilisandeid ning lühendada kütusefiltrite vahetustsüklit.
Jahutussüsteem:
Suure-võimsusega, kõrge-keemistemperatuuriga-jahutussüsteem: kõrge-keemistemperatuuriga-antifriisi tuleb kasutada, et vältida jahutusvedeliku enneaegset keemist õhurõhu languse tõttu. Vajadusel minge üle suure-vooluga veepumbale ja radiaatori ventilaatorile.
Määrimissüsteem:
Turboülelaadurite määrimine: Turbiinidel, mis töötavad pikaajaliste-kõrge-koormuse tingimustes ja kõrgel kõrgusel, on äärmiselt kõrged nõuded mootoriõli kõrgel-temperatuuri puhastamise ja nihkekindluse suhtes. Kasutada tohib ainult täissünteetilisi või poolsünteetilisi raskeveokite{5}}diiselmootoriõlisid CI-4 või kõrgema klassiga.
Sisselaskesüsteem:
Õhufiltri hooldus: tugeva tuule ja liiva tõttu kõrgel{0}}kõrgetel aladel võivad õhufiltrid ummistuda, mis suurendab sisselasketakistust ja tekitab suure kõrguse ja ummistumise koosmõju. Tuleb kasutada suure-tõhususega õhufiltreid ning neid sageli kontrollida ja puhastada.
Kokkuvõte ja väljavaade
Kõrgkõrguse{0}}töötingimused panevad diiselmootorite kõikehõlmavale tehnoloogiale ülima proovikivi. Nende jõudluse parandamine on pigem süstemaatiline projekt kui ühe komponendi uuendamine. Edasine arengusuund on järgmine:
1. "Mehaaniline-elektriline-pneumaatiline" integreeritud intelligentne juhtimine: mootori täis-domeeni adaptiivne juhtimisstrateegia, mis põhineb reaalajas-kõrgusel ja keskkonnaparameetritel.
2. Täiustatud võimendussüsteemide sügav integreerimine: VGT ja kaheastmelise võimendustehnoloogia edasine optimeerimine ja kulude vähendamine.
3. Järeltöötlussüsteemide sünergistlik kohandamine: DPF-i regenereerimise strateegia, mis on kohandatud kõrgel{2}}kõrguse omadustele.
Kasutajate jaoks tähendab nende aluspõhimõtete mõistmine võimalust mudeleid teaduslikumalt valida, neid täpsemalt hooldada ja diiselmootorite võimsat potentsiaali ohutult vallandada{0}}kõrgkõrguses.