INFLUENCE OF TURBULENCE ON COMBUSTION IN SPARK IGNITION ENGINE BADANIE WPŁYWU TURBULENCJI NA PRZEBIEG SPALANIA W SILNIKU O ZAPŁONIE ISKROWYM

Transkrypt

1 Journal of KONES Internal Combustion Engines 2003, vol. 10, No 1-2 INFLUENCE OF TURBULENCE ON COMBUSTION IN SPARK IGNITION ENGINE Józef Jarosiński, Jerzy Podfilipski i Andrzej Gorczakowski Politechnika Łódzka, Katedra Techniki Cieplnej i Chłodnictwa, Stefanowskiego 1/15, Łódź, jarosin@p.lodz.pl Abstract The objective of the paper is to study the influence of turbulence on the burning rate of a mixture with different equivalent ratio at high compression ratio ε=14.5. Experiments are carried out in a rapid compression machine. Two combustion chambers with different swirling rates are employed in the present study. Spark ignition, catalytic ignition or a combination of spark and catalytic ignition is used in experiments. The temperature of the catalyst is controlled by means of special electronic device. Special inserts with orifices of different diameters are used to generate turbulence. A piston pushes the mixture through the insert and creates turbulence in the combustion chamber. Pressure records in a combustion chamber with low rotation rate showed substantial increase of the maximum rate of pressure rise under the influence of turbulence. The maximum rate of pressure rise increased linearly with concentration of propane from a lean mixture to stoichiometric composition. On the contrary pressure records in a combustion chamber with high rotation rate showed the same maximum rate of pressure rise in experiments with different equivalence ratio and different scale of turbulence. BADANIE WPŁYWU TURBULENCJI NA PRZEBIEG SPALANIA W SILNIKU O ZAPŁONIE ISKROWYM Streszczenie. Praca ma na celu określenie wpływu turbulencji na szybkość spalania mieszanki o różnym składzie przy wysokim stopniu sprężania ε=14,5. Badania prowadzono na maszynie pojedynczego sprężania. Badano 2 komory spalania różniące się szybkością wirowania ładunku. Przedmiotem badań był również sposób inicjowania zapłonu: za pomocą świecy iskrowej, katalizatora, lub kombinacji tych 2 metod. W przypadku zapłonu katalitycznego istniała możliwość kontrolowania temperatury powierzchni katalizatora w zakresie temperatur do 850 C. Specjalne wkładki z otworami o różnych średnicach stosowano do generowania turbulencji. Tłok przedmuchiwał mieszankę przez otwory turbulizując ładunek w komorze spalania. Zapisy ciśnienia w komorze spalania o małym zawirowaniu ładunku wykazały znaczny wzrost maksymalnej szybkości narastania ciśnienia pod wpływem turbulencji. Maksymalna szybkość narastania ciśnienia zwiększa się liniowo wraz ze zmianą składu mieszanki od ubogiej do stechiometrycznej, przy czym przyrosty te są większe dla większej skali turbulencji. W przeciwieństwie do tego, zapisy ciśnienia w komorze spalania o dużym zawirowaniu ładunku charakteryzują się stałością maksymalnej prędkości narastania ciśnienia niezależnie od zmian składu mieszanki i skali turbulencji. 1. Wstęp Procesy spalania zależą od kinetyki chemicznej i zjawisk przepływowych. Turbulencja wywiera silny wpływ na przebieg tych procesów w komorze spalania silnika tłokowego. Spalanie turbulentne jest jednym z najbardziej skomplikowanych aspektów teorii spalania i wielu badaczy usilnie studiowało je teoretycznie i doświadczalnie. W większości przypadków tego rodzaju studia dotyczyły ustalonych warunków przepływu. Przebieg turbulentnego spalania w komorze spalania silnika tłokowego jest znacznie bardziej skomplikowany, ponieważ parametry przepływu i parametry stanu czynnika są zmienne w czasie. W tych warunkach, tylko nieliczne badania, raczej o charakterze badań jakościowych, prowadzono dla lepszego zrozumienia istoty zjawisk turbulentnego spalania w cylindrze silnika, a nie dla

2 uzyskania danych ilościowych do wykorzystania w budowie teorii lub w obliczeniach numerycznych. Parametry turbulentnego przepływu w cylindrze silnika zależą od jego geometrii. Przepływ w cylindrze jest kształtowany przez kombinację naprężeń tarcia na powierzchni ścianek, obszarów recyrkulacji i warstw przyściennych [1]. Przepływ ten jest wyjątkowo niestateczny i charakteryzuje się niepowtarzalnymi w poszczególnych cyklach pracy fluktuacjami. Parametry turbulencji takie jak średnia kwadratowa prędkość fluktuacji i skala turbulencji zmieniają się nieregularnie i przypadkowo. Do określenia pola turbulentnego przepływu stosuje się metody statystyczne. Wzrost turbulencji świeżej mieszanki napływającej do obszaru spalania powoduje wzrost szybkości spalania. Jednak zbyt duża prędkość fluktuacji v może zgasić płomień. Zgaszenie może wystąpić zwłaszcza wtedy, gdy niewielkiej skali turbulencji Taylora λ towarzyszy spalanie ubogiej mieszanki (gruby płomień δ L i mała prędkość spalania laminarnego u L ). W tych warunkach liczba Karlowitza Ka = (v /λ)/(δ L /u L ) osiągnie dużą wartość, co będzie sprzyjać zgaszeniu płomienia [2]. Prezentowana praca ma na celu określenie wpływu arbitralnie wybranej skali turbulencji na zapłon i przebieg procesu spalania mieszanki podczas suwu sprężania silnika. W szczególności interesujące jest zbadanie wpływu parametrów turbulencji na szybkość spalania mieszanek ubogich w ładunku zawirowanym, przy wysokich stopniach sprężania. Warto również zbadać wpływ turbulencji na system zapłonu mieszanki stosowany we wcześniejszych próbach [3]. System ten stanowi kombinację zapłonu iskrowego i katalitycznego. 2. Technika eksperymentu Wpływ turbulencji na spalanie był badany na maszynie pojedynczego sprężania. Warunki przebiegu spalania podczas suwu sprężania są podobne do tych występujących na silniku. Opis maszyny pojedynczego sprężania przedstawiono wcześniej w pracy [3]. Średnica i skok tłoka w tej maszynie wynosiły odpowiednio D=60mm i L=86mm, a średnia prędkość tłoka była równa w=4,3m/s, co odpowiadało prędkości obrotowej silnika n=1500obr/min. Przedmiotem badań były 2 głowice, które różniły się stopniem zawirowania ładunku. Geometria komór spalania w tych głowicach była zaprojektowana w sposób, który zapewniał ten sam stopień sprężania ε=14,5 we wszystkich badanych wariantach komór. Schemat głowicy o małym zawirowaniu ładunku przedstawiono na rys. 1, a stosowany w niej zestaw wkładek turbulizujących na rys. 2. Schemat głowicy o dużym stopniu zawirowania ładunku przedstawiono na rys. 3, a stosowany w niej zestaw wkładek turbulizujących na rys. 4. Proces spalania oceniano w oparciu o analizę zarejestrowanych wykresów przebiegu ciśnienia w czasie. W początkowej fazie eksperymentów badano przebieg procesów zapłonu i spalania z punktu widzenia 4 różnych rodzajów zapłonu: 1) od iskry, 2) od nagrzanego ciała nie posiadającego własności katalitycznych, 3) od katalizatora o zadanej temperaturze powierzchni i 4) od iskry wspomaganej zapłonem katalitycznym. Zapłon katalityczny realizowano za pomocą świecy żarowej z nawiniętym na jej część gorącą drutem platynowym [3,4]. W doświadczeniach ze wspomaganiem katalitycznym zapłonu iskrowego kontakt między mieszanką palną a katalizatorem trwa podczas całego suwu sprężania. Reakcja heterogeniczna mieszanki przepływającej wzdłuż powierzchni katalizatora zachodzi zarówno podczas jej dopływu do przestrzeni katalizatora jak i w drodze powrotnej do komory wirowej. Heterogeniczna reakcja katalityczna zachodząca na rozwiniętej powierzchni katalizatora

3 wzbudza aktywność chemiczną mieszanki homogenicznej, która łatwo ulega zapłonowi w przypadku przeskoku iskry Rys. 1. Cylindryczna komora spalania o małym zawirowaniu ładunku. Stopień sprężania ε = nakrętka, 2-okno, 3-cylindryczna komora spalania d= , 4-wkładka turbulizująca, 5- głowica, 6-tuleja cylindrowa, 7-świeca żarowa z katalizatorem, 8-kanał wlotowy i wylotowy, 9- czujnik ciśnienia,10-świeca iskrowa, 11-szczelina. Fig. 1. Cylindrical combustion chamber with low swirling rate. Compression ratio ε = holdfast, 2-window, 3-cylindrical combustion chamber d= , 4-turbulence insert, 5-cylinder head, 6-cylinder, 7-glow plug with catalyst, 8-inlet and outlet channel, 9-pressure transducer, 10-spark plug, 11- crevice. Rys. 2. Zestaw wkładek turbulizujących do komory spalania pokazanej na rys. 1. Wymiary przedstawiono w tej samej skali. Linią przerywaną oznaczono średnicę komory. Otwory wywiercono pod kątem 45 w celu wytworzenia słabego zawirowania. Liczba otworów i ich średnice: 1 20 d = 4mm, 2 8 d = 6mm, 3 7 d = 7mm. Fig. 2. Turbulence inserts used in combustion chamber shown in Fig. 1. Dimensions are in scale. Dashed lines indicate diameter of the combustion chamber. Orifices drilled at an angle 45 to create gentle swirl. Number of orifices and their diameter: 1 20 d = 4mm, 2 8 d = 6mm, 3 7 d = 7mm. Rys. 3. Cylindryczna komora spalania o dużym zawirowaniu ładunku. Stopień sprężania ε = głowica, 2-świeca iskrowa, 3-czujnik ciśnienia, 4- cylindryczna komora spalania, 5-wkładka turbulizująca, 6-kanał wlotowy i wylotowy, 7-tuleja cylindrowa. Fig. 3. Cylindrical combustion chamber with high swirling rate. Compression ratio ε = cylinder head, 2-spark plug, 3-pressure transducer, 4-combustion chamber, 5-turbulence insert, 6-inlet and outlet channel, 7-cylinder. Rys. 4. Zestaw wkładek turbulizujących do komory spalania pokazanej na rys. 3. Wymiary przedstawiono w tej samej skali. 1-widok boczny wkładki (wysokość h=15mm). Liczba otworów i ich średnice: 2 3 d=5.5mm, 3-4 d = 4.8mm, 3 8 d = 3.4mm. Fig. 4. Turbulence inserts used in combustion chamber shown in Fig. 3. Dimensions are in scale. 1 - side view of the insert (height h = 15mm). Number of orifices and their diameter: 2 3 d = 5.5mm, 3 4 d = 4.8mm, 3 8 d = 3.4mm.

4 Jak wynika z wcześniejszych eksperymentów [5-6] w mieszance zachodzą reakcje chemiczne na powierzchni katalizatora, jeśli jego temperatura przekroczy o pewną wartość temperaturę początku reakcji heterogenicznej lub autotermicznej (zapłon homogeniczny). Tak więc, dla zapłonu homogenicznego jest bardzo ważne, aby temperatura powierzchni katalizatora przekraczała podczas suwu sprężania temperaturę początku reakcji autotermicznej, która dla mieszanek propan-powietrze zawiera się w granicach od 250 C do 500 C (jej wartość zależy od składu mieszanki). Eksperymenty prowadzono z zastosowaniem mieszanek propan-powietrze. W badaniach komory spalania o małym stopniu zawirowania ładunku stosowano mieszanki 2,5% C 3 H 8, 3,0% C 3 H 8 i 4,0% C 3 H 8. W komorze spalania o dużym stopniu zawirowania ładunku nie można było uzyskać zapłonu bardzo ubogiej mieszanki o stężeniu 2,5% C 3 H 8, bez zmiany standardowego układu zapłonowego na układ z większą energią zapłonu. Z tego powodu komorę tę zasilano mieszankami 3,0% C 3 H 8, 3,5% C 3 H 8 i 4,0% C 3 H 8. W eksperymentach stosowano wkładki turbulizujące przedstawione na rysunkach 2 i 4. Eksperymenty poprzedzano przygotowaniem mieszanki. Była ona przechowywana w specjalnym zbiorniku, a następnie wykorzystywana do serii eksperymentów. Przystępując do eksperymentu przestrzeń nad tłokiem łączono ze zbiornikiem mieszanki za pomocą przewodu z zaworem trójdrożnym. Przed każdym eksperymentem, co najmniej 5-ciokrotnie napełniano mieszanką a następnie opróżniano przestrzeń nad tłokiem, tak, aby całkowicie pozbyć się resztek spalin z poprzedniego eksperymentu. 3. Wyniki badań i ich analiza Komora spalania o słabym zawirowaniu ładunku Spalanie ubogiej mieszanki o stężeniu 3,0% C 3 H 8 w warunkach bardzo małej turbulencji (bez wkładek turbulizujących) pokazało, że standardowa świeca żarowa o powierzchni grzanej do temperatury 800 C, lub świeca żarowa pokryta katalizatorem platynowym grzanym do temperatury 600 C zapalają mieszankę praktycznie bez żadnego opóźnienia. Świeca żarowa pokryta katalizatorem platynowym grzana do temperatury 500 C wykazuje tę samą skuteczność, co zapłon iskrowy (2ms opóźnienia zapłonu). Standardowa świeca żarowa o temperaturze powierzchni 700 C, a także świeca żarowa pokryta katalizatorem grzanym do temperatury 400 C i 300 C również powoduje zapłon mieszanki, lecz z bardzo dużym opóźnieniem rzędu 20-30ms w stosunku do GMP. W wyniku przeprowadzonych eksperymentów stwierdzono, że najbardziej niezawodnym zapłonem jest zapłon iskrowy wspomagany katalitycznie przez katalizator grzany do temperatury 500 C. W następnym etapie badano wpływ systemu zapłonu na opóźnienie zapłonu i na przebieg spalania w warunkach oddziaływania turbulencji. Przebieg procesu spalania był oceniany w oparciu o analizę szybkości narastania ciśnienia. W badaniach tych stosowano ubogą mieszankę (3.0% C 3 H 8 ) i wkładkę turbulizującą z małymi otworami d=4mm (stosunkowo mała skala turbulencji) z zamiarem przebadania zjawisk w warunkach bliskich gaszeniu [2]. Stwierdzono, że pod wpływem turbulencji zapłon katalityczny uległ znacznemu opóźnieniu, a szybkość narastania ciśnienia znacznie wzrosła w porównaniu z warunkami bez oddziaływania turbulencji. Wpływ składu mieszanki palnej na szybkość narastania ciśnienia badano w komorze spalania bez wkładki (rys. 5) i z wkładką generującą turbulencję za pomocą otworów d=4mm (rys. 6). Widoczne są wyraźne różnice zarówno w szybkości narastania ciśnienia jak i w wielkości uzyskiwanych ciśnień maksymalnych dla mieszanek o tych samych składach, lecz różnym poziomie turbulencji.

5 Rys. 5. Ciśnienie w funkcji czasu. Brak wkładki turbulizującej. Stężenie propanu w mieszance propanu z powietrzem: 1-2.5% C 3 H 8, 2 3.0% C 3 H 8, 3-4.0% C 3 H 8. Fig. 5. Cylinder pressure as a function of time. No turbulence insert. Different concentration of propane in propane/air mixture: 1 2.5% C 3 H 8, 2 3.0% C 3 H 8, 3-4.0% C 3 H 8. Rys. 6. Ciśnienie w funkcji czasu. Wkładka turbulizująca z otworami o średnicy d=4mm. Stężenie propanu w mieszance propanu z powietrzem: 1-2.5% C 3 H 8, 2 3.0% C 3 H 8, 3-4.0% C 3 H 8. Fig. 6. Cylinder pressure as a function of time. Turbulence insert with orifice diameters d = 4mm. Different concentration of propane in propane/air mixture: 1 2.5% C 3 H 8, 2 3.0% C 3 H 8, 3-4.0% C 3 H 8. Z porównania rysunków 5 i 6 wynika, że pod wpływem turbulencji zmniejsza się opóźnienie zapłonu (przynajmniej dla mieszanek z zawartością propanu 3,0% C 3 H 8 i 4,0% C 3 H 8.), wzrasta ciśnienie maksymalne i szybkość narastania ciśnienia. Podczas spalania w naczyniu zamkniętym szybkość narastania ciśnienia jest miarą masowej szybkości spalania [7]. W prezentowanej pracy zasadnicza część spalania ma miejsce w pobliżu GMP i w przybliżeniu może być traktowane jako spalanie w stałej objętości. Tak więc, możemy spodziewać się podobnych relacji między szybkością narastania ciśnienia, a masową szybkością spalania, tak jak w pracy [7]. Rys. 7. Ciśnienie w funkcji czasu. Wkładka turbulizująca z otworami o średnicy d=6mm. Stężenie propanu w mieszance propanu z powietrzem: 1-2.5% C 3 H 8, 2 3.0% C 3 H 8, 3-4.0% C 3 H 8. Fig. 7. Cylinder pressure as a function of time. Turbulence insert with orifice diameters d = 6mm. Different concentration of propane in propane/air mixture: 1 2.5% C 3 H 8, 2 3.0% C 3 H 8, 3-4.0% C 3 H 8. Rys. 8. Ciśnienie w funkcji czasu. Wkładka turbulizująca z otworami o średnicy d=7mm. Stężenie propanu w mieszance propanu z powietrzem: 1-2.5% C 3 H 8, 2 3.0% C 3 H 8, 3-4.0% C 3 H 8. Fig. 8. Cylinder pressure as a function of time. Turbulence insert with orifice diameters d = 7mm. Different concentration of propane in propane/air mixture: 1 2.5% C 3 H 8, 2 3.0% C 3 H 8, 3-4.0% C 3 H 8.

6 Należy sądzić, że wkładki turbulizujące z otworami o średnicach d=6mm i d=7mm generują turbulencję o większej skali niż wkładka z otworami d=4mm. Wpływ turbulencji wytworzonej przez 2 wymienione wkładki na przebieg spalania również był przedmiotem badań. Typowe zapisy zmian ciśnienia w funkcji czasu dla przypadków spalania odbywającego się pod wpływem turbulencji generowanej przez wkładki turbulizujące z otworami d=6mm i d=7mm przedstawiono na rysunkach 8 i 9. Krzywe ciśnienia na tych rysunkach wykazują podobne tendencje jak te obserwowane na rys. 6. Opóźnienie początku narastania ciśnienia w wyniku procesu spalania jest bardzo krótkie dla mieszanek 3,0% C 3 H 8 i 4,0% C 3 H 8 i nieco dłuższe dla mieszanki 2,5% C 3 H 8, (choć krótsze niż w przypadku spalania bez udziału wkładek turbulizujących patrz rys. 5). Nachylenie krzywych narastania ciśnienia jest bardzo małe, co świadczy o dużej prędkości wzrostu ciśnienia. Spalanie turbulentne ubogiej mieszanki 2,5% C 3 H 8 odbywa się raczej z małą prędkością. Prawdopodobnie podczas spalania tego typu mieszanki występuje lokalne gaszenie płomienia. Obliczone w oparciu o wykresy przedstawione na rysunkach 5-8 maksymalne szybkości narastania ciśnienia pokazano na rys. 9. Z rysunku tego wynika, że maksymalna szybkość narastania ciśnienia jest w przybliżeniu liniową funkcją stężenia propanu w mieszance, zarówno dla komory bez wkładki turbulizującej, jak i dla komór z wkładką. Interesujące jest również to, że wzajemne stosunki maksymalnej szybkości narastania ciśnienia (dp/dt) max w badanym zakresie zmian składu mieszanki są stałe. Rys. 9. Maksymalna szybkość narastania ciśnienia w funkcji składu mieszanki. Turbulencja wytwarzana przez wkładki z otworami o różnych średnicach: 1 bez wkładki, 2 d = 4mm, 3 - d = 6mm, 4 d = 7mm. Fig. 9. Maximum rate of pressure rise as a function of propane concentration. Turbulence produced by inserts with different orifice diameters: 1 no insert, 2 d = 4mm, 3 - d = 6mm, 4 d = 7mm. Analiza szybkości narastania ciśnienia dla 3 badanych wkładek turbulizujących wykazała, że wielkość otworów generujących turbulencję jest bardzo ważnym czynnikiem wpływającym na szybkość spalania. Stwierdzono eksperymentalnie, że czym większa jest średnica otworów tym szybciej narasta ciśnienie podczas spalania. Okazało się ponadto, że szybkość narastania ciśnienia jest liniową funkcją stężenia propanu w mieszance, które w warunkach eksperymentu zmieniało się od 2,5% C 3 H 8 do 4,0% C 3 H 8. Odstępstwo od zasady zależności liniowej ilustruje lewa strona wykresu reprezentująca spalanie ubogiej mieszanki pod wpływem turbulencji generowanej przez wkładkę z otworami d=7mm. Spalanie mieszanki o stężeniu 2,5% C 3 H 8 i turbulencji odpowiadającej wielkościom otworów d=7mm charakteryzowało się szybkością narastania ciśnienia znacznie mniejszą niż wynikałoby to z zasady liniowości. Z drugiej strony stwierdzono, że powtarzalność przebiegu ciśnień w eksperymentach z mieszankami o stężeniach 2,5% C 3 H 8 i 3,0% C 3 H 8 jest bardzo wysoka. Dodatkowo przeprowadzone eksperymenty ze spalaniem mieszanki o pośrednim stężeniu 2,75% C 3 H 8 wykazały duży rozrzut danych o zakresie pokazanym na rys. 9. Zakreskowane pole na tym rysunku wyznacza obszar o niepowtarzalnym przebiegu ciśnień. Należy sądzić, że czynnikami odpowiedzialnymi za tą niepowtarzalność są: uboga mieszanka i duże

7 gradienty prędkości towarzyszące strugom wypływającym z otworów d=7mm. Obydwa czynniki zwiększają liczbę Karlovitza, która charakteryzuje warunki gaszenia płomienia. Uzyskane wyniki nie są oczywiste. Można było oczekiwać większego wpływu turbulencji na intensyfikację spalania, szczególnie mieszanek ubogich, ponieważ, z punktu widzenia teorii spalania, w przypadku dużych fluktuacji prędkości (v >>u L ) prędkość turbulentnego spalania u t nie zależy od prędkości spalania laminarnego u L, lecz jest proporcjonalna do fluktuacji prędkości v [8]. Komora spalania o dużym zawirowaniu ładunku Wpływ stężenia propanu w mieszance na przebieg spalania był również badany w komorze spalania o dużym zawirowaniu ładunku wyposażonej we wkładki turbulizujące pokazane na rys. 4. Przykładem tego wpływu są krzywe przebiegu ciśnienia przedstawione na rys. 10. Charakteryzują one spalanie mieszanki przy zastosowaniu wkładki turbulizującej o 8 otworach d=3,4mm. Z drugiej strony przykładem wpływu geometrii wkładki na przebieg ciśnienia, przy stałym stężeniu propanu w mieszance palnej równym 3,0% C 3 H 8, są krzywe ciśnienia pokazane na rys. 11. Rys. 10. Ciśnienie w funkcji czasu. Wkładka turbulizująca z otworami o średnicy d=3,4mm. Stężenie propanu: 1 3,0% C 3 H 8, 2 3.,5% C 3 H 8, 3 4,0% C 3 H 8. Krzywa 4 sprężanie czynnika bez spalania. Fig. 10. Cylinder pressure as a function of time. Turbulence insert with orifices d=3.4mm. Different concentration of propane in propane/air mixture: 1 3.0% C 3 H 8, 2 3.5% C 3 H 8, 3-4.0% C 3 H 8. Curve 4 - compression without combustion. Rys. 11. Ciśnienie w funkcji czasu. Stężenie propanu 3.0%. C 3 H 8. Turbulencja generowana przez wkładki z otworami o różnych średnicach: 1 d = 3,4mm, 2 - d = 4,8mm, 3 d = 5,5mm. Krzywa 4 sprężanie czynnika bez spalania Fig. 11. Cylinder pressure as a function of time. Concentration of propane in propane/air mixture 3.0%. C 3 H 8. Turbulence produced by inserts with different orifice diameters: 1 d = 3.4mm, 2 - d = 4.8mm, 3 d = 5.5mm. Curve 4 compression without combustion. Okazało się, że maksymalna szybkość narastania ciśnienia w komorze spalania o dużym zawirowaniu ładunku nie zależy od składu mieszanki ani od skali turbulencji. We wszystkich przeprowadzonych eksperymentach szybkość ta zawiera się w granicach (dp/dt) max = bar/s. Najprawdopodobniej szybkość narastania ciśnienia jest nieczuła na zmiany turbulencji z powodu laminaryzacji spalania w polu dużych sił odśrodkowych. Tak więc, zjawisko silnej laminaryzacji spalania turbulentnego w przepływie wirowym obserwowane wcześniej w pracy [9] potwierdzono również w badaniach kwasi-silnikowych. Wpływ składu mieszanki na przebieg spalania podczas suwu sprężania zaobserwowano jedynie w postaci zróżnicowania czasu od momentu podania iskry do początku rozwoju płomienia. Dla mieszanek stechiometrycznych czas ten jest bardzo krótki, a dla mieszanek ubogich wydłuża się (patrz rys. 10). Maksymalna szybkość narastania ciśnienia utrymuje się zwykle na tym samym poziomie do osiągnięcia ciśnienia 50 bar, a następnie maleje. Czym bardziej uboga mieszanka tym mniejsza jest szybkość narastania ciśnienia w jej drugiej fazie.

8 Zmiana nachylenia krzywej ciśnienia prawdopodobnie ma związek ze spadkiem napływu świeżej mieszanki do komory spalania. W początkowej fazie spalania w komorze wirowej gorące spaliny zajmują środek komory, a świeża mieszanka jej obrzeże. W tej sytuacji napływ świeżej mieszanki izoluje zewnętrzną cylindryczną część komory spalania od dopływu ciepła do ścianek. Rozwój płomienia podczas osłabienia dopływu świeżej mieszanki do komory spalania doprowadza w końcu do kontaktu płomienia ze ścianką. Wirujący płomień o dużym gradiencie temperatury przy ściance jest źródłem intensywnego dopływu ciepła do ścianek, co ma wpływ na nachylenie krzywej przyrostu ciśnienia. 4. Wnioski Efektywność zapłonu katalitycznego potwierdzono doświadczalnie. Wzrost turbulencji przesuwa graniczną temperaturę zapłonu katalitycznego w kierunku wyższych temperatur. Oszacowano, że zapłon iskrowy wspomagany przez katalizator grzany do temperatury 500 C jest bardzo skutecznym rodzajem zapłonu. Stwierdzono, że w komorze spalania o małym zawirowaniu ładunku następuje znaczny wzrost szybkości narastania ciśnienia pod wpływem turbulencji. Czym większe są średnice otworów we wkładkach generujących turbulencję (większa skala turbulencji) tym szybciej narasta ciśnienie przy tym samym stopniu sprężania i tym samym składzie mieszanki. Maksymalna szybkość narastania ciśnienia wzrasta liniowo wraz ze zmianą składu mieszanki od ubogiej do stechiometrycznej. Odstępstwo od tej zasady kształtują warunki bardzo ubogich mieszanek i dużych gradientów prędkości. Stwierdzono, że maksymalna szybkość narastania ciśnienia w komorze spalania o dużym zawirowaniu ładunku nie zależy od składu mieszanki ani od skali turbulencji. Mała czułość szybkości narastania ciśnienia na zmiany parametrów turbulencji może być objaśniona laminaryzacją spalania w polu dużych sił odśrodkowych. Literatura [1] Heywood J. B., Internal Combustion Engine Fundamentals, New York, McGraw Hill, [2] Bradley D., How Fast Can We Burn?, Twenty-Fourth Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, pp , [3] Jarosinski J., Podfilipski J., Wpływ katalizatora na przebieg procesów spalania w silniku tłokowym o zapłonie iskrowym, Journal of KONES, vol. 9, No. 3-4, , [4] Jarosinski J. and Podfilipski J., Influence of Catalysis on Combustion in Spark Ignition Engine. SAE Technical Paper Series, , 2001 [5] Jarosinski J., Lapucha R., Mazurkiewicz J. and Wojcicki S., Investigation of a Lean- Burn Piston Engine with Catalytic Prechamber, SAE Technical Paper Series , [6] Jarosinski J., Lapucha R., Mazurkiewicz J. and Wojcicki S., Combustion System of a Lean-Burn Piston Engine with Catalytic Prechamber, SAE Technical Paper Series , [7] Jarosinski J., Podfilipski J., Gorczakowski A. and Veyssiere B., Experimental Study of Flame Propagation in Propane/Air Mixture near Rich Flammability Limits in Microgravity, Combustion Science and Technology, 174(9): 1-18, [8] Chomiak J., Combustion: a Study in Theory, Fact and Application, Abacus Press/Gordon and Breach Science Publishers, 1990 [9] Zawadzki A. and Jarosinski J., Laminarisation of flames in rotating flow, Combust. Sci. Technol., 35: 1-13, 1983.