Nowoczesne silniki o zapłonie samoczynnym

<strong>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.
</strong>

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 póniejszym 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.

<strong>Detronizacja
</strong>

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.

<strong>Kluczowe rozwiązania techniczne
</strong>

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.

<strong>Sprawność większa o co najmniej 20%
</strong>

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.

<strong>Recyrkulacja spalin ogranicza zawartość NOx
</strong>

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, jedzie 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.

<strong>Na koniec filtr cząstek stałych
</strong>

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 wyrane zmniejszenie zawartości NOx i cząstek stałych w spalinach  odpowiednio o 20% i 30%.