Spaľovací priestor

Prierez motorom s Ricardovým spaľovacím priestorom pri motore s rozvodom SV

Spaľovací priestor v piestových spaľovacích motoroch s vnútorným spaľovaním s priamočiarym vratným pohybom piesta je priestor vo valci v ktorom prebieha spaľovanie paliva so vzduchom. Z konštrukčného hľadiska je potrebné rozlišovať:

• nedelené spaľovacie priestory
• delené spaľovacie priestory.

Oba typy je možné využívať v zážihových aj vznetových motoroch, aj keď moderné motory majú takmer bez výnimky nedelený spaľovací priestor. Spaľovanie prebieha okolo hornej úvrate piesta, preto spaľovací priestor možno stotožniť s kompresným priestorom. Spaľovací priestor pri motoroch s nedeleným spaľovacím priestorom je ohraničený dnom piesta, hlavou valca, taniermi ventilov a hornou časťou obvodovej steny valca, alebo jeho vložky. Pri spaľovacích motoroch s deleným spaľovacím priestorom sa k vyššie popísanému objemu pridáva komôrka a spojovací kanál.

Funkčne ekvivalentnou časťou spaľovacieho priestoru pri spaľovacích turbínach je spaľovacia komora.

Vplyv spaľovacieho priestoru

Usporiadanie spaľovacieho priestoru a použitý materiál jeho stien má vplyv najmä na:

• výmenu náplne vo valci
• výšku kompresného pomeru
• tvar a rozloženie plameňa a priebeh spaľovania
• účinnosť chladenia motora.

Spaľovacie priestory zážihových motorov s prípravou zmesi mimo valca

Hlava valcov s ventilmi vytvárajú vrchnú časť spaľovacích priestorov štvorvalcového motora

Pre klasické zážihové motory sa zmes pripravovala najskôr karburátorom, v súčasnosti vstrekovaním do plniaceho potrubia alebo vstupného kanála pre plniacim ventilom. Vzhľadom na vlastnosti benzínu - jeho ľahkú odpariteľnosť a teplotné aj rýchlostné pomery v plniacom potrubí a spaľovacom priestore pred zážihom sa spaľuje takmer homogénne premiešaná zmes. Rôznym vývojom prešiel tiež rozvodový mechanizmus kým sa ustálil na aktuálnom type rozvodu OHV. Spaľovací priestor týchto zážihových motorov musí spĺňať niekoľko požiadaviek a prispôsobiť sa tiež konštrukčným obmedzeniam vyplývajúcim z použitého rozvodového mechanizmu.

Je potrebné vytvoriť čo najväčší kompresný pomer, avšak taký, aby ešte nedochádzalo k detonačnému spaľovaniu a samozápalom. Vyšší kompresný pomer je možné dosiahnuť vhodnou voľbou materiálov, napríklad hlava valcov a piesty z hliníkovej zliatiny lepšie odvádzajú teplo, čo znamená nižšiu teplotu steny spaľovacieho priestoru a možnosť zvýšiť kompresný pomer. Veľký vplyv má aj tvar spaľovacieho priestoru. Priestory s vytvorenou antidetonačnou štrbinou (na obrázku Ricardovho priestoru je to znížená časť vpravo od osi valca) umožňujú zvýšenie kompresného pomeru tým viac, čím je štrbina užšia. Tieto priestory spĺňajú podmienku, aby najvzdialenejšia časť spaľovacieho priestoru bola najchladnejšia.

Je potrebné vytvoriť čo najkompaktnejší priestor s čo najmenším pomerom povrchu k objemu. Takýto priestor má menšie straty tepla do stien čo zvyšuje jeho účinnosť a spomaľovanie spaľovanie pri chladnej stene je v menšej miere, čo zlepšuje emisie oxidu uhoľnatého a nespálených uhľovodíkov. Ďalej je potrebné zabezpečiť čo najmenšiu dráhu plameňa od miesta vzniku iskry po najvzdialenejšie miesto. Teoreticky obom požiadavkám najlepšie vyhovuje guľovitý priestor so sviečkou v strede, čo je prakticky nerealizovateľné. Zmenšenie dráhy plameňa sa dá kompenzovať použitím viacerých zapaľovacích sviečok, najčastejšie dvoch, v jednom spaľovacom priestore.

Tvar spaľovacieho priestoru by mal umožniť mäkký priebeh spaľovania, čomu zodpovedá postupný a plynulý priebeh okamžitého objemu zmesi ktorou postupne prechádza čelo plameňa. Ďalej by mal umožňovať čo najväčšie prietokové prierezy plniacich a výfukových ventilov. Táto požiadavka sa často dosahuje zvýšením počtu ventilov na valec na 3,4 a v extrémnych prípadoch aj viac.

Vhodné vírenie zmesi podporí vytvorenie homogénnej zmesi, preto by ho mal tvar spaľovacieho priestoru podporovaný aj tvarom plniaceho kanála vyvolávať. Vírenie zmesi tiež podporuje rýchlosť spaľovania, čo zvyšuje termodynamickú účinnosť motora.

Delené spaľovacie priestory zážihových motorov

V minulosti niekoľko firiem experimentovalo so spaľovaním chudobných benzínových zmesí. Vzhľadom na vlastnosti benzínu (rýchle vyparovanie a medze zápalnosti), požiadavka na spaľovanie chudobnej zmesi je spojená s požiadavkou spaľovať heterogénnu zmes. Jedno z riešení je rozdeliť spaľovací priestor na väčšiu časť nad piestom a menšiu tzv. komôrku. Vo väčšej časti je chudobná zmes (λ = 1,3 - 1,8), v menšej komôrke bohatá zmes (λ = 0,6 - 0,8) dopravovaná osobitným ventilom a zapaľovacia sviečka. Po zapálení plameň vyšľahne cez kanál do hlavného spaľovacieho priestoru, čo je dostatočný zdroj pre spaľovanie aj chudobnej zmesi. Takýto motor sa zvykol označovať aj ako motor s výšľahovým zapaľovaním.

Spaľovacie priestory Wankelových motorov

Spaľovací priestor Wankelovho motora je viditeľný vľavo dole. dobre je vidieť zapaľovacia sviečka a podľa potrubí možno určiť smer otáčania proti hodinovým ručičkám.

Wankelov motor ná tvar spaľovacieho priestoru jednoznačne daný tvarom rotačného piesta a vnútorným tvarom skrine, ktorá je daná obálkou dráhy vrcholov prierezu piesta.

Spaľovacie priestory zážihových motorov s priamym vstrekom

Zážihové motory s priamym vstrekom sú oveľa náročnejšie na zabezpečenie zapálenia a procesu spaľovania. Rozvinuli a rozšírili sa najmä pod tlakom na znižovanie spotreby a tým aj emisií oxidu uhličitého a ostatných škodlivín. Sú schopné spaľovať chudobnú až veľmi chudobnú zmes, ale pre takýto režim je potrebné zabezpečiť vrstvené spaľovanie nehomogénnej zmesi, aby v okolí sviečky bola v čase preskoku iskry zmes lokálne vždy mierne bohatá.

Jedným z predchodcov súčasných moderných riešení motorov s priamym vstrekom je patent spoločnosti Texaco pochádzajúci z 50. rokov 19. storočia. V hlave valca bola vytvorená komôrka rotačného tvaru. Vzduch ktorý do nej vnikal pri kompresii cez tangenciálny kanál spôsobil intenzívne vírenie. Do komôrky bol vyvedený vstrekovač aj sviečka, ktoré boli umiestnené tak, aby prúd paliva zasahoval miesto vzniku iskry. Celkový pomer bol nastavený na chudobnú zmes, pretože v okolí sviečky boli vždy podmienky pre spoľahlivé zapálenie a rýchle horenie. Dnes by sa tento systém označoval za proces spaľovania riadený lúčom paliva. Podobný systém využíva aj súčasná Koncepcia koncept OCP (Orbital Combustion Process).

Moderné motory využívajú dva rôzne spôsoby kontroly priebehu spaľovania. S vybraným spôsobom je potrebné zosúladiť geometrický tvar spaľovacieho priestoru vrátane dna piesta, vzájomné umiestnenie vstrekovača a zapaľovacej sviečky, smer a rýchlosť prúdenia náplne a smer a tvar lúča paliva a správny okamih vstreku.

1. spaľovanie vedené lúčom – tento spôsob vyžaduje, aby bolo palivo vstrekované v blízkosti zapaľovacej sviečky a tu sa aj odparovalo
2. spaľovanie vedené stenami – pri tomto spôsobe sa palivo vstrekuje do prúdu vzduchu, ktorý vhodným tvarovaním stien spaľovacieho priestoru privedie oblak pripravenej zmesi v správny okamih k zapaľovacej sviečke. Pri tomto spôsobe sa rozlišuje typ prúdenia v spaľovacom priestore:
   • vírové (swirl) – vzduch od sacieho ventilu prúdi turbulentne (rotačne) pozdĺž steny valca
   • valivé (tumble) – vzduch sa pohybuje valivým spôsobom zhora dole a v priehlbine piestu sa zatáča opäť nahor

Spaľovacie priestory vznetových motorov

Relatívne zložitý nedelený spaľovací priestor vytvorený v dne piesta

Vznetové motory stláčajú vo valci čistý vzduch na takú úroveň zvýšenia jeho tlaku a teploty, aby po vstreknutí paliva došlo k jeho vznieteniu. Na dosiahnutie takéhoto stavu musia mať vznetové motory vyšší kompresný pomer z čoho vyplýva, že kompresný/spaľovací priestor je relatívne ku zdvihovému objemu menší ako v zážihových motoroch. Spaľovacie priestory môžu byť delené, alebo nedelené.

Nedelené spaľovacie priestory vznetových motorov

Tieto priestory sú vhodné pre všetky veľkosti (vŕtania) vznetových motorov a v súčasnosti sa používajú častejšie. Môžu byť vytvarované v pieste aj v hlave valcov, alebo medzi dvoma piestami pri motoroch s protibežnými piestami. Z hľadiska usmerňovania prúdenia náplne valca sa využívajú konštrukcie s nízkym aj veľmi vysokým vírením, tomu je následne potrebné prispôsobiť charakteristiku vstrekovacieho zariadenia. Tvar spaľovacieho priestoru by mal zodpovedať tvaru lúča vstreknutého paliva a umožňovať symetrické rozdelenie rovnako dlhých lúčov vo vzduchu. Zmes sa v týchto typoch spaľovacích priestorov pripravuje objemovým spôsobom, t.j. veľmi dobre rozprášené palivo sa má odpariť ešte v objeme priestoru a žiadna časť by nemala dopadnúť na jeho steny.

Delené spaľovacie priestory vznetových motorov

Menšie časti delených priestorov sa často nazývajú komôrky, podľa toho sa aj tieto motory označujú ako komôrkové. Tieto priestory sú vhodné len pre menšie vŕtania motorov približne do 200 mm. Ich použitie je veľmi obmedzené pri preplňovaných motoroch. Hlava valcov je pri nich komplikovaná, náchylná na poruchy. Na druhej strane však postačuje jednoduchšie vstrekovacie zariadenie. Komôrkové motory majú nižšie požiadavky na kvalitu a čistotu paliva a vstrekovacie tlaky. Na ich štartovanie sú spravidla potrebné žeraviace sviečky. Majú tichší a mäkší chod, ale vyššiu mernú spotrebu paliva vplyvom vysokého prestupu tepla cez komplikovaný povrch spaľovacieho priestoru.

Komôrka je vždy spojená najčastejšie jedným kanálikom malého prierezu s hlavným spaľovacím priestorom. Prúdenie vzduchu cez tento kanálik dokáže vytvoriť dostatočné vírenie potrebné pre dobré premiešanie paliva so vzduchom, čo umožní spaľovať menej chudobnú zmes a dosiahnuť vyšší výkon. Zmes sa pripravuje termickým spôsobom - odparovaním nastreknutého paliva z horúceho povrchu, alebo zmiešaným spôsobom (termickým + objemovým, viď. vyššie). Podľa funkcie sa rozlišujú tri typy komôrok.

Obyčajné (tlakové) komôrky

Objem komôrky býva 20 - 40% z objemu kompresného priestoru. Majú malú energiu vírenia a sú vhodné aj pre preplňované motory. Umožňujú aj konštrukciu s premenlivou geometriou - zmenou objemu komôrky. Palivo sa vstrekuje do komôrky.

Vírové komôrky

Vírová komôrka typu Ricardo comet

Objem komôrky býva 60 - 75% z objemu kompresného priestoru. Tvar komôrky je rotačný so zaoblenými stenami (guľovitý, oválny) čo umožňuje dosiahnuť uhlovú rýchlosť až 30-40 krát vyššiu ako uhlová rýchlosť kľukového hriadeľa. Následne sa táto energia vírenia využije na dobré premiešanie zmesi. Palivo sa vstrekuje do komôrky.

Vzduchové komôrky

Objem komôrky býval 60 - 70%, pri novších konštrukciách 20 - 25% z objemu kompresného priestoru. Palivo sa vstrekuje do priestoru nad piestom. Vzduch vystupujúci z komôrky pri pohybe piesta nadol rozvíri pripravenú a už horiacu zmes. Je možné riešenie aj s rozdelením vzduchovej komôrky, pričom jednu jej časť je možné odpojiť pri štarte, alebo vybraných režimoch motora.

Spaľovacie priestory žiarových motorov

Pri tzv. žiarových motoroch, ktoré sa už dnes nepoužívajú sa zmes pripravuje termickým spôsobom, t.j. nastrekuje na horúcu stenu žiarovej vložky. Tu je požiadavka tepelnej izolácie tejto vložky aby si zachovávala vysokú teplotu 650 - 750 °C, resp. vonkajšieho zdroja tepla pre zohriatie pri štartovaní.

Iné projekty

Commons

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Spaľovací priestor