Spalanie w silniku diesla. Cz. 1. Dlaczego diesel "klekocze"? Jakie ogranieczenia stawia proces spalania?

  Zapewne wiele osób zastanawiało się nad tym skąd bierze się charakterystyczne "klekotanie" podczas pracy silnika wysokoprężnego. Efekt klekotania jest szczególnie zauważalny w silnikach diesla o starszych konstrukcjach układu wtryskowego. Po wprowadzeniu wtrysku Common Rail, efekt klekotania jest znacznie mniej odczuwalny, jednak da się go zaobserwować.
  Chcąc wyjaśnić charakterystyczny dźwięk silnika wysokoprężnego, musimy poznać zjawiska jakie towarzyszą spalaniu mieszanki w tym silniku. Spalanie mieszaniny paliwowo-powietrznej w silnikach ZS jest procesem bardzo złożonym, który można podzielić na trzy okresy.

  Pierwszym etapem jest przygotowanie mieszanki palnej. Etap ten trwa od pojawienia się pierwszych kropel paliwa na wtryskiwaczu do chwili powstania pierwszych ognisk samozapłonu. Etap ten nazywa się OKRESEM OPÓŹNIENIA ZAPŁONU. Przygotowanie mieszanki palnej polega na nagrzaniu kropel paliwa, odparowaniu ich a następnie podgrzaniu par paliwa do temperatury samozapłonu. Proces ten jest konieczny ze względu na fakt że spalaniu ulegają pary paliwa (paliwo w postaci gazowej) a nie paliwo jako ciecz. Stąd pożądane jest uzyskanie jak najmniejszych kropel paliwa w cylindrze co zwiększa powierzchnię parowania paliwa i przyśpiesza samozapłon mieszanki jednocześnie skracając okres opóźnienia zapłonu. Pomiary wykazują że okres opóźnienia zapłonu w silnikach wynosi 0,0007s-0,003s. Patrząc na same liczby, można wnioskować że wartości te są nieznaczące dla cyklu pracy i proces ten trwa bardzo krótko. Jednak biorąc pod uwagę że gdy silnik osiąga 4000obr./min. suw pracy trwa ledwie 0,0012s, wówczas widać jak wiele czasu zabiera przygotowanie mieszanki do spalenia. Jest to jedna z przyczyn uniemożliwiających uzyskanie w silnikach diesla prędkości obrotowych większych niż 5000-5500obr./min. (w starszych konstrukcjach nawet do 3000obr./min.). Im wyższą prędkość obrotową osiąga silnik tym mniej czasu pozostaje na proces spalania. O ile inne etapy mogą przebiegać szybciej to okres opóźnienia zapłonu ma niezmienny czas trwania. Zatem czasu przygotowania mieszanki nie da się skrócić, wzrost prędkości obrotowej może doprowadzić do zadławienia się silnika. Im więcej paliwa zostanie wtryśnięte do cylindra w czasie pierwszego etapu, tym praca silnika staje się "twardsza" i bardziej hałaśliwa. Ma to miejsce w przypadku układów wtryskowych starych generacji przed pojawieniem się wtrysku typu Common Rail. Układ Common Rail umożliwia wtryskiwanie paliwa pod bardzo dużym ciśnieniem, sprzyja to lepszemu rozpyleniu paliwa oraz zmniejszeniu kropel paliwa co skutkuje szybszym odparowaniem i skróceniem okresu opóźnienia zapłonu. Ponadto, Common Rail, daje możliwość dzielenia procesu wtrysku paliwa na kilka etapów bez konieczności wtryskiwania całej dawki paliwa w jednym momencie dzięki czemu praca silnika jest bardziej "miękka" i mniej hałaśliwa ("klekotanie" jest znacznie mniej odczuwalne), takie rozwiązanie pozwala dostosować dawkę paliwa i proces wtrysku do obciążenia silnika.

  Dlaczego wzrost ilości paliwa w pierwszym etapie spalania powoduje zwiększenie hałasu generowanego przez silnik diesla oraz jakie substancje powstają w czasie spalania opiszę w kolejnej części artykułu.

Metody zwiększenia mocy silnika spalinowego, benzynowego. Część I - silnik.

Czy to możliwe?

   Zacznijmy od tego że parametry każdego silnika spalinowego w samochodzie osobowym można poprawić. Zawsze są rezerwy mocy, których producent nie wykorzystuje z różnych powodów np: ekonomicznych, ekologicznych czy ze względu na żywotność silnika. W tym artykule opiszę jedynie silniki benzynowe, wolnossące. Silniki diesla opiszę przy innej okazji.

Wnioski płynące z analizy teoretycznego obiegu Otto.

   Wystarczy wstępnie przeanalizować obieg Otto, który jest teoretycznym odpowiednikiem obiegu silnika benzynowego, by zauważyć pewne zależności. Na poniższym wykresie są oznaczone 4 punkty. Punkt 1 jest miejscem gdzie tłok znajduje się w DMP (Dolne Martwe Położenie), jest to koniec suwu ssania a początek suwu sprężania. W punkcie 2 tłok znajduje się w GMP (Górne Martwe Położenie), następuje zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej i nagły wzrost ciśnienia w cylindrze.  Punkt 3 jest miejscem gdzie ciśnienie gazów spalinowych w cylindrze osiąga wartość maksymalną, tłok znajduje się w GMP i rozpoczyna się suw pracy. W punkcie 4 tłok znajduje się ponownie z DMP. Pomiędzy punktami 1 i 2 oraz 3 i 4 są krzywe oznaczone jako "S", są to izentropy. O tym czym jest izentropa i jakie są różnice pomiędzy obiegami teoretycznymi a rzeczywistymi przedstawię w osobnym artykule.

Obszar zakreskowany na wykresie jest pracą teoretyczną obiegu. Zwiększenie pracy teoretycznej bezpośrednio wpływa na poprawę sprawności obiegu, wynika to ze wzoru na sprawnosć teoretyczną silnika.

Zwiększenie pracy teoretycznej (pola zakreskowanego na wykresie) można zrealizować na trzy sposoby:

- zwiększyć objętość skokową Vs

- zwiększyć stopień sprężania ε

- zwiększyć ciśnienie spalania P

   Pierwszy sposób pominę ze względów technicznych. Oczywiście są tzw. "stoker kits", czyli zestawy zwiększające pojemność skokową przez zmianę wykorbienia wału czy wymiarów elementów mechanizmu korbowo-tłokowego. Problem w tym, że tego typu zestawy są produkowane tylko do wybranych silników. Do aut ze zwykłymi silnikami 1.4 czy 1.6 (jak np Golf czy Corolla), takie zestawy nie są dostępne. Zwiększenie objętości skokowej spowoduje poziome wydłużenie pola obiegu (odległości pomiędzy punktami 1 i 2 oraz 4 i 3).

   Drugi sposób (zwiększenie stopnia sprężania) jest bardziej przyziemny i ogólnodostępny. Można go wykonać na dwa sposoby. Stopień sprężania jest stosunkiem objętości maksymalnej cylindra do objętości minimalnej. Na przedstawionym wykresie, objętość maksymalna będzie w punktach 1 i 4, minimalna w punktach 2 i 3:

 

Wartość stopnia sprężania jest liczbą bezwymiarową, więc zapisu typu "11:1" czy "9:1" są błędne, poprawny zapis to po prostu 11 czy 9. Najbardziej rozpowszechnionymi sposobami zwiększenia stopnia sprężania jest maksymalne splanowanie głowicy lub wymiana tłoków na wyższe (doprężające). Obie operacje wiążą się z rozebraniem silnika, jednak bez mechanicznej ingerencji w silnik nie ma możliwości zmiany stopnia sprężania. Należy pamiętać o ograniczeniach konstrukcyjnych podczas planowania lub dobierania tłoków. Zbyt duże zebranie materiału z głowicy lub dobranie za wysokich tłoków może doprowadzić do kolizji tłoka z zaworami i zniszczenia silnika. Zwiększenie stopnia sprężania przez opisane działania powoduje zmniejszenie minimalnej objętości cylindra, więc czerwona prosta na obiegu (pomiędzy punktami 2 i 3) przesunie się w lewo, zwiększając pole pracy teoretycznej. W silnikach benzynowych, ograniczeniem osiągania dużych stopni sprężania jest spalanie detonacyjne mieszanki paliwowo-powietrznej. Podczas sprężania mieszaniny palnej w cylindrze, powstaje na tyle duże ciśnienie i temperatura że dochodzi do samozapłonu mieszanki. Powstaje wówczas wiele ognisk zapłonu, samo spalanie staje się niekontrolowane, powstają gwałtowne przyrosty ciśnień w cylindrach. Spalanie detonacyjne objawia się metalicznym stukiem pochodzącym z silnika i jest to bardzo niekorzystne zjawisko dla mechanizmu korbowo-tłokowego. By uniknąć spalania detonacyjnego przy dużych stopniach sprężania można stosować dodatki uszlachetniające do paliwa, paliwo o wyższej licznie oktanowej (np benzyny 98-mio oktanowe i wyższe) lub zastosować zasilanie gazem LPG. 

   Trzecia metoda, na poprawę sprawności silnika benzynowego, polega na zwiększeniu ciśnienia maksymalnego (w czasie spalania - punkt 3 na obiegu) co spowoduje przesunięcie krzywej oznaczonej numerem 1 (izentropy rozprężania) w górę. Po części, wzrost ciśnienia maksymalnego można uzyskać powiększąjąc stopnień sprężania jednak skuteczniejszą metodą jest doładowanie silnika sprężarką.

Wnioski płynące z analizy wzoru na moc silnika.

   Z metod bardziej dostępnych warto wspomnieć o zwiększeniu prędkości obrotowej silnika. Wzrost prędkosci obrotowej prowadzi do wzrostu mocy silnika co wynika ze wzoru.

   Analizując wzór, można zauważyć że pewien parametr pominęliśmy we wcześniejszych rozważaniach analizując obieg Otto, chodzi o wspomnianą prędkość obrotową. Wraz ze wzrostem prędkości rośnie moc silnika ale też wzrastają opory ruchu w mechanizmie korbowo-tłokowym, opory przepływu mieszanki w kanałach głowicy oraz obciążenia bezwładnościowe mechanizmu korbowo-tłokowego. Problemów przy zwiększaniu prędkości obrotowej jest wiele. Jeżeli jednak zależy nam by silnik pozostał wolnossący, prędkość obrotowa staje się jednym z kluczowych parametrów podlegających zmianie. Oczywiście, niektóre efekty uboczne da się po części wyeliminować. Opory przepływu można zmniejszyć realizując obróbkę kanałów głowicy (szlifowanie, polerowanie), stosując lepsze wałki rozrządu i obróbkę zaworów. Opory ruchu mechanizmu korbowo-tłokowego można zmniejszyć stosując oleje lepszej jakości i mniejszej lepkości (im mniejsza lepkość, tym mniejsze tarcie wiskotyczne ale też mniejsza zdolność oleju do przenoszenia naprężeń stycznych). Co do wytrzymałości mechanizmu korbowo-tłokowego, można to poprawić stosując wzmacniane podzespoły (potocznie zwane "kute") które mogą przenosić znacznie większe naprężenia powstałe w skutek działania sił bezwładności na mechanizm względem fabrycznych podzespołów.

Podsumowanie.

   Jak widać, teoria silników spalinowych ma odzwierciedlenie w rzeczywistości i może dać nam odpowiedzi na wiele pytań. W tej części opisałem zaledwie kilka metod, tych bardziej dostępnych. Analizując wzory i wykresy dotyczące silników spalinowych, można wyznaczyć znacznie więcej parametrów które mają wpływ na moc i sprawność silnika, dzięki czemu możemy starać się je poprawić. W kolejnej części, przedstawię możliwe do przeprowadzenia modyfikacje osprzętu silnika, które bardzo często powinny iść w parze z modyfikacjami samego silnika by dać jak najlepsze rezultaty.

Cięte spreżyny - wtf?

 Po co ten wpis?

   Ostatnio coraz częściej czytam na różnych forach jak to głównie młodzi "tunerzy" obniżają swoje auta obcinając parę zwojów sprężyn. Jeden z "rajdowców" na forum napisał: "cięte sprężyny są twardsze", doczytałem też że podobno "cięcie sprężyny zmienia jej charakterystykę" Postanowiłem więc napisać ten artykuł w którym nieco rozjaśnię temat sprężyn liniowych (tych najczęściej spotykanych w "cywilnych" autach) i opisać jakie skutki niesie za sobą ich skracanie.

 Źródło: google

Po co ciąć, jakie skutki daje cięcie sprężyn?

   Obcinanie sprężyn stosuje się by tanio i efektownie obniżyć auto, zrobić popularną "glebę". Często jednak twórcy takich "zawieszeń" nie zastanawiają się jakie skutki mogą nastąpić w wyniku obcinania seryjnych sprężyn.
  W autach osobowych najczęściej występują sprężyny o charakterystyce liniowej, czyli takie w których ugięcie jest proporcjonalne do ciężaru jakim są obciążone. Pisząc po polsku, sprężyny "usiądzie" o tyle samo za każdym zadanym kilogramem obciążenia. Bardzo dobrze jest to widoczne na poniższej charakterystyce:

Źródło: google.

Jak widać powyżej, obcinanie zwojów skraca skok sprężyny i nie powoduje zmiany jej charakterystyki. Czyli, obcinając sprężynę, nie utwardzamy jej ani nie zmiękczamy, sprężyna staje się krótsza więc złoży się całkowicie przy mniejszej sile (być może niebawem wrzucę film porównujący sprężynę dobrą z obcięta). W związku z tym że sprężyna po obcięciu "blokuje się" przy mniejszej sile, pojawiają się uszkodzenia kielichów amortyzatorów i elementów zawieszenia. Zmiana skoku sprężyny powinna nieść za sobą zmianę amortyzatora na inny o dopasowanym skoku. Domorośli tuningowcy często o tym zapominają lub nie wiedzą, przez co dochodzi do efektu "wylanych amortyzatorów", przyśpieszonego zużycia elementów zawieszenia itp.

   Kolejną kwestią poprawności działania ciętych sprężyn jest jej punkt podparcia. Na poniższym zdjęciu mamy porównanie jak wygląda zakończenie sprężyny normalnej i uciętej:

Źródło: google

Jak widać, seryjne sprężyny są zakończone tak by zapewnić solidne oparcie. U końca sprężyny zwoje zagęszczają się, często są też zeszlifowane dzięki czemu gdy postawimy sprężynę swobodnie ma ona dobre oparcie i utrzymuje pion. To bardzo istotne ze względu na to że sprężyna ma zapewnione dobre warunki pracy gdy siła która ją ściska działa równolegle do osi sprężyny (rys. charakterystyki). W przypadku sprężyn ciętych które opierają się punktowo w miejscu ciecia, siła ściskająca jest odchylona od pionu, powoduje to wprowadzenie sił poziomych działających na sprężynę, które mogą doprowadzić do jej wyboczenia a w konsekwencji do pęknięcia lub przemieszczenia. Wyboczenie sprężyny spowodowane uszkodzonym zakończeniem (uległa pęknięciu) widać poniżej:

Źródło: google

Sprężyna poprawnie oparta:

Źródło: google

Co zamiast cięcia?

   Od siebie polecałbym jakiekolwiek sprężyny, nawet te najtańsze, obniżające auto o około 30mm będą o wiele lepszym i bezpieczniejszym rozwiązaniem niż ciecie zwykłych sprężyn. Taki zakres jest bezpieczny dla amortyzatora a same sprężyny są sztywniejsze co poprawia prowadzenie auta i nie wnosi ryzyka utraty kontroli nad autem w czasie jazdy, jak to ma miejsce przy sprężynach ciętych. Do popularnych modeli aut (civic, golf, bmw3), taki zestaw można kupić za około 300zł. Lepszą alternatywą są sprężyny obniżające renomowanych firm np Eibach, jednak koszt ich jest większy i waha się w przedziale 600-1000zł. W przypadku znacznego obniżania auta skutecznie sprawdza się zawieszenia gwintowane, gdzie amortyzatory maja większy skok a same sprężyny i amortyzatory skutecznie współdziałają ze sobą. Ceny takich zestawów dla popularnych modeli aut osobowych zaczynają się do około 900zł.

 Jeżeli po przeczytaniu artykułu masz jakieś uwagi, pytania, sugestię napisz o tym w komentarzach.