Obecnie większość silników wysokoprężnych wyposażonych jest w elektroniczny system sterowania EDC (ang. Electronic Diesel Control). Współczesny silnik wysokoprężny charakteryzuje się bezpośrednim wtryskiem paliwa przy jednoczesnym elektronicznym wysterowaniu momentu i ilości wtryskowego paliwa. Do niekonwencjonalnych układów wtryskowych sterowanych elektronicznie silników wysokoprężnych można zaliczyć: elektroniczny układ wtryskowy Cummins Celect, sterowane zaworem elektromagnetycznym jednocylindrowe pompy wtryskowe, pompowtryskiwacze napędzane mechanicznie lub hydraulicznie oraz zasobnikowy układ wtryskowy common rail.
Proces inicjowania samozapłonu paliwa
Silniki o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wtryskiem paliwa pracują na skutek samozapłonu paliwa wtryśniętego bezpośrednio do cylindra. Samozapłon to zapoczątkowanie procesu spalania w wyniku ogrzania mieszaniny do temperatury samozapłonu. Wzrost ciśnienia powietrza powoduje wzrost temperatury. Po wtryśnięciu paliwa do przestrzeni roboczej cylindra następuje samozapłon tego płynu, przebiegający w pewnych okresach czasu.
Od chwili wtryśnięcia paliwa (początku wtrysku) do chwili zapłonu upływa pewien czas, zwany okresem opóźniania samozapłonu lub okresem indukcji (rys. 1.). W tym czasie zachodzą procesy fizyczne i reakcje chemiczne. Do fizycznych zalicza się: tworzenie strugi rozpylonego paliwa, podgrzanie go, odparowanie i dyfuzję, w wyniku czego powstaje mieszanina palna. Reakcje chemiczne występujące podczas opóźniania samozapłonu przebiegają w dwóch fazach, tzw. zimnych i błękitnych płomieni. Polegają one na izomeryzacji molekuł HC, wstępnym termicznym rozpadzie węglowodorów i ich odwodornieniu i utlenianiu. Podczas reakcji chemicznej utleniania powstają produkty, które dają impuls do rozwoju reakcji łańcuchowych. Okres opóźniania samozapłonu można definiować jako czas od początku wtrysku paliwa do chwili wzrostu ciśnienia powyżej wartości ciśnienia sprężania. Okres opóźnienia samozapłonu stanowi sumę okresów opóźniania tzw. zimnych, błękitnych i gorących płomieni. Najdłuższym okresem opóźniania samozapłonu jest okres opóźniania zimnych płomieni, w którym zachodzą najwolniejsze reakcje chemiczne. Natomiast najkrócej trwa opóźnianie gorących płomieni, które charakteryzuje się bardzo szybkim przebiegiem reakcji chemicznych.
Stopień sprężania powietrza - czynnik decydujący o samozapłonie paliwa
W celu uzyskania odpowiedniego stopnia sprężania (czyli temperatury samozapłonu) układ zasilania powietrzem silnika wysokoprężnego musi umożliwić dopływ niezbędnej ilości powietrza do przestrzeni roboczej cylindra. Niedostateczny przepływ powietrza w układzie dolotowym spowoduje ograniczony wzrost ciśnienia, wymagana temperatura do inicjacji samozapłonu nie zostanie więc osiągnięta.
Zgodnie z modelem łańcuchowo-cieplnym do zapoczątkowania i rozwoju reakcji łańcuchowej wymagany jest impuls cieplny.
Pc = Potoczenia • ε1,35,
gdzie: dla silników wysokoprężnych z zaworem EGR Pc=1 bar x 181,3 ≈ 42,9 bara, oraz
Tc = Totoczenia• ε1,35-1,0,
gdzie: dla silników wysokoprężnych z zaworem EGR Tc = 300 K x 180,3 = 714 K.
W silnikach wysokoprężnych w celu zagwarantowania dopływu odpowiedniej ilości powietrza stosuje się przepustnicę dwustanową. Podczas pracy silnika wysokoprężnego jest ona otwarta, co zapobiega powstawaniu podciśnienia w stosunku do ciśnienia atmosferycznego. Współczesne przepustnice powietrza są sterowane wyłącznie silnikiem elektrycznym. Sterowanie elektryczne umożliwia regulację kąta otwarcia przepustnicy, co ułatwia recyrkulację spalin na biegu jałowym przy częściowym obciążeniu silnika. Silniki wysokoprężne mają znacznie większą sprawność od silników z zapłonem iskrowym z powodu odmiennego procesu uzyskania zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej. W silniku wysokoprężnym po uzyskaniu wymaganego sprężania powietrza, czyli temperatury samozapłonu, do przestrzeni roboczej można wtrysnąć bardzo małą dawkę oleju napędowego, która się zapali. Należy pamiętać, że temperatura samozapłonu nie jest stałą fizyczną i zależy od warunków wymiany ciepła. W silnikach z zapłonem iskrowym, zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej uwarunkowany jest odpowiednim stosunkiem zasysanego powietrza do wtryśniętego paliwa. Uwarunkowania prawne (normy) w stosunku do silników wysokoprężnych dotyczące poziomu emitowanego przez nie hałasu i emisji toksycznych składników spalin przyczyniły się do istotnych zmian w układach zasilania silników wysokoprężnych. Modyfikacje te obejmowały: wzrost ciśnienia wtrysku, dawkę paliwa, kształtowanie przebiegu wtrysku, wielofazowy wtrysk paliwa, regulację kąta wyprzedzenia wtrysku względem warunków pracy silnika, recyrkulację spalin, ciśnienie doładowania, początek wtrysku dostosowany do warunków pracy silnika, dawkę rozruchową adekwatną do temperatury silnika, wtrysk wstępny i dotrysk paliwa.
[...]
mgr inż. Piotr Wróblewski
Więcej informacji o elektronicznym systemie sterowania silników ZS w najnowszym „autoEXPERCIE" 12/2012.
piotr wróblewski
