Zadanie to ułatwiają współczesne elektronicznie sterowane układy zasilania silników ZI. Zastosowanie w nich elektronicznych mikroprocesorów pozwoliło wyeliminować systemy mechaniczne jako mniej precyzyjne i zbyt powolne w działaniu. Elektronizacja umożliwiła prowadzenie ciągłej rejestracji wielu charakterystycznych parametrów pracy silnika, warunków otoczenia, a także pracy pojazdów. Wszystko to służy podstawowemu celowi: zmniejszeniu emisji składników toksycznych w spalinach z zachowaniem jak najniższego zużycia paliwa.
 
Proces przygotowania ładunku
Istotą pracy silnika spalinowego jest zamiana energii chemicznej (zawartej w paliwie) na energię cieplną, a następnie na pracę mechaniczną wyprowadzaną na zewnątrz przez wał korbowy silnika. Podstawowe znaczenie dla zachowania odpowiedniej jakości pracy silnika ma ciąg procesów termodynamicznych ujmujących wymianę ładunku i spalanie. Modyfikacja systemów zasilania silników ZI umożliwiła regulację obciążenia w sposób zarówno ilościowy, jak i jakościowy. Szczególnie ciekawą i nowoczesną koncepcją jest regulacja jakościowa w silnikach ZI. Stosowana jest ona wyłącznie w przypadku silników ZI z bezpośrednim wtryskiem benzyny do cylindra (rys. 1.). 
 
Regulację tę dzieli się na dwa rodzaje:
a) regulacja ilościowa obciążenia silnika oznacza, że ilość wprowadzanej energii do cylindra w każdym następnym cyklu pracy może być zmieniana według potrzeb na skutek zmiany ilości mieszanki paliwa z powietrzem wprowadzanej do cylindra. Należy tu zaznaczyć, że mieszanka ta jest przygotowywana przez urządzenie zasilające poza cylindrem (zewnętrzne tworzenie mieszanki). Zmiany ilości dostarczanego ładunku można dokonać jedynie poprzez zdławienie przepływu powietrza lub mieszanki np. przy pomocy przepustnicy stosowanej w konwencjonalnych gaźnikach. Zabieg ten (dławienie) powoduje obniżenie ciśnienia początku sprężania w cylindrze, a więc bezpośrednio wpływa na wszystkie parametry obiegu silnika. Proces dławienia powoduje zwiększenie (w sposób istotny) strat przepływu, zmniejszając w ten sposób sprawność napełniania. Ten sposób regulacji jest charakterystyczny dla silników ZI, ponieważ umożliwia on utrzymanie składu ładunku w zakresie jego palności, najlepiej składu stechiometrycznego;
 
b) regulacja jakościowa obciążenia silnika jest częściowo przeciwstawna do regulacji ilościowej. Polega ona na tym, że ilość wprowadzanego do cylindra paliwa podczas każdego cyklu pracy może być dowolnie zmieniana według potrzeb poprzez zmianę wielkości dawki paliwa na cykl, z zachowaniem stałej ilości powietrza. W takiej sytuacji nie ma więc potrzeby stosowania dławienia powierza, jednak wymaga ona stosowania paliwa o odpowiedniej zdolności zapłonowej w mieszankach o dużym i średnim nadmiarze powietrza. Sposób jakościowy regulacji obciążenia silnika ZI występuje w pewnym zakresie obciążenia w silnikach, w których przygotowanie odpowiedniego ładunku odbywa się już wewnątrz cylindra (wewnętrzne tworzenie mieszanki). Przetwarzanie energii chemicznej na pracę mechaniczną w silniku spalinowym obejmuje ciąg przemian i procesów fizyko-chemicznych (rys. 2.), w tym:
· proces tworzenia mieszanki, czyli doprowadzanie paliwa do utleniacza; 
· zapłon mieszanki i rozwój procesu spalania; 
· wzrost temperatury ładunku; wzrost ciśnienia ładunku wynikający z równania równowagi P · Vcyl=mcyl · R · Tcyl;
· ciśnienie działające na tłok: F=Pcyl · (π · D2/4) powoduje powstanie siły wymuszającej przesunięcie tłoka: F · Δx = ΔWi. Powstająca wtedy praca użyteczna wynosi wówczas We = Wi · ηm.

Znajomość poszczególnych procesów oraz ich kolejności pozwala na określenie zmian, jakich musimy dokonać w silniku w celu uzyskania założonych celów. Współczesne metody doskonalenia silników spalinowych obejmują bardzo złożone procesy, głównie dotyczy to tych związanych z przygotowaniem mieszanki i sterowania przebiegiem procesu spalania. W modernizacji systemów zasilania głównie skupiono się na dokładności i szybkości sterowania w sposób adekwatny do warunków pracy w celu osiągnięcia jak najefektywniejszego spalania przy małej emisji substancji szkodliwych oraz uzyskania optymalnej mocy użytecznej silnika przy możliwie jak najniższej pojemności silnika, nie wypływając znacząco na obniżenie jego trwałości i niezawodności. Ze wszystkich procesów zachodzących podczas omawianej przemiany układ zasilania w sposób bezpośredni decyduje głównie o szybkości i sposobie dostarczenia paliwa do cylindra. Dlatego szczególnie ważne są problemy odpowiedniego sterowania procesem zasilania silnika ZI. Współcześnie układ zasilania należy rozumieć jako dwa współpracujące ze sobą układy: wtryskowy i zapłonowy, a ich właściwa współpraca determinuje osiąganą sprawność silnika.

Sterowanie silników ZI
Ogólnym celem sterowania silnika jest zapewnienie jak najwyższej sprawności silnika w różnych warunkach jego pracy. W tym celu wyróżnia się trzy funkcje sterujące: sterowanie napełnianiem, sterowanie wtryskiem i sterowanie zapłonem. W celu lepszego przedstawienia procesów modyfikacji parametrów należy na wstępie omówić teoretyczny i rzeczywisty obieg silnika ZI, od którego zaczyna się cały proces sterowania.
 
a) Idealny obieg Otta
Tłok porusza się od punktu 1. do 2., czyli od DMP do GMP (rys. 3.), gdzie mieszanka zostaje sprężona bez doprowadzania ciepła (sprężania izotermiczne). Po zakończeniu sprężania (punkt 2.) następuje izochoryczne spalenie mieszanki, w wyniku którego ciśnienie rośnie do punktu 3. Od GMP tłok porusza się w kierunku DMP do punktu 4., a objętość przestrzeni roboczej zwiększa się. Ciśnienie spalin maleje przy stałej temperaturze, gdyż nie następuje żądna wymiana ciepła. Następnie dochodzi do izochorycznego schłodzenia spalin aż do stanu początkowego (punkt 1.). Powierzchnia wyrażona i ograniczona punktami 1, 2, 3 i 4 jest miara pracy obiegu. W punkcie 4. w wyniku otwarcia zaworu wylotowego gazy będące pod ciśnieniem wypływają z cylindra. Gdyby gaz mógł się całkowicie rozprężyć do punktu 5., wówczas powierzchnia zawarta pomiędzy punktami 1, 4 i 5 mogłaby stanowić energię możliwą do wykorzystania. Dzięki zastosowaniu turbodoładowania część energii odpowiadająca części pola znajdującego się nad linią ciśnienia atmosferycznego może być wykorzystana (powierzchnia ograniczona punktami 1, 4 i 5').
 
b) Rzeczywisty wykres p-V
Ogólne założenia idealnego obiegu Otta w praktyce nie mogą zostać spełnione, wskutek czego rzeczywisty wykres obiegu p-V (wykres indykatorowy) różni się od idealnego (krzywa B, rys. 3.). Na rys. 4. przedstawiono przebieg zmiany ciśnienia i temperatury w cylindrze silnika ZI. Spalanie rozpoczyna się w punkcie 1. wyprzedzającym położenie tłoka w GMP ok. 15-35° OWK. Linia ciśnienia do punktu 1. stanowi zmianę ciśnienia wywołaną sprężeniem ładunku. W okresie wstępnym, czyli od momentu pojawienia się iskry do gwałtownego wzrostu ciśnienia, linia ciśnienia nie odbiega od linii ciśnienia sprężania. Długość tego okresu tworzenia początkowego ogniska spalania zależy od: zastosowanego typu mieszanki (podział mieszanki uzależniony jest od współczynnika nadmiaru powietrza), temperatury i ciśnienia mieszaniny palnej oraz energii źródła zapłonu. Okres właściwego spalania obejmuje punkty od 2. do 3., w którym następuje największe ciśnienie. W tym czasie płomień obejmuje całą komorę spalania i wydziela się główna część ciepła ze spalanej mieszanki. Wartość największego ciśnienia przypada tuż po GMP tłoka. Długość tego okresu uzależniona jest od kształtu komory spalania i położenia świecy zapłonowej, intensywności zawirowania oraz składu spalin pozostałych z poprzedniego cyklu. Końcowy okres dopalenia zaczyna się od punktu 3., w którym to prędkość reakcji maleje, a wydzielane ciepło jest niewielkie. Okres ten powinien być krótki, gdyż wydzielanie ciepła odbywa się przy powiększającej się objętości cylindra, co powoduje powiększenie strat ciepła i spadek sprawności.

[...]

inż. Piotr Wróblewski

Więcej informacji o zasilaniu silników o zapłonie iskrowym w najnowszym „autoEXPERCIE" 9/2012.