SPALANIE W SILNIKU O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM

Spis treści:

• Wstęp - ogólny opis budowy silników o zapłonie samoczynnym

Od czasu powstania silnika z zapłonem samoczynnym zasadniczym problemem jest właściwie wymieszanie paliwa z powietrzem, od czego zależy uzyskanie dobrej sprawności i dużej mocy silnika. Niedostateczne wymieszanie powoduje przewlekłe i niecałkowite spalanie objawiające się dymieniem silnika, czyli ciemnym zabarwieniem spalin. Dymienie to, na równi z obciążeniem cieplnym, określa osiąganą maksymalną moc wielu silników, zwłaszcza pracujących bez doładowania. W ostatnich latach nastąpił bardzo dynamiczny rozwój silników z zapłonem samoczynnym w zastosowaniu do samochodów osobowych. Silniki te uważane były za mało dynamiczne, hałaśliwe i emitujące dużą ilość tlenków azotu oraz cząstek stałych. Z tego względu ich udział
w napędzie pojazdów osobowych do lat 90 - tych wynosił około 5 - 7%. Lata
90 - te XX wieku przyniosły nowe - pozbawione tych wad - konstrukcje silników
o małym zużyciu paliwa, dużym momencie obrotowym i dużej trwałości. Mniejsze zużycie paliwa niż w silniku z zapłonem iskrowym oraz niższa cena oleju napędowego w porównaniu z benzyną spowodowały, że silniki z zapłonem samoczynnym stały się zdecydowanie bardziej popularne i obecnie stanowią około 25% silników pojazdów osobowych z tendencją wzrastającą. Przykładem nowoczesnego silnika wysokoprężnego o pojemności skokowej 2.0 dm³ stosowanego osobowych jest silnik Opel Ecotec TDI. Silnik samochodu Opel ma zastosowanych wiele nowatorskich opracowań. Najważniejsze z nich to:

• nowy system sterowania zaworami,

• układ utrzymujący stabilną temperaturę pracy silnika,

• rotacyjna pompa wtryskowa o wysokim ciśnieniu tłoczenia,

• wtryskiwacze pracujące z podwójnym wtryskiem paliwa,

• system doprowadzania powietrza do cylindrów zapewniający bardzo silne zawirowanie ładunku w komorze spalania,

• wykorzystanie przedłużonej pracy świec żarowych do wyciszenia pracy silnika i zwiększenia elastyczności jego pracy w stanach nieustalonych.

Silnik wysokoprężny jest nowoczesną jednostką napędową, w której wiele szczegółów jego budowy i pracy sprawia, że może on być uznany za ekonomiczny i przyjazny środowisku.

Rys. 1 Głowica, korpus i miska olejowa czterocylindrowego silnika spalinowego czterosuwowego;

1 - cylinder, 2 - gładź cylindra, 3 - głowica, 4 - komora sprężania, 5 - śruba dwustronna do mocowania głowicy, 6 - uszczelka pod głowicę, 7 - gniazdo zaworu, 8 - kanał wylotowy,
9 - korpus silnika, 10 - prowadnica popychacza, 11 - kanał dolotowy, 12 - miska olejowa

Rys. 2 Mechanizm tłokowo - korbowy oraz rozrządu czterocylindrowego silnika spalinowego czterosuwowego;

1 - wał korbowy, 2 - półpanewki łba korbowego, 3 - pokrywa łba korbowodu, 4 - pokrywa łożyska głównego wału korbowego, 5 - koła zębate napędu rozrządu, 6 - koło pasowe napędu pompy wodnej, 7 - zaczep korby rozruchowej, 8 - korbowód, 9 - tulejka główki korbowodu, 10 - sworzeń tłokowy, 11 - tłok z pierścieniami, 12 - zawór dolotowy, 13 - sprężyna zaworu, 14 - popychacz, 15 - wałek rozrządu, 16 - zawór wylotowy, 17 - koło zamachowe

1. Zasady działania silnika czterosuwowego o zapłonie samoczynnym

Silniki czterosuwowe o zapłonie samoczynnym zasuwają do cylindra powietrze i sprężają je tak, aby paliwo wtryśnięte do komory spalania w okolicy GMP uległo samoczynnemu zapłonowi. Jest to możliwe jedynie wówczas, gdy temperatura w chwili wtryśnięcia paliwa przekroczy jego temperaturę zapłonu. Dla silników o zapłonie samoczynnym charakterystyczne jest to, że przygotowanie mieszaniny palnej następuje dopiero w cylindrze. Ponadto silniki te nie wymagają do zapalenia rozpylonego paliwa dodatkowego źródła ciepła¹⁾. W chwili pojawienia się pierwszych ognisk samozapłonu nie ma jeszcze w komorze spalania całej dawki paliwa, gdyż wtrysk paliwa jeszcze trwa i paliwo spala się w miarę dostarczania go do cylindra. Istotnym elementem spalania jest tworzenie mieszaniny palnej w całym okresie wtrysku, a także z powodu niedostatecznej jednorodności mieszaniny palnej, konieczność stosowania stosunkowo dużego współczynnika nadmiaru powietrza, wynosi on dla silników wolnossących około 1,3 - 1,5, zaś dla wersji doładowanych przekracza nieraz wartość 2. Dużą rolę w procesie tworzenia mieszaniny palnej odgrywa cały układ wtryskowy, a szczególnie jego parametry ²⁾ oraz konstrukcja rozpylacza. Brak konkretnego miejsca zapoczątkowującego zapłon oraz stosunkowo wysoka temperatura całej masy powietrza powoduje, że ogniska samoczynnego zapłonu występują jednocześnie w kilku miejscach. Dlatego w tych silnikach mówi się o zapłonie wielopunktowym lub wieloogniskowym. Uzyskanie dostatecznie wysokiej temperatury ładunku - powietrza zapewnia się przez zastosowanie dużego stopnia sprężenia.

¹⁾ Źródło takie może być wykorzystywane jedynie podczas rozruchu zimnego silnika, w celu podgrzewania powietrza. Stosuje się w cylindrze lub w przewodzie dolotowym świece rozruchowe lub podgrzewacze).

²⁾ Przede wszystkim ciśnienie wtrysku i kąt wyprzedzenia wtrysku. Nazwą, czterosuwowy przebieg pracy, określa się każdy przebieg pracy trwający prze określony czas, w którym tłok wykonuje w cylindrze silnika cztery kolejne suwy, a wał korbowy silnika - dwa całkowite obroty. Powtarzanie się czterosuwowych przebiegów pracy w cylindrach stanowi charakterystyczną cechę działania każdego silnika czterosuwowego - wysokoprężnego lub innego. Powszechnie używa się w tym celu nazwy: suw dolotu, suw sprężania, suw rozprężania, suw wylotu.

Suw dolotu - w którym tłok przy otwartym zaworze dolotowym przemieszczając się z GMP do DMP zasysa do cylindra czyste powietrze z układu dolotowego. W silnikach z zapłonem samoczynnym podgrzewa się niekiedy zasysane powietrze, lecz tylko w ciągu krótkiego czasu dla ułatwienia rozruchu. Jednakże podczas normalnej pracy silnika wchodzące do cylindra powietrze ogrzewa się od gorącego zaworu i od części przewodów ssących stykających się bezpośrednio z gorącym cylindrem.

Suw sprężania - w którym tłok przemieszczając się z DMP do GMP??. Podczas suwu sprężania przy obu zaworach zamkniętych następuje sprężanie zassanego uprzednio powietrza. Przed dojściem tłoka do GZP następuje wtrysk paliwa do wnętrza cylindra, a więc krótkotrwały proces powstawania mieszanki oraz jej spalania.

Suw rozprężania - nazywany także suwem pracy, w którym tłok przemieszczając się z GMP do DMP przy obu zamkniętych zaworach, spaliny wypełniające cylinder wymuszają przesuwanie się tłoka wykonując pracę użyteczną, pod wpływem ciśnienia gazów wywołanego procesem spalania.

Suw wylotu - w którym tłok przemieszczając się z DMP do GMP, przy otwartym zaworze wylotowym, usuwa z cylindra spaliny do otoczenia, wylot spalin odbywa się wskutek powstałej różnicy ciśnień między wnętrzem cylindra a otoczeniem.

Rys. 3 Zasada działania silnika czterosuwowego z zapłonem samoczynnym: a) suw dolotu, b) suw sprężania, c) suw pracy, d) suw wylotu

Zasada działania silnika czterosuwowego z zapłonem samoczynnym charakteryzuje się tym, że ciśnienie sprężania wynosi od 3 - 4,5 MPa przy wzroście temperatury w zakresie 500 - 800°C, a więc powyżej temperatury zapłonu paliwa. Powstające w wyniku spalania gazy osiągają ciśnienie 6 - 10 MPa i temperatura 1600 - 2000°C. W celu zintensyfikowania mieszania się powietrza z paliwem ciśnienie wtrysku jest bardzo wysokie i wynosi zwykle 8 - 30 MPa.

2. Zasada działania silnika dwusuwowego o zapłonie samoczynnym

Silniki dwusuwowe w porównaniu z czterosuwowymi mają następujące zalety: duży objętościowy wskaźnik mocy, stosunkowo prostą konstrukcję, mniejszy koszt nowego silnika, bardziej równomierną pracę silnika i mniejsze koszty napraw. W praktyce znacznie częściej są używane dwusuwowe silniki z zapłonem samoczynnym. Cykl pracy tego silnika jest taki sam jak silnika dwusuwowego z zapłonem iskrowym, z tą różnicą, że sprężaniu zamiast mieszanki jest poddawane najpierw tylko powietrze. Dopiero pod koniec suwu sprężania do cylindra zostaje wtryśnięte paliwo. W zależności od sposobu przepłukiwania cylindra tzn. sposobu usuwania z niego gazów spalinowych, rozróżnia się dwa typy dwusuwowych silników z zapłonem samoczynnym:

1. silniki, w których powietrze przepłukujące jest sprężane w oddzielnej sprężarce,

2. silniki, w których powietrze przepłukujące jest sprężane w skrzynce korbowej.

Rys. 4 Zasada działania silnika dwusuwowego z zapłonem samoczynnym: a) tłoczenie powietrza do cylindra i przepłukiwanie go, b) sprężanie powietrza, c) wtrysk i samozapłon paliwa, d) koniec suwu pracy i początek przepłukiwania

1 - wtryskiwacz, 2 - zawór wylotowy, 3 - sprężarka, 4 - kanał powietrzny

Na rysunku przedstawiono schemat pracy dwusuwowego silnika z zapłonem samoczynnym ze sprężarką. Powietrze przedostaje się ze sprężarki do cylindra przez kanał powietrzny - 4 otaczający cylinder z ciśnieniem 0,15 - 0,17 MPa. Wylot gazów spalinowych odbywa się przez zawór wylotowy - 2.

Na początku cyklu tłok przesuwając się od GMP do DMP odsłania okna dolotowe w cylindrze, podczas gdy otwartym zaworem wylotowym - 2 przepływa ,przepłukując cylinder, powietrze tłoczone przez sprężarkę - a). Gdy tłok przesuwa się od DMP do GMP następuje zasłonięcie okien dolotowych i następnie zamknięcie zaworu wylotowego - b). Od chwili tej powietrze jest sprężane i gdy tłok znajduje się z pobliżu GMP - c) następuje wtrysk paliwa, które zapala się wskutek wysokiej temperatury powietrza. Rozprężające się gazy spalinowe powodują ruch tłoka w kierunku DMP - d). Jest to suw pracy. Przed dojściem tłoka do DMP otwiera się zawór wylotowy, którym gazy spalinowe uchodzą na zewnątrz cylindra. Następnie górna krawędź tłoka odsłania okna dolotowe i w silniku rozpoczyna się kolejny cykl pracy.

Rys. 5 Schemat dwusuwowego silnika z zapłonem samoczynnym

Na rysunku przedstawiono schemat dwusuwowego silnika z zapłonem samoczynnym, w którym powietrze przepłukujące jest sprężane w skrzynce korbowej. Obieg pracy w tym silniku jest następujący:

• Pierwszy suw: tłok przesuwa się od WZP (wewnętrzny zwrotny punkt) do ZZP )zewnętrzne zwrotne położenie tłoka) i zamyka kanały - 1 i 2, przy czy, tłokiem odbywa się sprężanie powietrza uprzednio doprowadzonego do cylindra, a pod tłokiem ssania świeżego powietrza przez samoczynny zawór - 3 do skrzynki korbowej.

• Drugi suw: tuż przed dojściem tłoka do ZZP pompa wtryskowa - 4 wtryskuje do cylindra przez wtryskiwacz - 5 dobrze rozpylony olej napędowy, który po wymieszaniu się z gorącym powietrzem samoczynnie się zapala. Rozprężające się gazy spalinowe pchają tłok ku WZP, rozpoczynając suw pracy. Pod tłokiem następuje w tym czasie wstępne sprężanie powietrza w skrzynce korbowej. Przy dalszym przesuwaniu się tłoka zastaje odsunięty kanał wydechowy - 2, przez który uchodzą gazy spalinowe, a nieco później kanał 1, przez który ze skrzynki korbowej przedostaje się do cylindra, aż od chwili zamknięcia kanałów 1 i 2 przy ponownym ruchu tłoka ku ZZP.

• Zasilanie silników paliwem

1. Zasilanie paliwem silników wtryskowych

Typowa instalacja paliwowa silnika o zapłonie samoczynnym wyposażona jest w pompę wtryskową, wtryskiwacze oraz regulator prędkości obrotowej, pompę zasilającą, filtr paliwowy, zbiornik, przewody wysokiego i niskiego ciśnienia. Czasem pompa wtryskowa jest wyposażona w przestawiacz kąta wyprzedzenia wtrysku. Część instalacji paliwowej pracująca pod wysokim ciśnieniem jest silnie obciążona mechanicznie. Ściśliwość paliwa i podatność przewodów paliwowych na odkształcenia mogą poważnie wpłynąć na rzeczywisty przebieg wtrysku i spowodować zaburzenia we właściwej pracy silnika. Duże ciśnienie panujące w instalacjach wtryskowych rzędu 1, - 15 MPa wymaga starannego pasowania części współpracujących, szczególnie czystej i starannej obsługi w celu zapewnienia prawidłowego i dostatecznie długotrwałego działania. Układ zasilania silników wysokoprężnych ma za zadanie:

• Dokładne odmierzanie jednakowych dla wszystkich cylindrów silnika dawek paliwa,

• Wtryśnięcie paliwa w określonym czasie, gdy w cylindrze panuje odpowiednio wysokie ciśnienie powietrza,

• Wtryśnięcie strumienia paliwa pod wymaganym ciśnieniem w sposób dostosowany do typu komory spalania.

1. Schemat układu zasilania

Rys. 6 Schemat układu zasilania silnika z zapłonem samoczynnym

1 - zbiornik paliwa, 2 - pompa zasilająca, 3 - filtr paliwa, 4 - pompa wtryskowa, 5 - wtryskiwacz, 6 - regulator prędkości obrotowej, 7 - kanał dopływowy

Układ zasilania silnika z zapłonem samoczynnym przedstawiono na rysunku.

Olej napędowy jest zasysany ze zbiornika - 1 pompa zasilającą - 2, mocowaną najczęściej na pompie wtryskowej i od niej napędzaną. Pompa zasilająca tłoczy paliwo przewodem do filtra - 3. Olej napędowy jest doprowadzany do komory zasilania pompy wtryskowej - 4 i przez elementy tłoczące tłoczony przewodami wtryskowymi do wtryskiwaczy - 5. Nadmiar paliwa z pompy jest odprowadzany do zbiornika przez zawór przelewowy, który umieszczony jest w pompie wtryskowej po przeciwnej stronie niż doprowadzenie paliwa do komory zasilania. Zawór ten może być umieszczony w filtrze paliwa. Umieszczenie zawora w pompie wtryskowej jest korzystniejsze, gdyż przy nagrzanym silniku przepływ paliwa przez komorę zasilania chłodzi pompę i chroni przed tworzeniem się pęcherzy parowych. Nadmiar paliwa jest odprowadzany do zbiornika również z wtryskiwaczy.

Układ paliwowy silników z zapłonem samoczynnym wyposażony jest zawsze w pompę zasilającą, a schemat działania tłoczkowej pompy zasilającej przedstawiony jest na rysunku:

Rys. 7 Schemat działania tłoczkowej pompy zasilającej

Na wale krzywkowym pompy wtryskowej umieszczony jest mimośród - 1, który obracając się unosi do góry tłoczek - 10 za pomocą popychacza - 11 z rolką - 2. Zawór wlotowy - 8 jest wtedy dociskany do gniazda i paliwo przepływa przez zawór - 6 i kanał - 4 do komory - 3 cylindra. Przy powrotnym ruchu tłoczka odbywającym się pod wpływem rozprężania się sprężyny - 7 następuje tłoczenie paliwa kanałem 4 i 5 do filtra, jednocześnie z drugiej strony tłoczka odbywa się zasysanie paliwa z kanały wylotowego - 9 przez otwarty zawór - 8. do kanału wlotowego - 5 zostanie podane przez tłoczek tylko tyle paliwa, ile w danej chwili może być przyjęte przez pompę wtryskową.

2. Pompa wtryskowa i wtryskiwacze

Samochodowe silniki wysokoprężne i wielo - paliwowe wciąż jeszcze wyposaża się powszechnie w wielosekcyjne pompy wtryskowe. Wielosekcyjna pompa wtryskowa jest to odrębny podzespół wielosekcyjnego urządzenia wtryskowego, scalający konstrukcyjnie sekcje tłoczące i ich mechanizmy napędu oraz sterowania dwóch lub więcej (ok. 12) pełnych układów wtryskowych. Zależnie od wzajemnego usytuowania sekcji tłoczących, wśród wielosekcyjnych pomp wtryskowych ogólnie rozróżnia się: rzędowe pompy wtryskowe, widlaste pompy wtryskowe i walcowe pompy wtryskowe. Wszystkie sekcje tłoczące, wbudowane w wielosekcyjnej pompie wtryskowej, z zasady są skompletowane z elementów składowych o identycznych szczegółach wykonania i powinny działać jednakowo, wskazując takie same parametry użytkowe (ustawienie dawkowania wyprzedzenia tłoczenia). Działanie wtryskowej musi odznaczać się dużą dokładnością. Ze względu na bardzo małą ilość paliwa przypadającą na jeden cylinder podczas jednego cyklu pracy wszystkie części składowe muszą być wykonane bardzo dokładnie. Zaletą pompy wielosekcyjnej jest zwarta budowa, a tym samym mniejszy koszt, wadą natomiast jest znaczna i różna długość przewodów tłoczących, powodująca różnice w przebiegu wtrysku do poszczególnych cylindrów. Najbardziej rozpowszechnioną jest pompa wtryskowa typu Bosch, jest pompą o stałym skoku tłoczka z upustową regulacją wydatku za pomocą otworu przelewowego.

Rys. 8 Pompa wtryskowa typu Bosch

1 - smarowniczka regulatora, 2 - komora paliwowa, 3 - sekcja tłocząca, 4 - zawór tłoczący, 5 - przewód wysokiego ciśnienia, 6 - śruba odpowietrzająca, 7 - pokrywa boczna, 8 - zębatka, 9 - filtr paliwa, 10 - pompa zasilająca, 11 - wał krzywkowy, 12 - popychacz, 13 - dźwignia dawkowania, 14 - pokrywa regulatora dwuzakresowego

Składa się ona z niezależnych od siebie sekcji, napędzanych wspólnym wałkiem krzywkowym - 11 i umieszczonych we wspólnym korpusie. Pompa zasilająca - 10 tłoczy paliw przez filtr dokładnego oczyszczania do komory paliwowej - 2 w korpusie pompy wtryskowej, wspólnej dla wszystkich sekcji. Z komory paliwowe paliwo dopływa przez dwa otworki do przestrzeni roboczej cylinderków sekcji pompy wtryskowej. Podczas pracy silnika komora paliwowa musi być stale całkowicie wypełniona paliwem, obecność nawet niewielkich ilości powietrza powoduje poważne zakłócenia w działaniu urządzenia wtryskowego. Do odpowietrzania pompy wtryskowej służy śruba - 6. Tłoczek ma kanał pionowy, przechodzący do górnej krawędzi, aż do obwodowego rowka. Dolna krawędź główki tłoczka od strony rowka obwodowego jest ściśnięta śrubowo. W dolnym zwrotnym położeniu tłoczek odkrywa całkowicie oba otwory przewodowe
i przestrzeń nad tłoczkiem zapełnia się paliwem. Podczas ruchu tłoczka do góry (suw tłoczenia) część paliwa uchodzi z powrotem do komory paliwowej pompy dopóki tłoczek nie zamknie zupełnie otworów przelewowych. Od tej chwili zaczyna się właściwe tłoczenie, które trwa, aż do chwili kiedy dolna krawędź główki tłoczka otworzy otwór przelewowy, gdyż wtedy pionowy kanał łączy przestrzeń nad tłoczkiem z komorą paliwową pompy. Przy dalszym ruchu tłoczka do jego górnego zwrotnego położenia tłoczenie już się nie odbywa, ponieważ paliwo uchodzi
z powrotem do komory paliwowej przez kanał pionowy w tłoczku i otwór przelewowy. Podczas ruchu tłoczka w dół, odbywającego się pod działaniem sprężyny, paliwo przedostaje się nad tłoczek. Trwa to do chwili, aż śrubowa krawędź tłoczka zamknie otwór przelewowy w cylinderku. Wtedy przy dalszym ruchu tłoczka w dół wytwarza się nad tłoczkiem podciśnienie. Gdy górna krawędź tłoczka otworzy oba otwory, w cylinderku następuje zassanie paliwa. Zmianę ilości wtryskiwanego paliwa uzyskuje się przez obrót tłoczka dookoła jego osi. Obrót tłoczka powoduje zmianę długości tworzącej główki tłoczka, przechodzącej obok otworu przelewowego. Wtrysk zostaje wstrzymany, gdy kanał pionowy znajduje się naprzeciw otworu przelewowego.

Regulacja wydajności pompy odbywa się za pośrednictwem mechanizmu składającego się z zębatki - 1 (wspólnej dla wszystkich sekcji tłoczących) oraz pierścieni zębatych - 2 i tulejki pokrętnej - 3 sprzęgających zębatkę
z poszczególnymi tłoczkami. Zabieraki tłoczka - 4 wchodzą w wycięciu tuleji pokrętnej. Na tuleli zaciśnięty jest śrubą ściągająca pierścień zębaty, zazębiający się z zębatką sterującą dawkowanie. Przy przesuwaniu zębatki pierścienie zębate wszystkich sekcji tłoczących wraz z tulejami pokrętnymi przekręcają się
o odpowiedni kąt, powodując jednocześnie obrót wszystkich tłoczków pompy wtryskowej o taki sam kąt. Wszystkie sekcje tłoczące muszą być ustawione na jednakowej wydajności. Jeżeli różnica wydatku poszczególnych sekcji tłoczących przekraczają +/- 2% pracy silnika staje się nierównomierna i wzrasta zużycie paliwa. Wydajność sekcji tłoczących reguluje się przez odpowiednią zmianę wzajemnego położenia tulei pokrętnej i zaciśniętego na niej pierścienia zębatego. Po zluzowaniu śruby zaciskającej pierścień zębaty przekręca się tuleją pokrętną wraz z tłoczkiem o odpowiedni kąt, wskutek czego zmienia się ustawienie krawędzi sterującej tłoczka w stosunku do otwora przelewowego w cylinderku. Regulację przeprowadza się na specjalnym stanowisku.

Rys. 9 Sekcja tłocząca pompy wtryskowej

1 - zębatka, 2 - pierścień zębaty, 3 - tuleja pokrętna, 4 - zabierak tłoczka, 5 - zawór tłoczący

Zadaniem wtryskiwacza w układzie zasilania silnika ZS jest rozpylanie paliwa i jego właściwe rozprowadzenie po komorze spalania w celu zapewnienia najkorzystniejszych warunków spalania. W silnikach samochodowych są stosowane wtryskiwacze zamknięte, tj. takie, w których połączenie między wnętrzem wtryskiwacza a otoczeniem jest zamykane iglicą. Wtrysk paliwa powinien być nagle zakończony, ponieważ zapobiega to sączeniu się paliwa z rozpylacza. Podstawowym elementem wtryskiwacza jest jego końcówka, zwana rozpylaczem, zaopatrzona w dysze wylotową, utworzoną przez jeden lub kilka małych otworków. Konstrukcja rozpylacza zależy od objętości, kształtu i rodzaju komory spalania. Na przykład w silnikach z komorą wstępną rozpylacz powinien dawać zwarty strumień paliwa, a w silnikach z wtryskiem bezpośrednim (zwłaszcza z komorą spalania bez zawirowania powietrza) wtryskiwane paliwa powinno być możliwie jak najdokładniej rozpylone i strumień paliwa powinien odpowiadać kształtowi komory. Rozróżniamy dwa zasadnicze typy rozpylaczy: otwarte i zamknięte. Dysza wylotowa rozpylacza zamkniętego jest otwierana tylko podczas wtrysku paliwa, natomiast przy stosowaniu rozpylacza otwartego istnieje stałe połączenie pomiędzy przewodem wysokiego ciśnienia i komorą spalania.

Rys. 10 Wtryskiwacz z rozpylaczem zamkniętym

Na rysunku przedstawiony jest wtryskiwacz z rozpylaczem zamkniętym. Rozpylacz połączony z korpusem wtryskiwacza za pomocą nakrętki - 3, składa się z gniazda - 2 i iglicy -1. ciśnienie, przy którym otwiera się rozpylacz, tzw. Ciśnienie wtrysku, regulowane jest przez zmianę naprężenia wstępnego sprężyny - 7, dociskającej iglicę do gniazda za pośrednictwem trzpienia - 6. Paliwo tłoczone przez pompę wtryskową przewodem wysokiego ciśnienia dopływa do wtryskiwacza przez króciec - 5 i umieszczony w nim filtr - 4 z wkładem labiryntowym. Następnie paliwo przedostaje się przez trzy kanaliki w gnieździe rozpylacza do komory pierścieniowej otaczającej stożkową część iglicy. Do chwili rozpoczynania się wtrysku iglica pod działaniem ciśnienia paliwa na jej dolną powierzchnię unosi się, pokonując nacisk sprężyny i paliwo zostaje wtłoczone do cylindra. W celu uzyskania dobrej szczelności, iglica dokładnie dopasowuje się do otworu w korpusie dyszy, tak że przesuwa się ona swobodnie, lecz nie przepuszcza paliwa przez prowadzenie. Luz wynosi tutaj 2 - 3 mikrometrów. Oczywiście przy tak wysokim stopniu dokładności nie można oddzielnie wymieniać iglicy i gniazda. Obie części są dopasowane indywidualnie do siebie i może być wymieniony tylko kompletny zespół. Paliwo, które przedostaje się nad iglicę, odpływa przewodem przelewowym z powrotem do zbiornika. Konstrukcja rozpylacza zamkniętego zależy od rodzaju komory spalania i jej kształtu.

Rys. 11 Typowe odmiany rozpylaczy

Na rysunku przedstawione są typowe odmiany rozpylaczy. Rozpylacze czopikowe - e i f stosuje się zazwyczaj w silnikach z komorą wstępną, wirową lub z zasobnikiem powietrza. Rozpylacze jednootworowe - c i d oraz wielootworowe
- a i b mają zastosowanie przede wszystkim w silnikach o wtrysku bezpośrednim. Iglica rozpylacza czopikowego jest zakończona czopikiem, który wystaje poza gniazdo rozpylacza. Strumień wtryskiwanego paliwa ma kształt stożka wewnątrz pustego, którego kąt wierzchołkowy, zależnie od konstrukcji czopika, wynosi
4 - 30°. Charakterystyczną cechą rozpylaczy zamkniętych jest to, że ciśnienie paliwa, przy którym unosi się iglica rozpylacza, jest znacznie wyższe niż ciśnienie paliwa, przy którym rozpylacz się zamyka. Wynika to stąd, że do chwili zanim iglica się podniesie, ciśnienie paliwa działa na powierzchnię pierścieniową, której wewnętrzna średnica jest średnica zewnętrzna przyelgni gniazda. Z chwilą gdy iglica się uniesie, ciśnienie to działa na powierzchnię koła o średnicy równej średnicy trzona iglicy. Ponieważ przy otwartym rozpylaczu ciśnienie paliwa działa na większą powierzchnię, musi ono spaść znacznie poniżej ciśnienia otwarcia rozpylacza (ciśnienie wtrysku), zanim wtrysk zostanie przerwany. Znając różnicę ciśnień na początku i przy końcu wtrysku oraz moduł sprężystości paliwa można obliczyć najmniejszą dawkę paliwa, która może być wtryśnięta do cylindra. Jeżeli pompa wtryskowa podaje mniejszą dawkę paliwa wtrysk w ogóle nie nastąpi, gdyż iglica nie podniesie się z gniazda. Jeżeli dawka paliwa odmierzona przez pompę będzie nieco większa, do cylindra zostanie wtryśnięte tyle paliwa, ile zostało wtłoczone do przewodu. Wtryskiwacze są zazwyczaj mocowane w głowicy za pomocą jarzma dociskowego dwiema śrubami lub za pomocą nakrętki osadzonej luźno na obsadzie wtryskiwacza. Ponieważ rozpylacz znajduje się w strefie wysokich temperatur, gniazdo rozpylacza musi być odpowiednio chłodzone. Konstrukcja głowicy musi zatem zapewnić warunki dostatecznego chłodzenia wtryskiwacza.

3. Układy wtryskowe sterowane elektronicznie

Współczesne silniki ZS muszą charakteryzować się mała toksycznością spalin, duża mocą jednostkową oraz małym zużyciem paliwa. Aby sprostać tym wymaganiom określenie wielkości dawki paliwa i wartości kąta wyprzedzenia wtrysku powinno odbywać się z dużą dokładnością z uwzględnieniem warunków
i stanu pracy silnika. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu elektronicznego sterowania układu zasilania silnika. Regulator elektroniczny bowiem może dokładniej określić dawkę wtryskiwanego paliwa niż regulatory mechaniczne, pneumatyczne lub hydrauliczne. Przykładem takiego systemu jest EDC (Elektronic Diesel Control). System ten zapewnia elektroniczne sterowanie:

• wielkością dawki wtryskiwanego paliwa,

• wartością kąta wyprzedzania wtrysku.

Ponadto elektroniczne sterowanie obejmuje układ recyrkulacji spalin i ciśnienia doładowania, jeżeli silnik ma turbosprężarkę. Układ elektronicznego sterowania układu zasilania silnika ZS składa się z trzech części:

1. czujników pomiarowych, służących do określenia warunków
   i stanu pracy silnika oraz zmiany wielkości fizycznych na sygnały elektryczne,

2. sterownika, którego zadaniem jest przetwarzanie zebranych informacji i wysyłanie sterujących sygnałów wyjściowych, w pamięci sterownika są zapisane przebiegi sterowanych parametrów zależnie od warunków i stanu pracy silnika,

3. elementów wykonawczych, które zamieniają elektryczne sygnały sterownika na wielkości mechaniczne.

Rysunek 12 przedstawia elektronicznie sterowaną rozdzielaczową pompę wtryskową firmy Bosch.

Rys. 12 Rozdzielaczowa pompa wtryskowa sterowana elektronicznie

1 - czujnik położenia pierścienia przelewowego, 2 - nastawnik dawki paliwa, 3 - elektromagnetyczny zawór odcinający, 4 tłoczek, 5 - elektrozawór przestawiacza kąta wtrysku, 6 - pierścień przelewowy

Głównymi elementami wykonawczymi układu EDC jest elektromagnetyczny nastawnik dawki paliwa. Sygnał ze sterownika powoduje zdziałanie nastawnika dawki paliwa, który poprzez dźwignię oddziałuje na pierścień przelewowy. Następuje zamiana położenia pierścienia przelewowego i wyznaczenie bieżącej dawki paliwa. Czujnik położenia pierścienia przelewowego określa jego zmianę położenia i sygnał ten jest przekazywany do sterownika.

Innym elementem wykonawczym jest elektrozawór przestawiacza kąta wyprzedzenia wtrysku. Jego zadaniem jest zmiana ciśnienia paliwa działającego na tłoku przestawiacza zależnie od sygnału wyjściowego ze sterownika. Przy otwartym elektrozaworze ciśnienie paliwa maleje i początek wtrysku jest opóźniony. Gdy elektrozawór jest całkowicie zamknięty, ciśnienie paliwa wzrasta
i kąt wyprzedzenia wtrysku staje się większy. Pożądaną zmianę ciśnienia paliwa uzyskuje się zmieniając stosunek czasu otwarcia elektrozaworu do czasu jego zamknięcia, określony w sposób ciągły przez sterownik. Bardzo ważną rolę w układzie sterowania początkiem wtrysku odgrywa czujnik położenia iglicy wtryskiwacza. Sygnał z tego czujnika jest porównywalny z zaprogramowanymi w sterowniku charakterystykami kąta wyprzedzenia wtrysku i na tej podstawie jest korygowane działanie elektrozaworu przestawiacza kąta wyprzedzenia wtrysku. Układ EDC steruje zaworem recyrkulacji spalin, zapewniając ograniczenia emisji tlenków azotu w spalinach. Elektroniczny układ sterowania pompy wtryskowej ma funkcję autodiagnozy, która informuje kierowcę (mechanika) o niewłaściwej pracy silnika. Podstawowymi korzyściami sterowania elektronicznego są:

• zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa,

• poprawa przebiegu momentu obrotowego,

• zwiększenie mocy,

• ograniczenie zadymienia spalin,

• obniżenie poziomu hałasu.

Ze względu na swoje zalety układy elektronicznego sterowania silników ZS wypierają układy regulacji mechanicznej, pneumatycznej i hydraulicznej.

• Przebieg spalania paliwa w silniku

Podstawową charakterystyczną cechą spalania w silniku ZS jest samoczynny zapłon paliwa. Strumień rozpylanego paliwa wtryśnięty do cylindra podlega w pierwszym okresie, w tzw. okresie opóźnienia zapłonu, reakcjom przygotowawczym. W wyniku tych reakcji w różnych miejscach na otoczce strumienia pojawiają się ogniska samozapłonu. Dlatego też ten proces zapłonu jest nazywany samozapłonem wieloogniskowym.

Podstawą badań przebiegu spalania są wykresy zmian ciśnienia w cylindrze, wykonane w funkcji kąta obrotu wału korbowego. Wykres taki przedstawiono na rysunku 13. zaznaczono na nim pewne charakterystyczne punkty umożliwiające lepsze przeanalizowanie przebiegu spalania. Jak to już zaznaczono, na przebieg spalania wywierają silny wpływ:

• przebieg wtrysku,

• zawirowania powietrza w komorze spalania,

• a także stale zmieniający się skład ładunku w komorze spalania,
  w którym ubywa powietrza i przybywa spalin.

Podany na rysunku 13 podział spalania uwzględnia okresy, które będą dokładniej omówione.

Rys. 13 Przebieg zmian ciśnienia i temperatury w cylindrze silnika ZS w funkcji kąta obrotu wału korbowego; 1 - początek wtrysku paliwa, 2 - samozapłon mieszaniny paliwowo - powietrznej, 3 - koniec drugiego okresu spalania (największe ciśnienie spalania), 4 - umowny koniec spalania;

I - (pierwszy okres) - opóźnienie zapłonu, II - (drugi okres) - rozprzestrzenianie się płomienia w komorze spalania - okres spalania wybuchowego (kinetycznego), III (trzeci okres) - sterowane spalanie paliwa (okres spalania dyfuzyjnego), począwszy od punktu 4 występuje ewentualne dopalanie (czwarty okres), α_w - kąt wtrysku paliwa

1. Okres opóźnienia zapłonu

Pierwszy okres spalania tzw. Okres opóźnienia zapłonu rozciąga się od chwili ukazania się pierwszych kropel paliwa na wtryskiwaczu do chwili powstania pierwszych ognisk samozapłonu. Charakterystyczne cechy tego okresu to stosunkowo nieznaczna prędkość zachodzących reakcji utleniania, zmiany ciśnienia i temperatury, odpowiadające politropowemu sprężaniu (linia wykresu indykatorowego nie odbiega od linii sprężania) oraz narastająca prędkość wtryskiwania paliwa. Okres opóźnienia samoczynnego zapłonu jest wywoływany koniecznością przygotowania paliwa do zapalenia się. Przygotowanie to obejmuje nagrzanie kropelek paliwa do chwili częściowego lub całkowitego odparowania, podgrzania powstałych par paliwa do temperatury samozapłonu paliwa.
W pracującym silniku wał korbowy obróci się w tym czasie o określoną liczbę OWK w zależności od prędkości obrotowej silnika. W tym czasie do cylindra zostaje wtryśnięte 20 - 100% dawki paliwa, przypadającej na 1 cykl pracy. Zależy to od charakterystyki układu wtryskowego i prędkości obrotowej silnika. Opisane tu zjawiska opóźniania zapłonu przebiegają przy znacznym współczynniku nadmiaru powietrza - λ i stosunkowo niewielkim nasyceniu powietrza paliwem. Warto dodać, że chodzi tu o współczynnik namiaru powietrza dla całej komory spalania. W rzeczywistości mieszanina jest niejednorodna i w komorze są miejsca, gdzie wartość λ jest znacznie większa niż 1 oraz takie, gdzie koncentracja cząstek paliwa jest duża, a więc λ >1.

Im więcej paliwa dostanie się do cylindra w okresie opóźnienia zapłonu, tym gwałtowniejszy wystąpi przyrost ciśnienia w drugim okresie spalania i tym bardziej „twarda” - hałaśliwa będzie praca silnika.

2. Okres wybuchowego spalania

Drugi okres spalania obejmuje czas od chwili wytworzenia pierwszych ognisk samozapłonu do chwili wystąpienia największego ciśnienia spalania. Ogniska samozapłonu rozprzestrzeniają się po całej komorze spalania i pod koniec tego okresu cała komora jest objęta płomieniem, a strumień paliwa zapala się tuż u wylotu rozpylacza.

Dalsze cechy charakterystyczne tego okresu to zwykle jeszcze stosunkowo duży średni współczynnik nadmiaru powietrza (wtrysk jeszcze nie jest zakończony), gwałtowny przyrost ciśnienia oraz stosunkowo szybki przyrost temperatury ładunku. Spalanie paliwa w tym okresie ma charakter wybuchowy
i określane jest spalania kinetycznego.

Rys. 14 Uśrednione przebiegi wywiązywania ciepła: a) przebieg wywiązania ciepła, b) ilość wywiązanego ciepła

Podczas tego okresu intensywnie tworzą się przejściowe produkty reakcji. Analiza gazów pobranych podczas tego okresu z komory spalania wykazała, że proces przebiega z dużym wydzielaniem się swobodnego węgla. Ilość tego węgla w różnych miejscach komory spalania wynosi 75 - 80% całkowitej ilości węgla zawartej w paliwie dostarczonym do cylindra silnika w tym okresie. Przy właściwym przebiegu spalania wolny węgiel zostaje prawie całkowicie spalony w dalszej części procesu. Wspomniano już, że w drugim okresie spalania następuje gwałtowny przyrost ciśnienia. Wartość szybkości narastania ciśnienia ma istotny wpływ na pracę silnika. Średnia szybkość narastania ciśnienia nie powinna przekraczać 0,3 - 0,8 MPa/OWK. Przy takiej szybkości można mówić
o stosunkowo miękkiej pracy silnika. Jeżeli natomiast szybkość ta osiągnie lub przekroczy 0,7 - 1,0 MPa/OWK, wówczas praca silnika staje się twarda, hałaśliwa, o wyraźnie słyszalnych charakterystycznych stukach. Współzależność zjawisk zachodzących w pierwszym i drugim okresie spalania powoduje, że obecnie prędkości obrotowe silników o zapłonie samoczynnym nie przekraczają 4500 - 5000 obr/ min. Wiąże się to między innymi z czasem opóźnienia zapłonu
i wynikającym z niego przebiegiem spalania w drugim okresie. W okresie opóźnienia zapłonu wał korbowy silnika obróci się bowiem o pewną liczbę OWK. W miarę zwiększania prędkości obrotowej silnika kąt okresu opóźnienia zapłonu rozciągać się będzie na coraz większą liczbę OWK, co spowoduje, że do cylindra zostanie dostarczona większa część dawki paliwa przypadająca na 1 obieg
i w drugim okresie nastąpi gwałtowne spalanie o dużej średniej szybkości narastania ciśnienia (rys. 13). Silnik pracuje wówczas hałaśliwie i przy znacznie większym obciążeniu mechanicznym. A zatem zjawiska zachodzące w obu okresach spalania są jednymi z głównych powodów ograniczania prędkości obrotowej silnika o zapłonie samoczynnym.

3. Okres dyfuzyjnego spalania

Trzeci okres spalania rozpoczyna się w chwili, gdy ciśnienie w cylindrze osiągnie swoją największą wartość i w zasadzie trwa do końca spalania, co odpowiada średnio 25 - 40% całego czasu przeznaczonego na wytworzenie
i spalanie mieszaniny palnej. Paliwo zapala się bezpośrednio po puszczeniu rozpylacza i spalanie ma tu już wyraźny charakter spalania dyfuzyjnego. Okres tez w pierwszej swej części odznacza się nieznacznym spadkiem ciśnienia oraz zwiększeniem temperatury, która przez pewien czas zachowuje stałą wartość. W silnikach szybkoobrotowych temperatura osiąga swą wartość maksymalną około 20 - 35° OWK po GMP. Nieraz uważa się, że okres ten trwa od chwili powstania największego ciśnienia do wystąpienia najwyższej temperatury. W okresie tym wtrysk paliwa zostaje zakończony bądź na samym jego początku, bądź też
- w silnikach szybkoobrotowych - jest już całkowicie zakończony, zanim ten okres się zacznie. W przypadkach gdy wtrysk paliwa jeszcze nie jest zakończony, spalanie w tym okresie może przebiegać w pewnym stopniu w sposób sterowany, tzn. przebieg wywiązywania ciepła może być uzależniony od przebiegu wtrysku. Natomiast w silnikach wysokoobrotowych, w których wtrysk jest nieraz zakończony w okresie opóźnienia zapłonu bądź - zwykle - na początku drugiego okresu, spalanie w dalszym ciągu przebiega w sposób niesterowany, tj. taki sam jak w drugim okresie spalania.

Pod koniec trzeciego okresu spalania następuje spadek wartości współczynnika nadmiaru powietrza do minimum oraz zmniejszenie zawartości przejściowych produktów spalania i tworzenie się produktów końcowych. Cały okres trzeci ma istotny wpływ na przebieg zmiany ciśnienia i zależy zasadniczo od dwóch czynników:

1. przebiegu wtrysku, tj. ilość paliwa dostarczonego w tym okresie na
   1° OWK (o ile w ogóle wtrysk trwa),

2. położenia punktu odpowiadającego początkowi tego okresu względem GMP.

W zależności od tych czynników ciśnienie może zacząć spadać lub utrzymywać stałą wartość przez pewien czas. Utrzymanie stałego ciśnienia lub tylko nieznaczny jego spadek powoduje uzyskanie większej mocy silnika. Zbyt długie jednak utrzymywanie stałego ciśnienia odpowiada rozciąganiu spalania na rozprężanie i jest zdecydowanie źródłem strat. Ponadto prowadzi do nadmiernego obciążenia cieplnego, a więc co najmniej skrócenia okresu międzynaprawczego, jeśli nie do uszkodzenia silnika.

Rozpatrując całość zjawiska spalania zwraca się uwagę na pewne jego cechy charakterystyczne, a mianowicie:

1. w ciągu całego procesu spalania wartość współczynnika nadmiaru powietrza w przestrzeni spalania jest różna w różnych miejscach. Wynika to z trudności jednorodnej mieszaniny palnej przy tworzeniu jej wewnątrz cylindra. W celu uzyskania możliwie dużego stopnia jednorodności mieszaniny stosuje się odpowiedni kształt komory spalania, odpowiednie ukształtowanie kanału dolotowego, dobre rozpylacze paliwa;

2. w ciągu całego procesu spalania występuje zmiana wartości współczynnika nadmiaru powietrza, wynikająca stąd, że okres trwania wtrysku pokrywa się częściowo z okresem spalania;

3. istnieje zależność przebiegu spalania od przebiegu wtrysku. Poprzez dobór odpowiedniej charakterystyki układu wtryskowego w pewnym stopniu sterować przebiegiem spalania.

• Wpływ własności paliwa na przebieg spalania
  w silniku o zapłonie samoczynnym

Oleje napędowe to paliwa ciekłe otrzymywane z przeróbki ropy naftowej lub przez syntezę chemiczną węgla brunatnego, bądź gazu ziemnego, stosowane do napędu silników o zapłonie samoczynnym. Są to mieszaniny węglowodorów o temperaturze wrzenia 150 - 380°C. Główne wymagania stawiane olejom napędowym to krótka zwłoka zapłonu i niska temperatura samozapłonu. Podstawową własnością oleju napędowego jest skłonność do samozapłonu, określana za pomocą liczby oktanowej LC. Liczbę oktanową określa się porównując własność procesu spalania w silniku wzorcowym zasilonym badanym olejem napędowym oraz olejem wzorcowym, w skład którego wchodzą cetan (LC=100) oraz metylonaftalen (LC=0). Wartość liczby cetanowej wyraża się w procentach objętościowych zawartość cetanu w mieszaninie z metylonaftalenem wykazującej w znormalizowanych warunkach badań takie same zdolności do samozapłonu jest badane paliwo.

Do olejów napędowych stosuje się dodatki podnoszące ich liczbę cetanową. Są to głównie azotany i nadtlenki np. azotan etylu, nadtlenek acetonu, przyspieszające proces utleniania składników paliwa. Oleje napędowe stosowane do silników wysokoprężnych mają LC w granicach 40 - 60. Główną wadą olejów napędowych jest ich wysoka temperatura krzepnięcia wynosząca ok. 5°C. Dlatego określając przydatność tych paliw do zasilania silników w niskich temperaturach otoczenia - wyznacza się następujące kryteria ich oceny:

• Temperatura mętnienia - pojawiają się mikrokryształki węglowodorów parafinowych,

• Temperatura krzepnięcia - paliwo traci swoją płynność,

• Temperatura zablokowania zimnego filtra - występują kryształy węglowodorów, które zatykają filtry paliwa i przerywają dopływ paliwa.

Naturalnym niepożądanym składnikiem olejów napędowych jest siarka. W czasie spalania paliwa w cylindrze tworzą się tlenki siarki, z których po połączeniu z wodą powodują powstanie kwasu siarkowego. Kwas siarkowy nie dość, że niszczy silnik to jest emitowany do atmosfery. Normy określające zawartość siarki w paliwie stają się coraz bardziej rygorystyczne, wskutek odmiennego pochodzenia, oleje dość znacznie różnią się między sobą. W silnikach średnioobrotowych
i wolnoobrotowych stosuje się oleje napędowe ciężkie. Orientacja na własności tych olejów podano w tablicy 1.

TABLICA 1 Podstawowe własności paliw płynnych

Paliwo	Gęstość kg/ dm^3	Prężność pary MPa	Wartość opałowa kJ/ kg	Zapotrzebo-wanie na powietrze kg/ kg	Wartość opałowa mieszaniny palnej kJ/ m^3 ( λ = 1)	Ciepło Parowania kJ/ kg	LO LC
Benzyna	0,72- 0,76	0,06 - 0,08	43000 -44000	15,2	3500	315 - 350	LO ≈ 75 - 90
Alkohol metylowy CH3OH	0,793	-	19500	6,8	3650	1150	LO ≈ 90
Alkohol etylowy C2H5OH	0,789	0,018	27000	9,4	3650	920	LO ≈ 95
Benzol	0,88	0,03	40500	13,9	3650	380	LO≈ 105
Olej Napędowy	0,84- 0,88	0,001	36000 - 44000	15,1	3000 3650	-	LC ≈ 45 - 55
Olej napędowy Ciężki	0,97- 0,99	<0,001	36000 - 41000	15	-	-	LC ≈ 30 - 50
Nafta	0,81	0,015 - 0,02	40500	15,5	3450	-	LO ≈ 50 LC ≈ 35

Występujące istotne różnice pomiędzy tymi dwoma rodzajami olejów powodują konieczność ich uwzględnienia w konstrukcji silników, a szczególnie w konstrukcji układu wtryskowego, systemu spalania, zaworów oraz układu wylotowego. Zasadniczymi składnikami toksycznymi spalin silników z zapłonem samoczynnym są:

• tlenek węgla - najczęściej pojawia się w spalinach na biegu jałowym oraz przy największych obciążeniach,

• tlenki azotu - są najbardziej szkodliwymi składnikami spalin silników z zapłonem samoczynnym; powstają one w komorze spalania,

• węglowodory - występują podczas niezupełnego spalania paliwa,

• dwutlenek siarki - w spalinach jest zależny wyłącznie od zawartości siarki w paliwie. Zawartość SO₂ w spalinach nie przekracza 200 p.p.m.,

• sadza - jest składnikiem, który wiąże się z istnieniem większych ilości węglowodorów aromatycznych, które wywołują schorzenia rakowe.

W ostatnich latach wprowadzono na rynek dodatki do paliw wydatnie zmniejszające zadymienie spalin silników z zapłonem samoczynnym. Dodatków przeciw dymieniu nie wprowadza się do oleju napędowego, będącego powszechnie w handlu, lecz zapewnia się użytkownikom swobodę odnośnie stosowania dodatków, dostarcza się je oddzielnie od paliwa. Skuteczność działania dodatków pokazano na rysunku 15, na przykładzie trzynastu, dwu
u czterosuwowych silników europejskich.

Rys. 15 Wyniki badań wpływu dodatków na stopień dymienia w skali Hartridge DH w warunkach pełnego obciążenia

a - paliwo bez dodatków, b - paliwo z dodatkami w ilości 0,25%, c - paliwo z dodatkami
0,5% SSA, 4 - czterosuw, 2 - dwusuw, N - silnik niedoładowany, D - silnik doładowany

Wprawdzie dodatki nie dały mierzalnej poprawy zużycia paliwa, to jednak niektóre wyniki eksploatacyjne wykazały, przy zastosowaniu dodatków, zmniejszenie zużycia paliwa o 5 - 10%, co tłumaczy się oczyszczaniem się wtryskiwanej od nagromadzonych poprzednio osadów po przejściu silnika na zasilanie paliwem z dodatkami.

Obecnie są prowadzone badania i prace nad zastosowaniem alkoholi, głownie metanolu jako paliw do silników ZS. Rozpatrywane są trzy odmiany zasilania cylindra, a mianowicie:

• w postaci emisji oleju napędowego i alkoholu,

• w postaci ciekłej przez oddzielony układ wtryskowy,
  z zachowaniem dotychczasowego układu wtryskowego,

• w postaci mieszaniny pary alkoholu i powietrza z wtryskiem dawki oleju napędowego imitującego zapłon.

• Obsługa układu zasilania silników z zapłonem samoczynnym

W układach zasilania silników z zapłonem samoczynnym obsługą objęte są następujące zespoły:

• zbiorniki paliwa i przewody,

• filtry paliwa,

• pompa zasilająca,

• pompa wtryskowa,

• wtryskiwacze.

Obsługa zbiornika paliwa samochodów z silnikiem o zapłonie samoczynnym polega na tym, aby nie dopuścić do poziomu paliwa w zbiorniku do określonego minimum. Mogłoby to bowiem spowodować zassanie przez pompę paliwową powietrza, co w silnikach z zapłonem samoczynnym jest przyczyną dość częstej niesprawności - zapowietrzenia instalacji. Na skutek zapowietrzenia w układzie wysokiego ciśnienia powstaje ściśliwa poduszka powietrzna, która sprawia, że skok tłoczka w pompie wtryskowej wywołuje za mały przyrost ciśnienia paliwa,
a co za tym idzie zmniejszenie lub całkowity zanik dopływu paliwa do cylindra. Likwidowanie tej niesprawności (odpowietrzanie) polega na usuwaniu
z poszczególnych odcinków układu zasilania oleju napędowego zawierającego pęcherze powietrza. Wykonuje się to odkręcając śruby odpowietrzające w filtrze, następnie w pompie wtryskowej i pompują paliwo pompą ręczną. Z chwilą gdy
z otworu odpowietrzającego zaczyna wypływać czyste paliwo zakręca się go
i przystępuje do odpowietrzania następnego odcinka. Odpowietrzanie wtryskiwaczy wykonuje się po usunięciu powietrza z pozostałej części układu zasilania, napędzając poszczególne sekcje tłoczące przez obracanie wału korbowego rozrusznikiem.

Obsługa przewodów paliwowych polega na kontroli ich szczelności. Wszelkie uszkodzenia przewodów paliwowych jak pęknięcia, zgniecenia lub uszkodzenia stożkowej części uszczelniającej, usuwa się wymieniając przewód na nowy.

Obsługa filtrów paliwa polega na okresowym ich oczyszczaniu albo na wymianie układów filtrujących. W tym celu należy odkręcić korek spustowy w kadłubie filtru
i spuścić paliwo. Następnie wyjmuje się osadnik filtra i wkład filtrujący, wnętrza kadłuba filtra należy dokładnie oczyścić i osuszyć. Wkłady filtrów dokładnego oczyszczania najczęściej nie czyści się bez wymienienia na nowe. Po założeniu filtru należy sprawdzić jego szczelność.

Obsługa pompy zasilających polega na sprawdzaniu niedomagań polegających na zmniejszeniu ich wydajności, co pociąga za sobą spadek mocy silnika. Przyczynami tych niedomagań są różnego rodzaju usterki, kwalifikujące pompę do naprawy. W ramach obsługi technicznej należy dbać o szczelność pompy
i dochodzących do niej przewodów oraz okresowo sprawdzać jej wydajność, wytwarzane przez nią ciśnienie i podciśnienie.

Obsługa pompy wtryskowej - można ją podzielić na stałą i okresową. Do obsługi stałej należy: przestrzeganie czystości paliwa niedopuszczenie do zapowietrzenie się pompy, natychmiastowe usuwanie pojawiających się przecieków paliwa oraz kontrolowanie poziomu oleju w kadłubie pompy
i regulatora. Do czynności obsługi okresowej należą: smarowanie urządzenia do zmiany kąta wyprzedzenia wtrysku, zmiana oleju w kadłubie pompy i regulatora, sprawdzanie na specjalnym stole prędkości obrotowej i regulacji. Sprawdzanie pracy pompy obejmuje: sprawdzanie równomierności dawkowania paliwa przez poszczególne sekcje, sprawdzenie szczelności zespołów tłoczek - cylinderek, sprawdzanie szczelności zaworka tłoczącego, sprawdzanie prawidłowości ustawienia początku wtryskiwania paliwa.

Obsługa wtryskiwaczy obejmuje: kontrolę regularnej pacy, usuwanie zauważonych nieszczelności połączeń, kontrolę zabarwienia gazów spalinowych (czarne zabarwienie oznacza niewłaściwą pracę wtryskiwaczy). Objawami nieprawidłowej pracy wtryskiwaczy są: przegrzewanie się silnika, spadek mocy, wzrost zużycia paliwa i nadmierne dymienie.

Stwierdzenie wymienionych objawów świadczy o wadliwej pracy jednego lub kilku wtryskiwaczy. Do obsługi okresowej należy kontrola pracy wtryskiwaczy na specjalnym stanowisku badawczym wyposażonym w pompę kontrolną. Kontrola ta obejmuje ciśnienie wtrysku, kształt strugi, kąt rozpylenia strugi. Przed wmontowaniem do stanowiska wtryskiwacze należy oczyścić.

Warunkiem zachowania pełnej sprawności technicznej układu zasilania jest wykonanie zabiegów obsługi technicznej zgodnie z wymogami producenta.

• Ochrona naturalnego środowiska człowieka
  w warunkach eksploatacji silników o zapłonie samoczynnym

Kiedy pierwszy samochód Benza poruszał się po drogach, nie stwarzał problemu zanieczyszczenia środowiska i odpadów, mimo że na kilometr wykapywało z jego mechanizmów co najmniej 0,1 litra oleju, a dym z jego rury wylotowej był trujący, pełen sadzy i niedopalonych węglowodorów.

Problem samochodu jako źródło zanieczyszczeń środowiska nie pojawił się w czasie, gdy wypierał on transport konny - ponieważ smród samochodów zastąpił smród końskich odchodów, a sam samochód oszczędził niebywałe ilości pracy niezbędne do zbierania i wywożenia tych odchodów z ulic.

Dopiero motoryzacja lat 60 - tych spowodowała problemy, ponieważ ilość spalin, odpadów i paliwa stała się istotna dla obszarów eksploatacji samochodów. Problemy pojawiły się wtedy:

• gdy naturalne metody „oczyszczania” tych obszarów ze spalin - wiatr - okazywały się niewystarczające, co wiązało się z powstawaniem duszącego dymienia (przede wszystkim tam, gdzie eksploatowano dużo silników dwusuwowych i smogu),

• gdy stwierdzono nadmierną ilość ołowiu w warzywach i mleku; ołów jest szkodliwy ze względu na to, że kumuluje się w organizmach ludzi powodując nieuleczalne zatrucie (ołowica),

• gdy okazało się, że wylewane i rozlewane byle gdzie płyny eksploatacyjne z silników samochodowych przenikają do wód gruntowych i unicestwiają ich przydatność do użytkowania oraz spożycia zarówno prze ludzi jak i zwierzęta,

• gdy stwierdzono, że dym powstały ze spalania zużytych olejów silnikowych zawiera dużą ilość ciężkich metali, które kumulując się w organizmach ludzi powodują nieuleczalne choroby,

• gdy zbadano, że zawarte w spalinach silników ZS niedopalone węglowodany są rakotwórcze.

W zaistniałej sytuacji zaczęto wprowadzać ograniczenia dotyczące składowania spalin oraz obrotu materiałami eksploatacyjnymi i utylizowaniem silników wycofanych z eksploatacji. Podstawowymi materiałami odpadowymi powstającymi podczas eksploatacji silników spalinowych są:

• olej smarujący,

• filtry oleju,

• filtry paliwa,

• płyn chłodniczy,

• wkłady filtra powietrza,

• katalizatory,

• uszczelnienia.

Jeszcze do niedawna pozbywanie się tych materiałów należało do każdego, kto miał z nimi do czynienia. Oleje często wylewano do dołów lub spalano w kotłach, filtry oleju wyrzucano na śmietniska, a płyny chłodnicze wylewano do kanalizacji. Obecnie wszystkie te działania są zakazane a w szczególności:

• jest zakazane spalanie zużytego oleju w kotłach, musi być oddany do przedsiębiorstw przerabiających je w cyklu zamkniętym na nowe wyroby;

• jest zakazane wyrzucanie zużytych filtrów na śmietniska, musza być utylizowane przez uprawnione przedsiębiorstwa;

• jest zakazane wylewanie płynów chłodniczych do kanalizacji, muszą być zdawane do upoważnionych przedsiębiorstw utylizacyjnych;

• zakłady wymieniające filtry, płyny i katalizatory w samochodach musza sporządzać dokumentacje pozyskiwanych i oddawanych do utylizowania zużytych płynów i filtrów;

• zużyte filtry oleju i paliwa muszą być przechowywane w specjalnych pojemnikach zabezpieczonych przed wylewaniem się oleju, a podłoże musi być wybetonowane ze specjalnym spływem deszczówki

Silniki spalinowe jako odpady wyrzucane na złomowisko są szkodliwe ze względu na to, że są wypełnione wypływającymi z nich olejami i płynem chłodzącym, co zanieczyszcza otoczenie, przede wszystkim wody gruntowe. Sam materiał, z którego jest wykonany silnik nie jest zanieczyszczeniem, jest dobrym surowcem wtórnym. Obecne przepisy:

• zakazują wyrzucania na złomowiska silników wypełnionych olejem, przed złomowaniem silnik musi być osuszony;

• nakazują, aby miejsca składowania złomowanych silników były wybetonowane i wyposażone w specjalną kanalizację.

Zagadnienie to jest obecnie rozwiązywane zarówno przez konstruktorów silników, którzy przy konstruowaniu myślą o sposobach demontażu, jak
i przedsiębiorców, finansujących opracowanie tanich technologii rozbiórki, by sprzedaż materiałów wtórnych dawała zysk.

Mając na uwadze, że silniki spalinowe przez szereg lat będą dominującym źródłem napędu pojazdów samochodowych konieczne są dalsze badania prowadzące do zmniejszenia toksyczności spalin oddziaływania na środowisko. W silnikach dla rozwiązania tych problemów niezbędne jest zastosowanie wielu przedsięwzięć ujętych w tablicy.

TABLICA 2 Przedsięwzięcia mające na celu obniżenie emisji związków toksycznych podczas rozruchu i nagrzewania silnika

Silnik spalinowy	Osprzęt	Układ chłodzenia	Katalizatory
- przechodzenie z wtrysku jednopunktowego na wielopunktowy i bezpośredni do komory spalania, - zwiększenie szybkości spalania przez zmniejszenie strat ciepła, - wieloświecowe układy zapłonowe, - optymalizacja dawki paliwa podczas rozruchu, - lepsze rozpylanie paliwa, - opóźnienie kąta wyprzedzenia zapłonu, - ścisłe utrzymanie stosunku powietrza do paliwa.	- zasobniki ciepła, - zewnętrzne źródła podgrzewania silnika, - hermetyzacja i podgrzewanie komory silnika przed rozruchem, - izolowane kolektory wylotowe, - materiały o małej inercji termicznej, - zastępowanie urządzeń mechanicznych elektrycznymi o zmiennych parametrach (wyłączonych podczas rozruchu).	- rozdzielnia układów chłodzenia głowicy i kadłuba, - pompa wody o zmiennej wydajności, - mniejsza masa czynnika chłodzącego, - podgrzewanie płynu chłodzącego (elektrycznie, energią spalin), - częściowa eliminacja płynu chłodzącego podczas nagrzewania silnika, - wymiennik „czynnik chłodzący: - olej smarujący” przekazujący energię w jednym lub drugim kierunku.	- maksymalne przybliżenie katalizatora do silnika, - katalizatory o podłożu metalowym, - katalizatory z podgrzewaniem, - katalizatory obniżające NOx w silnikach ZS, - dostarczanie wtórnego powietrza do katalizatorów, - absorbery węglowodorowe, - nośniki katalityczne oparte na związkach rodu, - ogrzewanie sondą λ, - podwójne sondy λ ze sprężeniem zwrotnym.

Obecne normy dla silników ZS są możliwe do osiągnięcia przy niewielkich zmianach konstrukcyjnych, jednak istnieją tendencje do zmniejszenia ilości składników toksycznych. W wielu badaniach stwierdzono, że ilość związków toksycznych uzależniona jest od jakości produkcji i eksploatacji.

Zanieczyszczenie spalin w Europie jest regulowane przepisami o nazwie od Euro 0 do Euro 5, które odnoszą się do silników produkowanych w określonym czasie. Euro 0 dotyczy silników wyprodukowanych do roku 1992. Euro 5 dotyczy silników, które będą wyprodukowane po roku 2008. przepisy zawierają dopuszczalne wartości zanieczyszczeń spalin tlenkiem węgla, niedopalonymi węglowodorami i cząstkami stałymi. W Polsce obowiązuje w tej mierze Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej w sprawie warunków technicznych pojazdów oraz zakresu niezbędnego wyposażenia. Przepisy prawne dotyczące odpadów powstających podczas eksploatacji i utylizacji samochodów obejmują ustawy o :

• odpadach

• ochronie i kształtowaniu środowiska

• ruchu drogowym,

oraz rozporządzenia:

• Rady Ministrów - o odpadach za składowanie odpadów;

• Ministra Gospodarki - określające odpady, które powinny być wykorzystane w celach przemysłowych;

• Ministra Finansów - w sprawie zwolnień od podatków dochodowego przy wykorzystaniu odpadów;

• Ministra Ochrony środowiska - w sprawie klasyfikacji odpadów;

• Ministra Transportu - w sprawie przewozu materiałów niebezpiecznych;

• Ministra Gospodarki - w sprawie usuwania, wykorzystania
  i unieszkodliwiania odpadów.

• Bibliografia

1. Lech Bożenko - „ Maszynoznawstwo”,

2. Jan Gronowicz - „Ochrona środowiska w transporcie lądowym”,

3. Witold Leśniak - „Wysokoprężne silniki samochodowe”,

4. Jan Kijewski - „Silniki spalinowe”,

5. Stanisław Mac - „Maszynoznawstwo”,

6. Jerzy Merkisz - „Ekologiczne aspekty stosowania silników spalinowych”,

7. Kazimierz Niewiarowski - „Tłokowe silniki spalinowe”,

8. Seweryn Orzełowski - „Naprawa i obsługa pojazdów”,

9. STATOIL Lubricants - „Właściwości paliw”

10. Jan A. Wajand - „Silniki o zapłonie samoczynnym”,

11. samochodowych”,

12. Jan A. Wajand, Jan T. Wajand - “Tłokowe silniki spalinowe średnio i szybkoobrotowe”,

13. Franiciszek Wardziński - „ Samochodowe silniki spalinowe”,

14. Piotr Zając, Leon Maria Kołodziejczyk - „ Silniki spalinowe”.

26

---