Vše o palivech - Spalování paliv (7. díl)

Zanedlouho se budeme věnovat tomu, co nás u motorů zajímá tak moc – emisím. Jenže abychom se jimi mohli zabývat, musíme se prokousat extrémním množstvím termomechaniky, termodynamiky, matematiky i chemie. Pro ukázku jen lehce načrtneme celý začátek problematiky.

Přeskočme chemické rovnice, molární hmotnosti, vnitřní energie a entalpie. Přejděme rovnou k veličině, která vlastně spalování definuje. Jde o součinitel přebytku vzduchu λ (lambda) ve směsi.
Nejdřív si uvědomme, že kyslík se odebírá ze vzduchu, kde je přítomen většinou cca 21 % podle objemu, nebo 23,2 % podle hmotnosti. Zbytek je dusík (N₂), oxid uhličitý (CO₂), vzácné plyny a vodní páry. Přesunem přes několik chemických rovnic se dopočítáme výsledku, že u benzínu a nafty je zapotřebí 14,5 až 15 kg vzduchu na shoření jednoho kilogramu paliva.

Definujme si tedy takzvanou stechiometrickou směs jako stav, kdy na jeden díl paliva připadá 14,7 dílů vzduchu. Tu pak značíme jako λ=1. Hodnoty nižší jsou takzvané bohaté směsi, hodnoty nad jedničku jsou chudé směsi. Každá má něco do sebe, žádná není spásná.

Další informace potřebné k identifikaci hoření

Každá práce ve spalovacím motoru závisí na míře tepla dodaného palivem. Kolik má v sobě směs obsaženého tepla, dává informaci takzvaná výhřevnost paliva, nebo ještě lépe výhřevnost směsi. Výhřevnost paliva je dána jeho chemickým složením, výhřevnost směsi pak i λ.

Ačkoli směs ve válci není ani náhodou homogenní (má stejné chemické i fyzikální vlastnosti v celém svém objemu), budeme pro zjednodušení toto předpokládat. Zapálení směsi je možné ve velmi úzkém rozsahu λ. Ovšem při dodatečném dodávání tepla a zvyšování tlaku se tyto meze zápalnosti výrazně rozšiřují.

Další veličinou, kterou musíme bedlivě sledovat, je takzvaný řetězový vznět, kdy za určité konstelace teploty, tlaku a přebytku vzduchu dochází k samovolnému řetězovitému vznícení směsi, a tedy hoření rychlejšímu a jaksi „mimo pořadí“.

Princip hoření směsi ve válci

Velmi obecně probereme, jak hoří směs ve válci. Jde o nejjednodušší vysvětlení toho, co se v motoru děje. Podle typu motoru (s elektrickou svíčkou, se žhavením, naftový s kompresí, naftový s komůrkou…) se pak rozdělují dál.

1) Nejdříve se palivo zahřívá a vytváří co největší kontaktní plochu s okysličovadlem, tedy se vzduchem. Toho se dociluje především jemným rozprášením. Čím menší kapičky, tím větší styčná plocha se vzduchem, a tedy i větší plocha na odpaření (kdo nevěří, ať si vypočítá povrch jedné kuličky nebo dvou kuliček polovičního objemu).
2) Následuje právě odpařování paliva. Při něm se mísí odpařené páry s kyslíkem a ohřívají se látky na takzvané předplamenné reakce. Podle teorie jde o endotermní reakce (přejímají teplo), avšak skutečnost je přece jen o kousek exotermnější (vydávají teplo).
3) Probíhají předplamenné reakce. Jde vlastně o přípravu směsi na samotnou chemickou reakci. Vznikají volné radikály.
4) Samotné hoření směsi – exotermní reakce.
5) Dohořívání směsi. Zde dochází k pomalejším chemickým reakcím a také k reakcím, na které se už nedostal kyslík či jiná chemická látka. Zde jsou reakce výrazně ovlivněny ochlazováním od stěn, kdy za nižších teplot se už nedokáže palivo tak dokonale spalovat.

Jak vlastně plamen hoří

Představte si trubku, ve které laminárně (bez turbulencí) proudí palivo. Do trubky jedním směrem natéká palivo a druhou stranou odchází spaliny. Skrz stěny se celý proces chladí. Plamen prostupuje směsí a vytváří se takzvaná reakční zóna. Na přední straně je zóna předplamenných reakcí, následuje samotný plamen a pak přijdou spaliny. Ale nic není tak jednoduché. Pomocí Fourierova zákona se do spalin i do směsi dostává teplo, které je ohřívá. Stejně tak difundují do čerstvé směsi spaliny. Toto míšení však má na celý laminární proces velmi malý vliv. Zóna plamene je velmi úzká (zlomky mm). Prudký nárůst teploty zde však nestačí na všechny chemické reakce, které by měl plamen zvládnout.

Proto se přesuňme do trochu obtížnějších hranic turbulentního proudění. Výrazné turbulentní proudění začne rychleji přenášet všechny veličiny uvnitř proudu. Laminární plamen pak najdeme lokálně uvnitř vírů, ale kolem dochází k řádovému nárůstu tepelného výkonu plamene.

Jak je vidět, rozvířit náplň ve válci je záhodno. Na druhou stranu se může stát, že přílišné rozvíření může způsobit sfouknutí plamene.

Podívejte se, jak vypadá spalovací prostor při práci:

Hoření za vstřikovačem

Dáme si dohromady to, co bylo řečeno. Za vstřikovačem dochází ke styku okysličovadla a benzínu. Velkým tlakem ve vstřikovačích se palivo rozpráší na mikroskopické částečky, které prudce víří. Odpařuje se palivo a na rozhraní, kde je λ = 1, hoří difuzní plamen. Fyzikálně se zde plamen sám stabilizuje. Proces hoření je řízený rychlostí toku paliva i vzduchu do zóny hoření. Uvnitř zóny difuzního plamene dochází k rychlému nárůstu teploty i tlaku. U naftových motorů tak probíhá nežádoucí krakování vyšších uhlovodíků a vznikají saze. Proto je zapotřebí lépe rozprašovat, aby tato místa byla co nejmenší.

---

Popisovat celé procesy v motoru opravdu není v mých silách. Jde o celý vědní obor. Předem se omlouvám všem, kteří tyto řádky budou číst – jde jen o velmi povšechnou ukázku toho, že hoření směsi není jen jednoduchou rovnicí typu škrtnu = hoří.

Foto: Denso

Co jsme již zveřejnili?

Vše o palivech - Historie (1. díl)
Vše o palivech - Chemie paliv (2. díl)
Vše o palivech - Výroba paliv (3. díl)
Vše o palivech - Oktanové a cetanové číslo (4. díl)
Vše o palivech - Kvalita benzínu (5. díl)
Vše o palivech - Kvalita nafty (6. díl)
Vše o palivech - Spalování paliv (7. díl)
Vše o palivech - Emise - přehled škodlivin (8. díl)
Vše o palivech - Vznik škodlivin v motorech (9. díl)
Vše o palivech - Čištění výfukových plynů (10. díl)