SPALANIE W SILNIKU O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM.doc

Od czasu powstania silnika z zapłonem samoczynnym zasadniczym problemem jest właściwie wymieszanie paliwa z powietrzem, od czego zależy uzyskanie dobrej sprawności i dużej mocy silnika. Niedostateczne wymieszanie powoduje przewlekłe i niecałkowite spalanie objawiające się dymieniem silnika, czyli ciemnym zabarwieniem spalin. Dymienie to, na równi z obciążeniem cieplnym, określa osiąganą maksymalną moc wielu silników, zwłaszcza pracujących bez doładowania. W ostatnich latach nastąpił bardzo dynamiczny rozwój silników z zapłonem samoczynnym w zastosowaniu do samochodów osobowych. Silniki te uważane były za mało dynamiczne, hałaśliwe i emitujące dużą ilość tlenków azotu oraz cząstek stałych. Z tego względu ich udział
w napędzie pojazdów osobowych do lat 90 – tych wynosił około 5 – 7%. Lata
90 – te XX wieku przyniosły nowe – pozbawione tych wad – konstrukcje silników
o małym zużyciu paliwa, dużym momencie obrotowym i dużej trwałości. Mniejsze zużycie paliwa niż w silniku z zapłonem iskrowym oraz niższa cena oleju napędowego w porównaniu z benzyną spowodowały, że silniki z zapłonem samoczynnym stały się zdecydowanie bardziej popularne i obecnie stanowią około 25% silników pojazdów osobowych z tendencją wzrastającą. Przykładem nowoczesnego silnika wysokoprężnego o pojemności skokowej 2.0 dm3 stosowanego osobowych jest silnik Opel Ecotec TDI. Silnik samochodu Opel ma zastosowanych wiele nowatorskich opracowań. Najważniejsze z nich to:

§ nowy system sterowania zaworami,

§ układ utrzymujący stabilną temperaturę pracy silnika,

§ rotacyjna pompa wtryskowa o wysokim ciśnieniu tłoczenia,

§ wtryskiwacze pracujące z podwójnym wtryskiem paliwa,

§ system doprowadzania powietrza do cylindrów zapewniający bardzo silne zawirowanie ładunku w komorze spalania,

§ wykorzystanie przedłużonej pracy świec żarowych do wyciszenia pracy silnika i zwiększenia elastyczności jego pracy w stanach nieustalonych.

Silnik wysokoprężny jest nowoczesną jednostką napędową, w której wiele szczegółów jego budowy i pracy sprawia, że może on być uznany za ekonomiczny i przyjazny środowisku.

Rys. 1 Głowica, korpus i miska olejowa czterocylindrowego silnika spalinowego czterosuwowego;

1 – cylinder, 2 – gładź cylindra, 3 – głowica, 4 – komora sprężania, 5 – śruba dwustronna do mocowania głowicy, 6 – uszczelka pod głowicę, 7 – gniazdo zaworu, 8 – kanał wylotowy,
9 – korpus silnika, 10 – prowadnica popychacza, 11 – kanał dolotowy, 12 – miska olejowa

Rys. 2 Mechanizm tłokowo – korbowy oraz rozrządu czterocylindrowego silnika spalinowego czterosuwowego;

1 – wał korbowy, 2 – półpanewki łba korbowego, 3 – pokrywa łba korbowodu, 4 – pokrywa łożyska głównego wału korbowego, 5 – koła zębate napędu rozrządu, 6 – koło pasowe napędu pompy wodnej, 7 – zaczep korby rozruchowej, 8 – korbowód, 9 – tulejka główki korbowodu, 10 – sworzeń tłokowy, 11 – tłok z pierścieniami, 12 – zawór dolotowy, 13 – sprężyna zaworu, 14 – popychacz, 15 – wałek rozrządu, 16 – zawór wylotowy, 17 – koło zamachowe

1.1 Zasady działania silnika czterosuwowego o zapłonie samoczynnym

Silniki czterosuwowe o zapłonie samoczynnym zasuwają do cylindra powietrze i sprężają je tak, aby paliwo wtryśnięte do komory spalania w okolicy GMP uległo samoczynnemu zapłonowi. Jest to możliwe jedynie wówczas, gdy temperatura w chwili wtryśnięcia paliwa przekroczy jego temperaturę zapłonu. Dla silników o zapłonie samoczynnym charakterystyczne jest to, że przygotowanie mieszaniny palnej następuje dopiero w cylindrze. Ponadto silniki te nie wymagają do zapalenia rozpylonego paliwa dodatkowego źródła ciepła1). W chwili pojawienia się pierwszych ognisk samozapłonu nie ma jeszcze w komorze spalania całej dawki paliwa, gdyż wtrysk paliwa jeszcze trwa i paliwo spala się w miarę dostarczania go do cylindra. Istotnym elementem spalania jest tworzenie mieszaniny palnej w całym okresie wtrysku, a także z powodu niedostatecznej jednorodności mieszaniny palnej, konieczność stosowania stosunkowo dużego współczynnika nadmiaru powietrza, wynosi on dla silników wolnossących około 1,3 – 1,5, zaś dla wersji doładowanych przekracza nieraz wartość 2. Dużą rolę w procesie tworzenia mieszaniny palnej odgrywa cały układ wtryskowy, a szczególnie jego parametry 2) oraz konstrukcja rozpylacza. Brak konkretnego miejsca zapoczątkowującego zapłon oraz stosunkowo wysoka temperatura całej masy powietrza powoduje, że ogniska samoczynnego zapłonu występują jednocześnie w kilku miejscach. Dlatego w tych silnikach mówi się o zapłonie wielopunktowym lub wieloogniskowym. Uzyskanie dostatecznie wysokiej temperatury ładunku – powietrza zapewnia się przez zastosowanie dużego stopnia sprężenia.

1) Źródło takie może być wykorzystywane jedynie podczas rozruchu zimnego silnika, w celu podgrzewania powietrza. Stosuje się w cylindrze lub w przewodzie dolotowym świece rozruchowe lub podgrzewacze).

2) Przede wszystkim ciśnienie wtrysku i kąt wyprzedzenia wtrysku. Nazwą, czterosuwowy przebieg pracy, określa się każdy przebieg pracy trwający prze określony czas, w którym tłok wykonuje w cylindrze silnika cztery kolejne suwy, a wał korbowy silnika – dwa całkowite obroty. Powtarzanie się czterosuwowych przebiegów pracy w cylindrach stanowi charakterystyczną cechę działania każdego silnika czterosuwowego – wysokoprężnego lub innego. Powszechnie używa się w tym celu nazwy: suw dolotu, suw sprężania, suw rozprężania, suw wylotu.

Suw dolotu – w którym tłok przy otwartym zaworze dolotowym przemieszczając się z GMP do DMP zasysa do cylindra czyste powietrze z układu dolotowego. W silnikach z zapłonem samoczynnym podgrzewa się niekiedy zasysane powietrze, lecz tylko w ciągu krótkiego czasu dla ułatwienia rozruchu. Jednakże podczas normalnej pracy silnika wchodzące do cylindra powietrze ogrzewa się od gorącego zaworu i od części przewodów ssących stykających się bezpośrednio z gorącym cylindrem.

Suw sprężania – w którym tłok przemieszczając się z DMP do GMP??. Podczas suwu sprężania przy obu zaworach zamkniętych następuje sprężanie zassanego uprzednio powietrza. Przed dojściem tłoka do GZP następuje wtrysk paliwa do wnętrza cylindra, a więc krótkotrwały proces powstawania mieszanki oraz jej spalania.

Suw rozprężania – nazywany także suwem pracy, w którym tłok przemieszczając się z GMP do DMP przy obu zamkniętych zaworach, spaliny wypełniające cylinder wymuszają przesuwanie się tłoka wykonując pracę użyteczną, pod wpływem ciśnienia gazów wywołanego procesem spalania.

Suw wylotu – w którym tłok przemieszczając się z DMP do GMP, przy otwartym zaworze wylotowym, usuwa z cylindra spaliny do otoczenia, wylot spalin odbywa się wskutek powstałej różnicy ciśnień między wnętrzem cylindra a otoczeniem.

Rys. 3 Zasada działania silnika czterosuwowego z zapłonem samoczynnym: a) suw dolotu, b) suw sprężania, c) suw pracy, d) suw wylotu

Zasada działania silnika czterosuwowego z zapłonem samoczynnym charakteryzuje się tym, że ciśnienie sprężania wynosi od 3 – 4,5 MPa przy wzroście temperatury w zakresie 500 – 800°C, a więc powyżej temperatury zapłonu paliwa. Powstające w wyniku spalania gazy osiągają ciśnienie 6 – 10 MPa i temperatura 1600 – 2000°C. W celu zintensyfikowania mieszania się powietrza z paliwem ciśnienie wtrysku jest bardzo wysokie i wynosi zwykle 8 – 30 MPa.

1.2 Zasada działania silnika dwusuwowego o zapłonie samoczynnym

Silniki dwusuwowe w porównaniu z czterosuwowymi mają następujące zalety: duży objętościowy wskaźnik mocy, stosunkowo prostą konstrukcję, mniejszy koszt nowego silnika, bardziej równomierną pracę silnika i mniejsze koszty napraw. W praktyce znacznie częściej są używane dwusuwowe silniki z zapłonem samoczynnym. Cykl pracy tego silnika jest taki sam jak silnika dwusuwowego z zapłonem iskrowym, z tą różnicą, że sprężaniu zamiast mieszanki jest poddawane najpierw tylko powietrze. Dopiero pod koniec suwu sprężania do cylindra zostaje wtryśnięte paliwo. W zależności od sposobu przepłukiwania cylindra tzn. sposobu usuwania z niego gazów spalinowych, rozróżnia się dwa typy dwusuwowych silników z zapłonem samoczynnym:

1. silniki, w których powietrze przepłukujące jest sprężane w oddzielnej sprężarce,

2. silniki, w których powietrze przepłukujące jest sprężane w skrzynce korbowej.

Rys. 4 Zasada działania silnika dwusuwowego z zapłonem samoczynnym: a) tłoczenie powietrza do cylindra i przepłukiwanie go, b) sprężanie powietrza, c) wtrysk i samozapłon paliwa, d) koniec suwu pracy i początek przepłukiwania

1 – wtryskiwacz, 2 – zawór wylotowy, 3 – sprężarka, 4 – kanał powietrzny

Na rysunku przedstawiono schemat pracy dwusuwowego silnika z zapłonem samoczynnym ze sprężarką. Powietrze przedostaje się ze sprężarki do cylindra przez kanał powietrzny – 4 otaczający cylinder z ciśnieniem 0,15 – 0,17 MPa. Wylot gazów spalinowych odbywa się przez zawór wylotowy – 2.

Na początku cyklu tłok przesuwając się od GMP do DMP odsłania okna dolotowe w cylindrze, podczas gdy otwartym zaworem wylotowym – 2 przepływa ,przepłukując cylinder, powietrze tłoczone przez sprężarkę - a). Gdy tłok przesuwa się od DMP do GMP następuje zasłonięcie okien dolotowych i następnie zamknięcie zaworu wylotowego – b). Od chwili tej powietrze jest sprężane i gdy tłok znajduje się z pobliżu GMP – c) następuje wtrysk paliwa, które zapala się wskutek wysokiej temperatury powietrza. Rozprężające się gazy spalinowe powodują ruch tłoka w kierunku DMP – d). Jest to suw pracy. Przed dojściem tłoka do DMP otwiera się zawór wylotowy, którym gazy spalinowe uchodzą na zewnątrz cylindra. Następnie górna krawędź tłoka odsłania okna dolotowe i w silniku rozpoczyna się kolejny cykl pracy.

Rys. 5 Schemat dwusuwowego silnika z zapłonem samoczynnym

Na rysunku przedstawiono schemat dwusuwowego silnika z zapłonem samoczynnym, w którym powietrze przepłukujące jest sprężane w skrzynce korbowej. Obieg pracy w tym silniku jest następujący:

§ Pierwszy suw: tłok przesuwa się od WZP (wewnętrzny zwrotny punkt) do ZZP )zewnętrzne zwrotne położenie tłoka) i zamyka kanały - 1 i 2, przy czy, tłokiem odbywa się sprężanie powietrza uprzednio doprowadzonego do cylindra, a pod tłokiem ssania świeżego powietrza przez samoczynny zawór – 3 do skrzynki korbowej.

§ Drugi suw: tuż przed dojściem tłoka do ZZP pompa wtryskowa – 4 wtryskuje do cylindra przez wtryskiwacz – 5 dobrze rozpylony olej napędowy, który po wymieszaniu się z gorącym powietrzem samoczynnie się zapala. Rozprężające się gazy spalinowe pchają tłok ku WZP, rozpoczynając suw pracy. Pod tłokiem następuje w tym czasie wstępne sprężanie powietrza w skrzynce korbowej. Przy dalszym przesuwaniu się tłoka zastaje odsunięty kanał wydechowy – 2, przez który uchodzą gazy spalinowe, a nieco później kanał 1, przez który ze skrzynki korbowej przedostaje się do cylindra, aż od chwili zamknięcia kanałów 1 i 2 przy ponownym ruchu tłoka ku ZZP.

2 Zasilanie silników paliwem

2.1 Zasilanie paliwem silników wtryskowych

Typowa instalacja paliwowa silnika o zapłonie samoczynnym wyposażona jest w pompę wtryskową, wtryskiwacze oraz regulator prędkości obrotowej, pompę zasilającą, filtr paliwowy, zbiornik, przewody wysokiego i niskiego ciśnienia. Czasem pompa wtryskowa jest wyposażona w przestawiacz kąta wyprzedzenia wtrysku. Część instalacji paliwowej pracująca pod wysokim ciśnieniem jest silnie obciążona mechanicznie. Ściśliwość paliwa i podatność przewodów paliwowych na odkształcenia mogą poważnie wpłynąć na rzeczywisty przebieg wtrysku i spowodować zaburzenia we właściwej pracy silnika. Duże ciśnienie panujące w instalacjach wtryskowych rzędu 1, - 15 MPa wymaga starannego pasowania części współpracujących, szczególnie czystej i starannej obsługi w celu zapewnienia prawidłowego i dostatecznie długotrwałego działania. Układ zasilania silników wysokoprężnych ma za zadanie:

§ Dokładne odmierzanie jednakowych dla wszystkich cylindrów silnika dawek paliwa,

§ Wtryśnięcie paliwa w określonym czasie, gdy w cylindrze panuje odpowiednio wysokie ciśnienie powietrza,

§ Wtryśnięcie strumienia paliwa pod wymaganym ciśnieniem w sposób dostosowany do typu komory spalania.

2.2 Schemat układu zasilania

Rys. 6 Schemat układu zasilania silnika z zapłonem samoczynnym

1 – zbiornik paliwa, 2 – pompa zasilająca, 3 – filtr paliwa, 4 – pompa wtryskowa, 5 – wtryskiwacz, 6 – regulator prędkości obrotowej, 7 – kanał dopływowy

Układ zasilania silnika z zapłonem samoczynnym przedstawiono na rysunku.

Olej napędowy jest zasysany ze zbiornika – 1 pompa zasilającą – 2, mocowaną najczęściej na pompie wtryskowej i od niej napędzaną. Pompa zasilająca tłoczy paliwo przewodem do filtra – 3. Olej napędowy jest doprowadzany do komory zasilania pompy wtryskowej – 4 i przez elementy tłoczące tłoczony przewodami wtryskowymi do wtryskiwaczy – 5. Nadmiar paliwa z pompy jest odprowadzany do zbiornika przez zawór przelewowy, który umieszczony jest w pompie wtryskowej po przeciwnej stronie niż doprowadzenie paliwa do komory zasilania. Zawór ten może być umieszczony w filtrze paliwa. Umieszczenie zawora w pompie wtryskowej jest korzystniejsze, gdyż przy nagrzanym silniku przepływ paliwa przez komorę zasilania chłodzi pompę i chroni przed tworzeniem się pęcherzy parowych. Nadmiar paliwa jest odprowadzany do zbiornika również z wtryskiwaczy.

Układ paliwowy silników z zapłonem samoczynnym wyposażony jest zawsze w pompę zasilającą, a schemat działania tłoczkowej pompy zasilającej przedstawiony jest na rysunku:

Rys. 7 Schemat działania tłoczkowej pompy zasilającej

Na wale krzywkowym pompy wtryskowej umieszczony jest mimośród – 1, który obracając się unosi do góry tłoczek – 10 za pomocą popychacza – 11 z rolką – 2. Zawór wlotowy – 8 jest wtedy dociskany do gniazda i paliwo przepływa przez zawór – 6 i kanał – 4 do komory – 3 cylindra. Przy powrotnym ruchu tłoczka odbywającym się pod wpływem rozprężania się sprężyny – 7 następuje tłoczenie paliwa kanałem 4 i 5 do filtra, jednocześnie z drugiej strony tłoczka odbywa się zasysanie paliwa z kanały wylotowego – 9 przez otwarty zawór – 8. do kanału wlotowego – 5 zostanie podane przez tłoczek tylko tyle paliwa, ile w danej chwili może być przyjęte przez pompę wtryskową.

2.3 Pompa wtryskowa i wtryskiwacze

Samochodowe silniki wysokoprężne i wielo – paliwowe wciąż jeszcze wyposaża się powszechnie w wielosekcyjne pompy wtryskowe. Wielosekcyjna pompa wtryskowa jest to odrębny podzespół wielosekcyjnego urządzenia wtryskowego, scalający konstrukcyjnie sekcje tłoczące i ich mechanizmy napędu oraz sterowania dwóch lub więcej (ok. 12) pełnych układów wtryskowych. Zależnie od wzajemnego usytuowania sekcji tłoczących, wśród wielosekcyjnych pomp wtryskowych ogólnie rozróżnia się: rzędowe pompy wtryskowe, widlaste pompy wtryskowe i walcowe pompy wtryskowe. Wszystkie sekcje tłoczące, wbudowane w wielosekcyjnej pompie wtryskowej, z zasady są skompletowane z elementów składowych o identycznych szczegółach wykonania i powinny działać jednakowo, wskazując takie same parametry użytkowe (ustawienie dawkowania wyprzedzenia tłoczenia). Działanie wtryskowej musi odznaczać się dużą dokładnością. Ze względu na bardzo małą ilość paliwa przypadającą na jeden cylinder podczas jednego cyklu pracy wszystkie części składowe muszą być wykonane bardzo dokładnie. Zaletą pompy wielosekcyjnej jest zwarta budowa, a tym samym mniejszy koszt, wadą natomiast jest znaczna i różna długość przewodów tłoczących, powodująca różnice w przebiegu wtrysku do poszczególnych cylindrów. Najbardziej rozpowszechnioną jest pompa wtryskowa typu Bosch, jest pompą o stałym skoku tłoczka z upustową regulacją wydatku za pomocą otworu przelewowego.

Rys. 8 Pompa wtryskowa typu Bosch

1 – smarowniczka regulatora, 2 – komora paliwowa, 3 – sekcja tłocząca, 4 – zawór tłoczący, 5 – przewód wysokiego ciśnienia, 6 – śruba odpowietrzająca, 7 – pokrywa boczna, 8 – zębatka, 9 – ...

Plik z chomika:

sylwciac27

Inne pliki z tego folderu:

Silniki spalinowe semestr 6.rar (37073 KB)
Charakterystyki silników spalinowych.pdf (2957 KB)
Bilans Cieplny Silnika.doc (53 KB)
Definicja charakterystyki prędkościowej silnika.doc (53 KB)
Jak działa silnik samochodu - podział silników spalinowych.doc (1560 KB)