badanie wpływu turbulencji na przebieg spalania w silniku o

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2003, vol. 10, No 1-2
INFLUENCE OF TURBULENCE ON COMBUSTION IN SPARK
IGNITION ENGINE
Józef Jarosiński, Jerzy Podfilipski i Andrzej Gorczakowski
Politechnika Łódzka, Katedra Techniki Cieplnej i Chłodnictwa, Stefanowskiego 1/15,
90-924 Łódź, e-mail: [email protected]
Abstract
The objective of the paper is to study the influence of turbulence on the burning rate of a mixture with
different equivalent ratio at high compression ratio ε=14.5. Experiments are carried out in a rapid compression
machine. Two combustion chambers with different swirling rates are employed in the present study. Spark
ignition, catalytic ignition or a combination of spark and catalytic ignition is used in experiments. The
temperature of the catalyst is controlled by means of special electronic device. Special inserts with orifices of
different diameters are used to generate turbulence. A piston pushes the mixture through the insert and creates
turbulence in the combustion chamber. Pressure records in a combustion chamber with low rotation rate
showed substantial increase of the maximum rate of pressure rise under the influence of turbulence. The
maximum rate of pressure rise increased linearly with concentration of propane from a lean mixture to
stoichiometric composition. On the contrary pressure records in a combustion chamber with high rotation rate
showed the same maximum rate of pressure rise in experiments with different equivalence ratio and different
scale of turbulence.
BADANIE WPŁYWU TURBULENCJI NA PRZEBIEG SPALANIA W
SILNIKU O ZAPŁONIE ISKROWYM
Streszczenie.
Praca ma na celu określenie wpływu turbulencji na szybkość spalania mieszanki o różnym składzie przy
wysokim stopniu sprężania ε=14,5. Badania prowadzono na maszynie pojedynczego sprężania. Badano 2
komory spalania różniące się szybkością wirowania ładunku. Przedmiotem badań był również sposób
inicjowania zapłonu: za pomocą świecy iskrowej, katalizatora, lub kombinacji tych 2 metod. W przypadku
zapłonu katalitycznego istniała możliwość kontrolowania temperatury powierzchni katalizatora w zakresie
temperatur do 850°C. Specjalne wkładki z otworami o różnych średnicach stosowano do generowania
turbulencji. Tłok przedmuchiwał mieszankę przez otwory turbulizując ładunek w komorze spalania. Zapisy
ciśnienia w komorze spalania o małym zawirowaniu ładunku wykazały znaczny wzrost maksymalnej szybkości
narastania ciśnienia pod wpływem turbulencji. Maksymalna szybkość narastania ciśnienia zwiększa się liniowo
wraz ze zmianą składu mieszanki od ubogiej do stechiometrycznej, przy czym przyrosty te są większe dla
większej skali turbulencji. W przeciwieństwie do tego, zapisy ciśnienia w komorze spalania o dużym
zawirowaniu ładunku charakteryzują się stałością maksymalnej prędkości narastania ciśnienia niezależnie od
zmian składu mieszanki i skali turbulencji.
1. Wstęp
Procesy spalania zależą od kinetyki chemicznej i zjawisk przepływowych. Turbulencja
wywiera silny wpływ na przebieg tych procesów w komorze spalania silnika tłokowego.
Spalanie turbulentne jest jednym z najbardziej skomplikowanych aspektów teorii spalania i
wielu badaczy usilnie studiowało je teoretycznie i doświadczalnie. W większości przypadków
tego rodzaju studia dotyczyły ustalonych warunków przepływu. Przebieg turbulentnego
spalania w komorze spalania silnika tłokowego jest znacznie bardziej skomplikowany,
ponieważ parametry przepływu i parametry stanu czynnika są zmienne w czasie. W tych
warunkach, tylko nieliczne badania, raczej o charakterze badań jakościowych, prowadzono
dla lepszego zrozumienia istoty zjawisk turbulentnego spalania w cylindrze silnika, a nie dla
uzyskania danych ilościowych do wykorzystania w budowie teorii lub w obliczeniach
numerycznych.
Parametry turbulentnego przepływu w cylindrze silnika zależą od jego geometrii. Przepływ
w cylindrze jest kształtowany przez kombinację naprężeń tarcia na powierzchni ścianek,
obszarów recyrkulacji i warstw przyściennych [1]. Przepływ ten jest wyjątkowo niestateczny i
charakteryzuje się niepowtarzalnymi w poszczególnych cyklach pracy fluktuacjami.
Parametry turbulencji takie jak średnia kwadratowa prędkość fluktuacji i skala turbulencji
zmieniają się nieregularnie i przypadkowo. Do określenia pola turbulentnego przepływu
stosuje się metody statystyczne.
Wzrost turbulencji świeżej mieszanki napływającej do obszaru spalania powoduje wzrost
szybkości spalania. Jednak zbyt duża prędkość fluktuacji v’ może zgasić płomień. Zgaszenie
może wystąpić zwłaszcza wtedy, gdy niewielkiej skali turbulencji Taylora λ towarzyszy
spalanie ubogiej mieszanki (gruby płomień δL i mała prędkość spalania laminarnego uL). W
tych warunkach liczba Karlowitza Ka = (v’/λ)/(δL/uL) osiągnie dużą wartość, co będzie
sprzyjać zgaszeniu płomienia [2].
Prezentowana praca ma na celu określenie wpływu arbitralnie wybranej skali turbulencji
na zapłon i przebieg procesu spalania mieszanki podczas suwu sprężania silnika. W
szczególności interesujące jest zbadanie wpływu parametrów turbulencji na szybkość spalania
mieszanek ubogich w ładunku zawirowanym, przy wysokich stopniach sprężania. Warto
również zbadać wpływ turbulencji na system zapłonu mieszanki stosowany we
wcześniejszych próbach [3]. System ten stanowi kombinację zapłonu iskrowego i
katalitycznego.
2. Technika eksperymentu
Wpływ turbulencji na spalanie był badany na maszynie pojedynczego sprężania. Warunki
przebiegu spalania podczas suwu sprężania są podobne do tych występujących na silniku.
Opis maszyny pojedynczego sprężania przedstawiono wcześniej w pracy [3]. Średnica i skok
tłoka w tej maszynie wynosiły odpowiednio D=60mm i L=86mm, a średnia prędkość tłoka
była równa w=4,3m/s, co odpowiadało prędkości obrotowej silnika n=1500obr/min.
Przedmiotem badań były 2 głowice, które różniły się stopniem zawirowania ładunku.
Geometria komór spalania w tych głowicach była zaprojektowana w sposób, który zapewniał
ten sam stopień sprężania ε=14,5 we wszystkich badanych wariantach komór. Schemat
głowicy o małym zawirowaniu ładunku przedstawiono na rys. 1, a stosowany w niej zestaw
wkładek turbulizujących na rys. 2.
Schemat głowicy o dużym stopniu zawirowania ładunku przedstawiono na rys. 3, a
stosowany w niej zestaw wkładek turbulizujących na rys. 4. Proces spalania oceniano w
oparciu o analizę zarejestrowanych wykresów przebiegu ciśnienia w czasie.
W początkowej fazie eksperymentów badano przebieg procesów zapłonu i spalania z
punktu widzenia 4 różnych rodzajów zapłonu: 1) od iskry, 2) od nagrzanego ciała nie
posiadającego własności katalitycznych, 3) od katalizatora o zadanej temperaturze
powierzchni i 4) od iskry wspomaganej zapłonem katalitycznym. Zapłon katalityczny
realizowano za pomocą świecy żarowej z nawiniętym na jej część gorącą drutem platynowym
[3,4].
W doświadczeniach ze wspomaganiem katalitycznym zapłonu iskrowego kontakt między
mieszanką palną a katalizatorem trwa podczas całego suwu sprężania. Reakcja heterogeniczna
mieszanki przepływającej wzdłuż powierzchni katalizatora zachodzi zarówno podczas jej
dopływu do przestrzeni katalizatora jak i w drodze powrotnej do komory wirowej.
Heterogeniczna reakcja katalityczna zachodząca na rozwiniętej powierzchni katalizatora
wzbudza aktywność chemiczną mieszanki homogenicznej, która łatwo ulega zapłonowi w
przypadku przeskoku iskry
Rys. 1. Cylindryczna komora spalania o małym
zawirowaniu ładunku. Stopień sprężania ε = 14.5.
1-nakrętka, 2-okno, 3-cylindryczna komora
spalania d=32×17.6, 4-wkładka turbulizująca, 5głowica, 6-tuleja cylindrowa, 7-świeca żarowa z
katalizatorem, 8-kanał wlotowy i wylotowy, 9czujnik ciśnienia,10-świeca iskrowa, 11-szczelina.
Rys. 2. Zestaw wkładek turbulizujących do komory
spalania pokazanej na rys. 1. Wymiary przedstawiono w tej
samej skali. Linią przerywaną oznaczono średnicę komory.
Otwory wywiercono pod kątem 45° w celu wytworzenia
słabego zawirowania. Liczba otworów i ich średnice: 1 –
20 × d = 4mm, 2 – 8 × d = 6mm, 3 – 7 × d = 7mm.
Fig. 1. Cylindrical combustion chamber with
low swirling rate. Compression ratio ε = 14.5.
1-holdfast, 2-window, 3-cylindrical combustion
4-turbulence
insert,
chamber
d=32×17.6,
5-cylinder head, 6-cylinder, 7-glow plug with
catalyst, 8-inlet and outlet channel, 9-pressure
transducer, 10-spark plug, 11- crevice.
Fig. 2. Turbulence inserts used in combustion chamber
shown in Fig. 1. Dimensions are in scale. Dashed lines
indicate diameter of the combustion chamber. Orifices
drilled at an angle 45° to create gentle swirl. Number of
orifices and their diameter: 1 – 20 × d = 4mm, 2 – 8 × d =
6mm, 3 – 7 × d = 7mm.
Rys. 3. Cylindryczna komora spalania o dużym
zawirowaniu ładunku. Stopień sprężania ε = 14.5. 1głowica, 2-świeca iskrowa, 3-czujnik ciśnienia, 4cylindryczna
komora
spalania,
5-wkładka
turbulizująca, 6-kanał wlotowy i wylotowy, 7-tuleja
cylindrowa.
Rys. 4. Zestaw wkładek turbulizujących do komory
spalania pokazanej na rys. 3. Wymiary przedstawiono w
tej samej skali. 1-widok boczny wkładki (wysokość
h=15mm). Liczba otworów i ich średnice: 2 – 3 ×
d=5.5mm, 3 - 4 × d = 4.8mm, 3 – 8 × d = 3.4mm.
Fig. 3. Cylindrical combustion chamber with
high swirling rate. Compression ratio ε = 14.5.
1-cylinder head, 2-spark plug, 3-pressure
transducer, 4-combustion chamber, 5-turbulence
insert, 6-inlet and outlet channel, 7-cylinder.
Fig. 4. Turbulence inserts used in combustion
chamber shown in Fig. 3. Dimensions are in scale. 1 side view of the insert (height h = 15mm). Number of
orifices and their diameter: 2 – 3 × d = 5.5mm, 3 – 4 × d
= 4.8mm, 3 – 8 × d = 3.4mm.
Jak wynika z wcześniejszych eksperymentów [5-6] w mieszance zachodzą reakcje chemiczne
na powierzchni katalizatora, jeśli jego temperatura przekroczy o pewną wartość temperaturę
początku reakcji heterogenicznej lub autotermicznej (zapłon homogeniczny). Tak więc, dla
zapłonu homogenicznego jest bardzo ważne, aby temperatura powierzchni katalizatora
przekraczała podczas suwu sprężania temperaturę początku reakcji autotermicznej, która dla
mieszanek propan-powietrze zawiera się w granicach od 250°C do 500°C (jej wartość zależy
od składu mieszanki).
Eksperymenty prowadzono z zastosowaniem mieszanek propan-powietrze. W badaniach
komory spalania o małym stopniu zawirowania ładunku stosowano mieszanki 2,5% C3H8,
3,0% C3H8 i 4,0% C3H8. W komorze spalania o dużym stopniu zawirowania ładunku nie
można było uzyskać zapłonu bardzo ubogiej mieszanki o stężeniu 2,5% C3H8, bez zmiany
standardowego układu zapłonowego na układ z większą energią zapłonu. Z tego powodu
komorę tę zasilano mieszankami 3,0% C3H8, 3,5% C3H8 i 4,0% C3H8. W eksperymentach
stosowano wkładki turbulizujące przedstawione na rysunkach 2 i 4.
Eksperymenty poprzedzano przygotowaniem mieszanki. Była ona przechowywana w
specjalnym zbiorniku, a następnie wykorzystywana do serii eksperymentów. Przystępując do
eksperymentu przestrzeń nad tłokiem łączono ze zbiornikiem mieszanki za pomocą przewodu
z zaworem trójdrożnym. Przed każdym eksperymentem, co najmniej 5-ciokrotnie napełniano
mieszanką a następnie opróżniano przestrzeń nad tłokiem, tak, aby całkowicie pozbyć się
resztek spalin z poprzedniego eksperymentu.
3. Wyniki badań i ich analiza
Komora spalania o słabym zawirowaniu ładunku
Spalanie ubogiej mieszanki o stężeniu 3,0% C3H8 w warunkach bardzo małej turbulencji
(bez wkładek turbulizujących) pokazało, że standardowa świeca żarowa o powierzchni
grzanej do temperatury 800°C, lub świeca żarowa pokryta katalizatorem platynowym
grzanym do temperatury 600°C zapalają mieszankę praktycznie bez żadnego opóźnienia.
Świeca żarowa pokryta katalizatorem platynowym grzana do temperatury 500°C wykazuje tę
samą skuteczność, co zapłon iskrowy (2ms opóźnienia zapłonu). Standardowa świeca żarowa
o temperaturze powierzchni 700°C, a także świeca żarowa pokryta katalizatorem grzanym do
temperatury 400°C i 300°C również powoduje zapłon mieszanki, lecz z bardzo dużym
opóźnieniem rzędu 20-30ms w stosunku do GMP. W wyniku przeprowadzonych
eksperymentów stwierdzono, że najbardziej niezawodnym zapłonem jest zapłon iskrowy
wspomagany katalitycznie przez katalizator grzany do temperatury 500°C.
W następnym etapie badano wpływ systemu zapłonu na opóźnienie zapłonu i na przebieg
spalania w warunkach oddziaływania turbulencji. Przebieg procesu spalania był oceniany w
oparciu o analizę szybkości narastania ciśnienia. W badaniach tych stosowano ubogą
mieszankę (3.0% C3H8) i wkładkę turbulizującą z małymi otworami d=4mm (stosunkowo
mała skala turbulencji) z zamiarem przebadania zjawisk w warunkach bliskich gaszeniu [2].
Stwierdzono, że pod wpływem turbulencji zapłon katalityczny uległ znacznemu opóźnieniu, a
szybkość narastania ciśnienia znacznie wzrosła w porównaniu z warunkami bez
oddziaływania turbulencji.
Wpływ składu mieszanki palnej na szybkość narastania ciśnienia badano w komorze
spalania bez wkładki (rys. 5) i z wkładką generującą turbulencję za pomocą otworów d=4mm
(rys. 6). Widoczne są wyraźne różnice zarówno w szybkości narastania ciśnienia jak i w
wielkości uzyskiwanych ciśnień maksymalnych dla mieszanek o tych samych składach, lecz
różnym poziomie turbulencji.
Rys. 6. Ciśnienie w funkcji czasu. Wkładka
Rys. 5. Ciśnienie w funkcji czasu. Brak wkładki
turbulizującej. Stężenie propanu w mieszance propanu turbulizująca z otworami o średnicy d=4mm. Stężenie
z powietrzem: 1 - 2.5% C3H8, 2 – 3.0% C3H8, 3 - 4.0% propanu w mieszance propanu z powietrzem: 1 - 2.5%
C3H8.
C3H8, 2 – 3.0% C3H8, 3 - 4.0% C3H8.
Fig. 6. Cylinder pressure as a function of time.
Fig. 5. Cylinder pressure as a function of time. No
turbulence insert. Different concentration of propane Turbulence insert with orifice diameters d = 4mm.
in propane/air mixture: 1 – 2.5% C3H8, 2 – 3.0% C3H8, Different concentration of propane in propane/air
3 - 4.0% C3H8.
mixture: 1 – 2.5% C3H8, 2 – 3.0% C3H8, 3 - 4.0%
C3H8.
Z porównania rysunków 5 i 6 wynika, że pod wpływem turbulencji zmniejsza się
opóźnienie zapłonu (przynajmniej dla mieszanek z zawartością propanu 3,0% C3H8 i 4,0%
C3H8.), wzrasta ciśnienie maksymalne i szybkość narastania ciśnienia.
Podczas spalania w naczyniu zamkniętym szybkość narastania ciśnienia jest miarą
masowej szybkości spalania [7]. W prezentowanej pracy zasadnicza część spalania ma
miejsce w pobliżu GMP i w przybliżeniu może być traktowane jako spalanie w stałej
objętości. Tak więc, możemy spodziewać się podobnych relacji między szybkością narastania
ciśnienia, a masową szybkością spalania, tak jak w pracy [7].
Rys. 7. Ciśnienie w funkcji czasu. Wkładka
Rys. 8. Ciśnienie w funkcji czasu. Wkładka
turbulizująca z otworami o średnicy d=6mm. Stężenie turbulizująca z otworami o średnicy d=7mm. Stężenie
propanu w mieszance propanu z powietrzem: 1 - 2.5% propanu w mieszance propanu z powietrzem: 1 - 2.5%
C3H8, 2 – 3.0% C3H8, 3 - 4.0% C3H8.
C3H8, 2 – 3.0% C3H8, 3 - 4.0% C3H8.
Fig. 7. Cylinder pressure as a function of time.
Turbulence insert with orifice diameters d = 6mm.
Different concentration of propane in propane/air
mixture: 1 – 2.5% C3H8, 2 – 3.0% C3H8, 3 - 4.0%
C3H8.
Fig. 8. Cylinder pressure as a function of time.
Turbulence insert with orifice diameters d = 7mm.
Different concentration of propane in propane/air
mixture: 1 – 2.5% C3H8, 2 – 3.0% C3H8, 3 - 4.0%
C3H8.
Należy sądzić, że wkładki turbulizujące z otworami o średnicach d=6mm i d=7mm
generują turbulencję o większej skali niż wkładka z otworami d=4mm. Wpływ turbulencji
wytworzonej przez 2 wymienione wkładki na przebieg spalania również był przedmiotem
badań. Typowe zapisy zmian ciśnienia w funkcji czasu dla przypadków spalania
odbywającego się pod wpływem turbulencji generowanej przez wkładki turbulizujące z
otworami d=6mm i d=7mm przedstawiono na rysunkach 8 i 9.
Krzywe ciśnienia na tych rysunkach wykazują podobne tendencje jak te obserwowane na
rys. 6. Opóźnienie początku narastania ciśnienia w wyniku procesu spalania jest bardzo
krótkie dla mieszanek 3,0% C3H8 i 4,0% C3H8 i nieco dłuższe dla mieszanki 2,5% C3H8,
(choć krótsze niż w przypadku spalania bez udziału wkładek turbulizujących – patrz rys. 5).
Nachylenie krzywych narastania ciśnienia jest bardzo małe, co świadczy o dużej prędkości
wzrostu ciśnienia. Spalanie turbulentne ubogiej mieszanki 2,5% C3H8 odbywa się raczej z
małą prędkością. Prawdopodobnie podczas spalania tego typu mieszanki występuje lokalne
gaszenie płomienia.
Obliczone w oparciu o wykresy przedstawione na rysunkach 5-8 maksymalne szybkości
narastania ciśnienia pokazano na rys. 9. Z rysunku tego wynika, że maksymalna szybkość
narastania ciśnienia jest w przybliżeniu liniową funkcją stężenia propanu w mieszance,
zarówno dla komory bez wkładki turbulizującej, jak i dla komór z wkładką. Interesujące jest
również to, że wzajemne stosunki maksymalnej szybkości narastania ciśnienia (dp/dt)max w
badanym zakresie zmian składu mieszanki są stałe.
Rys. 9. Maksymalna szybkość narastania ciśnienia w funkcji składu mieszanki. Turbulencja wytwarzana
przez wkładki z otworami o różnych średnicach: 1 – bez wkładki, 2 – d = 4mm, 3 - d = 6mm, 4 – d = 7mm.
Fig. 9. Maximum rate of pressure rise as a function of propane concentration. Turbulence produced by
inserts with different orifice diameters: 1 – no insert, 2 – d = 4mm, 3 - d = 6mm, 4 – d = 7mm.
Analiza szybkości narastania ciśnienia dla 3 badanych wkładek turbulizujących wykazała,
że wielkość otworów generujących turbulencję jest bardzo ważnym czynnikiem
wpływającym na szybkość spalania. Stwierdzono eksperymentalnie, że czym większa jest
średnica otworów tym szybciej narasta ciśnienie podczas spalania. Okazało się ponadto, że
szybkość narastania ciśnienia jest liniową funkcją stężenia propanu w mieszance, które w
warunkach eksperymentu zmieniało się od 2,5% C3H8 do 4,0% C3H8. Odstępstwo od zasady
zależności liniowej ilustruje lewa strona wykresu reprezentująca spalanie ubogiej mieszanki
pod wpływem turbulencji generowanej przez wkładkę z otworami d=7mm. Spalanie
mieszanki o stężeniu 2,5% C3H8 i turbulencji odpowiadającej wielkościom otworów d=7mm
charakteryzowało się szybkością narastania ciśnienia znacznie mniejszą niż wynikałoby to z
zasady liniowości. Z drugiej strony stwierdzono, że powtarzalność przebiegu ciśnień w
eksperymentach z mieszankami o stężeniach 2,5% C3H8 i 3,0% C3H8 jest bardzo wysoka.
Dodatkowo przeprowadzone eksperymenty ze spalaniem mieszanki o pośrednim stężeniu
2,75% C3H8 wykazały duży rozrzut danych o zakresie pokazanym na rys. 9. Zakreskowane
pole na tym rysunku wyznacza obszar o niepowtarzalnym przebiegu ciśnień. Należy sądzić,
że czynnikami odpowiedzialnymi za tą niepowtarzalność są: uboga mieszanka i duże
gradienty prędkości towarzyszące strugom wypływającym z otworów d=7mm. Obydwa
czynniki zwiększają liczbę Karlovitza, która charakteryzuje warunki gaszenia płomienia.
Uzyskane wyniki nie są oczywiste. Można było oczekiwać większego wpływu turbulencji
na intensyfikację spalania, szczególnie mieszanek ubogich, ponieważ, z punktu widzenia
teorii spalania, w przypadku dużych fluktuacji prędkości (v’>>uL) prędkość turbulentnego
spalania ut nie zależy od prędkości spalania laminarnego uL, lecz jest proporcjonalna do
fluktuacji prędkości v’ [8].
Komora spalania o dużym zawirowaniu ładunku
Wpływ stężenia propanu w mieszance na przebieg spalania był również badany w komorze
spalania o dużym zawirowaniu ładunku wyposażonej we wkładki turbulizujące pokazane na
rys. 4. Przykładem tego wpływu są krzywe przebiegu ciśnienia przedstawione na rys. 10.
Charakteryzują one spalanie mieszanki przy zastosowaniu wkładki turbulizującej o 8
otworach d=3,4mm. Z drugiej strony przykładem wpływu geometrii wkładki na przebieg
ciśnienia, przy stałym stężeniu propanu w mieszance palnej równym 3,0% C3H8, są krzywe
ciśnienia pokazane na rys. 11.
Rys. 10. Ciśnienie w funkcji czasu. Wkładka
turbulizująca z otworami o średnicy d=3,4mm.
Stężenie propanu: 1 – 3,0% C3H8, 2 – 3.,5% C3H8, 3 –
4,0% C3H8. Krzywa 4 – sprężanie czynnika bez
spalania.
Fig. 10. Cylinder pressure as a function of time.
Turbulence insert with orifices d=3.4mm. Different
concentration of propane in propane/air mixture: 1 –
3.0% C3H8, 2 – 3.5% C3H8, 3 - 4.0% C3H8. Curve 4 compression without combustion.
Rys. 11. Ciśnienie w funkcji czasu. Stężenie
propanu 3.0%. C3H8. Turbulencja generowana przez
wkładki z otworami o różnych średnicach: 1 – d =
3,4mm, 2 - d = 4,8mm, 3 – d = 5,5mm. Krzywa 4 –
sprężanie czynnika bez spalania
Fig. 11. Cylinder pressure as a function of time.
Concentration of propane in propane/air mixture
3.0%. C3H8. Turbulence produced by inserts with
different orifice diameters: 1 – d = 3.4mm, 2 - d =
4.8mm, 3 – d = 5.5mm. Curve 4 – compression without
combustion.
Okazało się, że maksymalna szybkość narastania ciśnienia w komorze spalania o dużym
zawirowaniu ładunku nie zależy od składu mieszanki ani od skali turbulencji. We wszystkich
przeprowadzonych eksperymentach szybkość ta zawiera się w granicach (dp/dt)max=6000070000 bar/s. Najprawdopodobniej szybkość narastania ciśnienia jest nieczuła na zmiany
turbulencji z powodu laminaryzacji spalania w polu dużych sił odśrodkowych. Tak więc,
zjawisko silnej laminaryzacji spalania turbulentnego w przepływie wirowym obserwowane
wcześniej w pracy [9] potwierdzono również w badaniach kwasi-silnikowych.
Wpływ składu mieszanki na przebieg spalania podczas suwu sprężania zaobserwowano
jedynie w postaci zróżnicowania czasu od momentu podania iskry do początku rozwoju
płomienia. Dla mieszanek stechiometrycznych czas ten jest bardzo krótki, a dla mieszanek
ubogich wydłuża się (patrz rys. 10). Maksymalna szybkość narastania ciśnienia utrymuje się
zwykle na tym samym poziomie do osiągnięcia ciśnienia 50 bar, a następnie maleje. Czym
bardziej uboga mieszanka tym mniejsza jest szybkość narastania ciśnienia w jej drugiej fazie.
Zmiana nachylenia krzywej ciśnienia prawdopodobnie ma związek ze spadkiem napływu
świeżej mieszanki do komory spalania. W początkowej fazie spalania w komorze wirowej
gorące spaliny zajmują środek komory, a świeża mieszanka jej obrzeże. W tej sytuacji napływ
świeżej mieszanki izoluje zewnętrzną cylindryczną część komory spalania od dopływu ciepła
do ścianek. Rozwój płomienia podczas osłabienia dopływu świeżej mieszanki do komory
spalania doprowadza w końcu do kontaktu płomienia ze ścianką. Wirujący płomień o dużym
gradiencie temperatury przy ściance jest źródłem intensywnego dopływu ciepła do ścianek, co
ma wpływ na nachylenie krzywej przyrostu ciśnienia.
4. Wnioski
•
•
•
Efektywność zapłonu katalitycznego potwierdzono doświadczalnie. Wzrost turbulencji
przesuwa graniczną temperaturę zapłonu katalitycznego w kierunku wyższych
temperatur. Oszacowano, że zapłon iskrowy wspomagany przez katalizator grzany do
temperatury 500°C jest bardzo skutecznym rodzajem zapłonu.
Stwierdzono, że w komorze spalania o małym zawirowaniu ładunku następuje znaczny
wzrost szybkości narastania ciśnienia pod wpływem turbulencji. Czym większe są
średnice otworów we wkładkach generujących turbulencję (większa skala turbulencji)
tym szybciej narasta ciśnienie przy tym samym stopniu sprężania i tym samym składzie
mieszanki. Maksymalna szybkość narastania ciśnienia wzrasta liniowo wraz ze zmianą
składu mieszanki od ubogiej do stechiometrycznej. Odstępstwo od tej zasady kształtują
warunki bardzo ubogich mieszanek i dużych gradientów prędkości.
Stwierdzono, że maksymalna szybkość narastania ciśnienia w komorze spalania o
dużym zawirowaniu ładunku nie zależy od składu mieszanki ani od skali turbulencji.
Mała czułość szybkości narastania ciśnienia na zmiany parametrów turbulencji może
być objaśniona laminaryzacją spalania w polu dużych sił odśrodkowych.
Literatura
[1] Heywood J. B., Internal Combustion Engine Fundamentals, New York, McGraw–Hill,
1988.
[2] Bradley D., “How Fast Can We Burn?”, Twenty-Fourth Symposium (International) on
Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, pp. 247-262, 1992.
[3] Jarosinski J., Podfilipski J., „Wpływ katalizatora na przebieg procesów spalania w
silniku tłokowym o zapłonie iskrowym”, Journal of KONES, vol. 9, No. 3-4, 119-125,
2002.
[4] Jarosinski J. and Podfilipski J., “Influence of Catalysis on Combustion in Spark Ignition
Engine”. SAE Technical Paper Series, 2001-01-1338, 2001
[5] Jarosinski J., Lapucha R., Mazurkiewicz J. and Wojcicki S., “Investigation of a LeanBurn Piston Engine with Catalytic Prechamber”, SAE Technical Paper Series 960083,
1996.
[6] Jarosinski J., Lapucha R., Mazurkiewicz J. and Wojcicki S., “Combustion System of a
Lean-Burn Piston Engine with Catalytic Prechamber”, SAE Technical Paper Series
2001-01-1186, 2001.
[7] Jarosinski J., Podfilipski J., Gorczakowski A. and Veyssiere B., “Experimental Study of
Flame Propagation in Propane/Air Mixture near Rich Flammability Limits in
Microgravity”, Combustion Science and Technology, 174(9): 1-18, 2002.
[8] Chomiak J., Combustion: a Study in Theory, Fact and Application, Abacus
Press/Gordon and Breach Science Publishers, 1990
[9] Zawadzki A. and Jarosinski J., “Laminarisation of flames in rotating flow”, Combust.
Sci. Technol., 35: 1-13, 1983.