Diagnostyka

Zapraszam do lektury cyklu artykułów o szerokopasmowych czujnikach tlenu. Rozpocznę od omówienia procesu spalania. Ktoś może powiedzieć – to już znamy. Proponuję nieco inne spojrzenie na ten proces, tak by następne artykuły uczynić bardziej przystępnymi.

Mieszanka paliwowo-powietrzna
Silniki ZI mogą być zasilane benzyną silnikową, gazem LPG lub CNG. Wymienione paliwa składają się głównie z mieszaniny węglowodorów (HC), czyli związków węgla (C) i wodoru (H2). Benzyny silnikowe zawierają również inne składniki, np. alkohole i etery, konieczne między innymi dla uzyskania wymaganej wartości liczby oktanowej. Niezbędne do powstania mieszanki paliwowo-powietrznej jest powietrze. Składa się ono głównie z tlenu (21% udz. obj.) i azotu (78% udz. obj.). Tlen (O2) pełni funkcję utleniacza w procesach spalania. W naszych rozważaniach przyjmiemy dla uproszczenia, że powietrze jest jedynym źródłem tlenu w mieszance paliwowo-powietrznej, choć znajduje się również w benzynie (do 2,7%). Azot (N2) nie uczestniczy bezpośrednio w procesie spalania, ale wypełnia znaczną część komory spalania silnika, co umożliwia zwiększenie ciśnienia, w którym przebiega proces. Im wyższe są ciśnienie i temperatura, przy których przebiega spalanie, tym sprawniej ono przebiega, co oznacza, że spalając tę samą masę paliwa, uzyskamy więcej energii.

Wielkością charakterystyczną dla każdego paliwa jest teoretyczna masa powietrza potrzebna do spalenia 1 kg paliwa. Jest to masa powietrza, w której znajduje się masa tlenu konieczna do zupełnego i całkowitego spalenia wszystkich składników paliwa. Przez określenie „spalanie zupełne” rozumiemy spalanie, którego produktami są tylko dwutlenek węgla (CO2) i para wodna (H2O). Przez określenie „spalanie całkowite” rozumiemy spalanie, w trakcie którego spalają się wszystkie składniki paliwa – domyślnie węglowodory, bo związki typu węglowodór są głównym składnikiem paliw. Nie są one więc obecne w spalinach.
Teoretyczna masa powietrza potrzebna do spalenia:
- 1kg benzyny – 14,7 kg powietrza (rys. 1);
- 1 kg gazu LPG (propan 50%/butan 50%) – 15,5 kg powietrza;
- 1 kg gazu CNG – 17,2 kg powietrza.

Można ją obliczyć, jeśli znamy skład chemiczny paliwa.

Współczynnik lambda (l) składu mieszanki paliwowo-powietrznej
Skład mieszanki paliwowo-powietrznej, charakteryzuje współczynnik lambda (l) składu mieszanki. Obliczamy go z wzoru:

gdzie:
l – współczynnik lambda składu mieszanki – bezwymiarowy;
mPOW – masa powietrza w mieszance paliwowo-powietrznej [kg];
mPAL – masa paliwa w mieszance paliwowo-powietrznej [kg];
LT – teoretyczna masa powietrza potrzebna do spalenia 1 kg paliwa.

Wartości współczynnika lambda oznaczają:
l = 1,00 – w mieszance paliwowo-powietrznej jest dokładnie tyle tlenu, ile potrzeba do spalenia znajdującego się w niej paliwa; mówimy, że mieszanka ma skład stechiometryczny;
l > 1,00 – w mieszance paliwowo-powietrznej jest więcej tlenu, niż jest potrzebne do spalenia znajdującego się w niej paliwa, a więc część tlenu nie zostanie wykorzystana; mówimy, że jest to mieszanka uboga (w domyśle – w paliwo);
l < 1,00 – w mieszance paliwowo-powietrznej jest miej tlenu, niż jest potrzebne do spalenia znajdującego się w niej paliwa; mówimy, że to mieszanka bogata (w domyśle – w paliwo).

Przebieg spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w silniku ZI
Mieszanka o składzie stechiometrycznym (l = 1,00) teoretycznie spala się w komorach spalania silnika według równania chemicznego:

HC+O2+N2 ® CO2+H2O+N2

Masa tlenu w mieszance stechiometrycznej jest dokładnie taka, jaka jest konieczna do spalenia węgla (C) i wodoru (H2) znajdującego się w paliwie, tak aby produktami końcowymi były tylko dwutlenek węgla (CO2) i para wodna (H2O). Oba gazy są dla nas nieszkodliwe.
Obecnie powszechna jest teza o szkodliwości dwutlenku węgla. Szkodliwość jest, ale tylko pośrednia, w następstwie oddziaływania tzw. efektu cieplarnianego. W bezpośrednim oddziaływaniu dwutlenek węgla nie jest dla nas gazem szkodliwym!
Azot (N2) występujący w reakcji nr 3, główny składnik powietrza, nie wchodzi (w teorii!) w żadne reakcje chemiczne.
W rzeczywistych warunkach proces spalania mieszanki paliwowo-powietrznej, również stechiometrycznej, przebiega inaczej. Przedstawia to uproszczone równanie chemiczne:

HC+O2+N2 ® CO2+H2O+N2+CO+HC+NOX

Proces spalania paliwa w komorach spalania silnika składa się z wielu (ok. 180-200) następujących po sobie reakcji chemicznych – jest to tzw. proces łańcuchowy. Produktami zupełnego i całkowitego procesu spalania węglowodorów (HC) są tylko dwutlenek węgla i para wodna – proces A, rys. 2. Jeśli proces spalania części węglowodorów jest niezupełny, to jego produktami są tlenek węgla (CO) i węglowodory (HC) – proces B, rys. 2. Część węglowodorów nawet nie rozpoczyna procesu spalania, bo nie ma ku temu warunków – przepływają one do spalin. To niecałkowity proces spalania – proces C.
Azot (N2) nie reaguje z tlenem (O2) w temperaturach niższych od ok. 18000C (bez obecności katalizatora). Jednak procesowi spalania w komorze spalania towarzyszą wysokie ciśnienia i, lokalnie, krótkotrwale wysokie temperatury. Jeśli przekracza ona ok. 18000C, wówczas w tych miejscach komory spalania tlen i azot z powietrza reagują ze sobą – proces D. Produktami tych reakcji jest grupa różnych związków tlenu i azotu o nazwie tlenki azotu (NOX). Im wyższa od 18000C temperatura w komorze spalania, tym większa ilość powstających tlenków azotu.
W spalinach silników obecny jest również tlen – proces E, gdyż nigdy całość tlenu znajdującego się w mieszance paliwowo-powietrznej nie jest wykorzystywana podczas spalania (nawet przy spalaniu mieszanek bogatych) lub część tlenu nie jest potrzebna (spalanie mieszanek ubogich). Spaliny zawierają również dużą ilość azotu, gdyż jego większa część, która jest obecna w powietrzu, nie reaguje z tlenem – proces F.

Stefan Myszkowski