Silniki tłokowe o spalaniu wewnętrznym/Proces spalania/Proces spalania w silniku ZS

W silniku z zapłonem samoczynnym czynnikiem wywołującym zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej jest temperatura, będąca następstwem wysokiego ciśnienia w komorze spalania. Występowanie zapłonu ma charakter stochastyczny, nie jest możliwe dokładne wyznaczenie miejsca i chwili wystąpienia. Można tylko określić prawdopodobieństwo zapłonu paliwa w określonym miejscu komory spalania. Moment zapłonu można regulować poprzez kąt wyprzedzenia wtrysku paliwa. Jest ono wtryskiwane bezpośrednio do cylindra lub do komory wstępnej.

Proces spalania

Proces spalania w silniku ZS można podzielić na cztery etapy:

1. Zwłoka samozapłonu, wynosząca ok. 0,001 s, na którą składa się zwłoka fizyczna i chemiczna. Zwłoka fizyczna obejmuje odparowanie kropelek wtryśniętego paliwa i zmieszanie go z powietrzem. Zwłoka chemiczna to reakcje przedpłomienne, kolejno: pojawienie się wolnych rodników, faza zimnych, niebieskich płomieni, faza gorącego płomienia.
2. Występujące po samozapłonie, spalanie kinetyczne, niekontrolowane (tzw. wybuchowe). Następuje wtedy gwałtowny wzrost ciśnienia, wynoszący do 0,6 MPa na stopień OWK.
3. Spalanie kontrolowane, dyfuzyjne.
4. Dopalanie, podczas którego niespalone resztki paliwa ulegają przemianom chemicznym pod wpływem gorących spalin. Z punktu widzenia bilansu energetycznego, dopalanie jest procesem niekorzystnym.

Ograniczenie prędkości obrotowej

Wtrysku paliwa nie można przeprowadzać zbyt wcześnie, gdyż jest on elementem kontrolującym proces spalania. Z drugiej strony, czas trwania zwłoki samozapłonu jest w przybliżeniu stały. Dlatego jest on czynnikiem ograniczającym prędkość obrotową silnika.

Żeby silnik mógł pracować z większymi prędkościami obrotowymi należy skrócić zwłokę samozapłonu. Można tego dokonać poprzez:

• zwiększenie stosunku powierzchni do objętości kropel paliwa, czyli zwiększenie ich ilości przy tej samej dawce paliwa,
• zastosowanie zawirowania powietrza.

Zwiększenie ilości kropel, przyspiesza ich odparowanie. W tym celu stosuje się wysokociśnieniowe układy wtryskowe o ciśnieniu wtrysku rzędu 200 MPa.

Zawirowanie powietrza jest realizowane poprzez odpowiedni kształt kanałów dolotowych. Prędkość kątowa wirującego powietrza powinna być taka, aby podczas wtrysku, słup powietrza obrócił się o kąt równy kątowi pomiędzy otworkami wtryskiwacza. Najczęstsze kształty kanałów doprowadzających powietrze to śrubowy i styczny.

Współczynnik nadmiaru powietrza

Współczynnik nadmiaru powietrza λ w silnikach ZS ma wartość znacznie przekraczającą 1. Wynika to z krótkiego czasu przeznaczonego na uformowanie mieszanki palnej. Nierównomiernie wymieszana mieszanka wymaga, do pełnego spalenia, wyższej, od stechiometrycznej, zawartości powietrza.

Przy niskich obciążeniach płomień nie musi obejmować całej komory spalania, tylko obszary o wystarczająco bogatej, dla zapłonu, mieszance. Umożliwia to jakościową regulację prędkości obrotowej i mocy silnika, czyli taką w której czynnikiem regulującym jest ilość wtryskiwanego paliwa, a nie zasysanego powietrza (ewentualnie mieszanki paliwowo-powietrznej) . Z uwagi na sposób regulacji, silnik ZS nie wymaga stosowania przepustnicy.