V technických článcích o automobilech často dostanete informaci o stechiometrické směsi, lambdě, chudé či bohaté směsi. Co to ale znamená? Pojďme si to popsat a rovnou trochu hlouběji, než jste na internetu zvyklí.
Stechiometrická směs: aby to dobře hořelo
Články na téma jak co funguje:
- Tuhá náprava: princip fungování a výhody/nevýhody
- Stechiometrická směs: aby to dobře hořelo - právě čtete
- Co je to alternátor a jak funguje?
- Ventily motoru
- Jak funguje head-up displej
Pokud chceme, aby palivo shořelo, potřebujeme k němu přivést kyslík. Dostatek kyslíku, který zabezpečí dobré prohořené celé náplně. Ovšem není zapotřebí kyslíku moc, protože pak se plamen může sfouknout, nevyužívá se celý kompresní objem apod. Stejně tak i málo vzduchu znamená, že plamen prostě nedokonale hoří a zhasne jako svíčka, kterou přiklopíte sklenicí.
Chcete chemii?
Tady bychom měli začít stechiometrickými rovnicemi spalování, což znamená že 1kmol (12 kg)C + 1 kmol (32 kg) O2 → 1 kmol (44 kg) CO2 - 393 500 kJ/mol C a …
Raději ne, nebudeme vás trápit, protože je to opravdu dlouhé a nudné.
Těmi chemickými vazbami bychom se dostali až k tomu, že teoretické objemové množství vzduchu potřebné ke spálení je u benzínu a motorové nafty kolem 14,5 až 15 kg/kg paliva, u metanu je to 17,4 kg/kg plynu, propanu 15,8 kg/kg plynu apod. Velmi zhruba pak lze odvodit, že na každých 1000 J výhřevnosti se musí do válce přivést asi 0,25 m3 vzduchu.
Také čtěte
Právě to je stechiometrická směs, tedy směs, kdy dle stechiometrických rovnic je ve směsi právě tolik vzduchu, kolik potřebuje na shoření směsi. Jenže se stechiometrickou směsí se nepočítá, většinou ne ani se směšovacím poměrem (hmotnost vzduchu / hmotnost paliva), ale počítá se s jinou veličinou. Jmenuje se součinitel přebytku vzduchu a je to ta stará známá lambda (ʎ). Vypočítá se jako:
ʎ = kg vzduchu / (teoretické množství vzduchu * kg paliva)
Jde o bezrozměrnou veličinu, kdy u ʎ<1 jde o takzvanou bohatou směs, tedy s nedostatkem vzduchu, u ʎ>1 jde o chudou směs.
Zajímavé ovšem je, že ta ideální hodnota ʎ=1 vlastně není ideální. Chemické reakce nejsou totiž ideální. Nikdy nemůžeme zaručit přesné rozbití vazeb a jejich nové navázání. Takže se ukazuje, že ideální pro motor je ʎ≈1,1. Zde můžeme dosáhnout v ideálních podmínkách téměř dokonalého spalování, ovšem ani to není ideální. Ve značné míře oxiduje vzdušný dusík a vytváří se jedovaté oxidy. Ale to už zabředáváme někam jinam.
Pojďme se podívat na zajímavý fakt. Hustota automobilového benzínu je v závislosti na jeho složení někde kolem 0,71 až 0,76 g/cm3. Takže když přepočteme tyto hodnoty na jeden kilogram benzínu (objemově 1,3 litru), pro jeho spálení spotřebujeme 11,5 m3 vzduchu.
S čím pracují motory?
Stechiometrickou směs znali vědci už dávno před tím, než se objevily spalovací motory. Museli. Vždyť svítiplynové lampy hořely právě na principu spalování plynu difuzním plamenem ve stechiometrické směsi. Kdyby ne, hrozil by buď výbuch plynu, zanášení nebo zhášení.
U spalovacích motorů se v úplných počátcích pracovalo vlastně s plynem. Malá testovací otázka na níž odpověď získáte až na konci článku:
Také čtěte
Víte, proč se říká přidat plyn?
Když se začal benzín rozprašovat do proudu vzduchu karburačním procesem pomocí bernoulliho jevu, vynálezci věděli, že je jednodušší nechávat odpařit kapičky aerosolu v proudu vzduchu, než hledat se snažit například ideálně smíchat dva plyny apod.
Karburátory se tak snažily vytvořit stále stejnou ideální směs, která by zůstala stejná při jakémkoli zatížení agregátu. Vše se dělo pomocí plováku s jehlovým ventilem a hlavně díky dávnému a zde použitému vynálezu venturiho trubice. Ve zmenšeném průřezu se zde dle stavové rovnice výrazně urychluje proud vzduchu, čímž dochází k atomizaci kapaliny v tomto proudu. O akceleraci se starala akcelerační pumpička, tedy bypass karburátoru, který „přifoukl“ palivo pro snížení ʎ a navýšení joulů ve válci. U vstřikování se ale už jedná o perfektní systém hledání optimálních hladin spalování.
Velmi bohaté i velmi chudé směsi mají velké problémy. Například u velmi bohatých směsí dochází k nedokonalému spalování a vzniká velké množství jedovatých emisí. U chudých směsí, jak jsme si už řekli, dochází k oxidaci dusíku a vzniku jeho nebezpečných oxidů. Jak velmi chudé, tak velmi bohaté směsi mají problém správně hořet, hoří pomalu a dokonce mají problémy i ze zápalem. To jistě znáte, když jste měli „přechlastaný“ motor na své Škodě 105.
Ovšem to jsme se stále bavili o směsích předem připravené homogenní směsi, tedy směsi, která jako taková už do válce téměř vstupuje a určitě ji takovou už zažíháme. Jenže dnes spalujeme nehomogenní směs. Jde o směs například vrstvenou pomocí trysek přímého vstřiku. Představte si vrstvy, kdy je vrstva vhodná pro zapálení a vrstva pekelně chudá. A zase vrstva s ʎ≈1. Tyto vrstvy se díky vysokým turbulencím ve válci rychle smísí, ale mezi tím už je zažehnuta dobře hořící vrstva. Díky vysoké teplotě, která ve válci nastane, se rychleji odpařují kapičky z dalších vrstev a postupně shoří celá směs i v chudé nebo dokonce ve velmi chudé směsi. A to je celé kouzlo přímého vstřiku.
Odpověď na testovací otázku:
První karburátory byly s odpařováním. Ve skleněné nádobě byla udržována hladina benzínu, kterou probublával teplý vzduch. Ten s sebou odnášel výpary, které se dostávaly do spalovacího prostoru, po cestě se smísily se vzduchem do zdánlivě vhodného poměru (bohužel upravit vhodný poměr různě zatěžovaného auta mísením plynů bylo tehdy nad možnosti konstruktérů) a v komůrkách se zapálil. Ještě první vůz Karla Benze kombinoval klasický karburátor i odparku. Proto, když se tehdy šlapalo na akcelerační pedál, skutečně docházelo k přidání plynu.
Zdroj info: Prof. Ing. Jan Macek, DrSc., Ing. Bohuslav Suk, CSc, - Spalovací motory I; ČVUT FSI, 2000, Prof. Ing. Dr. Josef kožoušek – Spalovací motory; Státní nakladatelství technické literatury, 1956, O. Beneš.
Zdroj médií: Depositphotos.
Zdroj médií: Depositphotos.
