Aby wyjaśnić sens używania zaworów recyrkulacji spalin w sterowaniu silników konieczne jest wyjaśnienie podstawowych reguł tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej spalającej się w cylindrze.
Z zasady silniki spalinowe dzielą się w zależności od obiegu termodynamicznego. Pierwszy z obiegów to obieg Otta z 1876 roku. Jest to obieg z doprowadzeniem ciepła w stałej objętości i stanowi teoretyczny pierwowzór obiegu spotykanego w dzisiejszych czterosuwowych silnikach z zapłonem iskrowym (zasilanych benzyną). Drugi z obiegów to obieg Diesla. Jest to teoretyczny model obiegu z doprowadzeniem ciepła przy stałym ciśnieniu. Stanowi on pierwowzór silnika z zapłonem samoczynnym. Jego wynalazcą był Rudolf Diesel (1897). Od jego nazwiska ten silnik, popularnie, nazywa się silnikiem Diesla. Trzecim z obiegów jest obieg łączący cechy dwóch poprzednich, czyli obieg Seiligera-Sabathego. Polega on na doprowadzeniu ciepła początkowo w stałej objętości, a następnie przy stałym ciśnieniu. Obieg ten nazywany jest też obiegiem mieszanym i jest uważany za teoretyczny model obiegu dla nowoczesnych, szybkoobrotowych silników z zapłonem samoczynnym.
Opisane obiegi są modelami teoretycznymi opisującymi przemiany dla gazów doskonałych, bez strat i w całkowicie szczelnych cylindrach. W rzeczywistości jednak obiegi termodynamiczne silników spalinowych różnią się od tych teoretycznych. Przyjąć można w uproszczeniu, że zasada jest taka, że silniki z zapłonem iskrowym pracują według obiegu Otto, natomiast z zapłonem samoczynnym według obiegu Diesla. Podstawową różnicą są w tej kwestii ciśnienia osiągane podczas sprężania gazów w cylindrze i moment doprowadzenia paliwa do wytworzenia mieszanki. Wynika to między innymi z samych właściwości paliwa, które jest spalane.
Spalanie mieszanki
Aby paliwo zostało spalone konieczne jest doprowadzenie odpowiedniej ilości tlenu, który zawarty jest w doprowadzanym do silnika powietrzu. Idealnymi warunkami do spalania mieszanki jest stworzenie proporcji stechiometrycznej, czyli takiej, która gwarantuje dokładne spalenie całego biorącego udział w procesie paliwa. Mieszanka stechiometryczna to taka mieszanka paliwa z powietrzem która gwarantuje całkowite spalanie. W przypadku benzyny na 1 kg paliwa powietrza powinno przypadać 14,7 kg powietrza , natomiast w przypadku oleju napędowego wartość ta w warunkach idealnych wynosi 14,5 kg powietrza na 1 kg paliwa.
Współczynnik lambda (λ) składu mieszanki
Współczynnik lambda jest podstawową wielkością charakteryzującą skład mieszanki paliwowo-powietrznej. Jest to stosunek rzeczywistej masy powietrza, w której spalane jest paliwo, do ilości potrzebnej do całkowitego jego spalenia (ilość stechiometryczna). Stechiometryczną ilość powietrza można obliczyć przez równania reakcji chemicznych.
W przypadku, gdy w spalaniu bierze udział dokładnie stechiometryczna ilość powietrza, mówimy, że współczynnik lambda (λ) równy jest 1. Jeśli powietrza jest w mieszance zbyt dużo, to mamy do czynienia z mieszanką ubogą i wartością λ>1. Jeśli mieszanka jest bogata, czyli występuje w niej nadmiar paliwa, to mówimy o współczynniku λ<1.
Wynika to ze wzoru na współczynnik λ:
gdzie:
L - rzeczywista masa suchego powietrza, w którym następuje spalanie paliwa,
Lt - teoretyczne zapotrzebowanie na suche powietrze.
Współczynnik λ może też być obliczony na podstawie analizy spalin. W tym celu korzysta się z następującego algorytmu:
gdzie:
O2, N2, CO - odział objętościowy danych gazów w spalinach.
Dlaczego współczynnik λ jest taki ważny?
Silniki o zapłonie iskrowym nie pracują dobrze na mieszankach ubogich. W takim przypadku podwyższa się temperatura spalin, a samo spalanie jest wydłużone w czasie podczas rozprężania się gazów nad tłokiem. To powoduje znaczny wzrost temperatury między innymi na wszystkich przeszkodach stojących na drodze gazów wylotowych, czyli przede wszystkim w okolicach gniazd zaworów i zaworów wydechowych skutkując ich zwiększonym obciążeniem cieplnym i ryzykiem trwałego uszkodzenia.
Natomiast sam współczynnik nadmiaru powietrza nie jest tak istotny w silniku wysokoprężnym – tu zapłon paliwa następuje samoczynnie a silnik cały czas pracuje na mieszance ubogiej. To istotna różnica pomiędzy tymi silnikami. Natomiast duży udział tlenu w masie ładunku sprzyja powstawaniu tlenków azotu, co eliminuje się poprzez układy recyrkulacji spalin. Kolejnym czynnikiem jest już sam skład spalin, których poszczególne składniki mają narzucone limity.
Spalanie stechiometryczne w bardzo wąskim zakresie regulacji współczynnika lambda w granicach od 0,997 do 1,003 umożliwia utrzymanie odpowiedniego składu spalin.
Rola zaworu EGR
Podczas procesu spalania wytwarzane są tlenki azotu (NOx). Powstają one, gdy wysoka temperatura spalania umożliwia połączenie azotu i tlenu obecnych w mieszance paliwowo-powietrznej. Aby ograniczyć emisję tych szkodliwych substancji, zawór EGR odbiera spaliny z kolektora wydechowego i wprowadza je ponownie do kolektora dolotowego, mieszając je ze świeżym powietrzem. Powoduje to zmniejszenie ilości tlenu w powietrzu zasysanym przez silnik, co skutkuje obniżeniem temperatury spalania i w efekcie obniżeniem emisji tlenków azotu w spalinach.
Komentarze (0)