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.