Spalanie w silnikach ZI

-W tej prezentacji zostanie omówiony:

-Proces spalania
-Przebieg spalania
-Spalanie stukowe i zapłon żarowy
-Wpływ czynników konstrukcyjnych i eksploatacyjnych na przebieg spalania
-Komory spalania

by Łukasz Piwkowski

Najpierw trochę historii

Narodzona w XIX wieku technika motoryzacyjna w XX–tym

stuleciu rozwijała się w sposób błyskawiczny a na progu XXI wieku
końca jej rozwoju nie widać. Samochód napędzany tłokowym
silnikiem spalinowym jeszcze długo będzie stanowił podstawę
transportu drogowego. Silnik benzynowy jako jednostka napędowa
samochodów osobowych ciągle stanowi podstawowe ź–ródło
energii napędzającej pojazd. O niezmiennym panowaniu silników
benzynowych na rynku samochodów osobowych przesądził
błyskawiczny rozwój systemów elektronicznego sterowania
silnikami. Elektroniczny układ sterowania procesem roboczym
silnika zgodnie z zapisanymi w pamięci sterownika algorytmami
(opierając się na wynikach pomiarów dostarczanych przez czujniki
pokładowe) dozuje paliwo, ilo–ć powietrza oraz ustawia kąt
wyprzedzenia zapłonu. Dzięki temu znacznie ogranicza się
szkodliwy wpływ spalin na –środowisko, ro–śnie również komfort
prowadzenia samochodu i bezawaryjno–ć silnika.

• Rozwój elektronicznych układów sterowania nie zmienia jednak

zasad działania silnika o zapłonie iskrowym, które liczą już sobie
ponad 120 lat. Historia pracy cylindrowego suwu zaczęła się już
w 1673 roku, kiedy nadworny uczony króla Ludwika XIV zapalał
proch strzelniczy w cylindrze maszyny pompującej wodę do
ogrodów królewskich. Ci–nienie gazów powstałych w wyniku
eksplozji przesuwały ku górze tłok umieszczony w cylindrze, a ten
połączony systemem linek i bloczków poruszał przeciwwagę
wyciągającą wodę ze studni. Pierwszy czterosuwowy silnik
spalinowy o zapłonie iskrowym zaprezentował Nikolaus Otto na
wystawie paryskiej w 1878 roku. Te cztery suwy nie zmieniły się do
dzisiejszego dnia: zasysanie, sprężanie, praca i wydech.

• Od nazwiska twórcy pierwszego czterosuwowego silnika o zapłonie

iskrowym porównawczy obieg termodynamiczny, w którym
zachodzš przemiany izentropowego sprężania, izochorycznego
doprowadzania ciepła, izentropowego rozprężania i
izochorycznego odprowadzania ciepła nazywany jest obiegiem
Otto.

Schemat zasady pracy czterosuwowego

silnika tłokowego ZI

Sprawno–ć obiegu Otto roś–nie wraz ze wzrostem stopnia sprężania

oraz wykładnika izentropy, nie zależy za–ś od ilo–ści
doprowadzonego ciepła. Sprawno–ć obiegu Otto jest większa od
sprawnoś–ci obiegu zawierającego obok izochorycznego
doprowadzania ciepła również izobaryczne doprowadzanie ciepła.

W czterosuwowych silnikach tłokowych realizacja obiegu

termodynamicznego wymaga dwóch pełnych obrotów wału
korbowego. Pierwszy obrót służy do realizacji suwu sprężania i
pracy, drugi obrót wału korbowego umożliwia przebieg suwu
wydechu i zasysania (napełniania).

Ze względu na charakter procesów zachodzących w cylindrze

rozróżnia się następujące suwy:

Suw ssania
Tłok zbliżający się do wału korbowego wytwarza w cylindrze
podciśnienie; ponieważ w tym czasie zawór ssący umieszczony w
kanale łączącym cylinder
z gaźnikiem czyli urządzeniem wytwarzającym mieszankę paliwowo
powietrzną, jest otwarty wskutek różnicy ciśnień mieszanka napływa
do cylindra; napełnianie cylindra trwa do chwili zamknięcia zaworu
ssącego.

Suw sprężania
W skutek oddalania się tłoka od wału korbowego, objętość mieszanki
wypełniającej cylinder maleje, wzrasta natomiast jej ciśnienie od 7 do
12 KG/cm2 (atm.) Mieszanka nagrzewa się do temp. Ok. 300st C .Im
wyższy jest stopieni sprężania tym wyższy jest ciśnienie mieszanki
przy końcu suwu sprężania i tym szybciej przebiega jej spalanie, co w
rezultacie podwyższa moc i polepsza sprawność silnika.

Suw pracy

Sprężona w komorze spalania mieszanka paliwowo

powietrzna pod koniec suwu sprężania zapala się w skutek
wyładowania pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej; spalanie
mieszanki przebiega bardzo szybko, przy prawie niezmiennej
objętości komory spalania; wskutek wydzielania się bardzo dużej
ilości ciepła znacznie wzrasta temperatura i ciśnienie produktów
spalania (spaliny); pod naporem gazów spalinowych tłok przesuwa
się w kierunku wału korbowego i za pośrednictwem korbowodu
powoduje obrót wału korbowego.

Suw wydechu

Oddalający się od wału korbowego tłok wypycha rozprężone

gazy spalinowe znajdujące się w cylindrze. Spaliny uchodzą przez
otwarty zawór wydechowy. Proces usuwania spalin z cylindra trwa
aż do momentu zamknięcia zaworu wydechowego.

Spalanie stukowe

• Spalanie stukowe (spalanie detonacyjne) - zjawisko nieprawidłowego,

nierównomiernego, wybuchowego spalania paliw w silnikach tłokowych o
zapłonie iskrowym.

• Podczas prawidłowego procesu spalania ciśnienie nad tłokiem pod koniec

suwu sprężania ma wartość około 10 kg/cm2. Mieszanka paliwowo-powietrzna
po suwie sprężania zapala się od iskry świecy i płomień rozprzestrzenia się
przez całą komorę spalania ze stałą prędkością około 30-60 m/s. Powstaje
duża ilość gazów spalinowych, co powoduje wzrost ciśnienia w komorze do
ponad 60 kg/cm2, wywołując odpowiedni ruch tłoka. Pojedynczy akt spalania
mieszanki trwa około 0,001 s.

• Podczas spalania stukowego w momencie zapłonu iskra zapala mieszankę w

okolicy świecy, co powoduje jednocześnie sprężenie pozostałego ładunku w
komorze spalania. Wzrost ciśnienia oraz podwyższona temperatura wywołuje
samozapłon i gwałtowne spalenie się mieszanki w przeciwległym końcu
komory. Proces ma charakter detonacyjnej reakcji łańcuchowej i spalanie
następuje nieprawidłowo, z wielokrotnie większą prędkością przekraczającą
1000 m/s. Wywołuje to charakterystyczny stuk. Spalanie stukowe znacznie
obciąża cieplnie oraz mechanicznie tłok, korbowód i inne elementy silnika.

Pośród przyczyn spalania stukowego wyróżnić

można:

• zbyt wysoki stopień sprężania.
• za wczesny zapłon.
• za mała liczba oktanowa paliwa*.
• przegrzanie silnika.
• za małe zawirowanie mieszanki w komorze spalania.

* Liczba oktanowa, LO, umowny wskaźnik charakteryzujący

przeciwstukowe własności paliwa używanego do napędu silników
spalinowych z zapłonem iskrowym, oznaczana za pomocą silników
wzorcowych.

Liczba oktanowa danego paliwa równa jest liczbowo takiej procentowej

zawartości izooktanu (LO = 100) w mieszaninie z n-heptanem (LO = 0),
przy której własności przeciwstukowe tej mieszaniny są takie same, jak
badanego paliwa.

Liczba oktanowa przyjmuje wartości od 0 do 160 i jest ważnym wskaźnikiem

oceny własności eksploatacyjnych benzyn silnikowych.

Zapłon żarowy

W silniku benzynowym do rozpoczęcia spalania mieszanki należy dostarczyć energię
z zewnątrz. Źródłem tej energii jest iskra ze świecy. Pojawia się ona, gdy tłok spręża
mieszankę i jest tuż przed górnym martwym położeniem. Wtedy spalanie i
sprawność silnika są najlepsze. Ale nie zawsze zapalenie mieszanki następuje od
świecy. W silnikach starszych mogą pojawić się w komorze spalania nagary. Są to
osady powstające z niespalonego oleju. Te nagary mogą w czasie pracy silnika
nagrzewać się do tak wysokich temperatur, że mieszanka zapala się od nich, a nie od
świecy. Właśnie taki zapłon nazywamy żarowym. W komorze spalanie powstają
wtedy dwa płomienie: jeden od nagaru, drugi od iskry świecy. Zwykle ten pierwszy
pojawia się wcześniej. Dwa płomienie, dwie fale rozchodzące się w różnych
kierunkach powodują gwałtowny wzrost ciśnienia i temperatury w komorze spalania.
I ciśnienie, i temperatura są bardzo szkodliwe dla silnika, szczególnie dla układu
korbowego. Ponadto wysoka temperatura może nawet doprowadzić do uszkodzenia
różnych elementów tłoka.

Jak rozpoznać zjawisko zapłonu żarowego

Po wyłączeniu zapłonu, a nawet wyjęciu kluczyka ze stacyjki silnik jeszcze przez kilka
sekund będzie pracował. To ostrzeżenie, że występuje zapłon żarowy i należy szy-
bko pojechać do warsztatu, aby oczyścić wnętrze silnika. Najczęściej wystarczy
zdjęcie głowicy i usunięcie nagarów z jej ścianek. Nie jest to zbyt skomplikowane ani
kosztowne. Jeśli tego nie zrobimy, silnik może ulec uszkodzeniu, a jego naprawa
będzie droga.

Komory spalania

Rodzaje komór spalania.

Komora spalania silnika o zapłonie samoczynnym musi

zapewniać warunki odpowiednie do prawidłowego odparowania
wtryśniętego paliwa, wymieszania go z powietrzem, zapalenia
mieszanki oraz, w pewnym stopniu, do kontrolowania procesu
spalania. Można podzielić je na dzielone, niedzielone.

W każdej z tych grup istnieje wiele odmian. Stosuje się także

komory spalania stanowiące rozwiązania pośrednie, łączące cechy
charakterystyczne dla obu grup. Wielka rozmaitość rozwiązań
komór spalania sprawia, że nie sposób wszystkich opisać. Toteż
poniżej zostanie przedstawionych zaledwie kilka zasadniczych,
napowrzechniej stosowanych odmian.

Komory niedzielone – Silniki z takimi komorami są nazywane

silnikami z wtryskiem bezpośrednim. Komora niedzielona składa
się z jednej części, w której zarówno tworzy się, jak i spala cała
objętość mieszanki. Właściwie wymieszanie paliwa z powietrzem
zapewnia odpowiedni sposób wtrysku paliwa oraz zawirowanie
powietrza w czasie napełniania nim cylindra i podczas sprężania.
Kształt komory spalania ma tu ogromne znaczenie.

Komory otwarte

Komory półotwarte

Komory wirowe – zalicza się do komór dzielonych, pomimo że

mieści się w nich około 80% całkowitej ilości powietrza sprężanego
w komorze spalania. Komora wirowa ma kształt kuli (niekiedy jest
ona spłaszczona) i jest połączona z przestrzenią nad tłokiem za
pomocą dosyć szerokiego kanału usytuowanego stycznie do
ścianki komory. Styczne umieszczenie kanału sprawia że podczas
suwu sprężania napływające do komory wirowej powietrze zostaje
silnie zawirowane. Paliwo jest wtryskiwane wzdłuż promienia kuli
komory wirowej, a więc wtryskiwany strumień paliwa przecina
strugi wirującego w komorze powietrza. Powoduje to dobre
rozproszenie drobin paliwa po całej komorze i przyspiesza proces
jego odparowania i tworzenia się mieszanki palnej. Zasadniczo
spalanie odbywa się w komorze wirowej. Jedynie w końcowej fazie
proces ten przenosi się do cylindra.

Komora z zasobnikiem powietrza – rodzaj komory dzielonej

obejmującej komorę główną (przestrzeń nad tłokiem) oraz komorę
pomocniczą, zwaną zasobnikiem powietrza. W nowoczesnych
silnikach objętość zasobnika powietrza stanowi około 25% całkowitej
objętości komory spalania. Zasobnik powietrza jest połączony z
komorą główną odpowiednio ukształtowanym przewężeniem.
Wtryskiwacz paliwa jest umieszczony w komorze głównej, lecz
skierowany w stronę przewężenia prowadzącego do zasobnika
powietrza. W początkowym okresie spalanie strumień
wtryskiwanego paliwa jest wtłaczany do zasobnika razem ze
sprężanym jeszcze w tym czasie powietrzem. W chwilę potem
produkty spalania oraz nie zużyte jeszcze w zasobniku powietrze
gwałtownie
wypływają z zasobnika, wyrzucane
zeź przez ciśnienie nagle zwiększone
w wyniku spalania. Ten palący się
strumień napotyka resztę wtryskiwanego
paliwa: zderzenie się tych dwóch
strumieni płynących naprzeciw siebie
znacznie ułatwia szybkie i dokładne
spalenie reszty paliwa.

• Komory wstępne – Są to komory dzielone, składające się z

dwóch części: z komory głównej, która stanowi przestrzeń nad
tłokiem, i komory pomocniczej zwanej komorą wstępną. Objętość
komory wstępnej stanowi od 25 do 40% całkowitej objętości
komory spalania. Komora głóna jest połączona z komorą wstępną
jednym lub kilkoma otworami o niewielkiej średnicy. Paliwo zawsze
jest wtryskiwane do komory wstępnej. Spalanie w silniku z komorą
wstępną odbywa się w dwóch fazach. W pierwszej – rozpylenie,
odparowanie i zapalenie paliwa odbywa się w komorze wstępnej
przy niedostatku powietrza. W drugiej fazie paląca się mieszanka
wraz z nie spaloną dotychczas częścią dobrze odparowanego
paliwa wpływa do komory głównej, gdzie następuje dalsze
spalanie.

Bibliografia

• T. Rychter – Budowa pojazdów samochodowych, wydawnictwo

PWN

•

http://budowasamochodow.republika.pl/

• Notatki z zajęć