Zasilanie silników o zapłonie iskrowym (cz. 1.)

Bosch

Podstawowym zadaniem układu zasilania jest dostarczenie niezbędnej ilości mieszanki paliwowo-powietrznej i jej odpowiedniego składu, a także ich dopasowanie do zmieniających się warunków pracy silnika.

Znajomość poszczególnych procesów oraz ich kolejności pozwala na określenie zmian, jakich musimy dokonać w silniku w celu uzyskania założonych celów. Współczesne metody doskonalenia silników spalinowych obejmują bardzo złożone procesy, głównie dotyczy to tych związanych z przygotowaniem mieszanki i sterowania przebiegiem procesu spalania. W modernizacji systemów zasilania głównie skupiono się na dokładności i szybkości sterowania w sposób adekwatny do warunków pracy w celu osiągnięcia jak najefektywniejszego spalania przy małej emisji substancji szkodliwych oraz uzyskania optymalnej mocy użytecznej silnika przy możliwie jak najniższej pojemności silnika, nie wypływając znacząco na obniżenie jego trwałości i niezawodności. Ze wszystkich procesów zachodzących podczas omawianej przemiany układ zasilania w sposób bezpośredni decyduje głównie o szybkości i sposobie dostarczenia paliwa do cylindra. Dlatego szczególnie ważne są problemy odpowiedniego sterowania procesem zasilania silnika ZI. Współcześnie układ zasilania należy rozumieć jako dwa współpracujące ze sobą układy: wtryskowy i zapłonowy, a ich właściwa współpraca determinuje osiąganą sprawność silnika.

Sterowanie silników ZI
Ogólnym celem sterowania silnika jest zapewnienie jak najwyższej sprawności silnika w różnych warunkach jego pracy. W tym celu wyróżnia się trzy funkcje sterujące: sterowanie napełnianiem, sterowanie wtryskiem i sterowanie zapłonem. W celu lepszego przedstawienia procesów modyfikacji parametrów należy na wstępie omówić teoretyczny i rzeczywisty obieg silnika ZI, od którego zaczyna się cały proces sterowania.
a) Idealny obieg Otta
Tłok porusza się od punktu 1. do 2., czyli od DMP do GMP (rys. 3.), gdzie mieszanka zostaje sprężona bez doprowadzania ciepła (sprężania izotermiczne). Po zakończeniu sprężania (punkt 2.) następuje izochoryczne spalenie mieszanki, w wyniku którego ciśnienie rośnie do punktu 3. Od GMP tłok porusza się w kierunku DMP do punktu 4., a objętość przestrzeni roboczej zwiększa się. Ciśnienie spalin maleje przy stałej temperaturze, gdyż nie następuje żądna wymiana ciepła. Następnie dochodzi do izochorycznego schłodzenia spalin aż do stanu początkowego (punkt 1.). Powierzchnia wyrażona i ograniczona punktami 1, 2, 3 i 4 jest miara pracy obiegu. W punkcie 4. w wyniku otwarcia zaworu wylotowego gazy będące pod ciśnieniem wypływają z cylindra. Gdyby gaz mógł się całkowicie rozprężyć do punktu 5., wówczas powierzchnia zawarta pomiędzy punktami 1, 4 i 5 mogłaby stanowić energię możliwą do wykorzystania. Dzięki zastosowaniu turbodoładowania część energii odpowiadająca części pola znajdującego się nad linią ciśnienia atmosferycznego może być wykorzystana (powierzchnia ograniczona punktami 1, 4 i 5').
b) Rzeczywisty wykres p-V
Ogólne założenia idealnego obiegu Otta w praktyce nie mogą zostać spełnione, wskutek czego rzeczywisty wykres obiegu p-V (wykres indykatorowy) różni się od idealnego (krzywa B, rys. 3.). Na rys. 4. przedstawiono przebieg zmiany ciśnienia i temperatury w cylindrze silnika ZI. Spalanie rozpoczyna się w punkcie 1. wyprzedzającym położenie tłoka w GMP ok. 15-35° OWK. Linia ciśnienia do punktu 1. stanowi zmianę ciśnienia wywołaną sprężeniem ładunku. W okresie wstępnym, czyli od momentu pojawienia się iskry do gwałtownego wzrostu ciśnienia, linia ciśnienia nie odbiega od linii ciśnienia sprężania. Długość tego okresu tworzenia początkowego ogniska spalania zależy od: zastosowanego typu mieszanki (podział mieszanki uzależniony jest od współczynnika nadmiaru powietrza), temperatury i ciśnienia mieszaniny palnej oraz energii źródła zapłonu. Okres właściwego spalania obejmuje punkty od 2. do 3., w którym następuje największe ciśnienie. W tym czasie płomień obejmuje całą komorę spalania i wydziela się główna część ciepła ze spalanej mieszanki. Wartość największego ciśnienia przypada tuż po GMP tłoka. Długość tego okresu uzależniona jest od kształtu komory spalania i położenia świecy zapłonowej, intensywności zawirowania oraz składu spalin pozostałych z poprzedniego cyklu. Końcowy okres dopalenia zaczyna się od punktu 3., w którym to prędkość reakcji maleje, a wydzielane ciepło jest niewielkie. Okres ten powinien być krótki, gdyż wydzielanie ciepła odbywa się przy powiększającej się objętości cylindra, co powoduje powiększenie strat ciepła i spadek sprawności.
Reklama

[...]

inż. Piotr Wróblewski

Reklama

Więcej informacji o zasilaniu silników o zapłonie iskrowym w najnowszym „autoEXPERCIE" 9/2012.

O Autorze

Piotr Wróblewski

Pracownik naukowy WSKM Konin

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę