SPALANIE W SILNIKACH ZI

1. Wiad. wstępne

W silnikach z zapłonem iskrowym zapłon mieszanki palnej następuje od iskry elektrycznej pojawiającej się odpowiedniej chwili między elektrodami świecy zapłonowej. Warunkiem spalania jest uprzednie przgotowanie mieszanki palnej, rozumiemy przez to:

• Rozpylenie paliwa

• Wymieszanie z odpowiednimi ilościami powietrza

Dobrze przygotowana mieszanka palna ma jednorodny skład w całej przestrzeni cylindra.

W silnikach gaźnikowychmieszanka jest wytwarzana w gaźniku, w którym paliwo miesza się wstępnie z powietrzem, taka mieszanka jest doprowadzana do cylindra.

1. Proces spalania

Proces spalania w silniku ZI można podzielić na trzy etapy:

• Zwłokę zapłonu, czyli okres czasu od chwili wystąpienia iskry na elektrodach świecy do zapoczątkowania wyraźnego wywiązywania się ciepła.

• Okres zasadniczy - płomień rozprzestrzenia się od świecy aż do ścianek komory spalania. Szybkość rozchodzenia się płomienia wynosi i zajmuje ok. 50-70 stopni OWK.

• Dopalanie, niespalone resztki paliwa ulegają przemianom chemicznym pod wpływem gorących spalin.

1. Spalanie stukowe

Spalanie mieszanki palnej w silniku spalinowym z ZI może czasem znacznie odbiegać os spalania normalnego. W pewnych warunkach może wystąpić tzw. Spalanie stukowe.

Na skutek, zachodzącego z prędkością dźwięku podniesioną do kwadratu, zaburzenia, powstają lokalne zagęszczenia mieszanki. Przyczyniają się one do wzrostu ciśnienia, a w efekcie także do wzrostu temperatury. Gdy temperatura przekroczy ok. 1000 K, zachodzi ryzyko wystąpienia tzw. spalania stukowego. Jest to spalanie inicjowane samoczynnie w sposób detonacyjny, należy je postrzegać jako zjawisko szczególnie niekorzystne. Objawia się ono głośnym stukiem podczas obciążania silnika.

• Metody zapobiegania spalaniu stukowemu:

• konstrukcyjne - odpowiednie: stosunek skoku tłoka do średnicy cylindra, stopień sprężania i kształt komory spalania,

• regulacyjne - zachowanie tolerancji, staranny montaż,

• eksploatacyjne - stosowanie właściwego paliwa (miarą odporności na spalanie skukowe jest liczba oktanowa),

• właściwa regulacja układu zapłonowego i paliwowego

1. Współczynnik nadmiaru powietrza

Współczynnik nadmiaru powietrza λ w silnikach ZI, ma wartość wynoszącą ok. 1. Dlatego w przypadku silników ZI stosuje się ilościową regulację mocy, która polega na sterowaniu ilością doprowadzanej mieszanki.

SPALANIE W SILNIKACH ZS

1. Wiad. Wstępne

W silnikach ZS czas przeznaczony na przygotowanie mieszanki jest dużo krótszy niż w silnikach ZI.

Przygotowanie mieszanki palnej rozpoczyna się w chwili wtrysku paliwa tuż przed górnym martwym położeniem tłoka. Mieszanka palna tworzy się w skutek rozpylenia paliwa w czasie wrysku oraz w wyniku zawirować powietrza wywołanych odpowiednim ukształtowaniem kanałów dolotowych i komory spalania.

Spalanie w silniku ZS można podzielić na:

• Okres opóźnienia zapłonu

• Okres rozprzestrzeniania się płomienia

• Końcowy okres spalania

   I - okres indukcji, zwany zwłoką zapłonu (między punktami 1 i 2), w którym następuje 
        wtrysk paliwa, jego podgrzanie i odparowanie (trwający ok. 1/500 sekundy), 
  II - okres rozprzestrzeniania się płomienia od licznych ognisk zapłonu i gwałtowny wzrost 
        ciśnienia, 
 III - okres dopalania resztek paliwa. 

O właściwym przebiegu spalania decyduje przede wszystkim okres opóźnienia zapłonu, im jest krótszy tym szybkość rozprzestrzeniania się płomienia jest mniejsza i silnik prsacuje bardziej miekko.

1. Zjawisko "młotowania silnika" (tzw.  "twardego"  spalania) 

W przypadku zbyt wczesnego wtrysku (tzn. gdy jest za duży kąt wyprzedzenia wtrysku) narastanie ciśnienia może być zbyt gwałtowne i praca silnika staje się twarda, silnik pracuje głośno, słychać charakterystyczne metaliczne stuki, nazywane "młotowaniem silnika". 
Aby zmniejszyć zjawisko młotowania silnika i zapewnić miękką pracę silnika stosuje się duże stopnie sprężania (co spowoduje wzrost temperatury powietrza) oraz paliwa o możliwie najniższej temperaturze samozapłonu.

1. Liczba cetanowa paliwa 

Liczba cetanowa określa skłonność paliwa do samozapłonu. Im większa jest

 liczba cetanowa (LC), tym krótszy jest czas między początkiem wtrysku a chwilą samozapłonu. 

1. Doładowanie silników spalinowych.

Wiadomo, że moc zależy od: pojemności skokowej silnika, jego szybkobieżności i średniego ciśnienia użytecznego. Niestety ze względów praktycznych zwiękasznie w nieskończość pojemności i szybkobieżności jest niemożliwe (duże wymiary, drogie materiały itp.) Jedynym skutecznym sposobem zwiększenia średniego ciśnienia użytecznego jest zastosowanie doładowania. Doładowanie polega na zasilaniu cylindrów silnika ładunkiem (powietrzem lub mieszanką palną) pod ciśnieniem wyższym niż atmosferyczne. Spalanie większej ilości ładunku w cylindrze powoduje wzrost mocy bez zmiany prędkości obrotowej czy wymiarów silnika. Oczywiście wzrost ten nie jest nieograniczony - zależy przedewszystkim od typu silnika i rodzaju zastosowanego systemu doładowania. Rozróżniamy następujące sposoby doładowania: Doładowanie mechaniczne Doładowanie zespołem turbosprężarkowym (tzw. turbodoładowanie) Turbosprężarka - maszyna wirnikowa składająca się z turbiny i sprężarki osadzonych na wspólnym wale. Służy do doładowania silnika spalinowego, albo kotła parowego. Turbina jest zasilana spalinami z silnika, a sprężone powietrze przez sprężarkę zasila silnik. Do cylindra wprowadzona jest większa ilość powietrza dzięki czemu wzrasta moc silnika, większy jest też stopień sprężania dzięki czemu rośnie sprawność. Turbodoładowanie zostało opatentowane w roku 1905 przez Szwajcara, dr. Alfreda Büchi, od 1938 było stosowane w samochodach ciężarowych, zaś od 1973 w osobowych. Turbosprężarka składa się z turbiny, czyli tzw. gorącej części (na fotografii z lewej strony, na czerwono) i sprężarki, tzw. chłodnej części (na fotografii z prawej strony, na niebiesko), których wirniki są sztywno połączone wspólnym wałem. Turbina, napędzana gazami wylotowymi z silnika, napędza wirnik sprężarki sprężającej powietrze przed dostarczeniem go do silnika (element generujący doładowanie). Zasada działania Obroty sprężarki, a tym samym i jej stopień sprężania zależą od ilości gazów napędzających turbinę, która przy małym zapotrzebowaniu na moc jest mała. Dlatego gdy gwałtownie wzrasta zapotrzebowanie na moc silnika (zmiana biegu, wciśnięcie gazu w celu przyspieszenia) pomimo dostarczenia dodatkowego paliwa, przez moment, aż sprężarka zostanie rozpędzona sprężanie sprężarki jest małe, przez co silnik przez moment ma małą moc. Dodatkowo w tym czasie z powodu mniejszej ilości dostarczonego powietrza do cylindrów, układ dostarczający paliwo nie może dostarczyć go tyle co przy statycznym obciążeniu silnika. Efekt mniejszej mocy silnika przy gwałtownym wzroście zapotrzebowania na moc nazywany jest turbodziurą. Usprawnienia konstrukcyjne sprawiają, że dzisiejsze turbosprężarki mają mniejszy moment bezwładności wirnika, a dawkowanie paliwa jest dokładniejsze, przez co efekt turbodziury jest mniejszy. Doładownanie dynamiczne (rezonansowe) Oczywiście to nie wszystkie możliwe typy doładowania, np. czasmi łączy się zalety doładowania dynamicznego i doładowniem za pomcą sprężarki uzyskując tzw. doładowanie kombinowane. Firma Mazda opracowała własny system doładowania