Основни системи сагоревања у аутомобилским моторима
Систем сагоревања је „срце“ рада аутомобилских мотора, посебно код мотора са унутрашњим сагоревањем. Сагоревањем се хемијска енергија горива претвара у топлотну енергију, затим у механичку енергију која може да покреће клипове, радилицу и на крају точкове возила. Разумевање основа система сагоревања помаже нам да разумемо зашто су мотори снажни, зашто потрошња горива може бити расипна или економична и зашто емисије издувних гасова могу бити чисте или прекомерне. Овај чланак разматра основне концепте сагоревања, пратеће компоненте, фазе процеса и факторе који утичу на ефикасност и емисије код аутомобилских мотора.
1. Разумевање сагоревања у аутомобилским моторима
Сагоревање је брза хемијска реакција између горива и кисеоника која производи топлоту. Код аутомобилских мотора, ова топлота се користи за повећање притиска гаса у комори за сагоревање, омогућавајући клипу да се креће. Генерално, „добро“ сагоревање је сагоревање које:
1. десило се у право време,
2. одвија се стабилно и равномерно,
3. производи оптималну снагу,
4. минимизирати штетне емисије,
5. не изазива абнормалне симптоме као што су детонација или прескакање паљења (несагоревање).
У пракси, сагоревање није само „пламен“, већ се односи и на атомизацију/прскање горива, мешање ваздуха и горива, компресију, паљење или систем паљења и дизајн коморе за сагоревање.
2. Врсте мотора и методе сагоревања
У модерним возилима, два главна типа мотора са унутрашњим сагоревањем су:
а) Бензински мотор (са свећичним паљењем/SI)
Бензински мотори користе свећице за генерисање варнице. Смеша ваздуха и горива се компримује у цилиндру, а свећица се пали у прецизно одређеном тренутку (временски одређено) да би запалила гориво. Овај систем се назива паљење варницом јер паљење покреће варница.
б) Дизел мотор (компресионо паљење/CI)
Дизел мотори не користе свећице (као што је уобичајено). Ваздух се компримује при високом степену компресије, што повећава температуру ваздуха. Дизел гориво се затим убризгава у комору за сагоревање; пошто је температура ваздуха већ веома висока, гориво се аутоматски пали. Овај процес се назива компресионо паљење.
Оба имају за циљ да произведу притисак гаса за потискивање клипа, али карактеристике сагоревања, помоћне компоненте и начин контроле смеше су различити.
3. Главне компоненте које подржавају сагоревање
Систем сагоревања не постоји сам; он укључује неколико важних подсистема:
1. Систем за усис ваздуха: доводи чист ваздух кроз филтер, кућиште гаса (код бензинских мотора) и усисни колектор.
2. Систем горива: доводи гориво преко карбуратора (старија возила) или убризгавања (EFI/GDI/CRDI).
3. Комора за сагоревање и механизам компресије: састоји се од цилиндра, клипа, клипног прстена, главе цилиндра и дизајна коморе за сагоревање.
4. Систем паљења (бензински мотор): укључује ECU/упаљач, бобину, свећице, сензоре (CKP/CMP) и подешавања времена паљења.
5. Издувни систем: уклања издувне гасове кроз издувни колектор, каталитички конвертор, пригушивач и O2/AFR сензор за повратне информације о контроли емисије.
Ако један од делова не ради оптимално (на пример, слабе свећице, прљави инјектори, цурење компресије или блокиран усисни ваздух), квалитет сагоревања ће се смањити.
4. Фазе процеса сагоревања према радном циклусу
У четворотактном мотору (најчешћем), сагоревање се одвија у следећим фазама:
1. Усисни ход: клип се помера надоле, усисни вентил се отвара, ваздух (а у одређеним системима и гориво) улази у цилиндар.
2. Такт компресије: Клип се подиже, усисни и издувни вентили се затварају. Смеша (бензински мотор) или само ваздух (дизел мотор) се компримује, повећавајући притисак и температуру.
3. Кораци снаге:
– Бензински мотор: свећица варничи на крају компресије, ширење пламена, притисак расте, клип се потискује надоле.
– Дизел мотор: инјектор прска гориво, долази до кратког кашњења паљења, затим се одвија сагоревање и потискује клип.
4. Издувни ход: клип се поново подиже, издувни вентил се отвара, преостали гасови сагоревања се ослобађају.
Овде је тајминг важан: када се свећица упали или када млазница прска одређује снагу, ефикасност и емисије.
5. Однос смеше ваздуха и горива (AFR)
Један од најважнијих концепата је однос ваздуха и горива (AFR).
– Код бензинских мотора, идеална хемијска (стехиометријска) смеша је генерално око 14,7:1 (ваздух:бензин) по маси. Ова смеша омогућава каталитичком конвертору да ефикасно смањи емисије CO, HC и NOx.
– Пребогата смеша (вишак горива) тежи да произведе велику снагу под одређеним условима, али је расипна и емисија CO/HC се повећава.
– Смеша која је превише сиромашна (вишак ваздуха) може бити економичнија под одређеним условима, али ризикује смањење снаге, изазивање високих температура сагоревања (повећање NOx) и повећање могућности за прескакање паљења ако је превише екстремна.
Код дизел мотора, контрола се обично више врши кроз количину убризганог горива, док је ваздух релативно обилан (сиромашна смеса). Због тога је дизел познат по својој ефикасности, али контрола NOx и честица (чађи) представља изазов.
6. Нормално сагоревање наспрам абнормалног сагоревања
Нормално сагоревање у бензинском мотору се одвија тако што се контролисани пламен шири од тачке свећице кроз смешу. Међутим, постоје абнормални услови, као што су:
1. Детонација (куцање): настаје када се смеша спонтано запали на другом месту пре него што се заврши нормалан циклус пламена. То узрокује звук „кликтања“, нагли пораст температуре и притиска и може оштетити клип или прстенове на дужи рок.
2. Претходно паљење: смеша се пали пре него што се свећица упали, обично због врућих тачака као што су наслаге угљеника, прегрејана свећица или прегрејане компоненте.
3. Прескакање паљења: сагоревање не успева или је непотпуно, што узрокује прескакање паљења мотора, пад снаге, повећање потрошње и повећање емисије угљен-диоксида.
Код дизел мотора, уобичајени проблеми укључују одложено паљење, детонацију дизела (детонација због дугог кашњења паљења), прекомерни дим (црни/бели) и вибрације.
7. Фактори који утичу на ефикасност сагоревања
Неколико главних фактора који одређују да ли је сагоревање добро или лоше укључују:
– Степен компресије: већи је потенцијал за термичку ефикасност, али код бензина је ограничен ризиком од детонације.
– Квалитет распршивања горива: добар инјектор производи фине капљице које се лако мешају и савршено сагоревају.
– Дизајн турбуленције и коморе за сагоревање: кретање ваздуха (вртење/тумбање) помаже мешању и убрзава сагоревање.
– Време паљења/убризгавања: превише унапред или превише успорено може смањити снагу и повећати емисије.
– Стање свећице (бензински мотори): размак између електрода, наслаге и ниво загревања свећице утичу на квалитет варнице.
– Сензори и ECU контроле: модерни мотори користе O2/AFR, MAP/MAF, сензоре температуре, сензоре детонације и још много тога за прецизну регулацију смеше и времена.
8. Емисије издувних гасова и њихов однос са сагоревањем
Главни производи идеалног сагоревања су CO2 и H2O. Међутим, сагоревање у стварном мотору производи друге емисије:
– CO (угљен-моноксид): повећава се када је смеша превише богата или је сагоревање непотпуно.
– HC (угљоводоници): потичу од несгорелог горива, често се појављују током промашаја паљења или лошег карбурисања.
– NOx (азотни оксиди): повећава се на високим температурама сагоревања, често повезано са сиромашним смешама и одређеним временима сагоревања.
– Честице (PM/чађ): доминантне у дизелу и могу се појавити и у бензину са директним убризгавањем (GDI) ако контрола није оптимална.
Зато модерна возила користе каталитичке конверторе, EGR, O2 сензоре, а код дизела се додају DPF и SCR како би се смањиле емисије.
Закључак
Основни систем сагоревања у аутомобилским моторима подразумева претварање енергије горива у снагу путем контролисане реакције сагоревања. Бензински мотори пале смешу помоћу свећице, док дизел мотори користе топлоту компресије за паљење убризганог горива. На успешно сагоревање утиче квалитет смеше ваздуха и горива, степен компресије, време паљења/убризгавања, дизајн коморе за сагоревање и електронска контрола ECU-а. Добро сагоревање производи оптималну снагу, ефикасну потрошњу горива и ниске емисије - док абнормално сагоревање, попут детонације и пропуштања паљења, може наштетити перформансама и убрзати оштећење мотора. Разумевањем основа, можемо лакше обављати одржавање, дијагностиковати проблеме и бирати гориво и стилове вожње који подржавају перформансе мотора.
Ако желите, могу да наставим са техничкијим подчланцима као што су: улога О2 сензора и контроле горива у затвореној петљи, AFR прорачуни и стехиометрија, или разлике у сагоревању код EFI наспрам GDI наспрам карбуратора.
