1

2. Wytwarzanie, zapłon i spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej – temat 2(2)

Proces spalania ma decydujący wpływ na silnik i jego pracę.

Od przebiegu procesu spalania zależą:

•

ś

rednie ciśnienie indykowane,

•

jednostkowe zużycie paliwa

a także:

•

obciążenie mechaniczne i cieplne silnika,

•

toksyczność spalin,

•

hałaśliwość silnika.

Przebieg spalania ma bezpośredni wpływ na trwałość silnika a tym samym koszty przeglądów i remontów oraz

zużycie części zamiennych.

Proces spalania trwający zaledwie kilka lub kilkanaście milisekund, składa się ze różnych zjawisk

fizykochemicznych.

Spalanie paliwa poprzedza tworzenie się mieszanki paliwowo-powietrznej, zachodzące w komorze spalania

podczas tzw. okresu zwłoki zapłonu.

Proces ten zależy od: wtrysku paliwa, tj. rozpylenie strugi paliwa, jej ukierunkowanie oraz masowy przebieg

wtrysku paliwa w czasie, z drugiej strony od termodynamicznego stanu powietrza i jego zawirowania w

komorze spalania.

2.1 Podział silników wg rodzaju stosowanego paliwa:

a)

Silniki gazowe, napędzane gazem ziemnym lub gazem wytwarzanym z drewna, koksu, itp.

b)

Silniki na paliwo ciekłe – benzynowe, zasilane olejem napędowym lub olejem ciężkim,

c)

Silniki wielopaliwowe – zasilane paliwem gazowym i ciekłym jednocześnie, np. silniki do napędu

głównego zbiornikowców przeznaczonych do przewozu gazów skroplonych LPG lub NLG gdzie

silniki zasilane są gazem pochodzącym z odparowanego ładunku, Niewielka dawka ciekłego

2

paliwa ( co stanowi 3-4% całkowitej ilości zużytego paliwa), która jest wtryskiwana do przestrzeni

roboczej, inicjując zapłon mieszanki gazowo powietrznej.

LPG – liquid petrolium gas;

NLG – liquid natural gas.

2.2

Podział silników ze względu na stopień wstępnego sprężania ładunku:

a)

Silniki niedoładowane, w których powietrze napływa do cylindra pod działaniem podciśnienia

wywołanego

ruchem

tłoka

(silniki

czterosuwowe)

lub

niewielkiego

nadciśnienia

wystarczającego do pokonania oporów przepływu ładunku i zapewnienia mu wymaganej

prędkości (silniki dwusuwowe),

b)

Silniki doładowane, w których ładunek przed wejściem do przestrzeni roboczej jest wstępnie

sprężany a ładunek wypełniający przestrzeń roboczą na początku procesu sprężania ma

ciśnienie wyższe od ciśnienia atmosferycznego.

2.3

Podział silników ze względu na sposób zasilania paliwem i tworzenia mieszanki palnej:

a)

Silniki gaźnikowe, zasilane mieszanką powietrza i par paliwa ciekłego lub mieszanką

powietrzno-gazową, ilościowy skład mieszanki, zależny od warunków obciążenia silnika,

reguluje samoczynnie urządzenie zwane gaźnikiem ( dla paliw ciekłych) lub mieszalnikiem (

dla paliw gazowych,

b)

Wtryskowe – zasilane powietrzem i oddzielnie paliwem ciekłym, a mieszanka paliwowo-

powietrzna tworzy się w komorze spalania pod koniec suwu sprężania, gdy do sprężonego

powietrza zostanie wtryśnięte rozpylone paliwo, wtrysk może być skierowany bezpośrednio do

komory spalania ( rys 1.7a) lub do dodatkowej komory ( rys. 1.7 b,c,d) współdziałającej w

tworzeniu mieszanki palnej.

2.4

Podział silników ze względu na sposób zapalania mieszanki paliwowo-powietrznej:

a)

Silniki z zapłonem iskrowym, – w którym mieszanka zapala się do iskry elektrycznej świecy

zapłonowej,

3

b)

Silniki z zapłonem samoczynnym - w których mieszanka zapala się po odparowaniu paliwa,

wymieszaniu z powietrzem i podgrzaniu do temperatury samozapłonu.

2.5

Podział silników ze względu na teoretyczny obieg porównawczy (rys. 1.8 a,b,c – obiegi teoretyczne

silników w układzie p-v ):

a)

Silniki ze spalaniem przy stałej objętości – obieg Otta (obieg teoretyczny silnia

benzynowego),

b)

Silniki ze spalaniem przy stałym ciśnieniu – obieg Diesla (obieg teoretyczny silnika

sprężarkowego, tzw. klasyczny Diesel),

c)

Silniki ze spalaniem mieszanym, przy stałej objętości i stałym ciśnieniu – obieg Sabathe’a

(obieg teoretyczny silnika z zapłonem samoczynnym).

Różnice między obiegiem teoretycznym i rzeczywistym przebiegiem procesów termodynamicznych w

silniku wynikają z niżej podanych założeń upraszczających, przyjętych dla obiegu teoretycznego:

1.

Czynnikiem roboczym jest gaz doskonały, charakteryzujący się zwłaszcza stałym ciepłem

właściwym c

p

i c

v.

. W silniku rzeczywistym czynnikiem roboczym jest mieszanina

powietrza i gazów spalinowych i zmieniającym się w trakcie procesu składzie masowym i

chemicznym mieszaniny oraz jej temperatury.

2.

Masa czynnika roboczego podczas całego obiegu jest stała, w obiegu rzeczywistym jest

zmienna.

3.

Sprężanie i rozprężanie czynnika roboczego odbywa się izentropowo, w silniku

rzeczywistym politropowo z uwagi na ciągłą wymianę ciepła miedzy czynnikiem

roboczym a elementami silnika.

4.

Doprowadzenie ciepła do obiegu odbywa się przez izochoryczne i izobaryczne

podgrzewanie gazu, którego skład chemiczny nie ulega zmianie. W silniku rzeczywistym

czynnik roboczy pobiera ciepło uzyskane ze spalenia oraz zmienna jest objętość i ciśnienie

czynnika roboczego.

5.

Wszystkie przemiany termodynamiczne przebiegają nieskończenie powoli, wobec czego

prędkość zmian objętości gazu jest równa zeru, nie ma tarcia, ponieważ gaz nie wykonuje

4

ruchu. W silniku rzeczywistym ruch czynnika roboczego jest spowodowany szybkim

przebiegiem kolejnych przemian w cylindrze przez wymianę czynnika usuwanie spalin

napełnianie przestrzeni roboczej świeżym ładunkiem.

2.6

Układ zasilania paliwem, spalanie paliwa w silnikach z zapłonem samoczynnym.

2.6.1

Wtrysk paliwa.

Wtrysku paliwa dokonuje zespół zwany układem wtryskowym: pompa wtryskowa i wtryskiwacz. Ciśnienie

otwarcia wtryskiwacza p

ow

= 20- 35 MPa, ciśnienie na końcu wtrysku p

w max

= 60 - 150 MPa.

Czynnikami wpływającymi na przebieg ciśnienia wtrysku są:

•

ściśliwość paliwa,

•

elastyczność przewodów paliwowych wysokiego ciśnienia,

•

stan techniczny instalacji paliwowej (pomp, wtryskiwaczy i szczelność połączeń rurowych).

Istotny wpływ na charakterystykę ciśnieniową mogą wywierać zjawiska towarzyszące wtryskowi paliwa w

postaci fal ciśnienia w rurociągu pomiędzy pompa a wtryskiwaczem.

W przewodach wtryskowych o dużej długości i średnicy, odbita fala ciśnieniowa może powodować

powstawanie zjawiska dotrysku paliwa, co jest przyczyna przewlekłego spalania mieszanki i przeciążenia

silnika.

2.6.1.1

Zwłoka wtrysku paliwa – jest to okres wyrażony katem obrotu wału korbowego

α

αα

α

zw

lub czasem

ττττ

zw

,

narastania ciśnienia w przewodzie do wartości otwarcia wtryskiwacza.

Na zwłokę wtrysku paliwa mają wpływ:

•

Nieznaczna – ściśliwość paliwa, dlatego stosuje się w przewody grubościenne o możliwie jednakowej

długości,

•

Decydujący wpływ ma przyrost objętości przewodów paliwowych,

•

Przecieki paliwa wskutek nieszczelności par precyzyjnych i wtryskiwaczy,

5

•

Zjawiska falowe.

Nieszczelność aparatury paliwowej poza wzrostem zwłoki wtrysku powoduje obniżenie ciśnienia wtrysku a tym

sama pogarsza jakość rozpylania paliwa.

2.6.2

Zwłoka zapłonu.

Wtryśnięte do komory spalania paliwo odparowuje kosztem ciepła pobieranego od sprężonego powietrza.

Temperatura powietrza w cylindrze w tym czasie wynosi 650-950

o

C.

ZZ ( opóźnienie zapłonu) jest to okres, za początek, którego przyjmuje się ruch iglicy wtryskiwacza ( początek

wtrysku paliwa PWP), za koniec wtrysku paliwa przyjmuje się początek zapłonu PZ mieszaniny paliwowo-

powietrznej.

Na wykresie przyjmuje się, że jest to punkt wyraźnego wzrostu ciśnienia (załamania na krzywej ciśnienia

sprężania) na rozwiniętym wykresie indykatorowym ( rys.9.6).

Czas zwłoki zapłonu

τ

ZZ

w silnikach okrętowych wynosi 0,01 – 0,005 s, a odpowiadający temu czasowi kąt

obrotu wału korbowego można obliczyć z wzoru:

α

αα

α

ZZ

=

α

αα

α

PZ

-

α

αα

α

PWP

= 6n

ττττ

ZZ

[

o

OWK]

gdzie:

α

αα

α

PZ

–początek zapłonu przed GMP (wartość kąta przed GMP jest ujemna (-), po GMP dodatnia (+) ]

α

αα

α

PWP

– początek wtrysku paliwa przed GMP ( uwaga jw.)

n – prędkość obrotowa silnika [ obr/min ]

W okresie zwłoki zapłonu do komory spalania zostaje wtryśnięta część dawki paliwa, przypadająca na jeden

cykl pracy i jest ona zwykle tym większa im mniejsze jest obciążenie silnika. Dla obciążenia nominalnego na

okres zwłoki zapłonu przypada 20 do 30% wtryskiwanej dawki cyklu.

6

2.6.3

Proces powstawania strugi paliwa.

Proces ten rozpoczyna się w chwili otwarcia wtryskiwacza.

Jakość rozpylania paliwa ocenia się dokładnością rozpylania oraz jednorodności rozpylania.

W ocenie jakości rozpylania uwzględnia się również długość strugi oraz kat rozpylenia paliwa.

Na jakość rozpylania paliwa i kształt strumienia maja wpływ:

1.

Konstrukcja rozpylaczy,

2.

Przeciwciśnienie powietrza w komorze spalania,

3.

Prędkość wypływu paliwa z rozpylacza,

4.

Stan techniczny aparatury wtryskowej,

5.

Lepkość paliwa.

Dwa pierwsze czynniki są stałe dla danego silnika pozostałe zaś maja duży wpływ na jakość rozpylania.

Prędkość wypływu określa się zależnością;

2( p

wtr

– p

k

)

c

w

=

ϕϕϕϕ

√√√√

































[ m/s]

ρρρρ

p

gdzie

: c

w

– prędkość wypływu [ m/s ]

ϕ

- współczynnik wypływu zależny od kształtu otworu dyszy,

p

wtr

– ciśnienie wtrysku [ Pa ]

p

k

- ciśnienie w komorze spalania [ Pa ]

ρ

p

- gęstość paliwa [ kg / m3 ]

∆∆∆∆

p

wtr

= p

wtr

- p

k

–

głównie ta wartość

wywiera decydujący wpływ na prędkość wypływu paliwa

a zatem i na dokładność rozpylania.

7

Stan techniczny aparatury wtryskowej a w szczególności szczelność iglicy wtryskiwacza, czystość otworów dysz

rozpylacza i ciśnienie otwarcia wtryskiwacza wywierają istotny wpływ na jakość rozpylania paliwa.

Lepkość paliwa - wraz ze wzrostem lepkości paliwa zwiększają się siły międzycząsteczkowe , utrudniające

rozpad strumienia paliwa.

2.6.5 Wpływ czynników eksploatacyjnych na zwłokę zapłonu.

1.

temperatura powietrza w końcu suwu sprężania,

2.

rodzaj stosowanego paliwa i jego przygotowanie,

3.

koncentracja spalin pozostałych z poprzedniego cyklu pracy,

4.

obciążenie silnika,

5.

jakość rozpylania paliwa,

6.

prędkość obrotowa silnika.

Temperatura powietrza na końcu sprężania zależy od temperatury początkowej i stopnia sprężania

εεεε

.

Dla ciśnień sprężania 3,0 – 4,0 MPa różnica temperatur powietrza i samozapłonu wynosi 320 –400

o

C i jest ona

niezbędna do umożliwienia rozruchu zimnego silnika i bardzo korzystna ze względu na zwłokę zapłonu.

Rodzaj stosowanego paliwa i jego przygotowanie – odpowiednia liczba cetanowa oraz lepkość, która ma

znaczny wpływ na jakość rozpylania paliwa w cylindrze.

Koncentracja spalin w cylindrze pozostałych z poprzedniego cyklu pracy – pozostające spaliny wpływają na

wydłużenie okresu opóźnienia samozapłonu ( udział spalin ponad 20% znacznie opóźnia samozapłon).

Spadek ciśnienia przepłukującego (zanieczyszczone filtry powietrza, okna dolotowe, itp.) znacznie pogarsza

przepłukanie cylindra.

8

Obciążenie silnika – wzrost obciążenie podnosi temperatury powietrza przy końcu sprężania a tym samym

powoduje skracanie opóźnienia zapłonu. Obciążenie częściowe może powodować znaczne zwiększenie zwłoki

zapłonu.

Jakość rozpylania – wielkość kropel paliwa i jednorodność mieszaniny paliwowo-powietrznej wywierają

zasadniczy wpływ na temperaturę samozapłonu, a zatem i na zwlokę zapłonu.

Nadmierne rozpylenie paliwa zmniejsza przenikliwość strumienia i pogarsza warunki powstawania mieszaniny

paliwowo-powietrznej o optymalnym składzie określonej dla danego silnika i stopnia jego obciążenia.

Prędkość obrotowa – wpływ prędkości obrotowej na zwłokę zapłonu jest dwojaki i wzajemnie przeciwstawny.

W zakresie obciążeń ( 0,5 – 1,0)N

n

, co odpowiada (0,79 – 1,0) n

n

następstwem zmniejszenia prędkości

obrotowej jest wzrost zwłoki zapłonu.

Wpływ zwłoki zapłonu na silnik jego pracę.

Przy małej zwłoce zapłonu, w momencie zapłonu w cylindrze jest mała ilość paliwa, stąd

∆∆∆∆

p

ś

r

/

∆∆∆∆αααα

- przyrost

ciśnienia przypadającego na 1

o

OWK podczas II okresu spalania jest mały ( poniżej 0,2-0,5 MPa/1

o

OWK).

Jeżeli

∆∆∆∆

pśr /

∆∆∆∆αααα

osiąga wartość 0,7 –1,0 MPa / 1

o

OWK - praca silnika staje się twarda (głośna), słychać stuki

metaliczne (znaczne obciążenia mechaniczne elementów silnika), przewlekłe spalanie, wysokie temperatury

spalin.

Spalanie.

Okres I – wstępny okres zwłoki zapłonu,

Okres II – spalanie gwałtowne, trwające od początku zapłonu,

Okres III – spalanie izobaryczne – ciśnienie spalin w przybliżeniu na stałym poziomie,

Okres IV – dopalanie trwające do 50-60

o

po GMP.

9

Zapotrzebowanie powietrza do spalania.

Przeciętna teoretyczna ilość powietrza potrzebna do spalenia 1 kg powietrza wynosi

m

t

= 14-15 [kg/kg] lub V

tN

= 10,8 – 11,6 [m

3

/kg]

W rzeczywistości potrzebna ilość powietrza jest znacznie większa i wynosi m

ł

o jest

λλλλ

s

razy większa od ilości

teoretycznej m

t

λλλλ

s

= m

ł

/ m

t

– rzeczywisty nadmiar powietrza ( wynosi przeciętnie 1,8 – 2,2).

Rzeczywista ilość powietrza, doprowadzona do silnika jest większa od m

ł

i wynosi

λλλλ

m

t

wyznacza się ja na

podstawie całkowitego współczynnika nadmiaru powietrza

λλλλ

.

Całkowity współczynnik nadmiaru powierza określa się stosunkiem masy m

dł

powietrza, doprowadzonego do

komory spalania podczas jednego cyklu pracy, do masy powietrza mt teoretycznie potrzebnej do całkowitego i

zupełnego spalenia paliwa, zawartego w mieszaninie palnej zamkniętej w cylindrze.

λλλλ

= m

dł

/ m

t

=

λλλλ

mł

/ m

t

=

λλλλ

p

λλλλ

s

dla silników z zapłonem samoczynnym

λλλλ

wynosi 2,5-3,5.

Dla obciążeń częściowych

λλλλ

jest większe i rośnie ze spadkiem obciążenia.

Podsumowując na każdy kg spalonego paliwa w silnika należy dostarczyć 35-53 kg lub 27-40 m

3

powietrza w

warunkach normalnych

.

Wartości m

dł

są znacznie większe dla silników wysoko doładowanych.

Ilość spalin otrzymywana ze spalenia kg paliwa wynosi 36-54 kg/kg, co daje 8-11 kg/KWh.