PARAMETRY HOŘENÍ MOTOROVÝCH PALIV VE VÁLCI PÍSTOVÝCH SPALOVACÍCH MOTORŮ Prof. Ing. Stanislav Beroun,CSc., Doc. Ing. Celestýn Scholz, Ph.D., Ing. Josef Blažek Technická univerzita v Liberci Česká republika Souhrn Úspěšná realizace pracovního oběhu v pístových spalovacích motorech (PSM) je do značné míry závislá na zvládnutí základní fáze pracovního oběhu, na přívodu tepla pracovní látce. Hoření směsi paliva se vzduchem ve válci motoru je dnes sice zdánlivě vyřešená záležitost, pokud se však hledají rezervy v technických možnostech pro další zvyšování výkonových, energetických a ekologických parametrů PSM, musí být pozornost zaměřena především na paliva, tvoření směsi paliv se vzduchem, spalovací proces v celém jeho průběhu a na celkovou regulaci motoru. Příspěvek ukazuje na odlišnosti spalovacího procesu v zážehovém a vznětovém motoru, vysvětluje některé příčiny kvalitativních rozdílů v průbězích hoření směsi mezi těmito motory a na změřených indikátorových diagramech, jejich termodynamickém vyhodnocení a statistickém zpracování zjištěných parametrů hoření připomíná rezervy, které má zejména zážehový motor z hlediska iniciace spalovacího procesu a následného průběhu hoření směsi. Úvod Hoření směsi paliva a vzduchu ve válci pístového spalovacího motoru je velmi složitý fyzikálně-chemický proces, který většinou zůstává (právě pro celkovou obtížnost dějů) dosti stranou od ostatních úloh, které se na pístovém spalovacím motoru řeší. Celkem zvládnutou záležitostí je sledování průběhu hoření podle změny tlaku ve válci (vysokotlaká indikace), další možnost poskytují technicky mnohem náročnější metody přímého pozorování (vizualizace) dějů ve válci motoru nebo metody založené na chemické analýze vzorků odebíraných v jednotlivých fázích hoření přímo ze spalovacího prostoru. Speciální výpočtové simulační metody spolu s kombinací experimentálních metod představují dnes zřejmě špičkový aparát pro řešení různých problémů kolem spalovacího procesu v pístových spalovacích motorech. Převážná většina úloh s nejtěsnější vazbou na průběh hoření se však dnes řeší stále "klasickými" výzkumnými metodami, především s pomocí indikace průběhu tlaku ve válci. Zpracováním indikátorového diagramu se získá materiál, umožňující podle rozsahu formulovat poznatky o určitých
1
souvislostech charakteristik průběhu hoření, provozního režimu motoru, podmínkách ve válci motoru, kvality směsi a pod. Většinou se však nehledají souvislosti fyzikálně-chemické povahy, které určují základní charakter hoření. Důvodem bývá skutečnost, že teorie pístových spalovacích motorů tyto záležitosti pouze připomíná, blíže se jimi však nezabývá. Spalovacím procesem se rozumí rychle probíhající chemická oxidační reakce směsi paliva a vzduchu (kyslíku). Ve válci pístového spalovacího motoru se tento děj uskutečňuje v podmínkách rychle se měnících teplot i tlaků směsi. Má jiný průběh u motorů zážehových a jiný u motorů vznětových, závisí na specifických vlastnostech použitého paliva (benzin-plyn-nafta), na způsobu tvoření směsi a na její kvalitě (homogenitě, bohatosti) a na iniciaci spalovacího procesu. K vysvětlení oxidačních reakcí uhlovodíkového paliva v pístových spalovacích motorech se všeobecně přijímají teorie tepelné iniciace spolu s teorií tzv. aktivovaných částic a řetězových reakcí. Po iniciaci spalovacího procesu následují reakce jednotlivých složek paliva a vzduchu, probíhající s jednoduchými nebo rozvětvenými řetězci chemických změn až do konečných produktů hoření. Z míst vzniku plamene se oxidační proces šíří působením tepelných i chemických stránek jevu, přičemž v pohyblivém pásmu reakce zajišťuje probíhající oxidace vznik dalších aktivovaných částic, které pronikají do nespálené směsi. Celý oxidační proces sestává z řady probíhajících elementárních reakcí, přičemž bývá charakteristické rozvětvení a vzájemná vazba jednotlivých pochodů. Teorie řetězových reakcí ukazuje postup a průběh spalovacího procesu v jeho složitostech: do konečných produktů hoření se palivo nedostává přímo, spalovací proces se vyznačuje vznikem celé řady meziproduktů, z nichž zásadní význam pro postup hoření mají již zmíněné aktivované částice. Je prokázáno, že vlivem teploty a tlaku vzduchu ve válci motoru se molekuly uhlovodíkového paliva, které přišly do styku s kyslíkem, mění na reaktivní sloučeniny s labilní peroxidovou vazbou (-O-O-), peroxidy (ROOR) a hydroperoxidy (ROOH). Tento proces je možno sumárně vyjádřit vztahem, kdy v prvním kroku vzniká metastabilní alkylperoxiradikál (ROO•) a následně pak další peroxidy a hydroperoxidy: CxHy + O2 → ROO• → (ROOH) + (ROOR) Peroxidy (ROOR) a hydroperoxidy (ROOH) jsou stabilní pouze v určitém rozsahu teplot a tlaku hořlavé náplně (tj. paliva a vzduchu) válce. Mimo tyto meze se vytvořené sloučeniny dále rozpadají, přičemž rozpad může probíhat podle rozdílných schémat: -
Rozpadem peroxidů vznikají energeticky bohaté aktivované částice - volné radikály, které iniciují průběh dalších řetězových reakcí spojených s uvolňováním velkého množství tepla ROOH → RO• + •OH .
2
-
V zónách předoxidačních reakcí pak dochází především k reakcím a rozkladu alkylperoxiradikálů s vytvářením relativně neaktivních aldehydů, ketonů a olefinů ROO• → (R-CHO) + (R-CO-R) + (R-CH = CH-R) .
Chemická stránka iniciace hoření a průběhu spalovacího procesu je velice složitá, význam tvorby peroxidů a radikálů v probíhajících chemických reakcích je z hlediska rozběhu a kinetiky hoření ale obecně považován za klíčový. Z motorářského hlediska jsou procesy iniciace hoření zajímavé především celkovou dobou jejich trvání: vzájemné souvislosti hlavních fyzikálních parametrů počátku hoření vyjádřuje Semenovův empirický vztah /1/
τ ⋅ p ⋅e n
τ
T p n
E R
−
E R⋅T
= konst
... průtah vznícení (zážehu), tzv. indukční doba ... teplota směsi ... tlak směsi ... řád reakce (obvykle 1 < n < 2) ... aktivační energie ... univerzální plynová konstanta
Průtah vznícení (indukční doba rozběhu oxidačních reakcí) závisí na struktuře molekul paliva, ovlivňují ji však i další podmínky (směšovací poměr, celková tepelná bilance v tvořícím se ohnisku zapálení či vznícení a pod.) a dynamika iniciačního procesu. Při srovnatelných podmínkách je doba rozběhu určena především velikostí aktivační energie. Vysvětlení mechanizmu zapálení (vznícení) směsi je založeno na podmínce, že nejprve musí stoupnout energetická hladina molekul směsi (∼ R ⋅ T ) nad hodnotu aktivační energie v určitém objemu směsi tak, aby předoxidačními reakcemi ve směsi vznikla potřebná počáteční koncentrace aktivovaných částic (aktivních radikálů), nutných ke vzniku otevřeného plamene a následného samovolného pokračování řetězových reakcí v již hořící směsi. Pro uhlovodíková paliva se velikosti aktivačních energií pohybují v rozsahu 20 - 400 MJ/kmol: např. pro naftu se uvádí aktivační energie ve velikostech kolem 45 MJ/kmol, benzinová paliva mají aktivační energii 90 - 150 MJ/kmol, plynná uhlovodíková paliva potom v rozsahu 250 - 400 MJ/kmol. Při zvyšování teploty směsi se aktivační energie snižují (pro benzinová paliva uvádí Vojnov snížení až na 40 MJ/kmol): zvýšená vnitřní energie směsi (tj. vyšší kinetická energie tepelného pohybu molekul) přispívá k snadnějšímu překonání energetického potenciálu, potřebného k rozběhu reakce. Jednotlivé chemické procesy při hoření uhlovodíkových paliv jsou vedle oxidace potom spojeny i s krakováním, dehydrogenací a polymerizací uhlovodíkových molekul: v podmínkách spalovacího procesu ve válci motoru tak nově vznikají i organické sloučeniny, které v původním palivu nebyly a které se často objevují jako nespálené uhlovodíky ve výfukových plynech. Možnosti postupu jednotlivých chemických reakcí pro složitější molekuly 3
uhlovodíkových paliv jsou tak rozmanité, že lze jen velmi těžko (a poměrně nepřesně) určit hlavní, rozhodující průběh oxidace. Z hlediska celkového hodnocení spalovacího procesu v pístových spalovacích motorech různých typů (vznětových, zážehových) je nutno zřetelně odlišit spalovací procesy jak podle iniciace tepelné oxidační reakce, tak podle způsobu tvoření a kvality směsi: Iniciace spalovacího procesu v zážehových motorech probíhá mechanizmem vysokoteplotního vznícení velmi malého objemu připravené směsi. Intenzivní místní zvýšení teploty ve velmi malém objemu zápalné směsi, vyvolané elektrickým výbojem na elektrodách zapalovací svíčky, nastartuje předoxidační reakce, při kterých vznikají tzv. aktivované částice a po vytvoření jejich dostatečné koncentrace celý proces vrcholí vznikem ohniska zážehu. Z ohniska zážehu se hoření začíná rozšiřovat účinkem přestupu tepla a postupným zvyšováním koncentrace produktů předoxidačních reakcí v oblasti těsně před zónou hoření v ohnisku zážehu: koncentrace aktivovaných částic v nespálené směsi se zvyšuje jednak teplotním účinkem (vedením tepla) z čela plamene, jednak do nespálené směsi pronikají aktivované částice i ze zóny hoření. Tím se vytváří vhodné podmínky pro šíření plamene do okolní směsi: postup plamene až do úplného vyhoření směsi v celém objemu spalovacího prostoru (válce motoru) je zajištěn šířením a rozvojem oxidačních reakcí nejprve z ohniska zážehu a následně i z dalších oblastí postupujícího hoření. Velmi důležitým požadavkem pro zabezpečení tzv. normálního průběhu hoření připravené směsi v zážehových motorech jsou takové chemické vlastnosti paliva, které minimalizují možnost samovolného vznícení v dalších ohniscích vznícení ve směsi účinkem vysoké teploty a koncentrace aktivovaných částic: tyto vlastnosti paliv pro zážehové motory se vyjadřují tzv. antidetonační odolností (oktanovým, příp. metanovým číslem). Pro potlačení náchylnosti k detonačnímu spalování směsi se využívají i různá konstrukční opatření ve válci motoru (kompresní poměr motoru, tvar a umístění spalovacího prostoru, umístění zapalovací svíčky apod.) a regulace předstihu zážehu. Iniciace spalovacího procesu ve vznětových motorech probíhá působením dostatečně vysoké teploty stlačeného vzduchu na směs palivových par a vzduchu, vytvořenou kolem (nebo z) velmi malých kapek paliva, které bylo vysokým tlakem vstřiknuto do spalovacího prostoru ve válci motoru na konci kompresního zdvihu. Použité palivo musí mít přitom vhodné fyzikálněchemické vlastnosti, aby účinkem kompresní teploty a tlaku vzduchu došlo k rozpadu paprsku vstřikovaného paliva do velmi malých kapek a po odpaření relativně malého množství rozprášeného paliva k rozběhu předoxidačních reakcí, jejichž výsledkem vznikne po relativně krátké době (průtahu vznícení, během kterého se vytvoří taková koncentrace aktivovaných částic, která zajistí přechod z endotermického charakteru reakcí do výrazně exotermických dějů) značné množství ohnisek vznícení, prostorově rozložených zpravidla v celém objemu spalovacího prostoru (mechanizmus tzv. nízkoteplotního vznícení). Vznícení směsi místním rozběhem tepelných oxidačních procesů ve větším
4
počtu ohnisek téměř současně (v podmínkách heterogenní směsi - tj. paliva v kapalné i plynné fázi, rozptýleného do vzduchu ve spalovacím prostoru) a následný rozvoj hoření z těchto ohnisek do ostatních míst spalovacího prostoru spolu se vznikem dalších (nových) ohnisek vznícení podle podmínek postupného tvoření heterogenní směsi (při vstřikování paliva do již hořící směsi) zajišťují relativně rychlé a účinné vyhoření vstřiknuté dávky paliva. U vznětových motorů mají na průběh spalování velký vliv tepelné, tvarové a vírové vlastnosti spalovacího prostoru a především způsob a kvalita vstřikování paliva: vhodnost paliva pro vznětové motory potom vyjadřuje cetanové číslo. Významnými parametry hořící směsi jsou teplota oxidačních reakcí a rychlost čela plamene: je jim proto věnována značná pozornost teoretického i experimentálního výzkumu /1/. Teorie chemické kinetiky hoření určuje pro podmínky izobarického hoření teplotu oxidačních reakcí (hoření) TH podle maximální teploty spalin TM za zónou hoření, snížené o tzv. charakteristický teplotní interval oxidačních reakcí (TH je „střední“ rovnovážná teplota procesů oxidačních reakcí): TH = TM −
R 2 ⋅ TM . E
Ve válci pístového motoru jsou ovšem specifické podmínky, které se od teoretických předpokladů odchylují. Teplotu v zóně hoření a teplotu spalin ve válci motoru lze výpočtově odhadnout z termodynamických veličin pracovního oběhu, jak ukazuje obr.1: kalkulace lokálních teplot (směsi, spalin) při hoření
Obr.1: Průběhy teplot v jednotlivých vrstvách při kalkulaci postupného vyhřívání (podle Wiebeho rovnice) náplně ve válci zážehového motoru se spalováním stechiometrické směsi /2/.
5
stechiometrické směsi ve válci zážehového motoru ukazuje změny teplot v celkem 10 vrstvách (silnější křivka znázorňuje průběh teploty náplně válce, určený s předpokladem homogenního teplotního pole v celé pracovní náplni válce). Je zřejmé, že detailní výpočet (s jemnějším dělením oblastí hoření) lokálních teplot by mohl ještě zpřesnit hodnoty maximálních teplot spalin TM i teplot hoření TH , s významnější zvýšení teplot se již ale nepředpokládá. Při vyšetřování rychlosti postupu čela plamene jsou v teoretickém výzkumu nejčastěji sledována dvě hlediska: - V prvním je určujícím činitelem rychlost přestupu tepla z čela plamene do nespálené směsi, která ovlivňuje rozvoj chemických reakcí - tato teorie se nazývá tepelnou. - Druhý pohled předpokládá, že hlavní roli hraje proces difuse aktivovaných částic ze zóny hoření do nespálené směsi před čelem plamene a tento proces určuje rychlost rozvíjení řetězových reakcí - jde o tzv. teorii difusního šíření plamene. Procesy přestupu tepla a difuse jsou velmi podobné a dávají i kvalitativně stejné výsledky v teoretických řešeních zákonitostí rychlostí šíření plamene. Přestup tepla z čela plamene a procesy difuse aktivovaných částic ze zóny hoření do nespálené směsi jsou nepochybně určujícím činitelem na rychlost šíření plamene a rychlost vyhořívání náplně válce. Rychlost šíření (postupu) plamene v nepohyblivé směsi popisuje vztah pro tzv. laminární rychlost λ v PL − L = konst ⋅ ⋅w cV ⋅ ρ λ ... tepelná vodivost hořlavé směsi cV ... měrná tepelná kapacita hořlavé směsi ρ … hustota hořlavé směsi v PL .. rychlost postupu plamene w ... rychlost hoření (oxidačních reakcí), závislá na teplotě a koncentraci směsi v zóně hoření λ Výraz = k M vyjadřuje difusní vlastnosti (koeficient molekulární difuse k M cV ⋅ ρ určuje tzv. teplotní vodivost prostředí), rychlost hoření v zóně plamene (tj. rychlost uvolňování tepla) je určena známým vztahem
w = A ⋅ (a0 − z ) ⋅ e n
A a0 z n
−
E R⋅Tpl
... konstanta (je úměrná počtu srážek molekul reagujících složek ve směsi) ...počáteční koncentrace paliva ve směsi ... využitá koncentrace paliva ve spalované směsi ...řád reakcí v plameni: pro směsi uhlovodíkových paliv a vzduchu n ≅ 0,3 ÷ 0,5
E ... aktivační energie R ... univerzální plynová konstanta
6
Tpl ... teplota plamene v zóně hoření (teplota hoření TH)
Výsledek řešení ukazuje, že: 1. Rychlost postupu plamene v PL − L je úměrná rychlosti chemických reakcí při teplotě plamene. Rychlost šíření plamene v podmínkách nepohyblivého prostředí, tj. tzv. laminární rychlost plamene, dosahuje velikosti pouze několika m/s. 2. Změna rychlostí reakcí v zóně plamene a změna teplotní vodivosti směsi ovlivňují rychlost šíření plamene stejným způsobem. 3. Z výsledku lze usuzovat na rozdílný vliv rychlosti reakcí a teplotní vodivosti na šířku zóny plamene: zvýšení reakčních rychlostí vede ke zmenšení zóny plamene v důsledku zvětšení teplotního gradientu, zvýšení teplotní vodivosti způsobí pokles teplotního gradientu a vede ke zvětšení rozměru zóny plamene. Významnou roli na průběh vyhořívání náplně válce má pohybový stav směsi ve spalovacím prostoru. Rychlost šíření plamene i hmotnostní rychlost vyhořívání směsi se výrazně zvyšují v případech, kdy hořící směs je ve stavu intenzivního víření (turbulence): v pístových rychloběžných zážehových spalovacích motorech je doba hoření směsi řádově v ms a to při rozměrech válce či spalovacího prostoru ukazuje na rychlosti šíření plamene ve velikostech cca (30 - 40)m/s , tedy mnohonásobně vyšších než vykazuje laminární typ hoření. Je to způsobeno především tím, že v zóně laminárního plamene jde o ustálené teplotní pole, zatímco v turbulentní zóně spalování se rozložení teplot neustále mění v důsledku pulzujícího charakteru turbulentní difuse. Procesy v zóně turbulentního spalování mají v podstatě nahodilou povahu, což velmi ztěžuje jejich teoretický i experimentální výzkum. U laminárního hoření jde o celistvou frontu plamene s jednoznačnou normálnou rychlostí v L , při turbulentním spalování je zóna hoření značně (více nebo méně) rozsáhlá, fronta plamene je silně deformovaná a často rozdělená na velký počet samostatných ohnisek. Průběh i dokončení spalování jsou silně závislé na rychlostech chemických reakcí v zóně turbulentního plamene i na charakteru a intenzitě turbulence. Intenzita turbulence se posuzuje v∗ součinitelem k = , kde v v ∗ ... střední kvadratická rychlost proudění, stanovená z jednotlivých odchylek ∆v od střední rychlosti: v∗ =
å ( ∆v)
2
,
v ... střední rychlost proudění.
Dalším parametrem turbulence je střední dráha l ∗ , kterou elementy turbulence (vírové útvary) proběhnou, než znovu ztratí svoji individuální povahu a nezaniknou ve svém okolí. Součin l ∗ ⋅ v ∗ potom představuje koeficient turbulentní difuse k T se stejným významem jako koeficient molekulární difuse kM : k M = 0,7 ⋅ l ∗ M ⋅ v ∗ M . l ∗ M je volná dráha molekul a v ∗ M je střední kvadratická rychlost molekul. 7
Rozdíl mezi molekulární a turbulentní difusí se vysvětluje jako rozdíl mezi přenosem jednotlivých molekul a vynášením celých elementárních objemů. Velikosti k M a k T se odlišují řádově: k M ≈ 2 ⋅ 10 −6 m 2 s −1 - již pro relativně nízkou intenzitu turbulence je potom velikost k T ≈ 500 ⋅ 10 −6 m 2 s −1 . Rychlost šíření turbulentního plamene vychází analogicky z teorie laminárního hoření. Rovnici pro rychlost postupu turbulentního hoření lze napsat ve tvaru v PL − T = konst ⋅
(k
M
+ kT ) ⋅ w .
Při stejné rychlosti oxidačních reakcí se změní účinkem turbulence rychlost postupu plamene v poměru
v PL − T k = 1+ T . v PL − L kM
Uvedený vztah platí pro případ nízkoturbulentního rozvíření, kdy je střední dráha elementů turbulence l ∗ srovnatelná se šířkou zóny plamene δ pl . V případě že l ∗ ≥ δ pl , dochází k výraznému zvětšení plochy čela plamene a na zdeformovaném čele či nových ohniscích hoření při proniknutí elementárních objemů hořící směsi ze zóny hoření do nespálené směsi se oxidace zrychluje v souvislosti se zvětšením povrchu plochy hořících objemů: vlivem turbulentní difuse se rychlosti šíření plamene ve spalovacích prostorech rychloběžných zážehových motorů zvyšují na již zmíněnou velikost 30 - 40 m/s. Úroveň turbulencí ve válci motoru je zčásti závislá na konstrukčním uspořádání vstupních ventilů (rozvíření náplně příčným „tumble“ vírem a tangenciálním „swirl“ pohybem náplně válce), výrazný vliv na turbulentním rozvíření náplně ve spalovacím prostoru má radiální „squish“ víření, vyvolané během kompresního zdvihu (zejména v jeho závěru) vytlačováním části náplně z okrajových částí válce do spalovacího prostoru. Intenzita radiálního „squish“ víření je potom závislá především na konstrukčním řešení (tvaru, velikosti a umístění) spalovacího prostoru /3,4/. Vliv na rychlost postupu čela plamene od ohniska zážehu ve válci motoru má samozřejmě i expanze spalin, které po vyhoření směsi rychle zvětšují svůj objem v důsledku výrazně vyšší teploty: přesto turbulence zřejmě zůstává určujícím činitelem pro zajištění dostatečně rychlého postupu vyhořívání směsi ve válci zážehového motoru. Spalování připravené (homogenní) směsi v zážehových motorech Zážehové motory (benzinové, plynové) pracují převážně s vnějším tvořením směsi, tzn., že do válců motoru přichází směs ve stavu velmi pokročilé připravenosti: k dokončení tvoření a homogenizace směsi ve válci motoru (v případě benzinu potom i jeho úplné odpaření a promísení palivových par se vzduchem) je k dispozici relativně dlouhá doba celého plnicího zdvihu a podstatná část zdvihu kompresního.
8
Kinetické spalování homogenní připravené směsi a zdánlivě jednoznačné podmínky pro zážeh i následné hoření jsou ale ve skutečnosti komplikovány řadou vlivů, které způsobují špatnou reprodukovatelnost pracovních cyklů, projevující se jejich velkou variabilitou. Příčiny variability jsou zejména v proměnlivosti podmínek při vlastním zážehu: pohyb náplně (směsi) v těsné blízkosti jiskřiště ovlivňuje koncentraci produktů předoxidačních reakcí i ionizaci prostředí v průběhu VN výboje (v tvořícím se ohnisku zážehu) a zřejmě se projevují i změny ve složení zažehované směsi v okolí ohniska zážehu působením zbytků spalin z předcházejícího cyklu. Velký vliv jak na rozběh hoření, tak na jeho další průběh, má turbulentní pohyb směsi ve válci (spalovacím prostoru) motoru. Určitá zlepšení pro počáteční fázi hoření, tj. pro zážeh, má zvýšení energie přivedené do VN výboje (např. u benzinových motorů má VN výboj energii cca 10 mJ, u větších plynových motorů má VN výboj energii až 120 mJ) - stále však jde o jedno ohnisko zážehu. V turbulentním prostředí spalovacího prostoru vznikají sice v důsledku turbulentní difuse hořících elementů do nespálené směsi druhotná ohniska zážehu a jejich počet potom určuje celkový charakter hoření, nahodilost těchto jevů a relativně malý počet dalších ohnisek zážehu nemohou zajistit dostatečnou reprodukovatelnost (stabilitu) pracovních cyklů z hlediska průběhu hoření směsi. Na obr.2 až 6 jsou záznamy z měření průběhů tlaku ve válci několika typů zážehových motorů s různými palivy, které zřetelně ukazují výraznou variabilitu jejich pracovních cyklů. 6
tlak [MPa]
5 4 3 2 1 0 330
345
360
375
390
405
420
435
úhel KH
Obr.2: Průběhy tlaku v 5 náhodně vybraných pracovních cyklech moderního zážehového motoru se spalováním stechiometrické směsi (λ=1) benzinvzduch (ustálený provozní režim, n=5000 1/min, pe=0,80 MPa, zapalovací energie VN výboje cca 10 mJ) – měření /7/. Rozkmitání průběhu tlaku v oblasti hoření směsi bylo způsobeno pulsacemi v krátkém přívodním kanálku pod tlakovým snímačem.
9
4,5 4
tlak [MPa]
3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 330
345
360
375
390
405
420
435
úhel KH
Obr.3: Průběhy tlaku v 5 po sobě následujících pracovních cyklech plynového přeplňovaného zážehového motoru se spalováním velmi chudé směsi (λ>>1) vzduch-LPG (ustálený provozní režim, n=2000 1/min, pe=0,582 MPa, zapalovací energie VN výboje cca 45 mJ) – měření /7/. 90 80 70
tlak [bar]
60 50 40 30 20 10 0 -60
-40
-20
0 20 úhel KH
40
60
80
Obr.4: Průběhy tlaku ve vybraných pracovních cyklech s maximální, střední a minimální hodnotou spalovacího tlaku. Plynový přeplňovaný zážehový motor se spalováním extrémně chudé směsi (λ=2,33) vzduch-vodík: výběr ze souboru 150 po sobě následujících pracovních cyklů (ustálený provozní režim, n=1500 1/min, pi=1,237 MPa, ∆ppl=180 kPa, αzáž=100 před HÚ, NOx=28 ppm) měření /7/.
10
Tlak ve válci (MPa)
6
4
2
0 330
360
390
420
Pootočení klikového křídele (°KH)
Obr.5: Průběhy tlaku ve vybraných pracovních cyklech s maximální, střední a minimální hodnotou spalovacího tlaku. Plynový nepřeplňovaný zážehový motor se spalováním stechiometrické směsi (λ=1) vzduch-NG: výběr ze souboru 150 po sobě následujících pracovních cyklů (ustálený provozní režim, n=1400 1/min, pe=0,752 MPa, zapalovací energie VN výboje cca 40 mJ) - /7/.
Tlak ve válci (MPa)
8
6
4
2
0 330
360
390
420
Pootočení klikového křídele (°KH)
Obr.6: Průběhy tlaku ve vybraných pracovních cyklech s maximální, střední a minimální hodnotou spalovacího tlaku. Plynový přeplňovaný zážehový motor se spalováním chudé směsi (λ=1,4) vzduch-NG: výběr ze souboru 150 po sobě následujících pracovních cyklů (ustálený provozní režim, n=1400 1/min, pe=0,792 MPa, zapalovací energie VN výboje cca 40 mJ) – měření /7/. 11
Měření na plynových motorech podle obr. 5 a 6 bylo provedeno na jednom fyzickém provedení motoru se stejným kompresním poměrem ε=12 a stejným tvarem spalovacího prostoru, stejným zapalovacím systémem a stejným předstihem zážehu, odlišnost byla pouze v seřízené bohatosti směsi, tlaku v plnicím potrubí motoru a nastavení škrticí klapky při kvantitativní regulaci motoru. Je zřejmé, že rozdíly v průbězích tlaků (a tedy i v průběhu spalování hořlavé směsi ve válci) mezi oběma koncepčně odlišnými zážehovými motory jsou velmi malé – variabilita cyklů se v obou případech odlišuje nevýznamně. Spalování nepřipravené (heterogenní) směsi ve vznětových motorech Vznětové (naftové) motory pracují vždy s vnitřním tvořením směsi, tzn. že do válců motoru přichází pouze čerstvý vzduch a teprve na konci komprese se do spalovacího prostoru začne vstřikovat palivo: po vytvoření určitého objemu směsi kolem kapek paliva z počátku vstřikování dojde ke vznícení tvořící se směsi v mnoha místech spalovacího prostoru téměř současně. Hoření probíhá za současného tvoření směsi a tedy v prostředí, kde se vedle již vytvořené směsi nachází současně i kapky vstřiknutého paliva – spalovací proces ve vznětovém motoru se proto označuje jako spalování heterogenní směsi. Ve vznětovém motoru se spalovací proces vysvětluje jako kombinace kinetického hoření směsi (tj. směsi, vytvořené z části paliva, vstřiknutého na samém počátku dodávky paliva), a difusního hoření směsi, vytvářené již za jejího současného spalování. Kinetické hoření probíhá v místech, kde byla připravená (a prakticky homogenní) směs, vytvořená smísením odpařeného paliva z povrchu kapek vstřiknutého paliva. Kinetický průběh po spálení (vyčerpání) připravené směsi přejde do difusního hoření směsi tak, že zóna plamene se udržuje v místech, kde je vzájemnou difusí palivových par a vzduchu vytvářena směs blízká stechiometrickému složení. Difusní hoření probíhá v těchto podmínkách při vysoké teplotě a s relativně velkou rychlostí. Tím, že spalovací proces ve vznětovém motoru začíná v mnoha místech spalovacího prostoru a že podobným mechanizmem pokračuje hoření postupně vstřikované dávky paliva, vyznačuje se spalovací proces vznětových motorů vysokou mezioběhovou stabilitou: ta je zajištěna velkým množstvím energie, uvolněné kinetickým hořením v ohniscích vznícení na začátku spalovacího procesu (cca 200 J - odpovídá spálení vstřiknutého objemu cca 6 mm3 nafty), rozvojem hoření z mnoha ohnisek rozložených po celém objemu spalovacího prostoru a další postupnou aktivací nových ohnisek v závislosti na průběhu vstřikování dávky nafty (odhaduje se, že počet ohnisek v celém průběhu vyhořívání náplně je cca 104 -105). Zjišťovaná stabilita je tedy statistickým výsledkem - působením statistických zákonitostí v souboru velkého počtu samostatných pochodů z jednotlivých ohnisek vznícení. Na obr.7 jsou záznamy z měření průběhů tlaku ve válci přeplňovaného vznětového motoru, které zřetelně ukazují velmi malou variabilitu pracovních cyklů: stejný charakter je i u nepřeplňovaných vznětového motorů.
12
13 12 11 10
tlak [MPa]
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 300
320
340
360
380
400
420
440
úhel KH
Obr.7: Průběhy tlaku ve vybraných pracovních cyklech s maximální, střední a minimální hodnotou spalovacího tlaku. Přeplňovaný vznětový motor: výběr ze souboru 150 po sobě následujících pracovních cyklů (ustálený provozní režim, n=1900 1/min, pe=1,40 MPa, λ=1,98, předstřik αvstř=0o) – měření /7/. Parametry spalovacího procesu ve válci PSM Pro popis průběhu hoření směsi ve válci motoru se zpravidla používá Wiebeho charakteristická rovnice hoření, vyjadřující rychlost uvolňování tepla wX při spalování směsi v závislosti na čase, resp. na úhlu pootočení klikového hřídele: grafický průběh této závislosti ukazuje obr. 8. m
æ αx ö Q Hoř wx = ⋅ C ⋅ ( m + 1) ⋅ ç ÷ ⋅e α Hoř è α Hoř ø
æ αx ö − C ⋅ç ÷ è α Hoř ø
(m +1)
wx … přivedené teplo v místě α x pracovního oběhu QHoř … celkově přivedené teplo do oběhu
α Hoř … celková doba hoření směsi ve válci PSM (ve 0KH) C … konstanta, určená podle definovaného konce hoření (pro 99% je C=4,6) m … parametr hoření, určený podle charakteru spalovacího procesu (pro stanovení parametru m se využívá termodynamické analýzy indikátorového diagramu)
Wiebeho charakteristická rovnice umožňuje po úpravě popsat i výrazně odlišné fáze spalovacího procesu, jakými jsou např. kinetický a difusní průběh hoření u nepřeplňovaných vznětových motorů s relativně dlouhým průtahem vznícení: podrobně je tato úprava popsána v /5/. 13
Obr.8: Charakteristické průběhy zákona hoření pro různé hodnoty parametru hoření m Wiebeho rovnice v jednotkovém (bezrozměrném) znázornění. U zážehových motorů se velká variabilita pracovních cyklů projevuje značnou proměnlivostí jak celkové doby hoření αHoř, tak parametru m : pro každý pracovní oběh nabývají parametry m a αHoř hodnot z intervalu a αHoř MIN ≤ αHoř ≤ αHoř MAX . mMIN ≤ m ≤ mMAX Vyhodnocením indikátorových diagramů moderního benzinového motoru (režim jmenovitého výkonu, λ=1) ze souboru 150 po sobě následujících cyklů bylo např. zjištěno, že Wiebeho parametr m dosahuje hodnot 0,85 - 2,65. Celková doba hoření αHoř se potom pohybovala v rozsahu 450 - 1050 KH. Vzhledem k problematickému určení počátku a konce hoření se často sleduje doba hoření pro interval (5% - 95%) přivedeného (uvolněného) tepla: pro uvedený typ zážehového motoru je tato doba hoření v rozmezí 330 - 750 KH. Podobné vlastnosti mají i další typy zážehových motorů: u plynového motoru (režim jmenovitého výkonu, λ=1,40) se parametr m pohybuje v rozsahu od 1,20 - 3,15; celková doba hoření je v rozsahu 550 - 1050 KH (soubor 150 po sobě následujících cyklů). Parametry zákona hoření jsou u zážehových motorů závislé i na vlastnostech spalované směsi: ty určuje především použité palivo, bohatost a kvalita (homogenita) směsi. Obecně platí, že při spalování chudých směsí se doba hoření prodlužuje. Podstatným způsobem mohou ovlivnit průběh spalovacího procesu fyzikálně-chemické vlastnosti paliva: vlastní zkušenosti prokazují, že spalování i velmi chudých vodíko-vzdušných směsí má podobný charakter jako hoření benzino-vzdušných směsí stechiometrického složení nebo hoření chudých směsí zemní plyn-vzduch /6/. U vznětových motorů jsou parametry Wiebeho charakteristické rovnice pro daný provozní režim motoru prakticky konstantní. Moderní vozidlový přeplňovaný vznětový motor má ve jmenovitém režimu hodnoty parametrů hoření m ∼ 0,4 a doby hoření αHoř ∼ 500 KH . Parametry hoření ve válci 14
vznětového motoru jsou závislé především na podmínkách pro tvoření směsi a její následné vznícení: u současných vznětových motorů jsou tyto podmínky určeny zejména vstřikovacími tlaky a stupněm přeplňování motoru („atomizace“ paprsku vstřikovaného paliva, φ d32) i kvalitou paliva. Elementární množství paliva v každém ohnisku vznícení a průběh hoření tohoto paliva je zřejmě možno považovat za samostatné pochody s parametry mi a αiHoř , určenými okamžitými podmínkami ve spalovacím prostoru: výsledný průběh spalovacího procesu z hlediska uvolňování tepla je potom součtem příspěvků z jednotlivých ohnisek; mezioběhovou stabilitu lze potom proto vyjádřit pouze jednou Wiebeho charakteristickou rovnicí hoření se středními hodnotami m a αHoř, určenými s vysokou spolehlivostí (resp. s velice úzkým intervalem spolehlivosti při vysoké pravděpodobnosti pro tyto hodnoty) působením statistických zákonitostí v souboru velkého počtu samostatných pochodů z jednotlivých ohnisek vznícení. Názorně tuto situaci ukazuje schéma na obr.9.
wx= åwi x = f (mi x , αi Hoř )
wi x = f (mi)
wii x =f (mii)
αii Hoř αi Hoř αHoř Obr.9: Schéma zákona hoření (průběhu rychlosti přívodu tepla do oběhu) u vznětového motoru: výsledný průběh wX a celková doba hoření α Hoř jsou součtovou funkcí dílčích dějů ze značně vysokého počtu ohnisek vznícení. Znázornění dvou dílčích pochodů spalování (dvou z mnoha dalších) s parametry wix ,α ix a wiix ,α iix je ve vztahu k výslednému průběhu zakresleno ve výrazně zvětšeném měřítku. Vedle parametrů pro Wiebeho charakteristickou rovnici hoření je důležitým ukazatelem kvality a stability spalovacího procesu ve válci PSM variabilita pracovních cyklů motoru. Variabilita cyklů se zpravidla vyjadřuje jako poměr směrodatné odchylky k průměrné hodnotě daného parametru. Pro střední
15
indikovaný tlak v daném provozním režimu je VARpi =
σ pi . pi
p i : střední indikovaný tlak oběhu určený termodynamickou analýzou a
statistickým zpracováním většího souboru indikátorových diagramů ve vyšetřovaném provozním režimu motoru. σ pi : směrodatná odchylka středního indikovaného tlaku ze statistického zpracování souboru indikátorových diagramů. U moderního benzinového motoru se ve jmenovitém režimu motoru pohybuje hodnota středního indikovaného tlaku jednotlivých cyklů (v souboru 150 po sobě následujících cyklů) v rozsahu 0,823 - 0,929 MPa: průměrná velikost je p i =0,893 MPa, směrodatná odchylka σ pi =0,018 MPa a variabilita středního indikovaného tlaku je VAR pi =2%. S poklesem zatížení motoru se variabilita p i zvyšuje, vysokou variabilitou se potom vyznačuje zejména režim volnoběhu. Termodynamická vyhodnocení indikátorových diagramů z plynových motorů ukazují, že pro bohatost směsi se součinitelem přebytku vzduchu v rozsahu λ=1,4 - 1,45 je hodnota variability VAR pi zpravidla ve velikosti do 2%, zvyšuje se s poklesem zatížení (i když bohatost směsi se v režimech částečného zatížení zvyšuje), ve volnoběhu může být variabilita až několikanásobně vyšší (4-8%). Plynový zážehový motor seřízený na λ = 1 se v režimech plného zatížení vyznačuje sníženou variabilitou VAR pi =1,2%-1,6%; s poklesem zatížení se i u plynového motoru se spalováním stechiometrických směsí zvyšují hodnoty VAR pi (např. volnoběh má VAR pi =9%). Vedle mezicyklové variability středního indikovaného tlaku je zajímavá i variabilita maximálního (tzv. spalovacího) tlaku ve válci. Při vyjádření VARp MAX poměrem směrodatné odchylky σpmax ke střední hodnotě pmax se u zážehových motorů pohybují hodnoty VARp MAX ≈ 8-9%. Např. moderní benzinový motor (λ=1) má při VAR pi ≈2% variabilitu maximálního tlaku VARp MAX ≈ 8-9% (ve 150 cyklech jsou maximální tlaky při hoření směsi v rozsahu 3,1 až 4,95 MPa). U vznětových motorů jsou hodnoty variability středního indikovaného tlaku VAR pi =0,3-0,4% (výjimečně VAR pi ≈1%): proměnlivosti pMAX, i αHoř jsou rovněž velmi malé (např. VARp MAX ≈0,3-0,4%).
Závěr Výzkumné a vývojové práce na PSM rychlosti počátečního hoření v ohnisku dostatečně rychlý a především cyklus od ohniska - pomalý rozběh spalovacího
16
ukazují, že bez výrazného zvýšení vznícení (zážehu) je obtížné zajistit cyklu stejný rozvoj hoření z prvotního procesu a následně nízká rychlost
hoření limitují tepelnou účinnost oběhu. Zvýšení rychlosti oxidačních reakcí v první fázi hoření zajistí celkový nárůst rychlosti vyhořívání náplně válce a jednoznačně vede i k poklesu mezioběhové variability. To je významné především pro zážehové motory – při srovnání kvality všech pracovních oběhů na optimální úroveň, tj. při zvýšení středního indikovaného tlaku z průměrné hodnoty na velikost piMAX v daném provozním režimu, se může celková účinnost motoru zvýšit až o (3-5)%. Vedle zvýšení celkové účinnosti motoru přinese nízká mezicyklová variabilita i novou kvalitu pro optimalizaci seřízení zážehového motoru: po snížení spotřeby paliva dojde v důsledku optimalizace seřízení motoru i ke zlepšení emisních vlastností motoru. Použité prameny, odkazy 1. VOJNOV, A., N.: Procesy sgoranija v bystrochodnych dvigateljach. Mašinostrojenije, Moskva, 1965.
poršněvych
2. BEROUN, S., BROŽ, M.: Teploty náplně válce při kalkulaci postupného vyhořívání směsi. XXXII. mezinárodní konfedrence kateder a pracovišť spalovacích motorů českých a slovenských vysokých škol. VA v Brně, 2001, p. 36-41, pp.6, ISBN 80-85960-27-3. 3. CHMELA, F., BRUNER, G., KNORR, H.: Entwicklungsergebnise an einem aufgeladenen Flüssiggas-Magermotor für Stadtbus. 18. Internationales Wiener Motorensymposium, 1997. 4. BEROUN, S.: Importance of the Combustion Chamber Form for the Quality of the Gas Engines. 7th International Scientific-Technical Conference of Internal Combustion Engines. Technical University of Sofia. Sofia, 18.-20. October, 2000. ISBN 954-90272-3-6. 5. BEROUN, S., POLCAR, M.: Hoření paliva ve vznětovém motoru a možnosti jeho analytického vyjádření. In: Sborník přednášek X. konference o spalovacích motorech s mezinárodní účastí, str. 151-167. Vysoké Tatry, DT Žilina, 1977. 6. KOVÁŘ, Z., BEROUN, S., SCHOLZ, C., BLAŽEK, J., DROZDA, H., SALHAB, Z.: Study on the combustion of hydrogen lean mixture in experimental direkt injection SI engine. World Automotive Congress FISITA 2002, Helsinky 2002. 7. BEROUN, S., SCHOLZ, C., BLAŽEK, J.: Nepublikované materiály z měření na motorech v laboratoři katedry strojů průmyslové dopravy, strojní fakulta, Technická univerzita v Liberci, 1996 – 2001. Poděkování Tento výsledek byl získán za finančního přispění MŠMT ČR v rámci podpory projektu výzkumu a vývoje LN00B073.
17
