Proces spalování paliva

Aby se dosáhlo spalování ve spalovacím motoru, je malé množství paliva smícháno s přiváděným vzduchem. Spalovací motor bohužel nedokáže zcela spálit veškeré palivo, které spotřebuje. Výsledkem je, že motor uvolňuje vedlejší produkty spalování ve formě výfukových plynů. Některé z těchto vedlejších produktů jsou škodlivé a znečišťují ovzduší. Pro boj s tímto problémem vyvinuli výrobci automobilů takzvaná zařízení pro kontrolu emisí, která omezují nebo eliminují emise těchto škodlivých látek.

Spalování

Během procesu spalování dochází k několika chemickým reakcím. Některá spojení jsou zničena a vznikají nová spojení. Řízení spalovacího procesu je klíčem k řízení celkového výkonu a emisí spalovacího motoru.

Proces spalování vyžaduje tři prvky:

1. Vzduch
2. Palivo
3. Zapalovací jiskra

Tyto tři prvky jsou někdy označovány jako „spalovací triáda“. Pokud jeden prvek triády chybí, spalování je nemožné. Spalovací motor je navržen tak, aby kombinoval tyto tři prvky a udržoval úplnou kontrolu nad procesem.

Vzduch se skládá z atomů dusíku (N), kyslíku (O) a dalších plynů. Většina vzduchu je dusík, což je inertní, nehořlavý plyn. Vzduch nehoří, ale obsahuje dostatek kyslíku pro podporu spalování.

Palivo

Benzín se skládá z uhlovodíků, které vznikají v důsledku rafinace ropy. Uhlovodíky se skládají z atomů vodíku (H) a uhlíku (C). Do benzínu se přidávají různé chemikálie, jako jsou inhibitory koroze, barviva a čisticí prostředky. Tyto chemikálie se nazývají přísady.
Teplo a tlak přítomné ve spalovacím motoru mohou způsobit vznícení benzínu ve spalovací komoře dříve, než dojde k vytvoření zapalovací jiskry. Toto se nazývá předběžné zapálení a je podrobněji popsáno níže. Oktanové číslo benzínu udává, jak dobře odolává předběžnému vznícení. Další rafinace může pomoci zvýšit oktanové číslo.
V současnosti se v regionech s extrémně vysokou úrovní znečištění ovzduší používá typ paliva nazývaný přeformulovaný benzín (RFG). Takový benzín má speciální přísady zvané oxidanty, které zlepšují spalování, zvyšují oktanové číslo a snižují toxicitu výfukových plynů.

Zapalovací jiskra

Ve spalovacím motoru se vzduch a palivo dostávají do spalovací komory a následně se vytvoří zapalovací jiskra, která způsobí spalování. Před zapálením směsi vzduch-palivo se motor zahřeje a stlačí směs. Zahřívání napomáhá procesu tvorby směsi a komprese zvyšuje energii generovanou při spalování.

Proces spalování

Ve spalovacím motoru dochází ke spalování během zlomku sekundy (přibližně 2 milisekundy). V tomto okamžiku se přeruší vazby mezi atomy vodíku a uhlíku. Destrukce vazeb uvolňuje energii ve spalovací komoře, tlačí píst dolů a iniciuje rotaci klikového hřídele.
Poté, co se atomy vodíku a uhlíku oddělí, spojí se s atomy kyslíku ve vzduchu. Atomy vodíku se spojují s kyslíkem za vzniku vody. Atomy uhlíku se spojují s kyslíkem za vzniku oxidu uhličitého (oxid uhličitý).

Z chemického hlediska je úplné spalování ve spalovacím motoru vyjádřeno vzorcem:

HC + O2 = H2 + CO2

palivo + kyslík = voda a oxid uhličitý

Zcela účinný spalovací motor by měl ve výfuku pouze vodu (HO) a oxid uhličitý (CO), což odpovídá chemickému vzorci uvedenému výše. To by znamenalo, že všechny uhlovodíky byly během procesu spalování rozloženy. Bohužel tomu tak není.

Neefektivní spalování je hlavním důvodem přítomnosti škodlivých látek ve výfukových plynech automobilů. Efektivní spalování vede k nejméně toxickým výfukovým plynům. Účinnost spalování se zvyšuje úpravou poměru vzduch/palivo.

Poměr vzduch/palivo

Automobiloví inženýři zjistili, že emise vozidel lze snížit provozováním benzinového motoru s poměrem vzduch/palivo 14.7:1. Technický termín je známý jako “stechiometrický poměr”. Stechiometrický poměr znamená chemicky správnou směs vzduchu a paliva, která vyvolá požadovanou chemickou reakci, jejímž výsledkem je úplné spálení paliva s požadovanou toxicitou výfukových plynů.
Poměr vzduch/palivo 14.7:1 poskytuje vynikající kontrolu nad všemi třemi složkami výfuku (uhlovodíky, oxid uhelnatý a oxidy dusíku) téměř za všech podmínek výfuku. Poměr vzduch/palivo také zvyšuje účinnost katalyzátoru, který je součástí výfukového systému vozidla.

Chudá směs vzduchu a paliva

Chudá směs vzduchu a paliva je obvykle způsobena poruchou motoru. Naklonění je stav, kdy motor dostává příliš mnoho vzduchu nebo kyslíku. Příčinou nadměrné hladiny kyslíku může být únik podtlaku nebo vadný palivový systém.

Bohatá směs vzduchu a paliva

Bohatá směs vzduchu a paliva je také známkou poruchy motoru. Bohatost je stav, kdy motor není schopen spálit veškeré palivo, které se dostalo do spalovacích komor. Bohatý stav může nastat v důsledku vysokého tlaku paliva, problémů s časováním zapalování nebo nízké komprese.

Abnormální spalování

V motoru mohou nastat dva typy abnormálního spalování: detonace a předzápal.
Detonace je nepravidelný proces spalování, který může způsobit selhání těsnění hlavy a další poškození motoru. K detonaci dochází při přehřátí a zvýšeném tlaku ve spalovací komoře. Když k tomu dojde, vytvoří se výbušná síla, která iniciuje prudké zvýšení tlaku ve válcích doprovázené silným kovovým klepáním. Nárazové vlny podobné kladivu generované detonací vystavují těsnění hlavy válců, píst, kroužky, zapalovací svíčku a ojniční ložiska silnému namáhání.
Předběžné zapálení je další abnormální stav spalování, který je někdy zaměňován s detonací. K předběžnému vznícení dochází, když se kterýkoli bod ve spalovací komoře zahřeje tak, že se stane zdrojem vznícení a způsobí vznícení paliva před vytvořením zapalovací jiskry. Může přispět k detonaci nebo ji dokonce způsobit.
Namísto zapálení paliva ve správný čas, aby se klikový hřídel hladce zatlačil v požadovaném směru, se palivo vznítí předčasně. To způsobí okamžitý zpětný ráz, když se píst pokouší otočit klikovým hřídelem nesprávným směrem. Tento šok může být kvůli napětí, které vytváří, velmi destruktivní. Předstih navíc dokáže lokalizovat teplo do takové míry, že může částečně roztavit nebo vypálit díru v hlavě pístu.

Toxicita výfukových plynů

Stechiometrická směs vzduchu a paliva poskytuje nejlepší kompromis mezi dynamickým výkonem, účinností a výfukovými emisemi.
Při bohaté směsi vzduch-palivo se veškeré palivo nespálí. Zvyšuje se proto úroveň emisí uhlovodíků a oxidu uhelnatého. Chudá směs vzduchu a paliva může při spalování generovat zvýšené teplo. Zvyšuje se proto obsah oxidů dusíku. Příliš chudá směs vzduchu a paliva má za následek vynechávání zapalování. To zvyšuje emise uhlovodíků.
Katalyzátory, které chemicky neutralizují toxické výfukové plyny, jsou nejúčinnější ve velmi úzkém rozmezí, blízkém stechiometrickému poměru.

Vedlejší produkty spalování

Vzhledem k tomu, že spalovací motor není zcela účinný, spalovací proces vytváří tři nežádoucí vedlejší produkty:
1. Uhlovodíky (HC)
2. Oxid uhelnatý (CO)
3. Oxidy dusíku (N0 X )

Nedokonalé spalování způsobuje uvolňování uhlovodíků a oxidu uhelnatého. Emise uhlovodíků jsou uhlovodíky, které nebyly zničeny během spalování. Oxid uhelnatý vzniká, protože není dostatek atomů kyslíku k navázání uhlíku.

V ideálním případě by měl dusík procházet spalovací komorou beze změny. Když však teplota ve spalovací komoře dosáhne přibližně 1 371 °C (2 500 °F), atomy dusíku a kyslíku se spojí a vytvoří (NO X )

Chemický vzorec pro proces spalování, který produkuje oxidy dusíku, je následující:

HC + O2 + N2 = H2 + CO + N0x

Vzorec “NO” se používá pro oxidy dusíku, protože OHci odráží kombinaci atomu dusíku a libovolného počtu atomů kyslíku. Například oxid dusnatý (NO) se skládá z jednoho atomu dusíku a jednoho atomu kyslíku, zatímco oxid dusičitý (NO) se skládá z jednoho atomu dusíku a dvou atomů kyslíku.

Vysoký obsah HC

Vysoký obsah HC může být způsoben nedostatečnou účinností zapalovacího systému, nesprávným časováním jiskry nebo ventilů, netěsnostmi podtlaku, vnikáním oleje nebo nízkým kompresním poměrem. Podíl uhlovodíků se měří v ppm.

Vysoký obsah CO

Vysoké hladiny CO mohou být způsobeny faktory, jako jsou:
• Příliš bohatá směs vzduchu a paliva
• Vzduchový filtr je znečištěný
• Selhání ventilu PCV
• Znečištění paliva olejem
• Zadřený nebo netěsný vstřikovač paliva.
Na zdravém autě s katalyzátorem se emise oxidu uhelnatého obvykle blíží nule. Oxid uhelnatý se měří jako procento celkového objemu ve vzduchu.

NOx se vytváří při vysokých teplotách spalování (nad přibližně 1 371 °C (2 500 °F)) a obvykle se tvoří, pokud teploty spalování nejsou řízeny. Obsah oxidu dusíku se měří v ppm.

Doporučujeme také přečíst si zajímavý článek Části těla