Rys. 3. Wpływ obciążenia na wartość współczynnika λ i na koncentrację toksycznych składników spalin CO, CH i NOx w silniku o zapłonie iskrowym (z lewej) i o zapłonie samoczynnym (z prawej) [2].

Wpływ obciążenia i prędkości obrotowej na skład spalin
W silnikach o zapłonie iskrowym wytwarzanie i dostosowanie mocy do obciążenia zewnętrznego jest możliwe w wyniku zmiany położenia przepustnicy mieszanki (silniki gaźnikowe) lub przepustnicy powietrza (silniki z wtryskiem benzyny), które regulują moc silnika ilością spalanej mieszanki. Jest to ilościowa regulacja mocy silnika, ponieważ jej wartość zależy od stopnia napełnienia cylindrów silnika mieszanką regulowanego kątem ustawienia przepustnicy:
- przepustnica zamknięta – pracuje układ biegu jałowego, a silnik wytwarza moc indykowaną, która równoważy moc oporów wewnętrznych silnika przy ustalonej prędkości obrotowej biegu jałowego (moc użyteczna Ne=0, silnik pracuje bez obciążenia zewnętrznego);
- przepustnica całkowicie otwarta – funkcjonuje układ wzbogacający mieszankę do składu dynamicznego λd=0,9, a silnik wytwarza maksymalną moc użyteczną Nemax wskutek maksymalnego napełnienia cylindrów mieszanką o składzie dynamicznym, co odpowiada maksymalnemu obciążeniu silnika.
Obciążeniom częściowym silnika o zapłonie iskrowym odpowiada częściowe otwarcie przepustnicy. Jej przymykanie w miarę spadku obciążenia silnika pogarsza proces wymiany ładunku i zwiększa udział resztek spalin z poprzedniego obiegu w świeżo zassanej mieszance. Nie sprzyja to dobremu spalaniu mieszanki. W związku z tym spadek obciążenia wywiera istotny wpływ na wymagany skład mieszanki, którą trzeba wzbogacać i na przebieg procesu spalania, a w końcowym efekcie na skład spalin oraz stężenie poszczególnych składników spalin.
W zakresie średnich obciążeń, przy zasilaniu mieszanką ubogą o składzie bliskim stechiometrycznemu, stężenie tlenku węgla i węglowodorów jest niskie i utrzymuje się na stałym poziomie (CO zawiera się w granicach do 1,0% obj., a CH około 150 ppm), podczas gdy tlenki azotu NOx uzyskują swoje maksimum. Przy wzroście obciążenia silnika ZI układ zasilania wzbogaca mieszankę do składu dynamicznego λd=0,9 w celu uzyskania jak największej mocy, czemu towarzyszy gwałtowny wzrost emisji tlenku węgla (do 4÷5% obj.) i węglowodorów (do 250÷350 ppm) oraz obniżenie emisji tlenków azotu (rys. 3). Z tego powodu dla silników o zapłonie iskrowym najkorzystniejszym ze względu na wymagania ekologiczne składem mieszanki jest skład stechiometryczny, nazywany też składem ekologicznym.
W silniku o zapłonie samoczynnym zmiana mocy użytecznej Ne w zależności od obciążenia zewnętrznego uzyskiwana jest przez zmianę ilości paliwa podawanego przez układ wtryskowy do cylindrów, w których znajduje się praktycznie jednakowa ilość zasysanego powietrza, jeżeli zmiana obciążenia odbywa się przy stałej prędkości obrotowej. Tak więc moc silnika ZS regulowana jest składem mieszanki paliwowo-powietrznej w bardzo szerokim zakresie (od λbj=8-12 do λgd=1,2-2), co można wyrazić następująco: moc silnika jest funkcją składu spalanej mieszanki (patrz rys. 3). Jest to jakościowa regulacja mocy silnika.
Wpływ obciążenia na skład spalin i emisję poszczególnych składników spalin w silniku ZS jest znacznie mniejszy niż w silniku ZI, ponieważ silnik ZS pracuje zawsze z nadmiarem powietrza. W całym zakresie obciążeń emisja tlenku węgla CO i węglowodorów CH jest wielokrotnie mniejsza i osiąga wartości: CO do 0,1% obj., CH do 40 ppm, natomiast emisja tlenków azotu NOx jest stosunkowo duża i rośnie wraz z obciążeniem silnika.
Niejednorodność tworzonej mieszanki w silniku o zapłonie samoczynnym w pełnym zakresie obciążeń uniemożliwia całkowite spalenie paliwa, wskutek czego tworzy się sadza jako produkt niecałkowitego spalania. Koncentracja sadzy w spalinach rośnie wraz z obciążeniem silnika, ponieważ z coraz to większą dawką podawanego paliwa rośnie udział spalania niecałkowitego. Maksymalną dopuszczalną wartość stężenia sadzy, na tzw. granicy dymienia uzyskuje się przy maksymalnej znamionowej mocy silnika. Przekroczenie dopuszczalnej wartości zadymienia spalin dla danego silnika świadczy o pojawieniu się niedomagań (najczęściej w układzie zasilania) pogarszających przebieg procesów tworzenia się i spalania mieszanki w silniku ZS.
Prędkość obrotowa silnika ma wpływ na warunki przepływu ładunku przez układ dolotowy oraz intensywność jego zawirowania w cylindrze, a tym samym na warunki odparowania paliwa i tworzenia mieszanki. Dotyczy to zarówno silników o zapłonie iskrowym, jak i samoczynnym. Wzrostowi prędkości obrotowej silnika ZI przy stałej wartości współczynnika nadmiaru powietrza λ towarzyszy zmniejszanie się stężenia CO i CH w spalinach. Podobnie jest w silnikach o zapłonie samoczynnym, z tym że w zakresie prędkości obrotowych bliskich maksymalnym (powyżej 0,75 nmax) stężenia CO i CH utrzymują się na stałym poziomie. Tlenki azotu NOx osiągają maksymalne wartości stężeń w zakresie tych prędkości obrotowych, w obszarze których silnik charakteryzuje się najefektywniejszą pracą.


Rys. 4. Wpływ zmiany kąta wyprzedzenia zapłonu i kąta wyprzedzenia wtrysku paliwa na moc (Ne), jednostkowe zużycie paliwa (ge) i koncentrację toksycznych składników spalin CO, CH, NOx oraz C (sadza) w silniku [1]: a – o zapłonie iskrowym, b – o zapłonie samoczynnym.

Wpływ kąta wyprzedzenia zapłonu i kąta wyprzedzenia wtrysku paliwa na skład spalin
Na przebieg procesu spalania, a tym samym na emisję toksycznych składników spalin silnika o zapłonie iskrowym, istotny wpływ wywierają współczynnik składu mieszanki i kąt wyprzedzenia zapłonu (rys. 4a).
Wpływ kąta wyprzedzenia zapłonu na stężenie tlenku węgla i dwutlenku węgla jest praktycznie niezauważalny, niezależnie od kierunku zmian kąta wyprzedzenia zapłonu (przyspieszanie, opóźnianie). W przypadku węglowodorów CH opóźnianie kąta wyprzedzenia zapłonu powoduje spadek ich koncentracji w spalinach, gdyż wzrasta temperatura spalin, w wyniku czego następuje intensywniejsze ich dopalanie w układzie wydechowym.
Na emisję tlenku azotu kąt wyprzedzenia zapłonu ma wpływ podobny, ale tylko w przypadku zasilania silnika ZI mieszankami ubogimi. Związane to jest z obniżeniem się maksymalnej temperatury spalania mieszanki, która wywiera decydujący wpływ na tworzenie się tlenków azotu. Podczas pracy silnika na bogatej mieszance emisja tlenków azotu ograniczona jest niedoborem tlenu w mieszance, dlatego kąt wyprzedzenia zapłonu praktycznie nie wpływa na ich stężenie w spalinach.
W silniku o zapłonie samoczynnym jeszcze kilkanaście lat wstecz kąt wyprzedzenia wtrysku paliwa dobierany był ze względu na maksymalną moc silnika. W chwili obecnej o właściwym doborze kąta wyprzedzenia wtrysku decydują względy ekologiczne. Przy dużych wartościach kąta wyprzedzenia wtrysku uzyskuje się wczesny samozapłon i duże szybkości spalania, efektem czego jest duża moc i małe jednostkowe zużycie paliwa. Jednak zbyt duży kąt wyprzedzenia wtrysku niekorzystnie wpływa na stopień zadymienia spalin i emisję tlenków azotu, powoduje duże przyrosty ciśnień, a przez to „twardą” pracę silnika. Wpływ kąta wyprzedzenia wtrysku na osiągi silnika z wtryskiem bezpośrednim i emisję toksycznych składników spalin przedstawiony jest na rys. 4b.
W celu obniżenia emisji tlenków azotu opóźnia się wtrysk paliwa, co w przypadku silnika niedoładowanego wywołuje zawsze zmniejszenie ekonomiczności silnika i straty mocy, a ponadto wzrost zadymienia spalin i emisji węglowodorów, wskutek niepełnego spalania paliwa.
Te sprzeczne wzajemnie zależności emisji toksycznych składników spalin, hałasu (twardość pracy silnika) i zużycia paliwa wymagają bardzo dokładnego doboru i właściwej regulacji kąta wyprzedzenia wtrysku.
Wzajemne proporcje paliwa i powietrza w mieszance dobierane są przez układ zasilania zgodnie z wymaganą charakterystyką dla danego typu silnika. Zależy to od rodzaju przyjętej optymalizacji pracy silnika: maksymalne osiągi, ekonomiczność pracy, ekologia. Dostarczenie mieszanki do silnika w każdych warunkach pracy o wymaganym składzie zapewnia sprawne funkcjonowanie silnika i osiąganie pożądanych wartości parametrów użytkowych. Współczynniki nadmiaru powietrza (składu mieszanki) λ i AFR są parametrami roboczymi układu zasilania paliwem i zależą od stanu technicznego poszczególnych zespołów i elementów tego układu. W czasie eksploatacji silnika procesy starzenia oraz niewłaściwe obsługiwanie techniczne układu zasilania powodują powstawanie niedomagań zespołów układu i zmianę ich parametrów roboczych, co z kolei powoduje zmianę składu mieszanki i najczęściej obniżenie własności użytkowych silnika (spadek mocy, wzrost zużycia paliwa i toksyczności spalin).


Rys. 5. Wpływ regulacji biegu jałowego na skład mieszanki λ oraz skład spalin CO i CH w silniku o zapłonie iskrowym [2].