Data publikacji: 15.12.2005
Oryginalny tytuł wiadomości prasowej: Nowoczesne silniki o zapłonie samoczynnym
15.12.2005
Nowoczesne silniki o zapłonie samoczynnym
Przez ostatnie dwadzieścia lat silnik o zapłonie samoczynnym przeszedł rewolucyjne zmiany. Dzięki nowoczesnym rozwiązaniom technicznym współczesne jednostki napędowe Diesla o mocy 150 KM pozwalają samochodom uzyskiwać osiągi w zakresie dynamiki rozpędzania i prędkości maksymalnej na poziomie, jaki oferuje turbodoładowany silnik o zapłonie iskrowym rozwijający moc 200 KM. Przy znacznie mniejszym zużyciu paliwa i mniejszej emisji dwutlenku węgla.
Czterosuwowy silnik o zapłonie iskrowym został wynaleziony w roku 1867 przez Nikolausa Augusta Otto, natomiast silnik o zapłonie samoczynnym jest wynalazkiem Rudolfa Diesela pochodzącym z roku 1898. Obie konstrukcje są zatem równie stare, dobrze sprawdzone i podane wielu póniejszym usprawnieniom. Jednak podczas gdy silnik o zapłonie iskrowym przechodził przez ponad wiek systematyczną ewolucję, rozwój konstrukcji Diesla przez pierwsze 50 lat przebiegał wolniej, początkowo w wersji z dwuzaworową wstępną komorą spalania i mechanicznie sterowanym niskociśnieniowym wtryskiem paliwa. Zapewniało to stosunkowo skromne osiągi w porównaniu z silnikiem Otto.
Detronizacja
Do niedawna jednostki o zapłonie samoczynnym były mniej preferowaną opcją ze względu na niższe osiągi i większe zanieczyszczanie środowiska. Uważano je za hałaśliwe, brudne i spalające gorsze paliwo. Mimo to, w dużej części Europy przez długi czas cieszyły się znaczną popularnością ze względu na niskie zużycie paliwa. Jednak w takich krajach Grecja, Szwecja, a w szczególności Stany Zjednoczone i Japonia, mają nieugiętych przeciwników, którzy prawdopodobnie już nie zmienią swojego nastawienia.
Ponieważ nowoczesny silnik o zapłonie samoczynnym diametralnie różni się od swych poprzedników, niektóre z tych uprzedzeń prawdopodobnie powstały w oparciu o mity. Przez ostatnie 10-15 lat dokonał się ostry zwrot w kierunku jednostek z bezpośrednim wtryskiem paliwa, turbodoładowaniem
i techniki czterozaworowej, co w krótkim czasie doprowadziło praktycznie do detronizacji silnika o zapłonie iskrowym z dotychczasowej pozycji lidera.
Silnik o zapłonie samoczynnym rozwija znacznie wyższy jednostkowy moment obrotowy niż silnik o zapłonie iskrowym. W wielu przypadkach oznacza to, że zapewnia większą siłę napędową i większe przyspieszenia.
Współczesne samochody napędzane silnikami o zapłonie samoczynnym wykazują się zarówno doskonałymi przyspieszeniami, jak i wysoką prędkością podróżną oraz maksymalną, co jest istotną zaletą na wielu rynkach europejskich. Charakterystyczny hałas określany potocznie jako klekot jest zauważalny jedynie na biegu jałowym lub gdy silnik nie osiągnął właściwej temperatury. Samochody z tego typu silnikiem prowadzi się z przyjemnością, a ich kierowcy stają się szczególnie szczęśliwi z chwilą zauważenia, jak rzadko trzeba uzupełniać paliwo.
Rozwijające moc 185 KM Volvo V70 D5 z automatyczną skrzynią biegów zużywa na trasie 5 litrów paliwa na 100 km jadąc równie cicho i komfortowo jak Volvo V70 z silnikiem benzynowym.
W porównaniu z silnikiem o zapłonie iskrowym, wielkość emisji gazu cieplarnianego dwutlenku węgla na jednostkę zużywanego paliwa jest o około 20% niższa. Przy mniejszym zapotrzebowaniu na paliwo oraz efektywnym jego spalaniu z nadmiarem powietrza, silnik ten emituje w sumie mniej zanieczyszczeń. W nowych konstrukcjach, wyposażonych w filtry cząstek stałych, emisja cząstek stałych została ograniczona do poziomu porównywalnego z silnikami o zapłonie iskrowym, problemem pozostaje jedynie nieco wyższa zawartość tlenków azotu (NOx ) w spalinach.
Kluczowe rozwiązania techniczne
Pod względem mechanicznym konstrukcje obu rodzajów silników są zasadniczo do siebie podobne, choć ze względu na wyższe ciśnienie generowane w procesie spalania jednostka o zapłonie samoczynnym musi być nieco masywniejsza. Zamiast mieszanki paliwowo-powietrznej, do wnętrza cylindra doprowadzane jest samo powietrze przez kolektor dolotowy, który dodatkowo jest tak ukształtowany, by powodować silne zawirowanie w celu usprawnienia spalania oleju napędowego. Uruchamianie zimnego silnika ułatwia zastosowanie świec żarowych i obecnie czynność ta przebiega równie szybko, jak w przypadku silnika o zapłonie iskrowym.
Inaczej niż w silniku zasilanym benzyną, w którym zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej powodowany jest przez świecę zapłonową, olej napędowy ulega samozapłonowi po go wtryśnięciu do cylindra wypełnionego gorącym, silnie sprężonym i zawirowanym powietrzem. Po wtrysku pilotującym następuje zasadniczywtrysk pozostałej dawki paliwa. Ten rodzaj silnika pracuje w warunkach stałego nadmiaru powietrza w stosunku do paliwa i nie wymaga przepustnicy prędkość obrotowa regulowana jest poprzez zmianę dawki wtryskiwanego paliwa.
Najważniejszym elementem nowoczesnej jednostki o zapłonie samoczynnym jest elastyczny układ zasilania paliwem typu common rail, z wysokociśnieniową pompą paliwową i akumulatorem ciśnienia. Ciśnienie w pełni elektronicznie sterowanego wtrysku paliwa może być regulowane w zakresie od 500 do 1500-2000 barów. Wprowadzenie wtrysku pilotującego pozwala obniżyć emisję toksycznych związków, złagodzić przebieg procesu spalania oraz obniżyć poziom hałasu. Współczesne wtryskiwacze mają 5-7 niezwykle małych, precyzyjnie wykonywanych otworów, by uzyskać maksymalne rozpylenie paliwa w cylindrze, co przekłada się na bardziej efektywne wykorzystanie zgromadzonego w nim powietrza.
Sprawność większa o co najmniej 20%
Kolejnym ważnym rozwiązaniem technicznym jest turbodoładowanie. Turbina o zmiennej geometrii i regulowane łopatki kierujące zapewniają maksymalną skuteczność i wyższe ciśnienie doładowania w całym zakresie prędkości obrotowych silnika. Ustawienie łopatek turbosprężarki regulowane jest pneumatycznym bąd elektrycznym siłownikiem. Układ zapewnia wysoce skuteczne turbodoładowanie, co umożliwia wtrysk większych dawek paliwa. Dzięki temu silnik uzyskuje większe osiągi przy większej sprawności spalania i równocześnie niższej toksyczności spalin!
Silnik o zapłonie samoczynnym ma o 20-30% większą sprawność niż silnik o zapłonie iskrowym. Innymi słowy wykonuje większą pracę z jednostki paliwa. Ponieważ w przypadku oleju napędowego nie występuje ograniczenie w postaci spalania detonacyjnego, silnik zasilany tym paliwem ma znacznie wyższy stopień sprężania (rzędu 16-19:1) w porównaniu do około 10,5:1 w przypadku silnika o zapłonie iskrowym.
W silniku o zapłonie iskrowym inicjowany przez świecę zapłonową proces spalania mieszanki paliwowo-powietrznej postępuje w miarę rozszerzania się czoła płomienia. Ilość mieszanki regulowana jest za pomocą przepustnicy, zaś za utrzymanie stechiometrycznego składu mieszanki odpowiada sonda lambda (czujnik tlenu w spalinach). Wraz z trójfunkcyjnym reaktorem katalitycznym zapewnia to niezwykle skuteczną redukcję zawartości NOx (tlenków azotu), CO (tlenku węgla) oraz HC (węglowodorów) w spalinach.
Jako przykładem posłużmy się samochodami Volvo. Sumaryczna emisja tlenków azotu i węglowodorów (NOx + HC) przez obecnie produkowane silniki utrzymuje się na poziomie 0,05 g/km w przypadku jednostek o zapłonie iskrowym i 0,22 g/km w przypadku jednostek o zapłonie samoczynnym. Odnośne wartości dla samych węglowodorów (HC) są porównywalne. W przypadku tlenku węgla (CO), silnik D5 emituje 0,205 g/km, zaś turbodoładowana jednostka benzynowa 2.5T emituje 0,216 g/km.
Recyrkulacja spalin ogranicza zawartość NOx
Tlenki azotu (NOx) powstają w procesie spalania w wyniku połączenia tlenu (O2) z azotem (N2) w warunkach wysokiej temperatury. Reakcja ta uzależniona jest od lokalnych skoków temperatury i jej intensywność rośnie wraz z obciążeniem silnika, czyli przy przyspieszaniu, jedzie z dużą prędkością lub z dużym obciążeniem.
Zawartość tlenków azotu w spalinach redukowana jest na trzy sposoby: poprzez odpowiednie kontrolowanie wtrysku paliwa i procesu spalania, poprzez dodawanie do komory spalania niepalnych gazów spalinowych w procesie ich recyrkulacji (przy pomocy układu EGR) i w końcu poprzez ich utlenianie w reaktorze katalitycznym.Układ recyrkulacji spalin kieruje pewną ich ilość do układu dolotowego. W rezultacie mieszanka ma wyższą temperaturę niż powietrze atmosferyczne, z mniejszą relatywną zawartością tlenu oraz zmniejszonym wydatkiem masowym przepływu powietrza dolotowego. Powoduje to pewne spowolnienie procesu spalania i obniżenie jego średniej temperatury. Dzięki temu powstaje mniejsza ilość tlenków azotu. Dodatkowe schładzanie recyrkulowanych spalin pozwala zwiększyć ich udział w ładunku cylindra, co przekłada się na dalsze obniżenie temperatury spalania, a co za tym idzie również NOx.
Zawartość węglowodorów (HC) i tlenku węgla (CO) w spalinach jest istotnie redukowana przez utleniający reaktor katalityczny.
Na koniec filtr cząstek stałych
Praktycznie wszystkie nowoczesne silniki o zapłonie samoczynnym mają wyżej opisane rozwiązania. Najbardziej zaawansowanym technicznie elementem układu oczyszczania spalin jest filtr cząstek stałych. Są dwa rodzaje tego typu urządzeń: ADPF i CDPF. W obu przypadkach trzy ostanie litery są skrótem nazwy Diesel Particulate Filter, natomiast A oznacza Additive (domieszkowy), zaś C oznacza Catalysed (katalityczny).
Oba rodzaje tych urządzeń składają się z podobnych elementów, jak zwykły reaktor katalityczny i podobnie jak w jego przypadku gazy spalinowe przechodzą przez gęstą sieć cienkich kanalików. Różnica polega na tym, że każdy z tych kanalików jest na końcu zamknięty i gazy spalinowe zmuszone są przepływać przez porowate ścianki do pozostałych części filtra, w których kanaliki są zamknięte z przeciwnej strony. W ten sposób cząsteczki sadzy osadzają się na ściankach.
Jak już wyżej zostało wspomniane, litera C w CDPF oznacza obecność powłoki katalitycznej, natomiast A w nazwie ADPF wskazuje na obecność dodatkowej substancji. W tym ostatnim przypadku do paliwa dodawany jest specjalny, nietoksyczny związek chemiczny, który wraz z recyrkulacją spalin powoduje równie skuteczne oczyszczanie spalin, jak filtr typu CDPF. Zarówno powłoka katalityczna, jak i dodatkowa substancja powodują odpowiednie obniżenie temperatury, umożliwiające wypalenie sadzy.
Gromadzone cząsteczki sadzy są w regularnych odstępach czasu spalane w procesie samoczynnej regeneracji filtra. Odbywa się to co 500 km w sposób niezauważalny dla kierowcy. Trwałość katalitycznego filtra cząstek stałych dorównuje niemal trwałości samochodu (240000 km), natomiast filtr domieszkowy wymaga okresowej obsługi w celu usunięcia niespalonych pozostałości i uzupełnienia środka chemicznego.
Filtr cząstek stałych utrzymuje stężenie większych i mniejszych cząstek na poziomie nie przekraczającym tych wartości dla silnika o zapłonie iskrowym. Dotyczy to także niebezpiecznych dla zdrowia najmniejszych drobin.
Producenci samochodów nie szczędzą wysiłków, by ograniczyć zapylenie gazów spalinowych emitowanych przez silniki o zapłonie samoczynnym. Jest to realizowane równolegle poprzez zwiększanie sprawności procesu spalania mieszanki oraz doskonalenie układów odpowiedzialnych za oczyszczanie spalin. Również firmy naftowe mają w tym swój udział, wprowadzając coraz lepsze i czystsze paliwo. Na przykład próby z zastosowaniem syntetycznego oleju napędowego wykazały dalsze wyrane zmniejszenie zawartości NOx i cząstek stałych w spalinach odpowiednio o 20% i 30%.
źródło: Biuro Prasowe
Załączniki:
