Współczynnik nadmiaru powietrza, z którym spalane jest paliwo w sil­niku, ma dla jego prawidłowej pracy istotne znaczenie.

Na rys. 3.13a przedstawiono silniki o jednakowej pojemności skokowej cylindrów, z których jeden spala paliwo przy 1 = 1, zaś drugi z X = 1,5. Przy założeniu całkowitego spalenia paliwa (podkreśla się jeszcze raz, że w obu przypadkach założono jednakową wartość opałową paliwa) praca wytworzona w silniku o X = 1,5 będzie o 33% mniejsza niż w silniku o X= 1,0.

Na rys. 3.13b przedstawiono silniki o jednakowej mocy wytworzonej w jednym cylindrze. Widać, że silnik pracujący z X = 1,5 musi mieć pojemność skokową o 50% większą niż silnik pracujący z X= 1,0.

W świetle tych porównań zrozumiałe staje się znaczenie współczynnika nadmiaru powietrza dla konstrukcji silnika. Zbyt mała jego wartość (nawet gdy wynosi ona więcej niż 1) powoduje niezupełne bądź niecałkowite spalanie ze wszystkimi tego skutkami, jak pogorszenie sprawności ogólnej, wzrost temperatury spalin, nadmierne obciążenie cieplne zaworu wylotowego, zwięk­szenie emisji tlenku węgla i węglowodorów itd. Z kolei zbyt duża jego wartość powoduje, przy założeniu jednakowej mocy silnika, powiększenie wymiarów głównych, wymiarów ogólnych oraz masy silnika. Wymienione uwagi dotyczą­ce współczynnika nadmiaru powietrza, jak i równania stechiometryczne wska­zują wyraźnie, że o mocy silnika jednostkowej decyduje ilość powietrza będąca do dyspozycji w procesie spalania dawki paliwa; innymi słowy, wielkość dawki paliwa na cykl pracy silnika zależy od ilości powietrza zawartego w cylindrze po suwie napełnienia. Skuteczność napełnienia cylindra określa się za pomocą współczynnika napełnienia. Jeśli przyjąć, że współczynnik ten wynosi np. 0,8 to znaczy, że tylko 80% pojemności skokowej cylindra zostało napełnione świe­żym powietrzem (w silnikach na paliwo ciekłe można ilość paliwa ciekłego w bilansie objętości pominąć). Zatem dla silnika o pojemności skokowej 1 dm³, rj_v = 0,8 oraz X = 1,5 ilość powietrza, którą można rzeczywiście wyko­rzystać do spalenia, będzie wynosiła 0,533 dm³, gdyż 2/3 z 80% pojemności skokowej cylindra (1 dm³) to właśnie 0,533 dm³.

Staje się więc zrozumiałe, dlaczego konstruktorzy silników przykładają tak ogromną wagę do konstrukcji zapewniającej duże wartości współczyn­nika napełnienia i stosunkowo małe wartości współczynnika nadmiaru po­wietrza (ta ostatnia wartość nie może być mniejsza niż 1, choć w określo­nych warunkach pracy silników o zapłonie iskrowym dopuszcza się wartości poniżej 1).

Trzeba sobie jednak zdawać sprawę, że nawet w przypadku spalania z właściwym dla danego typu silnika współczynnikiem nadmiaru powietrza nie uda się wykorzystać całej ilości ciepła zawartej w paliwie i odpowiadającej jego wartości opałowej. Straty ciepła występujące podczas spalania są wywołane: dopalaniem, wynikającym z pewnej przewlekłości procesu spalania, odprowadzeniem pewnej ilości ciepła przez chłodzenie, przez ścianki komory spalania i cylindra,

niezupełnym lub/i niecałkowitym spalaniem, dysocjacją produktów spalania.

Do głównych zalet tych komór zalicza się przede wszystkim ich dużą sprawność ogólną (małe jednostkowe zużycie paliwa) oraz stosunkowo łatwy rozruch zimnego silnika, a także prosty kształt głowicy o względnie równo­miernym obciążeniu cieplnym.

Komory te mają jednak pewne wady. Do najważniejszych trzeba zali­czyć:

stosunkowo duże ciśnienie spalania, w granicach 10-=-12 MPa w sil­nikach szybkoobrotowych oraz do 20 MPa w silnikach średnioobrotowych o znacznym doładowaniu; te ciśnienia powodują już spore trudności konstruk­cyjne w opanowaniu odkształceń kadłuba i głowicy, a także układu kor­bowego, ponadto występują trudności w opanowaniu odkształceń łożysk, przede wszystkim korbowodowych;

konieczność stosowania dużych ciśnień wtrysku do 100 MPa

(200 MPa), przekraczających w silnikach szybkoobrotowych ciśnienia dotąd stosowane, oraz konieczność stosowania rozpylaczy wielootworowych dosko­nale dostosowanych do kształtu komory spalania;

konieczność starannego opracowania komory spalania oraz kanału i zaworów wlotowych, tak by uzyskać dobre zawirowanie powietrza i paliwa w celu szybkiego wytworzenia możliwie jednorodnej mieszaniny palnej, zdol­nej do szybkiego spalania;

większą emisję toksycznych składników w spalinach w porównaniu z komorami dzielonymi, większą skłonność do zadymienia spalin, szczególnie w stanach nieustalonych silnika, a także większą hałaśliwość.

Niemniej, mimo tych wad, zalety komór z bezpośrednim wtryskiem powodują duże zainteresowanie konstruktorów i silną tendencję do ich wyko­rzystania we wszystkich zastosowaniach silników ZS.

5.4.2. Komory dzielone

Do grupy komór dzielonych zalicza się trzy odmiany. Są to:

komory wirowe,

komory wstępne,

komory z zasobnikiem powietrza. Obecnie są stosowane jeszcze tylko komory wirowe. Komory wstępne i komo­ry z zasobnikiem powietrza straciły znaczenie z powodu wielu wad. Dlatego te dwa typy komór są omówione pobieżnie, a więcej informacji Czytelnik znajdzie w drugim wydaniu tego podręcznika z 1997 r.

5.4.2.1. Komory wirowe

Wtryskiwacz jest umieszczony w oddzielonej od przestrzeni nad tłokiem komorze, zwanej komorą wirową. Kształt komory wirowej jest zwykle kulisty lub zbliżony do kuli. Objętość samej komory stanowi na ogół 50-^70% objętości komory spalania. Przestrzeń nad tłokiem bywa rozmaicie ukształtowana, bądź w postaci cylindrycznej o wysokości równej grubości uszczelki cylindra, bądź w inny sposób

przeKTOju stanowiącym ok. u,j-u,o"/o poia uenKa uoKa. areamce oiworow wynoszą ok. 2 — 8 mm.

Komory wstępne wykazują wiele zalet, a mianowicie:

zdolność do pracy z dużymi prędkościami obrotowymi, w granicach 4500-^-5000 obr/min, co stwarza możliwość zastosowania ich do silników samochodów osobowych;

zdolność do pracy z niewielkim współczynnikiem nadmiaru powietrza; wartość tego współczynnika zmniejszono do ok. 1,2-^1,3;

możliwość zastosowania prostych rozpylaczy czopikowych o niewiel­kim kącie wierzchołkowym strumienia oraz małych ciśnień wtrysku w grani­cach 10-12 MPa;

zdolność do spalania paliw o stosunkowo małej wartości liczby ceta-nowej;

spaliny silników z komorami wstępnymi wykazują mniejszą zawartość toksycznych składników w spalinach;

mniejsze największe ciśnienie spalania (ciśnienie działające na denko tłoka), ok. 6-=-7 MPa;

silniki z komorami wstępnymi wykazują mniejszą hałaśliwość procesu spalania oraz

dobrze przystosowują się do zmiennych warunków pracy, do stanów nieustalonych i podczas przyspieszania utrzymują niewielkie zadymienie spalin.

Wymienionym zaletom towarzyszą jednak wady. Oto one:

stosunek całkowitej powierzchni komory spalania do całkowitej ob­jętości jest duży, co jest przyczyną znacznych strat ciepła a tym samym zmniejszenie sprawności ogólnej silnika (zwiększenie jednostkowego zużycia paliwa), ponadto zachodzi konieczność stosowania świec rozruchowych do rozruchu zimnego silnika;

przepływ ładunku między przestrzenią nad tłokiem i wnętrzem komo­ry jest przyczyną strat przepływu, a w konsekwencji również powiększonych strat ciepła (duża prędkość przepływu zwiększa oddawanie ciepła ściankom komory);

konstrukcja głowicy jest skomplikowana, a jej obciążenie cieplne nierównomierne.

Obecnie już stosunkowo mało wytwórni stosuje ten rodzaj komór. Ustę­pują one przede wszystkim komorom z bezpośrednim wtryskiem.

5.4.2.3. Komory z zasobnikiem powietrza

Komory z zasobnikiem powietrza stanowią również odmianę komór dzielo­nych. Ten typ komory spalania stracił dzisiaj na znaczeniu i silników z takimi komorami się nie buduje. Niemniej jednak, ze względu na znaczenie, jakie te komory miały, warto przypomnieć zasadę ich działania oraz jedno z ciekaw­szych rozwiązań konstrukcyjnych.

126

---