Analiza spalin silników ZI cz. 4

    
Zmiany ciśnienia w komorze spalania
Głównym parametrem wiążącym pracę układu zapłonowego z pracą silnika jest kąt wyprzedzenia zapłonu. Wraz z rozwojem silników zwiększeniu uległa jedynie liczba kryteriów, na podstawie których jest dobierana jego wartość. Aby uzyskać możliwie największe korzyści ze spalania mieszanki, jej zapłon powinien być zapoczątkowany w takiej chwili, aby spełnione były poniższe warunki.

1. Jak największa część procesu spalania powinna odbyć się, gdy tłok jest w pobliżu górnego martwego położenia (GMP). Wówczas powierzchnia ścianek komory spalania jest mała i najmniej ciepła jest tracone przez jego odpływ do ścianek komory spalania.
2. Mieszanka w komorze spalania ma być spalana tylko płomieniem pierwotnie zapalonym przez iskrę świecy zapłonowej.
3. Ciśnienie spalania powinno osiągnąć maksymalną wartość, gdy tłok po minięciu punktu GMP schodzi już w dół.
4. Gdy tłok oddala się od górnego martwego położenia, rozprężające się gazy spalinowe powinny mieć jeszcze możliwie wysokie ciśnienie, aby wykorzystując korzystne, wzajemne ułożenie korbowodu i ramienia wału korbowego, uzyskać możliwie dużą wartość momentu obrotowego.
5. W momencie otwarcia zaworu wydechowego, ciśnienie spalin musi umożliwić sprawny przebieg opróżniania z nich komory spalania.
Przebieg ciśnień towarzyszących spalaniu mieszanki w silniku ZI, spełniający powyższe warunki, zapoczątkowany w chwili Z1, przedstawia krzywa 1 na rys. 14.

Rys. 14. Zmiany ciśnienia w komorze spalania w zależności od kąta obrotu wału korbowego silnika, dla trzech wartości kąta wyprzedzenia zapłonu: 1 - wartości prawidłowej, gdy mieszanka została zapalona w chwili Z1, 2 - za małej wartości, gdy mieszanka została zapalona w chwili Z2, 3 - za dużej wartości, gdy mieszanka została zapalona w chwili Z3 (spalaniu temu mogą towarzyszyć objawy spalania stukowego), pks - ciśnienie gazów spalinowych w komorze spalania, GMP - górny martwy punkt, aZ - kąt wyprzedzenia zapłonu, „A” i „B” - charakterystyczne wartości kątów obrotu wału korbowego, ze wzgl´du na wzajemne ustawienie elementów mechanizmu tłokowo-korbowego

Jeśli wartość kąta wyprzedzenia zapłonu jest za mała (zapłon za późny), wówczas proces spalania zapoczątkowany w chwili Z2 (krzywa 2, rys. 14) trwa dłużej, częściowo również w układzie wydechowym. Maksymalna wartość ciśnienia w komorze spalania jest mała, osiągana daleko za punktem GMP. Spaliny stają się gorętsze i oddają ściankom komory spalania o większej powierzchni oraz elementom układu wydechowego większe ilości ciepła, zamiast zamienić to ciepło na pracę. Wyższe temperatury osiąga też grzybek zaworu. Nadmierne przedłużanie się procesu spalania może objawiać się strzałami w układzie dolotowym, bowiem mieszanka przebywająca w kanale dolotowym zapala się od gorących spalin, w momencie tzw. współotwarcia zaworów (identyczne zjawisko występuje, gdy mieszanka jest za uboga i za wolno się spala - uwagę tę dedykuję montażystom gazu).

Jeśli wartość kąta wyprzedzenia zapłonu jest za duża (zapłon za wczesny), wówczas proces spalania zapoczątkowany w chwili Z3 (krzywa 3, rys. 14) cechuje wysoka wartość ciśnienia maksymalnego, osiągana blisko punktu GMP. Niestety wartości tej nie da się wykorzystać dla zwiększenia wartości momentu obrotowego silnika, ponieważ przy małych kątach obrotu wału korbowego za punktem GMP wzajemne ustawienie korbowodu i ramienia wykorbienia wału korbowego jest niekorzystne.

Przy za dużej wartości kąta wyprzedzenia zapłonu rośnie ryzyko wystąpienia spalania stukowego. Panująca podczas procesu spalania temperatura, wyższa od temperatury przy spalaniu zapoczątkowanym przy mniejszej wartości kąta wyprzedzenia zapłonu, powoduje znaczący wzrost emisji tlenków azotu (NOx). Rośnie też temperatura tłoka i innych elementów komory spalania, powiększając dodatkowo straty ciepła ăuciekającegoÓ przez ścianki komory spalania.

Rys. 15. Wzajemne ustawienie tłoka, korbowodu i wykorbienia wału korbowego ma istotny wpływ na wartość momentu obrotowego, powstającego w wyniku nacisku na tłok gazów rozprężających się w komorze spalania, a przenoszonych na ramię wykorbienia wału korbowego za pośrednictwem korbowodu. Rysunki a i b pokazują dwa wzajemne ustawienia tłoka, korbowodu i wykorbienia wału korbowego, odpowiadające kątom obrotu wału korbowego „A” (15°) i „B” (70°), które są zaznaczone na rys. 14, tak by można przyporządkować im ciśnienia panujące w komorze spalania. Oznaczenia: 
pks - ciśnienie gazów spalinowych w komorze spalania, Fg - siła nacisku gazów spalinowych na tłok, 
Ft - siła nacisku tłoka na tuleję cylindrową (na rysunku nie jest ona narysowana proporcjonalnie do innych sił!), Fk - siła nacisku tłoka na korbowód i jednocześnie korbowodu na ramę wykorbienia wału korbowego, Fkp - siła nacisku korbowodu na ramię wykorbienia wału korbowego, w kierunku prostopadłym do ramienia wykorbienia, r - promień ramienia wykorbienia wału korbowego, 
Mo - moment obrotowy na wale korbowym

Wzajemne ustawienie elementów mechanizmu tłokowo-korbowego a aktualna wartość momentu obrotowego silnika
Układ tłokowo-korbowy silnika jest prostym mechanizmem, ale w trakcie suwu pracy w niezbyt zadawalający sposób umie przekształcić ciśnienie gazów spalinowych ponad tłokiem na moment obrotowy, który jest oddawany na wale korbowym.
Gazy spalinowe wypełniające komorę spalania, o ciśnieniu pks (rys. 15a i b), naciskają na denko tłoka siłą Fg. Za wyjątkiem położeń tłoka w punktach GMP lub DMP, korbowód nie jest równoległy do osi cylindra, ale odchylony o określony kąt od osi cylindra, dlatego siła Fg nacisku gazów spalinowych na tłok rozkłada się na dwie składowe:
- Ft - siłę nacisku tłoka na tuleję cylindrową
- Fk - siłę nacisku tłoka na korbowód

W tych rozważaniach siła Ft nacisku tłoka na tuleję cylindrową nie jest ważna, wspomniano o niej dla porządku.
Siła Fk, z jaką tłok naciska na korbowód, jest przenoszona przez korbowód i naciska na ramię wykorbienia wału korbowego. To dzięki niej na wale korbowym można odebrać moment obrotowy Mo o wartości obliczanej ze wzoru:

Mo = F x r

gdzie:
r - promień ramienia wykorbienia wału korbowego
F - wartość siły działającej prostopadle do ramienia wykorbienia

Dla obliczenia wartości momentu obrotowego Mo, z jaką silnik pracuje w danym momencie, konieczna jest więc znajomość wartości siły, z jaką korbowód naciska na ramię wykorbienia wału korbowego w kierunku do niego prostopadłym. Siłą tą jest siła Fkp, czyli rzut siły Fk na kierunek prostopadły do ramienia wykorbienia (rys. 15a). Zgodnie z oznaczeniami na rys. 15, wartość momentu obrotowego Mo można obliczyć ze wzoru:

Mo = Fkp x r

Prześledźmy teraz zależność pomiędzy ciśnieniem gazów spalinowych pks w komorze spalania, ustawieniem elementów mechanizmu tłokowo-korbowego, a wartością chwilową momentu obrotowego Mo. Chwilową, bo oddawaną przez wał korbowy tylko przy określonym ustawieniu mechanizmu tłokowo-korbowego, a więc przy określonym kącie obrotu wału korbowego. Chwilowe wartości momentu obrotowego składają się na średnią wartość momentu obrotowego silnika, która jest mierzona i podawana w danych technicznych silnika.

Przy kącie AÓ obrotu wału korbowego (rys. 15a), gdy tłok niewiele się jeszcze oddalił od GMP, w komorze spalania panują wysokie wartości ciśnień gazów spalinowych pks (kąt A na rys. 14, dla krzywych 1 i 3), dlatego gazy spalinowe naciskają na tłok siłą Fg o dużej wartości. Również siła Fk nacisku tłoka na korbowód, a więc i na ramię wykorbienia wału korbowego, ma dużą wartość. Niestety, przy kącie obrotu A wału korbowego bardzo niekorzystne jest ustawienie korbowodu względem ramienia wykorbienia wału korbowego. Rzut siły Fk na kierunek prostopadły do ramienia wykorbienia, czyli siła Fkp, ma wartość znacznie mniejszą niż siła Fk (rys. 15a). Tak więc, mimo wysokiej wartości ciśnienia gazów spalinowych pks, siła Fkp, która obraca ramię wykorbienia wału korbowego, jest znaczenie mniejsza od siły przenoszonej przez korbowód, co wynika tylko z niekorzystnego ustawienia korbowodu względem ramienia wykorbienia wału korbowego.

Przy kącie B obrotu wału korbowego o większej wartości (rys. 15b), przy którym kąt pomiędzy korbowodem a ramieniem wykorbienia wału korbowego jest zbliżony do kąta prostego (na rys. 15b jest to kąt prosty, dla lepszej prezentacji), wzajemne ustawienie obu elementów z punktu widzenia uzyskiwanej wartości momentu obrotowego Mo jest korzystniejsze (wyjaśnienie niżej).

Po obrocie wału korbowego od kąta A do B (wartości przykładowe, przyjęte dla tego rysunku), ciśnienie gazów spalinowych pks w komorze spalania zdecydowanie maleje. Maleją też wartości sił: Fg - nacisku gazów spalinowych na tłok i Fk - nacisku tłoka na korbowód, a korbowodu na ramię wykorbienia wału korbowego. Ponieważ kierunek działania siły Fk jest prawie prostopadły do ramienia wykorbienia (na rys. 15b prostopadły), więc wartości sił Fk i Fkp różnią się niewiele (na rys. 15b są równe), a prawie cała wartość siły Fk nacisku korbowodu na ramię wykorbienia jest wykorzystywana do jego obracania (rys. 15b).

Wniosek końcowy: wzrost wartości ciśnienia gazów spalinowych, uzyskiwany przy małych kątach obrotu wału korbowego (rys. 15a), liczonych od GMP:
w nie pozwala na uzyskanie podobnie proporcjonalnych przyrostów wartości momentu obrotowego, odbieranego na wale korbowym silnika w powoduje głównie wzrost obciążenia układu tłokowo-korbowego Może kiedyś jakiś uczeń czy student pomyśli w ramach pracy dyplomowej nad konstrukcją układu tłokowo-korbowego silnika, bez wspomnianej niedogodności, nie zapominając jednak o wymaganiach obiegu termodynamicznego?

Rys. 16. Przebieg spalania stukowego na przykładzie komory klinowej silnika ZI. Jego typowe fazy, oznaczone jako a, b i c, są omówione w artykule

Nieprawidłowe procesy spalania silnika ZI powodujące utratę kontroli układu zapłonowego nad ich przebiegiem Opracowując ten temat założyłem, by korzystając z wiedzy teoretycznej i własnych obserwacji dokonanych podczas prób drogowych diagnozowanych lub przerabianych osobiście silników, przekazać wiedzę umożliwiającą określenie prawdopodobnych przyczyn nieprawidłowych procesów spalania, bez rozbiórki silnika. Zacznijmy od podstaw teoretycznych.

Mieszanka benzyny z powietrzem może ulec samozapłonowi. W warunkach znormalizowanych następuje to w zakresie temperatur od 380 do 450ˇC. Aby w komorze spalania silnika ZI nie ulegała ona jednak samozapłonowi, benzyna ma zdolność do hamowania samozapłonu. Należy to rozumieć tak, że nawet jeśli w komorze spalania są w danej chwili warunki do jej samozapłonu, w obecności odpowiedniej ilości powietrza, to moment samozapłonu jest hamowany dlatego, aby do rozpoczęcia procesu spalania konieczny był zapłon iskrą elektryczną, a ściślej energia przekazywana w momencie przeskoku iskry. Zdolność do hamowania samozapłonu mieszanki benzyny z powietrzem jest jednak ograniczona. Jeśli temperatura mieszanki przekroczy określoną wartość (literatura podaje 750±20ˇC), to w jakimś punkcie mieszanki samozapłon nastąpi. Mówimy wówczas o spalaniu stukowym.

Mieszanka benzyny z powietrzem może być również zapalona w wyniku zapłonu żarowego, od gorącego elementu komory spalania lub warstwy nagaru ją pokrywającego. Wówczas energia potrzebna do zapalenia mieszanki uzyskiwana jest od tego elementu.

Spalanie stukowe i spalanie w wyniku zapłonu żarowego to dwa podstawowe typy nieprawidłowych procesów spalania, podczas których układ zapłonowy traci kontrolę nad miejscem i chwilą zapłonu mieszanki. Są też odmiany pośrednie, ale o nich w dalszej części artykułu.

Spalanie stukowe w silniku ZI
Na rys. 16 pokazano poszczególne etapy spalania stukowego w silniku ZI. W silniku z zapłonem samoczynnym (ZS) spalanie też może przebiegać stukowo, ale inaczej.

Proces spalania stukowego zaczyna się tak samo jak normalny proces spalania, od zapalenia iskrą elektryczną części mieszanki znajdującej się pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej (rys. 16a). Front płomienia zaczyna przemieszczać się z prędkością od 5 do 30 m/s, odpowiadającą normalnemu przebiegowi procesu spalania, w kierunku nie spalonej części mieszanki, wywołując poruszającą się falę ciśnienia. Powoduje to dalszy wzrost ciśnienia, a więc i temperatury nie spalonej części mieszanki. Jeśli temperatura ta przekroczy w którymś miejscu temperaturę samozapłonu mieszanki, to jest duże niebezpieczeństwo, że on nastąpi (rys. 16b). Narażone są na to miejsca najbardziej oddalone od świecy zapłonowej, bo tam najdłużej trzeba ăoczekiwaćÓ na front płomienia pochodzący od świecy zapłonowej, który zapali mieszankę.

Po samozapłonie części mieszanki (rys. 16b), powstały w komorze spalania drugi front płomienia przemieszcza się z prędkością 10 do 15 razy większą od prędkości frontu płomienia pochodzącego od świecy zapłonowej i w kierunku przeciwnym do niego. Ciśnienie w komorze spalania rośnie szybciej niż przy spalaniu normalnym (przy spalaniu normalnym rośnie z prędkością ok. 6 at na 1ˇ kąta obrotu wału).

W pewnym miejscu komory spalania oba fronty płomieni spotkają się (rys. 16c), czemu towarzyszy powstanie fal ciśnienia. Fale te uderzają w elementy komory spalania oraz zderzają się wzajemnie. Na wykresie ciśnień w komorze spalania zderzenia te są widoczne w postaci pulsacji ciśnienia (rys. 14, krzywa 3) i słyszalne jako charakterystyczne dzwonienia.

Spalanie stukowe cechuje się:
- natężeniem zależnym od tego, jak duża część mieszanki zapala się w wyniku samozapłonu - im więcej, tym mocniej jest to słyszalne
- częstością występowania

Bezpośrednią przyczyną wystąpienia spalania stukowego jest to, że w określonej temperaturze panującej w komorze spalania, benzyna tworząca z powietrzem mieszankę nie ma wystarczającej odporności przeciwdziałającej samozapłonowi. Odporność tę, czyli wspomniane wcześniej hamowanie zjawiska samozapłonu, uzyskiwano kiedyś dodając do paliw tzw. dodatki przeciwstukowe (popularnym dodatkiem był czteroetylekołowiu). W benzynach bezołowiowych wykorzystuje się szczególną odporność niektórych składników benzyn na spalanie stukowe.

Rys. 17. Przykłady tłoków silnika ZI zniszczonych wskutek długotrwale występującego spalania stukowego, o średnim natężeniu: a) zużycie erozyjne części pierścieniowej tłoka, przy krawędzi z denkiem tłoka, b) zużycie erozyjne denka tłoka, w pobliżu krawędzi z części pierścieniową. Zużycie to jest podobne do zużycia kawitacyjnego, czyli z powierzchni są wyrwane cząstki metalu. Strefa takich uszkodzeń może sięga nawet do rowka „olejowego” pierścienia tłokowego. źródło: Kolbenschmidt

Za spalanie stukowe winna może być niższa od deklarowanej liczba oktanowa benzyny lub domieszka oleju napędowego do benzyny. Jednak nawet najlepsza benzyna ma tylko określoną odporność na spalanie stukowe. Jeśli zostaną przekroczone maksymalne, dopuszczalne dla niej temperatury w komorze spalania, też spali się stukowo.

Czynnikami zwiększającymi ryzyko spalania stukowego są te, które zwiększają temperatury i ciśnienia panujące w komorze spalania. Te, które obniżają temperatury i ciśnienia panujące w komorze spalania, zmniejszają niebezpieczeństwo spalania stukowego. Wszystkie czynniki są zestawione w tabeli. Jest ich wiele. W klasycznych układach zapłonowych nie można było uwzględnić większości z nich, dlatego np. firma Bosch zalecała dla potrzeb normalnej eksploatacji samochodu dobierać kąty wyprzedzenia zapłonu o 5Ö8ˇ OWK mniejsze (późniejsze) od tych, przy których występują początki spalania stukowego.

Dopiero elektroniczne układy zapłonowe, posiadające czujniki wykrywające drgania przenoszone przez blok silnika, świadczące o spalaniu stukowym, umożliwiają dobranie optymalnego zakresu kąta wyprzedzenia zapłonu dla aktualnych warunków pracy każdego z cylindrów silnika. Spalanie stukowe wykrywane przez wspomniane czujniki ma jeszcze małe natężenie. Dzwonienie mu towarzyszące nie jest dla nas słyszalne, bo zagłusza je pracujący silnik. Lekkie, okresowo występujące spalania stukowe nie są niebezpieczne dla silnika, a nawet korzystne, bowiem pozwalają odbić ze ścianek komory spalania nagar, który może być spalony lub wydmuchany przez zawór wydechowy z silnika.

Często lub trwale występujące spalanie stukowe o większym natężeniu jest szkodliwe dla silnika. Powoduje ono zniszczenie tłoków (rys. 17). Powoduje ponadto wzrost temperatury elementów komory spalania, który może spowodować wystąpienie zapłonów żarowych i kolejne zniszczenia w nich wynikające. Występujące pulsacje i wysokie wartości ciśnienia gazów w komorze spalania dodatkowo obciążają układ tłokowo-korbowy.

 _________________________powrót___________________________