|
Analiza spalin silników ZI cz. 3 |
|
W poprzednich częściach artykułu została omówiona zależność składu spalin od składu spalanej mieszanki. Drugim ważnym parametrem, decydującym o przebiegu procesu spalania, jest kąt wyprzedzenia zapłonu. Wielkość ta informuje, z jakim wyprzedzeniem lub opóźnieniem (wówczas wartość kąta jest poprzedzona znakiem minus), mierzonym w stopniach obrotu wału korbowego względem punktu GMP tłoka (inaczej zwrotu zewnętrznego ZZ), na elektrodach świecy zapłonowej ma pojawić się iskra, aby zapoczątkować proces spalania. O tym, jaki jest wpływ na emisję toksycznych składników spalin, czyli tlenku węgla (CO), węglowodorów (HC) i tlenków azotu (NOX), poniżej.
Jednak nawet w najnowocześniejszych układach zapłonowych kąty wyprzedzenia zapłonu mogą przyjąć nieprawidłowe wartości, jeśli sterownik otrzyma sygnały o nieprawidłowych wartościach (uszkodzenie czujnika, niepewne połączenia elektryczne i inne) lub uszkodzeniu ulegnie sterownik. Wpływ wartości kąta wyprzedzenia zapłonu na emisję toksycznych składników spalin i wielkości charakterystyczne dla pracy silnika, a więc również na skuteczność pracy układów oczyszczających spaliny, jest znaczny. Niestety ocena wartości kąta wyprzedzenia zapłonu, czy jest ona prawidłowa czy nie, z wykorzystaniem warsztatowych analizatorów spalin, nie jest praktycznie możliwa. Można tylko ocenić, czy proces spalania przebiega z wypadaniem zapłonów czy bez. Warto jednak wiedzieć, jaki jest ten wpływ, gdyż to z kolei pomoże poznać pracę programów sterujących silnikami, a więc ułatwi wykrywanie niesprawności, a tuningowcom i montażystom gazu - prace regulacyjne.
Kolejnym czynnikiem wpływających na pomiar ilość emitowanych składników spalin jest jego miejsce:
Obecność katalizatora spalin w układzie wydechowym tylko obniża temperaturę spalin, w której procesy te zaczynają zachodzić oraz przyspieszają je. Ponieważ silniki są eksploatowane wraz z układem wydechowym, więc dla nas interesująca jest emisja składników toksycznych spalin występująca u wylotu układu wydechowego. Jest ona wynikiem dwóch następujących po sobie procesów: spalania w komorze spalania silnika oraz samooczyszczania w układzie wydechowym i jest uzależniona od ich przebiegu. Zmiana wartości kąta wyprzedzenia zapłonu całkowicie odmiennie wpływa na przebieg procesu spalania w komorze spalania i na proces samooczyszczania w układzie wydechowym. Dlatego sprawdzany jest wpływ różnych wartości kątów wyprzedzenia zapłonu na przebieg obu procesów. Jeśli najważniejsze jest uzyskanie najniższych emisji poszczególnych składników toksycznych spalin (CO, HC i NOX), wybiera się te wartości kąta wyprzedzenia zapłonu, dla których emisje tych związków, mierzone u wylotu układu wydechowego, są najmniejsze.
Przy zasilaniu silnika mieszankami charakteryzowanymi współczynnikiem składu mieszanki l w zakresie od 0,9 do 1,1 i uboższymi, zmiana wartości kąta wyprzedzenia zapłonu praktycznie nie wpływa na emisję tlenku węgla (rys. 7). Jedynie przy zasilaniu bogatymi mieszankami (l < 0,8) jest niewielki wpływ. Emisja HC przez silnik ZI, w zależności od wartości kąta wyprzedzenia zapłonu Pomiar emisji węglowodorów (rys. 8) wykonano analizatorem spalin metodą jonizacji płomieniowej FID. W porównaniu z warsztatowymi analizatorami spalin opartymi na metodzie pomiaru ilości promieniowania podczerwonego pochłoniętego przez węglowodory zawarte w spalinach, analizatory spalin wykorzystujące metodę FID mierzą kilkukrotnie wyższą zawartość węglowodorów w spalinach (wg materiałów firmy Sun sześciokrotnie). Porównywanie wyników uzyskanych przez różne rodzaje analizatorów nie ma więc sensu.
Wyższa wartość kąta wyprzedzenia zapłonu powoduje, że jest więcej czasu na proces spalania w komorze spalania silnika (wcześniej się zaczyna) i przebiega on przy wyższej temperaturze oraz ciśnieniu. Dzięki temu w komorze spalania powstaje mniej węglowodorów. Jednak wzrost wartości kąta wyprzedzenia zapłonu obniża temperaturę spalin, a więc mniejsza ilość HC ulega w układzie wydechowym procesowi samooczyszczenia (utlenienia). Przy sumowaniu wyniku końcowego obu procesów okazuje się, że wzrost wartości kąta wyprzedzenia zapłonu powoduje wzrost emisji węglowodorów. Zasada ta ulega odwróceniu przy spalaniu mieszanek ubogich, charakteryzowanych współczynnikiem składu mieszanki o wartościach większych niż l = 1,3. Wynika to z tego, że im uboższa jest mieszanka, tym trudniej się zapala i spala, co powoduje wzrost emisji węglowodorów. Natomiast zwiększenie wartości kąta wyprzedzenia zapłonu daje mieszance więcej czasu na spalanie się, dzięki czemu emisja HC zmniejsza się. Emisja NOX przez silnik ZI, w zależności od wartości kąta wyprzedzenia zapłonu
Wartość momentu obrotowego silnika, w zależności od składu mieszanki zasilającej silnik i wartości kąta wyprzedzenia zapłonu Silnik spalinowy zasysa w danych warunkach zawsze tyle powietrza, ile może, a ściślej jego określoną masę (ona jest najważniejsza). W silnikach ZI ilość tę ogranicza dodatkowo przepustnica. Do zassanej masy powietrza dodawana jest taka masa paliwa, aby uzyskać mieszankę o wymaganym w danym warunkach składzie, o którym informuje nas współczynnik składu mieszanki l. Od składu mieszanki zależy:
Wolniejszy przebieg procesu spalania oznacza, że nie cała mieszanka spali się w najkorzystniejszych warunkach. Jej nie spalona część przedostanie się do układu wydechowego. Jeśli będzie w nim odpowiednia temperatura spalin i tlen, mieszanka ta będzie spalać się dalej. Wzrost wartości kąta wyprzedzenia zapłonu zwiększa ilość czasu możliwą do wykorzystania na proces spalania, dlatego - tylko w pewnym zakresie - zwiększa wartość momentu obrotowego (rys. 10). Jest to zauważalne zwłaszcza przy spalaniu mieszanek ubogich. Jeśli jednak wartości kątów wyprzedzenia zapłonu są za duże, wartości momentu obrotowego maleją (rys. 11), ponieważ proces spalania zaczyna się wówczas za wcześnie i nie przebiega w komorze spalania w najkorzystniejszych warunkach. Jeśli silnik pracuje przy stałej prędkości obrotowej, jest zasilany mieszanką o stałym składzie, a zmieniana jest tylko wartość kąta wyprzedzenia zapłonu, to tylko dla jednej wartości kąta wyprzedzenia zapłonu silnik uzyska najwyższą wartość momentu obrotowego (kąty wyprzedzenia aza, azb i azc na rys. 11). Dla mniejszych lub większych wartości kąta wyprzedzenia zapłonu, wartość osiąganego przez silnik momentu obrotowego będzie niższa. Warto zauważyć, że im bardziej obciążony jest silnik, tym wartość kąta wyprzedzenia zapłonu, dla której osiąga on maksymalną wartość momentu obrotowego, jest mniejsza (rys. 11, kąty wyprzedzenia zapłonu aza, azb i azc dla zakresów obciążeń silnika A, B i C). Wynika to z tego, że wyższe obciążenia silnika wymuszają podczas procesu spalania występowanie w komorze spalania wyższych ciśnień i temperatur, dzięki czemu proces spalania przebiega szybciej, a więc krócej. Zależność wartości momentu obrotowego silnika od wartości kąta wyprzedzenia zapłonu jest wykorzystana w silniku do stabilizacji prędkości obrotowej biegu jałowego. Dla danych warunków pracy silnika na biegu jałowym (np. temperatura płynu chłodzącego, obciążenie silnika przez klimatyzację i odbiorniki elektryczne, wybrane położenie dźwigni wyboru trybu pracy automatycznej skrzyni biegów), sterownik określa wymaganą wartość prędkości obrotowej biegu jałowego. Jeśli rzeczywista wartość prędkości obrotowej biegu jałowego różni się od wartości wymaganej, to sterownik zmniejsza ją tak, aby różnica pomiędzy wartościami rzeczywistą a wymaganą mieściła się w założonych granicach. Jest to uzyskiwane dwoma metodami: Druga z metod regulacji szybciej reaguje na zmiany rzeczywistej prędkości obrotowej biegu jałowego i jest stosowana do usuwania niewielkich jej różnic względem wartości wymaganej. Dla biegu jałowego silnika i określonych warunków pracy silnika, sterownik ma zaprogramowaną średnią wartość kąta wyprzedzenia zapłonu azbj (rys. 12). Jeśli rzeczywista prędkość obrotowa silnika jest większa niż wymagana, sterownik zmniejsza wartość kąta wyprzedzenia zapłonu, aby zmniejszyć wartość momentu obrotowego silnika, a w konsekwencji jego prędkość obrotową. Jeśli rzeczywista prędkość obrotowa silnika jest mniejsza niż wymagana, sterownik zwiększa wartość kąta wyprzedzenia zapłonu, aby zwiększyć wartość momentu obrotowego silnika, a w konsekwencji jego prędkość obrotową. Średnia wartość kąta wyprzedzenia zapłonu azbj dla prędkości obrotowej biegu jałowego silnika jest mniejsza od wartości kąta wyprzedzenia zapłonu, dla którego jest osiągana maksymalna wartość momentu obrotowego. Ponadto wartości kątów wyprzedzenia zapłonu dla biegu jałowego mają też często wartości ujemne, czyli zapłon występuje po GMP, a im dłużej silnik pracuje na biegu jałowym, tym zapłon następuje coraz później. Wynika to z konieczności uzyskania podwyższonej temperatury spalin, która przy biegu jałowym silnika umożliwia utrzymanie wymaganej temperatury katalizatora. Dlatego na rys. 12 są zaznaczone ujemne wartości kąta wyprzedzenia zapłonu, bo takie wartości często występują we współczesnych silnikach na biegu jałowym. Wartość jednostkowego zużycia paliwa przez silnik, w zależności od składu mieszanki zasilającej silnik i wartości kąta wyprzedzenia zapłonu Jednostkowe zużycia paliwa to wielkość informująca, ile gramów paliwa trzeba spalić, aby silnik pracował z mocą jednego kilowata przez jedną godzinę. Jest to taka sama jednostka jak wykorzystywana do podawania emisji składników toksycznych spalin na rys. 7, 8 i 9. Jednostkowe zużycie paliwa informuje nas o tym, jak w danych warunkach pracy silnik gospodaruje paliwem lub inaczej, ile paliwa musi być spalone w przeliczeniu na pracę silnika z mocą jednego kilowata przez jedną godzinę, aby ilość uzyskanej energii starczyła na pokrycie zapotrzebowania samochodu na nią. Najniższe jednostkowe zużycie paliwa silnik osiąga przy zasilaniu mieszanką o składzie charakteryzowanym współczynnikiem składu mieszanki l w zakresie od 1,05 do 1,15 (rys. 13). W tym zakresie składu mieszanek wzrost wartości kąta wyprzedzenia zapłonu powoduje obniżenie wartości jednostkowego zużycia paliwa. Przy zasilaniu mieszanką o składzie charakteryzowanym współczynnikiem składu mieszanki l w zakresie od 0,8 do 0,95, wzrost wartości kąta wyprzedzenia zapłonu powoduje najpierw obniżenie wartości jednostkowego zużycia paliwa, a następnie jej przyrost. |
W coraz większej liczbie pojazdów wartość kąta wyprzedzenia zapłonu nie podlega regulacji przez diagnostę. Sposób wyznaczania wartości kąta wyprzedzenia zapłonu, przez programy sterujące aktualnie produkowanych silników, uwzględnia coraz więcej czynników i jest nieporównanie bardziej skomplikowany niż reguły rządzące pracą mechanicznych regulatorów zapłonu lub układów elektronicznych starszych typów.
Zacznijmy od jednostek. Na rysunkach 2-6 wykorzystano jednostki informujące o objętości poszczególnych składników spalin w porównaniu z objętością spalin (%vol., ppm). Te jednostki są wykorzystywane przez warsztatowe analizatory spalin. Natomiast na rysunkach 7-9 wykorzystano jednostki podające w gramach masę składnika toksycznego emitowanego przez silnik pracujący z mocą jednego kilowata przez jedną godzinę. Oczywiście pomiary są wykonywane przy pracy silnika z różnymi mocami, przez dowolną ilość czasu, ale zmierzona masa emitowanego składnika spalin jest przeliczana na jeden kilowat mocy i jedną godzinę pracy silnika, co umożliwia porównania. Ponadto masa emitowanego składnika spalin nie jest odnoszona do masy wszystkich spalin, więc ten sposób określania ilości emitowanych składników toksycznych nie jest ăwrażliwyÓ na rozcieńczanie spalin przez powietrze przedostające się przez nieszczelności lub przy pracy silnika na ubogich mieszankach.
To rozróżnienie jest konieczne, ponieważ w układzie wydechowym odbywają się procesy samooczyszczania spalin, czyli:
Emisja CO przez silnik ZI, w zależności od wartości kąta wyprzedzenia zapłonu
Przy zasilaniu silnika mieszankami charakteryzowanymi współczynnikiem składu mieszanki l w zakresie od 0,9 do 1,1 i bogatszymi, wzrost wartości kąta wyprzedzenia zapłonu powoduje wzrost emisji węglowodorów. Może to dziwić, bowiem w pewnym zakresie wzrost wartości kąta wyprzedzenia zapłonu zmniejsza jednostkowe zużycie paliwa przez silnik (rys. 13), czyli poprawia ekonomię jego pracy. Emisja węglowodorów powinna również zmniejszać się - tak się jednak nie dzieje.
Praktycznie w całym zakresie składów mieszanek wzrost wartości kąta wyprzedzenia zapłonu powoduje wzrost emisji tlenków azotu (rys. 9). Najsilniej zjawisko to występuje dla mieszanek o składach charakteryzowanych współczynnikiem składu mieszanki l o wartościach od 1,0 do 1,1, dla których emisja NOX jest najwyższa. W tym zakresie składów mieszanek wzrost kąta wyprzedzenia zapłonu powoduje wzrost ciśnień i temperatur występujących podczas procesu spalania w komorze spalania silnika, a w konsekwencji - nieproporcjonalnie duży przyrost emisji tlenków azotu.
Jeśli założymy, że silnik zasysa tę samą ilość powietrza, a zmieniamy jedynie masę dodanego paliwa, czyli skład mieszanki, to przy stałej wartości kąta wyprzedzenia zapłonu (rys. 10):