PRÁCE 🧰

Jak hoří palivo ve válci

11. 4. 2022 4 min. čtení diskuze (0) Tipy a rady Technologie

Spalovací motory mají zásadní problém s tím, jak dopravit palivo a vzduch do válce. Jenže tím to nekončí. My to palivo totiž musíme se vzduchem smísit, nechat odpařit, spálit a odvést.

Jak hoří palivo ve válci

Články na téma válce motoru:

  1. Jak hoří palivo ve válci - právě čtete
  2. Kouzelné víry ve válcích

Pamatujete si na náš článek o stechiometrické směsi, kde jsme si říkali, proč a jak vlastně hoří palivo? Že je tam zapotřebí dostatek vzduchu, aby shořelo všechno, vydalo ze sebe tu energii, která je v něm nahromaděná a my ji mohli využít pro mechanický pohyb?

Také jsme ale mluvili o ventilových rozvodech, jaké jsou ty nejlepší a nejhorší a proč. S tím souvisel i článek o ventilech jako takových. Bez nich a bez rozvodů by se totiž ten vzduch nedostal do válců a zase se z nich nedostaly spaliny ven. U ventilů jsme si říkali, kdy se musí otevírat a zavírat ventily, aby se pracovní prostor nad pístem pěkně naplnil a vyprázdnil. Jenže jsme si vlastně stále neřekli nic o tom, jak se taková směs ve válci tvoří, jak hoří (i když jsme tohle téma naťukli v článku o detonačním spalování, tedy klepání motoru) a co my musíme pro to udělat, aby to všechno fungovalo tak nějak pospolu.

Začneme plamenem

Plamen je jednou z nejsložitějších „částí“ motoru, protože jeho vlastnosti se stále mění a my musíme vědět kdy a jak a přitom ho nemůžeme jednoduše mechanicky ovlivnit, jako třeba otevřít ventil apod. Základní teze hoření plamene si umístíme do jakési trubice, kterou proudí palivo již smíchané se vzduchem. Proudí laminárně, tedy bez víření. Jde samozřejmě o ideální stav, který lze velmi těžko dosáhnout. Ale pro vysvětlení je to nejlepší stav.

Směs je lokálně homogenní, tedy obsahuje různé koncentrace paliva a vzduchu na různých místech. Ovšem kapičky se odpařují a vzniká ideální prostor pro plamen. Když proud zapálíme, postupuje plamen proti proudu přitékající směsi. Lokálně homogenní směs se v rámci zvyšující se teploty odpařuje stále víc a stává se víc homogenní. Ovšem rychlost zvyšování teploty je velká a okamžitě vznikají takzvané předplamenné reakce. Ty vznikají právě za účasti pronikajícího tepla kupředu před hranicí samotného plamene, ale i difundujících spalin, které v důsledku expanze postupují rychleji vpřed než samotný plamen. Před hrází plamene se tak vytváří oblast, která má vysokou teplotu, obsahuje spaliny a již zde dochází k chemickým přípravným reakcím plamene. Rychlost šíření plamene je pak rovna rychlosti šíření teploty, nutné pro zahájení reakcí. Ty pak už probíhají samy velmi rychle, takže to důležité se odehrává nikoliv v samotném plameni, ale před ním.

Příklad průběhu plamene u vstřiku vznětového motoru

Víříme proudy

Teď proud rozvíříme. Představte si, že v proudu vzniknou maličké víry, které míchají směsí a v tom my ji zapálíme. K promíchávání jednotlivých vrstev plamenné hráze dochází mnohem rychleji a intenzivněji. Teplo se začíná do předplamenné fáze dostávat rychleji a plamenná hráz se rozšiřuje. Zatímco u laminárního proudění byl plamen jen velmi úzký předěl mezi nespálenou směsí a spalinami, tady se hranice výrazně rozšíří. Zvětší se objem plamene. To znamená, že skokově naroste i jeho tepelný výkon. Nejde o zvýšení charakteristik o několik procent, ale o několik řádů procent!

Ovšem není to tak úžasné, jak se může zdát. Turbulentní plamen potřebuje teplo. Potřebuje ohromné množství tepla, které dokáže vytvořit dostatečné množství předplamenných reakcí, protože jinak se teplo spotřebuje na vnitřní procesy a plamen zhasne. To je třeba problém u studeného motoru, kdy chladné stěny odebírají příliš tepla a turbulentní plamen u stěn chladne a nedokáže se udržet. Stejně tak je problém i se samotným vířením. Je to jako u svíčky. Pokud se fouká moc, plamen může zhasnout. Jeho předplamenné reakce nedokážou proběhnout dostatečně rychle a turbulence plamen sfouknou.

Už nejsme v trubici

Zlehka jsme přeskočili z trubice do spalovacího prostoru. A když tam jsme, musíme se podívat na to, jak se takový plamen vlastně šíří. Musíme si uvědomit, že prostor je třírozměrný. Plamen tak nepostupuje po rovné ploše, ale ve válci postupuje od svíčky (zůstaňme u zážehových motorů) po kulových plochách. Je jedno, jestli hovoříme o směsi již vytvořené (nepřímý vstřik) nebo směsi se tvořící. Odpařené palivo se dostává do oblasti okysličovadla a vzniká plamen ve styku obou difundujících látek (odtud známý termín difuzní plamen).

Někoho jistě napadá otázka, proč je zrovna v oblasti, kde ʎ=1? Odpověď je snadná. Pokud by plamen hořel ve směsi bohaté, přecházel by do oblasti vzduchu a difundujících spalin nespálený, ale vysoce ohřátý plyn a plamen by se tedy rozšířil tímto směrem, ovšem jen do vyčerpání paliva. Opačně pak je problém stejný, takže plamen se stabilizuje právě na hraně stechiometrické směsi.

Souhrn

Z výše uvedeného se tak dostáváme (nutno podotknout že docela mohutným termodynamickým skokem) do finále, které chceme. Pro nás je důležité, abychom našli takový vhodný poměr paliva a okysličovadla, aby plamen měl být z čeho živ a celý shořel. Lokálně homogenní směs musíme co nejlépe připravit takzvanými předplamennými reakcemi. Pokud se směsí zamícháme a zvýšíme turbulence, zvýšíme i tepelný výkon plamene, což znamená pro nás vyšší rychlost spalování díky lepším předplamenným reakcím. Ovšem nesmíme vířit moc a vytvářet problematické podmínky pro plamen, protože ten by mohl zhasnout. Jak se takový plamen připraví, jak se správně rozvíří a co to pro motor znamená, si povíme někdy příště.

Zdroj info: Brody Walker: Engineering Fundamentals of Internal Combustion Engine, Larsen&Keller Education 2017, Prof. Ing. Jan Macek, DrSc., Ing. Bohuslav Suk, CSc, - Spalovací motory I; ČVUT FSI, 2000.
Zdroj médií: Siemens, Intech.

Podobné články