Zgorevanje v motorjih: pogled v notranjost

Sodobna tehnika cenovno vse bolj dostopnih hitrih kamer je omogočila vpogled v zgorevanje pri motorju z notranjim zgorevanjem tudi širši javnosti.

Danes tudi ko odpremo motorni pokrov, ne vidimo motorja. Pa tudi če odstranimo plastičen pokrov nad motorjem in tega poženemo, lahko opazimo zgolj tresenje stroja. Kaj se dogaja v notranjosti?

Bolj redko se pojavi možnost pogleda v valj pri vžiganju zmesi goriva in zraka. Ponavadi rabimo za tak pogled hitro kamero, ki upočasni dogodek na raven našega dojemanja in okno v glavi ali batu skozi katerega gledamo dogajanje. Pravzaprav brez številčnega instrumentarija na osnovi vizuelnih dojemanj težko naredimo kakovostno oceno dogajanja v valju. Ne glede na to pa se da s sodobno snemalno opremo marsikaj pojasniti pri opazovanju dovolj upočasnjenih posnetkov predvsem v času vidnega zgorevanja. Na ta način se lahko z veliko verjetnostjo določi smer gibanja zmesi in plamena, gostoto in sestavo zmesi, deloma potek kemijskih reakcij in barve plamena.

Goriva, ki se jih najpogosteje uporablja, so zmes spojin vodika in ogljika, večkrat tudi kisika ali kisika v različnih kemijskih povezavah ter žvepla, ki je danes v veliki meri že izločeno. Čeprav so sestavine goriv enake, pa povezava med njimi omogoča zelo različne kemične in fizikalne lastnosti pri pripravi zmesi in zgorevanju.

Gorivo se mora čim bolj enakomerno premešati z zrakom (kisikom), ker zmes določa lastnosti zgorevanja. Zmes je lahko homogena, ko je gorivo enakomerno razporejeno po prostoru, ali pa je gorivo razporejeno po plasteh, kar pomeni različno gostoto goriva v zmesi po prostoru. Z dodajanjem energije (iskra) tej zmesi se sproži začetek kemijskih reakcij, najprej endotermnih, nato pa eksotermnih, pri katerih se sproščajo toplota in razne spojine, ki se med procesom zgorevanja spajajo in razpadajo, kar omogoča, da se proces zgorevanja sam vzdržuje.

Gorivo: bencin. Zgorevanje je še v zgodnji fazi, zmes je razmeroma bogata in nehomogena. delci plamena različnih barv od temne do rdeče in rumene nakazujejo na možnost, da so kapljice goriva sorazmerno zelo velike.

Predvsem pri ogljikovodikovih gorivih je barva plamena odvisna od mnogih dejavnikov, predvsem pa od dovedene količine kisika in stopnje homogenosti zmesi goriva in kisika. Razmerje kisika in goriva v zmesi določa hitrost zgorevanja, posledično je od tega odvisna tudi temperatura zgorevanja in smeri reakcij od vžiga do konca zgorevanja.

Gorivo: alkohol. Zmes goriva in zraka je nehomogena z otoki krp tekočega goriva, temperatura plamena je na robu vžiga.

V primeru pomanjkanja kisika v zmesi seva plamen barve, ki so v zgornjem delu vidnega spektra (rumena, oranžna, rdeča) zaradi žarečih sajastih delcev v plamenu, ki se tvorijo med zgorevanjem. V nasprotnem primeru, ko količina kisika v zmesi narašča se zaradi popolnejšega zgorevanja zmanjšuje količina sajastih delcev; takrat pridejo do izraza ionizirane plinske molekule, ki sevajo svetlobo v spodnjem delu spektra (zelena, modra). V tem primeru se pojavi svetlo modra barva plamena, pri nekaterih gorivih pa tudi svetlo zelena.

Gorivo: acetilen. Količina zraka v zmesi z gorivom (acetilen) je bližje stehiometričnem razmerju, je pa zmes še vedno bogata, kar je pogoj za tvorjenje saj. Čeprav se dosega nepopolno zgorevanje, so temperature plamena razmeroma zelo visoke in enakomerno porazdeljene po plamenu.

Pri nižjih temperaturah, ki se pojavijo pri nepopolnem zgorevanju, se tvori več sajastih delcev, ki sevajo predvsem svetlobo v zgornjem delu spektra. Zato v takem primeru prevlada rdeča barva plamena, ki prehaja proti robu v oranžno in nato v rumeno barvo. Če pa temperatura narašča, se pojavljajo večji deli plamena bele barve. Prelivanje barv plamena, če gledamo plamen v celoti, je odvisno od temperaturnih področij in vsebnosti kisika v predhodno zmešani zmesi.

Gorivo: acetilen. Iz slike se lahko oceni neenakomerno porazdelitev in pomanjkanje kisika v zmesi z zrakom. Nepopolno zgorevanje tvori večje količine saj, medtem ko se temperatura plamena precej razlikuje od točke do točke.

Različne barve plamena se ponavadi pojavljajo tam, kjer je večje območje bele barve in pri nehomogeni zmesi. Modra barva plamena se pojavi tam, kjer je količina saj dovolj majhna, da lahko prevladajo ionizirane molekule radikalov, zato je lahko to barvo zaslediti blizu izvora zgorevanja, na področju plamena, kjer je dovolj kisika in manjša koncentracija saj.

V praksi se ‘popolno’ zgorevanje bencina kaže v enakomerni svetlomodri barvi čez prerez valja, medtem ko se pri dizelskem motorju barve plamena pomaknejo k srednjemu delu spektra, saj je plamen enotne svetlo rumene in bele barve. Čeprav v valju dizelskega motorja zgoreva gorivo pri presežku zraka, se zaradi difuznega načina zgorevanja pojavljajo saje, kar povzroči, da je barva plamena v višjem delu spektra kot pri bencinskem motorju, kjer imamo kinetično zgorevanje.

Enega komercialno najbolj zanimivih posnetkov zgorevanja v motorju so nedavno s pomočjo ultra hitre kamere pripravili v ZDA. Posnetek oziroma celoten preskus sicer ni na ravni, pri kateri bi lahko ovrednotili zgorevanje pri sodobnih avtomobilskih motorjih, je pa vsekakor zanimiv in vreden ogleda.

Aci Bizjan

Video: Warped Perception