Pístové letecké motory – druhý doplněk
Druhý doplněk zaměříme na prohloubení informací o vstřikování vody do směsi a její vliv na výkon leteckého pístového motoru. Této problematice byla věnována jistá pozornost již ve čtvrté části hlavního textu, ale bylo by vhodné tuto část ještě rozvést. Vstřikování vody do spalovacího motoru je jistým „exotickým“ prvkem, který patří hlavně k leteckým pístovým motorům.
Hlavní důvody vstřikování vody do spalovacího motoru jsou uvedeny v hlavním textu práce. Na základě tohoto provedeme další podrobnější rozbor jejího vlivu.
Z hlediska celkového pohledu na systémy vstřikování vody do spalovacího motoru je důležité zejména umístění vstřikovacích trysek těchto systémů. V konstrukci leteckých pístových motorů za druhé světové války se prosadily tyto:
a) Systém vstřikování vody před sací ventil
Při tomto umístění vstřikovačů se voda dostává do válce motoru z velké části v kapalné podobě. To je dáno zejména krátkou dobou, kterou má vstřikovaná voda na odpaření ve směsi. Dále je důležité, že k tomuto odpaření dochází z velké části až ve spalovacím prostoru. Proto odpařující se voda odebírá teplo hlavně stěnám spalovacího prostoru, mnohem méně již vlastní směsi vzduchu a benzinu. Část takto vstřikované vody se navíc nestihne odpařit vůbec a setrvá ve formě kapiček ve válci až do začátku vznícení směsi. Kapičky se následně v průběhu počátku hoření odpaří, ale jejich přítomnost se projevuje mnohem intenzivnějším zpomalením šíření plamene (ve srovnání s vodní párou). Rovněž vzestup tlaku ve válci je nižší a také pozdější (opožděný ve srovnání s běžným chodem motoru). Tyto vlivy mají za důsledek značné snížení celkového maximálního tlaku ve válci a také expanzní práce, což snižuje celkovou získanou indikovanou práci motoru. (zde viz doplněk č. 1). Zároveň klesá i indikovaná účinnost motoru.
b) Systém vstřikování vody do kompresoru
Při tomto umístění vstřikovacích trysek se velká většina vstřikované vody odpaří již před sacím ventilem motoru. Proto do spalovacího prostoru vstupuje voda ve formě páry. Při použití této formy vstřikování vody se snižuje hlavně teplota samotné směsi, mnohem méně již teplota stěny válců. Důsledkem je nižší zpomalování šíření plamene, než v prvním případě. Ve srovnání s prvním případem je zde také rozdíl ve výši tlaků ve válci. Při tomto způsobu vstřikování dochází k nárůstu celkového maximálního tlaku a tím i zvýšením indikovaného výkonu.
Z hlediska uvažování nad vstřikováním vody je důležité poznamenat, že u konkrétních leteckých motorů v druhé světové válce se z praktických důvodů používal stálý optimální předstih zážehu. To je z hlediska vstřikování vody velmi důležité, neboť to značně snižuje účinnost všech těchto systémů. Oba tyto způsoby vstřikování vody totiž z důvodu nárůstu prodlevy vznícení směsi ve válci vyžadují značně větší předstih zážehu směsi, než v případě běžného provozu motoru. Zjednodušeně si to lze představit tak, že shoření směsi vzduchu, paliva a vody (páry) trvá déle, než shoření směsi vzduchu a paliva. Proto je nutno tuto směs zapálit dříve, aby ve stejném čase stačila shořet.
Nyní přistupme k jednotlivým vlivům přítomnosti vody ve směsi paliva a vzduchu. Rád bych požádal, aby čtenář následujícímu grafu věnoval velkou pozornost, protože je pro pochopení vstřikování vody klíčový.
Obr. č. 1 – vliv množství vstřikované vody
Jednotlivé osy i celý graf je poměrně dobře popsán, proto pouze dva doplňky. Ni znamená indikovaný výkon a Ci spotřebu motoru. Graf je výsledek měření na konkrétním leteckém motoru s kompresním poměrem 7, při otáčkách 2 800 ot/min, plnícím tlaku 1,63 ATA, složení směsi 0,7 (bohatá směs), předstihu zážehu 30 st. a kapalinovým chlazením. Křivce 1 odpovídá umístění vstřikovače vody před sacím ventilem, křivce 2 v kompresoru.
V horní části osy y je závislost teploty ve středu hlavy na množství vstřikované vody. Výrazně lepší výsledek při použití vstřikovače u sacího ventilu je dán již výše zmíněným složením vody ve válci. Při takto umístěném vstřikovači je ve válci voda v kapalné podobě, která mnohem výrazněji přispívá v ochlazení stěn válcem, než pára. Ta má také jistý chladící účinek na stěny válců, ale nižší než kapalná voda. Se zvětšováním množství vstřikované vody tento rozdíl stále narůstá. Pokles teploty spalovacího prostoru má pozitivní vliv na snížení nebezpečí detonačního spalování, zejména v tzv. „horkých místech“. Dále viz hlavní text práce, kde je tato problematika detailněji zpracována.
Spotřeba vzduchu v závislosti na množství vody a způsobu jejího vstřikování je ve středu grafu. Spotřeba vzduchu v případě vstřikování vody před sacím ventilem je konstantní. V případě vstřikování v kompresoru se s narůstajícím objemem vstřikované vody zvyšuje. Celé to má vysvětlení v množství odpařené vody. V případě vstřikování do kompresoru totiž dojde k odpaření vody v důsledku teploty vzduchu. Toto odpaření způsobí pokles teploty směsi a zároveň vzniká vodní pára. Problém je v tom, že objem, který ztratí vzduch z důvodu poklesu své teploty odpařením vody, není totožný s objemem vzniklé vodní páry. Objem vodní páry je menší, proto v motoru dochází ke zvyšování spotřeby vzduchu. V případě vstřikování vody před sacím kanálem je velká část vody ve válci v kapalné podobě. Proto zde není nárůst spotřeby vzduchu.
Další část grafu tvoří maximální spalovací tlak. Jednotka kg/cm2 je rovna 1 ATA. Z průběhu grafu je zřejmé, že u vstřikování vody před sací kanál je vyšší počáteční tlak ve válci, ale také výrazně vyšší pokles se zvětšujícím se objemem vody. Při vstřikování do kompresoru je tlak relativně dlouho přibližně konstantní, k poklesu dochází až u vyšších objemů vody v palivu.
Spodní dvojice grafů vyjadřuje průběh výkonu a spotřeby paliva. Indikovaný výkon motoru v případě vstřikování před sací ventily klesá při zvyšování množství vody (ovšem z vyšší hodnoty). To je způsobeno poklesem indikované účinnost oběhu (při konstantním množství vzduchu). V případě vstřikování do kompresoru roste spotřeba vzduchu při zhruba konstantní indikované účinnosti, což má za následek nárůst výkonu při zvyšování množství vzduchu.
Oba způsoby vstřikování vody tedy způsobují značné zmenšení možnosti detonačního spalování. V případě vstřiku před sací ventil dochází k relativně malému poklesu teploty směsi, ale výraznému poklesu tlaku ve spalovacím prostoru. V druhém případě je situace opačná, pokles tlaku je nevýznamný, ale výrazné snížení teploty směsi má na detonační spalování kladný vliv. Oba způsoby vstřikování tedy dělají každá jiným způsobem totéž. Experimentální měření ovšem prokázala, že potlačení detonačního spalování je v obou případech zhruba stejné. Z hlediska detonačního spalování je tedy jedno, který ze systémů bude použit.
Na následujícím obrázku je vliv množství vstřikované vody na zvětšení plnícího tlaku motoru. Graf byl získán z výsledků experimentů na větším množství motorů.
Obr. č. 2 – vliv množství vstřikované vody na plnící tlak
100 mm rt. sl. = 0,14 ATA
Je ovšem nutné poznamenat, že při vyšších poměrech vody k palivu již nevyhnutelně narůstají problémy se vznícením takovéto směsi. Proto bylo u leteckých motorů za druhé světové války množství vstřikované vody k palivu maximálně asi 20 až 30 % (dle mých údajů). Vliv potlačení detonačního spalování na výkon motoru byl demonstrován v hlavním textu této práce.
Dále je nutné si uvědomit, že vodu v letadle je nutné uchránit proti zamrznutí (obvykle vhodnými přísadami).
Případné dotazy adresujte do fóra.
Zdroje: Letadlové pístové motory, Maslennikov, Rapiport, Moskva 1950