Regulacja momentu obrotowego podstawowych rodzajów silników

Podstawowe rodzaje silników spalinowych 

Ze względu na zasadę regulacji wartości momentu obrotowego silnika należy rozróżnić trzy rodzaje silników: 

- z zapłonem samoczynnym, nazywane popularnie silnikami Diesla oznaczane symbolem ZS: 

- z zapłonem iskrowym oznaczane symbolem ZI; 

- z zapłonem iskrowym i układem bezpośredniego wtrysku benzyny – oznaczone symbolem ZI WB. 

Silnik z zapłonem iskrowym i układem bezpośredniego wtrysku benzyny (ZI WB) będzie wówczas odróżniany od innych silników z zapłonem iskrowym (ZI), jeśli będzie inaczej skonstruowany lub będzie pracował w inny sposób, niż w silniku ZI o dotychczas znanej konstrukcji. Taka odmienność występuje w tych silnikach z zapłonem iskrowym i układem bezpośredniego wtrysku benzyny, które mogą być zasilane mieszanką homogeniczną lub uwarstwioną. 

Napełnianie cylindra powietrzem 

Niezależnie od rodzaju silnika, po zakończeniu procesu napełniania cylindra powietrzem, przy założeniu, ze silnik nie ma układu zewnętrznej recyrkulacji spalin lub w danych warunkach pracy silnika jest on wyleczony, w cylindrze pozostają: 

- powietrze o masie m_pow

- spaliny o masie m_psp

Uważny czytelnik zauważy, że z wyjątkiem kilku trybów pracy silnika ZI zasilanego układem bezpośredniego wtrysku benzyny, do cylindra silnika ZI wpływa nie powietrze ale mieszanka paliwo-powietrzna. Masa spalin m_psp, która po zakończeniu procesu napełniania pozostaje w cylindrze, powinna być jak najmniejsza, ale tylko, gdy żądamy od silnika pracy przy maksymalnym obciążeniu. Gdy silnik pracuje w zakresie małych i średnich obciążeń, korzystne jest pozostawienie większej ich masy. 

Zasada regulacji momentu obrotowego silnika ZS 

W układzie dolotowym 3 (rys.2a) silnika ZS nie ma przepustnicy. Nie jest ona potrzebna do regulacji wartości momentu obrotowego silnika ZS. Jeśli jest ona zamontowana, co w silnikach ZS jest obecnie standardem, to cel regulacji masy powietrza płynącego układem dolotowym silnika jest inny, niż regulacja momentu obrotowego silnika ZS. Brak przepustnicy w układzie dolotowym silnika ZS powoduje, że przy każdej prędkości obrotowej, silnik ZS zasysa maksymalną masę powietrza, dla tej prędkości obrotowej. 

Przykładowo (rys.2b) przy prędkości obrotowej silnika n₁, podczas suwu napełniania, do cylindra wpływa powietrze o masie m_pow1. 

Pod koniec suwu sprężania, do cylindra wypełnionego powietrzem, jest wtryskiwane paliwo - przykładowo o masie m_pal1. Bezpośrednio po wtryśnięciu, paliwo wraz z częścią powietrza tworzą mieszankę, która zapala się w następstwie samozapłonu, a następnie spala. Aktualna wartość momentu obrotowego silnika ZS, zależy od masy paliwa spalonej w cylindrze. 

Masa wtryskiwanego paliwa jest regulowana przez kierowcę, za pośrednictwem pedału przyspieszenia 1 . Jeśli kierowca wymaga od silnika pracy z większą wartością momentu obrotowego, musi nacisnąć pedał przyspieszania o większy skok, tak aby do cylindra została wtryśnięta dawka paliwa o większej masie. Jeśli silnik ma pracować z mniejszą wartością momentu obrotowego, kierowca musi zmniejszyć skok naciśnięcia pedału przyspieszenia, czyli zmniejszyć masę wtryskiwanej dawki paliwa. 

Jaki jest skład mieszanki paliwowo-powietrznej spalanej w silniku ZS?

Jeśli uwzględnić masę powietrza wprowadzonego w suwie napełniania do cylindra silnika ZS i masę wtryśniętego paliwa, to stosunek pomiędzy nimi, charakteryzowany wartością współczynnika składu mieszanki lambda (λ), zmienia się w zakresie: 

- od  λ > 10 - na biegu jałowym silnika, 

- do λ z przedziału od 1,15 do 2,0 - przy maksymalnym obciążeniu silnika. 

Warto przyjrzeć się procesowi spalania mieszanki paliwowo- powietrznej w silniku ZS, w skali pojedynczej kropli paliwa, wówczas okazuje się, że mieszanka powstająca w bezpośredniej bliskości kropli paliwa, zapala się w wyniku samozapłonu, jeśli jej skład jest w zakresie od λ = 0,3 do λ = 1,5. 

Zasada regulacji momentu obrotowego silnika ZI 

W układzie dolotowym 4 (rys.3) typowego silnika Zl jest przepustnica 5. Służy do regulacji masy powierza, która wpływa do cylindra silnika ZI. Nie dotyczy to silników ZI z układem bezpośredniego wtrysku benzyny, gdy są one zasilane mieszanką uwarstwioną. 

Masa powietrzam_pow, która wpłynęła do cylindra silnika ZI (patrz wykres na rys.3c), zależy od:

- kąta otwarcia przepustnicy a (sposób jego określania pokazuje rys.3b); 

- prędkości obrotowej silnika. 

Tę zależność ilustruje wykres na rys.3. Każda z jego linii informuje jak zmienia się masa powietrza, która wpływa do cylindra, jeśli przepustnica jest otwarta o kąt ap , a zmienia się prędkość obrotowa silnika. Przykładowo, przy kącie otwarcia przepustnicy a (5, rys.3a i rys.3c) i prędkości obrotowej silnika n₁, w trakcie suwu napełniania, do cylindra wpływa powietrze o masie m_pow1.

W trakcie suwu napełniania cylindra silnika ZI, do masy powietrza płynącej do cylindra, jest wtryskiwane paliwo o określonej masie, np. m_pal1(tylko w silnikach ZI zasilanych układem bezpośredniego wtrysku benzyny, w kilku trybach jego pracy, paliwo jest wtryskiwane pod koniec suwu sprężania). 

Dawka paliwa powinna mieć taką masę, aby powstała mieszanka o wymaganym składzie. Wymagany skład mieszanki jest zależny od aktualnych warunków pracy silnika.

Przykładowo, dla typowego silnika ZI, z trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym i przynajmniej jednym czujnikiem tlenu w układzie wylotowym:

- na biegu jałowym oraz w warunkach małego i średniego obciążenia - wymagana jest mieszanka o składzie bliskim stechiometrycznemu (λ = 1); 

- w warunkach dużego obciążenia - wymagana jest mieszanka o składzie charakteryzowanym wartością współczynnika lambda λ = 0,9. 

W niektórych samochodach (rzadko) silniki w warunkach małego i średniego obciążenia są zasilane mieszankami zubożonymi - λ = 1,2 do 1,4. 

W cylindrze silnika ZI, po suwie napełniania, pozostaje mieszanka o masie równej sumie masy zassanego powietrza (m_pow1) i masy paliwa (m_pal1). Wartość momentu obrotowego silnika ZI zależy od masy spalonej mieszanki. 

Kierowca, za pośrednictwem pedału przyspieszenia (rys.3a), reguluje wartość momentu obrotowego silnika, przez zmianę kąta ap otwarcia przepustnicy 5. Jeśli kierowca wymaga od silnika pracy z większą wartością momentu obrotowego, musi nacisnąć pedał przyspieszania 1 o większy skok, aby przepustnica 5 otworzyła się o większy kąt, co zwiększy masę powietrza, która wpływa do cylindra. 

Umożliwia to zwiększenie masy wtryskiwanego paliwa, ale należy pamiętać, że powstała mieszanka musi mieć określony skład. Jej większa masa powoduje, że po spaleniu zwiększa się moment obrotowy silnika. Celem zmniejszenia wartości momentu obrotowego silnika, kierowca z pomocą pedału przyspieszenia zmniejsza kąt otwarcia przepustnicy. 

Przedstawiana zasada regulacji momentu obrotowego silnika ZI dotyczy również silników bez przepustnicy, z tą jednak różnicą, że masa powietrza, która wpływa do cylindra jest regulowana przez zawory dolotowe o regulowanym wzniosie i czasie otwarcia. Dotyczy to np. układów: Valvetronic firmy BMW i Multiair firmy Fiat. 

Zasada regulacji momentu obrotowego silnika ZI WB, zasilanego mieszanką uwarstwioną lub homogeniczną 

Bezpośredni wtrysk benzyny do silnika ZI był stosowany już na początku poprzedniego wieku. Powtórne zainteresowanie układami bezpośredniego wtrysku benzyny było spowodowane poszukiwaniem oszczędności w zużyciu paliwa. 

Za punkt wyjściowy naszej analizy należy przyjąć mieszankę o dwóch cechach: 

- stechiometryczna - charakteryzuje ją współczynnik lambda λ = 1; 

- homogeniczna - ma taki sam skład, w każdym punkcie objętości. 

Jest ona spalana w silniku z układem wielopunktowym pośredniego wtrysku benzyny.

Jeśli taką mieszankę będziemy zubażać, to zużycie paliwa maleje (linia 3 wykresu, rys.3b), ale tylko do momentu wzrostu fluktuacji momentu obrotowego silnika, (linia 1 wykresu, rys.3a). Fluktuacja momentu obrotowego silnika, to zmiany jego wartości, wynikające z niepowtarzalności procesów spalania w cylindrach silnika. Są one źródłem drgań silnika i układu napędowego. Silnik ZI z układem wielopunktowym pośredniego wtrysku benzyny, może spalać mieszanki homogeniczne ubogie, ale charakteryzowane współczynnikiem lambda λ > 1,55, aby nie została przekroczona akceptowalna wartość fluktuacji momentu obrotowego silnika (linia 1 wykresu). 

Spalanie mieszanek jeszcze uboższych, charakteryzowanych współczynnikiem lambda λ > 1,55, jest możliwe, jeśli w komorach spalania silnika powstaje mieszanka uwarstwiona. Mieszanka uwarstwiona (rys.5) składa się z warstw o różnych, lokalnych wartościach współczynnika lambda. W sąsiedztwie elektrod świecy zapłonowej jej skład charakteryzuje współczynnik λ = 1,6. lm dalej oddalamy się od elektrod świecy zapłonowej, tym mieszanka staje się coraz uboższa. Na obrzeżu „obłoku" mieszanki jej skład charakteryzuje współczynnika λ = 3,0. Mieszankę uwarstwioną uzyskuje się obecnie w silnikach ZI , z układem bezpośredniego wtrysku benzyny. 

Obok mieszanki uwarstwionej zapala się najpierw w miejscu, w którym jest ona najbogatsza (λ =1,6). Powstały od iskry płomień, zapala następnie otaczającą go mieszankę ubogą (λ = 3,0). Mieszanka uwarstwiona spala się w otoczeniu powietrza wymieszanego częścią spalin, pozostałymi z poprzedniego cyklu spalania. Ta mieszanina gazów, zmniejsza ucieczkę energii cieplnej do ścianek komory spalania, a więc większa jej część może być zamieniona na pracę mechaniczną. 

Spalanie mieszanki uwarstwionej pozwala obniżyć zużycie paliwa (linia 4 wykresu, rys.4) przy utrzymaniu fluktuacji wartości momentu obrotowego silnika poniżej dopuszczalnej granicy (linia 2 wykresu, rys.4a). Silnik ZI, z układem bezpośredniego wtrysku benzyny, samochodu Mitsubishi, jadącego z prędkością 40 km/h, zasilany mieszanką uwarstwioną o średniej wartości współczynnika lambda λ ~ 2,72, zużywa o 35% mniej paliwa od silnika zasilanego mieszanką homogeniczną, o składzie bliskim stechiometrycznemu (λ = 1). 

Każdy silnik ZI, z układem bezpośredniego wtrysku benzyny, może spalać mieszanki homogeniczne. Nie każdy został jednak zaprojektowany, aby w warunkach małych i średnich obciążeń, zamiast mieszanek homogenicznych, spalał mieszanki uwarstwione - patrz rys 6. 

Zasada regulacji momentu obrotowego silnika ZI, z układem bezpośredniego wtrysku benzyny, który jest zasilany tylko mieszankami homogenicznymi, jest taka sama jak typowego silnika z zapłonem iskrowym. Regulacja wartości momentu obrotowego silnika ZI z układem bezpośredniego wtrysku benzyny, który jest zasilany mieszanką uwarstwioną lub homogeniczną, odbywa się tak samo, jak odpowiednio silnika ZS lub ZI. 

Silniki ZI, z układem bezpośredniego wtrysku benzyny, które są zasilane mieszanką uwarstwioną lub homogeniczną, posiadają przepustnicę sterowaną elektrycznie (nie jest połączoną mechanicznie z pedałem przyspieszenia). Przyjęto zasadę, że pozycja pedału przyspieszenia, jest tylko informacją dla sterownika o wartości momentu obrotowego, której wymaga kierowca (rys 7c). Nie zależy od niej bezpośrednio kąt otwarcia przepustnicy. Sterownik, w zależności od aktualnej wartości momentu obrotowego i prędkości obrotowej silnika, decyduje o tzw. trybie pracy silnika - patrz rys.6. Wybór trybu pracy silnika oznacza między innymi wybór rodzaju mieszanki, którą będzie zasilany silnik. 

Moment obrotowy silnika ZI, z układem bezpośredniego wtrysku benzyny, w trybie zasilania mieszanką uwarstwioną (skład mieszanki – rys. 7b), jest regulowany tak jak moment obrotowy silnika ZS: 

- przepustnica jest stale otwarta (rys.7a), a kąt o kilka stopni mniejszy od maksymalnego (konieczne jest niewielkie podciśnienie, aby mógł pracować układ recyrkulacji spalin), a zmiana ustawienia pedału przyspieszenia nie powoduje zmiany kąta otwarcia przepustnicy; 

- silnik zasysa masę powietrza, maksymalną dla jego aktualnej prędkości obrotowej, 

- wartość momentu obrotowego silnika zależy tylko od masy spalonego paliwa, 

Moment obrotowy silnika ZI, z układem bezpośredniego wtrysku benzyny, w trybach zasilania mieszanką homogeniczną ubogą lub homogeniczną (składy mieszanki - rys.7b), jest regulowany tak jak moment obrotowy silnika ZI:

- ustawienie pedału przyspieszenia wpływa na kąt otwarcia przepustnicy (rys. 7a) (zależność ta jest kontrolowana przez sterownik); 

- masa zasysanego powietrza zależy od kąta otwarcia przepustnicy; 

- wartość momentu obrotowego zależy głównie od masy spalonej mieszanki; do regulacji wartości momentu obrotowego wykorzystywany jest również kąt wyprzedzenia zapłonu. 

Zdjęcia i tekst pochodzą z artykułu „Regulacja momentu obrotowego podstawowych rodzajów silników” w dodatku technicznym do Wiadomości IC Recyrkulacja spalin w silnikach cz. 1 nr 35 Czerwiec 2010