ZSA i O w Żywcu-Moszczanicy

Kierunki rozwoju tłokowych silników spalinowych

Silniki o zapłonie iskrowym (ZI) 1

Silniki o zapłonie samoczynnym (ZS) 5

Rozważając kierunki rozwoju współczesnych silników samochodowych należy oddzielnie omówić silniki o zapłonie iskrowym (ZI) oraz o zapłonie samoczynnym (ZS), jakkolwiek proces ich konstrukcyjnego zbliżenia postępuje.

Silniki o zapłonie iskrowym (ZI)

Silnik o zapłonie iskrowym jest najbardziej znanym, klasycznym, rozwiązaniem konstrukcyjnym silników samochodów osobowych. Tradycyjne elementy takiego silnika to układ zapłonowy z zespołem świec oraz układ zasilania paliwa oparty na gaźniku. Szybka ewolucja układów zasilania silników ZI spowodowała, że stosowany od zgoła stu lat gaźnik zastąpiony został układem wtryskującym paliwo do kolektorów dolotowych, jednopunktowym SPI (Single Point Injection), a następnie wielopunktowym MPI (Multi Piont Injection) – patrz rysunek 1, który obecnie dominuje. Od kilku lat stosowany jest również z powodzeniem bezpośredni wtrysk benzyny do cylindrów GDI (Gasoline Direct Injection), a oferta silników z układem zasilania tego typu stale się rozszerza. Badania nad bezpośrednim wtryskiem benzyny prowadzone są zasadniczo w dwu kierunkach:

·         Wtrysku benzyny do cylindra w połowie suwu sprężania, gdy zawory dolotowe i wylotowe są zamknięte, ładunek jest uwarstwiony lub homogeniczny – kierunek ten został przyjęty przez konstruktorów japońskich m.in. firmy Mitsubishi, Toyota, Nissan, ale także PSA.

·         Wtrysku benzyny do cylindrów w suwie dolotu, przy otwartym zaworze dolotowym, ładunek jest zawsze homogeniczny – nad rozwiązaniem tym pracują głównie konstruktorzy europejscy m.in. firmy Renault i Fiat.

Dynamiczny rozwój technologii elektronicznej doprowadził do wprowadzaniu na dużą skalę elektronicznych układów sterujących z wykorzystaniem mikroprocesorów (EMS – Electronic Management System, ECU – Electronic Control Unit lub EECS – Exhaust Emission Control System). Dla spełnienia różnorodnych wymagań, takich jak czystość spalin i obniżenie zużycia paliwa, przy zachowaniu wysokiej mocy silnika i dobrej dynamiki pojazdu, wszystkie układy sterujące muszą realizować szeroki zakres funkcji.

Rys. 1. Schemat układu wtryskowego MPI nowej generacji

Z kolei wyposażenie silników ZI w czujniki spalania stukowego pozwoliło na podniesienie stopnia sprężania. Praca silnika utrzymywana jest na granicy detonacji, przez odpowiednie sterowanie zapłonem, zaworami i układem recyrkulacji spalin EGR (Exhaust Gas Recirculation).

W celu poprawy sprawności napełniania, układy dolotowe są konstruowane w ten sposób, by w użytkowym zakresie prędkości obrotowych wykorzystać zjawiska falowe związane z ruchem ładunku (doładowanie dynamiczne). W silnikach o szerokim zakresie użytecznej prędkości obrotowej, dobór przewodów dolotowych jest utrudniony, gdyż każdej prędkości obrotowej odpowiada inna optymalna ich długość. Dlatego stosuje się zmienne układy dolotowe VIS (Variable Intake System) dopasowujące długość i/lub średnicę przewodów dolotowych do chwilowych warunków pracy silnika.

Układy wielozaworowe, oferowane niegdyś jedynie w silnikach wyczynowych są obecnie w przypadku silników ZI zjawiskiem bardzo powszechnym. Zastosowanie więcej niż dwóch zaworów na jeden cylinder, lecz o mniejszych średnicach powoduje spadek oporów przepływu, dzięki zwiększeniu czynnego pola przekroju przepływowego, zmniejszenie obciążeń dynamicznych układu rozrządu oraz ułatwienie chłodzenia zaworów. Zastosowanie większej liczby zaworów na jeden cylinder pozwala, przez zwiększenie napełnienia, uzyskać wzrost mocy silnika i obniżenie zużycia paliwa.

Pojawiło się też nowe rozwiązanie, tzw. deaktywacja cylindrów, która polega na wyłączaniu z pracy części cylindrów przy niskich obciążeniach silnika. Pierwszym europejskim samochodem który zaoferował deaktywację cylindrów był Mercedes S 5,0 V8. System deaktywacji umożliwił uzyskanie znacznych oszczędności paliwa, przy praktycznie niezmienionych właściwościach użytkowych silnika.

Popularność zdobywają również wieloświecowe układy zapłonowe. Na przykład w silniku Mercedes M112 zastosowano dwie świece zapłonowe (patrz rys. 2), z których każda została umieszczona obok jednego zaworu dolotowego, zapewniając niezawodny zapłon ładunku. Dzięki temu komora spalania zostaje szybciej objęta przez łączące się fronty dwóch płomieni.

Jednym z głównych ograniczeń typowych układów zapłonowych silników ZI była zbyt niska energia wyładowania iskrowego wytwarzanego na świecach zapłonowych, co utrudniało spalanie mieszanek ubogich. Zaczęto więc stosować specjalne świece zapłonowe o ruchomej elektrodzie środkowej i elektrodzie zewnętrznej w denku tłoka, umożliwiające regulację długości iskry zapłonowej. Do innych rozwiązań umożliwiających zapłon mieszanek ubogich należą również zapłon plazmowy, elektromagnetyczny zapłon laserowy oraz zapłon fotochemiczny.

Sprostanie obecnym limitom emisji substancji toksycznych przez silniki ZI możliwe jest w głównej mierze dzięki układom oczyszczania spalin. W ostatnich latach najszersze zastosowanie znalazł trójfunkcyjny reaktor katalityczny TWC (Three Way Catalyst) sprzężony z sondą tlenu (patrz rys. 3), który neutralizuje trzy główne toksyczne składniki spalin (tlenek węgla, węglowodory i tlenki azotu). Obniżenie emisji tlenków azotu uzyskuje się również przez zmniejszenie maksymalnej temperatury spalania, co dokonuje się przez zastosowanie układu recyrkulacji spalin EGR. Wprowadzenie części spalin z powrotem do cylindra zmniejsza ilość tlenu dostępnego w komorze spalania, a więc ogranicza również ilość paliwa jaką można spalić. W związku z tym w cylindrze wywiązuje się mniejsza ilość ciepła, a w konsekwencji obniżeniu ulega maksymalna temperatura obiegu i emisja tlenków azotu.

Zasadniczym problemem przy obniżaniu emisji związków toksycznych w silnikach ZI jest okres rozruchu i nagrzewania silnika. Powstaje wówczas najwięcej niekorzystnych zjawisk związanych z niestabilnością procesu spalania (np. brak możliwości prawidłowego wytworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej, zjawisko wypadania zapłonów, chłodzące działanie ścianek komory spalania itd.) i brakiem lub małą skutecznością działania urządzeń oczyszczania spalin. Dlatego też rozwiązanie tego problemu wymaga zastosowania wielu nowoczesnych technologii jak np. hermetyzacja i podgrzewanie komory silnika przed rozruchem, rozdzielenie układów chłodzenia głowicy i kadłuba, rozruchowe reaktory katalityczne itp.

Redukcji emisji substancji toksycznych w czasie rozruchu silnika sprzyja rozrusznik wysokiej mocy zintegrowany z alternatorem – ISAD (Integrated Starter Alternator Dumper). Zapewnia on szybki i pewny rozruch silnika. Urządzenie to wspomaga również silnik spalinowy podczas wysokiego zapotrzebowania na moc (ruszanie z miejsca, pokonywanie wzniesień, przyspieszanie) umożliwiając zastosowanie w pojeździe silnika spalinowego mniejszej mocy.

Podsumowując, jako kierunki rozwoju tłokowych silników spalinowych o zapłonie iskrowym można wymienić:

·         wyeliminowanie systemu zasilania gaźnikowego oraz zastępowanie układu wtrysku jednopunktowego (SPI) wielopunktowym (MPI), a docelowo wtryskiem bezpośrednim (GDI),

·         zasilanie mieszanką ubogą z uwarstwieniem ładunku,

·         wzrost stopnia sprężania,

·         wprowadzenie nowocześniejszych mikroprocesorów sterujących,

·         stosowanie głowic wielozaworowych, połączone z efektywnym i sterowanym doładowaniem dynamicznym lub sprężarkowym,

·         wprowadzenie elektromagnetycznego napędu rozrządu,

·         zastosowanie systemu deaktywacji cylindrów przy częściowych obciążeniach silnika,

·         kształtowanie i sterowanie zawirowaniami ładunku,

·         stosowanie zmiennych układów dolotowych,

·         stosowanie zaawansowanych technicznie wieloświecowych układów zapłonowych z czujnikami spalania stukowego,

·         zastosowanie oddzielnego wtryskiwacza dla każdego zaworu dolotowego,

·         stosowanie piezoelektrycznych wtryskiwaczy i wtrysku wspomaganego powietrzem,

·         zastosowanie akumulatora ciepła,

·         zwiększenie prędkości obrotowej rozruchu,

·         zastosowanie wysokiej mocy rozrusznika zintegrowanego z alternatorem,

·         zastępowanie mechanicznego i hydraulicznego napędu osprzętu napędem elektrycznym,

·         zastosowanie podgrzewanego czujnika składu mieszanki UHEGO wraz z jedną lub dwiema dodatkowymi sondami lambda,

·         stosowanie zaawansowanych systemów oczyszczania spalin,

·         zastosowanie turbodoładowania, zwłaszcza w przypadku silników GDI,

·         stosowanie benzyn bezołowiowych wysokiej jakości, reformułowanych.

Silniki o zapłonie samoczynnym (ZS)

Tłokowy silnik spalinowy o zapłonie samoczynnym (ZS), zwany również silnikiem Diesla lub wysokoprężnym, to silnik, w którym zapłon mieszanki palnej wywołany jest wysoką temperaturą powietrza sprężonego w komorze spalania. Silniki ZS będące silnikami z wewnętrznym tworzeniem mieszanki palnej, napędzane są olejem napędowym wtryskiwanym do komory spalania pod wysokim ciśnieniem, wytwarzanym przez pompę wtryskową.

Zaostrzające się stale wymagania odnośnie zużycia paliwa i emisji dwutlenku węgla wymusiły stosowanie silnika ZS o wtrysku bezpośrednim (DI), jako najbardziej sprawnego źródła napędu pojazdów samochodowych. Dotyczy to również samochodów osobowych, gdzie silniki ZS o wtrysku pośrednim (IDI) były do niedawna powszechnie stosowane.

W celu zmniejszenia głośności pracy i emisji tlenków azotu dąży się do opóźnienia wtrysku paliwa. Dochodzi wówczas do zmniejszenia maksymalnego ciśnienia i temperatury w komorze spalania, a stąd do zmniejszenia emisji tlenków azotu, jednocześnie jednak skraca się dostępny czas spalania, co zwiększa emisję węglowodorów i cząstek stałych. Konieczne jest zatem polepszenie warunków mieszania paliwa z powietrzem oraz skrócenie czasu opóźnienia samozapłonu i czasu spalania. Można tego dokonać przez odpowiednie ukształtowanie komory spalania lub zwiększenie ciśnienia wtrysku. W drugim przypadku konieczne jest zmniejszenie średnicy otworków rozpylacza, gdyż samo podniesienie ciśnienia wtrysku powoduje lepsze rozpylenie tylko na krawędzi strugi paliwa, zwiększając penetrację paliwa w głąb komory spalania. Powstaje wtedy niebezpieczeństwo dotarcia kropel paliwa do ścianki komory spalania, co znacznie zwiększa stopień dymienia.

Przeprowadzone badania silników wysokoprężnych ciężkich pojazdów wykazały, że stosując zawirowanie powietrza w cylindrze, można zmniejszyć stopień emisji cząstek stałych przy mniejszych ciśnieniach wtrysku, jednak wzrasta wtedy emisja tlenków azotu. Natomiast ten sam poziom emisji cząstek stałych można uzyskać zwiększając ciśnienie wtrysku przy jednoczesnym zmniejszeniu zawirowań, co nie wywołuje wzrostu emisji tlenków azotu.

Poprawę mieszania paliwa z powietrzem i zmniejszenie prędkości narastania ciśnienia realizuje się również przez stosowanie wtrysku dwufazowego. System ten polega na wprowadzeniu do cylindra tzw. „dawki pilotującej” (Pilot Injection) przed wtryśnięciem zasadniczej porcji paliwa. Wstępna dawka paliwa skraca czas opóźnienia samozapłonu i ogranicza szybkość narastania ciśnienia w cylindrze. Powoduje to zmniejszenie maksymalnej temperatury w pierwszej fazie spalania i ogranicza emisję tlenków azotu. Poza tym zastosowanie takiego systemu spalania zmniejszenia hałaśliwości silnika.

W zakresie aparatury wtryskowej rzędowe pompy wtryskowe zastępowane są pompami rotacyjnymi. Większość nowoczesnych rozwiązań układów wtryskowych zmierza w kierunku wzrostu ciśnienia wtrysku, dzięki czemu możliwe jest m.in. większe opóźnienie wtrysku paliwa. Przy zwiększaniu ciśnienia wtrysku powstają jednak niekorzystne zjawiska falowe w przewodach paliwowych i pompie wtryskowej. Zapobiega się im skracając drogę paliwa pod wysokim ciśnieniem do cylindra, np. przez zastosowanie pompowtryskiwaczy lub systemu CR (Common Rail). System CR opiera się na idei zasilania wszystkich cylindrów przez wspólną magistralę paliwową, podobnie jak to ma miejsce w silnikach ZI z wtryskiem wielopunktowym. Oprócz elementów pomiarowych i centralnej jednostki sterującej, układ składa się z trzech głównych elementów: pompy wysokociśnieniowej, zbiornika ciśnieniowego i wtryskiwacza. Ogólna zasada działania systemu jest następująca: ciśnienie jest wytwarzane w pompie przez tłok napędzany przez krzywkę, tak jak w zwykłej pompie rzędowej. Różnica polega przede wszystkim na tym, że wtłaczanie paliwa do kolektora ciśnienia następuje nie w czasie wtrysku, a pomiędzy kolejnymi wtryskami. Dzięki takiemu układowi ciśnienie przed rozpylaczem jest stałe przez cały okres wtrysku, a wielkość wtryskiwanej dawki paliwa zależy od czasu otwarcia wtryskiwacza oraz ciśnienia panującego w systemie (patrz rys. 4).

System CR umożliwia również dobieranie indywidualnej dawki paliwa do każdego cylindra i reaguje na zmiany warunków pracy silnika. Wysokie ciśnienie wtrysku, możliwe do uzyskania przy małej prędkości obrotowej, umożliwia zwiększenie momentu obrotowego silnika o 20 do 30%. Wyeliminowanie mechanicznych i hydraulicznych ograniczeń układu konwencjonalnego pozwala natomiast na zwiększenie dopuszczalnej prędkości obrotowej. Zastosowanie systemu CR prowadzi w efekcie do obniżenia zużycia paliwa i toksyczności spalin oraz wzrostu wysilenia jednostki napędowej.

Rys. 4. Schemat systemu Common Rail

W systemie CR znacznemu skomplikowaniu uległ elektroniczny system sterowania. Procesor sterujący zbiera m.in. informacje dotyczące prędkości obrotowej wału korbowego, położenia wału rozrządu, położenia pedału przyspiesznika, temperatury zasysanego powietrza, temperatury cieczy chłodzącej, ciśnienia w magistrali paliwowej i kolektorze dolotowym oraz masy powietrza wpływającego do układu dolotowego. Układ sterujący określa również wiele innych procesów zachodzących w pojeździe związanych np. z uruchomieniem świec żarowych, recyrkulacją spalin, doładowaniem, diagnozowaniem silnika.

Niezależnie od rodzaju układu wtryskowego na szeroką skalę wprowadza się elektroniczną regulację parametrów wtrysku (dawki paliwa, kąta wyprzedzenia wtrysku, czasu wtrysku i ciśnienia wtrysku) w zależności od wielu zmiennych.

Podobnie jak w silnikach ZI, również w ZS coraz częściej stosowane są głowice o 4 zaworach na cylinder. Optymalizuje się położenie wtryskiwacza, dążąc do jego centralnego umieszczenia w komorze spalania. Pojawiają się również silniki ZS o regulowanym w zależności od prędkości obrotowej silnika stopniu sprężania.

Turbodoładowanie jest powszechnie stosowanym sposobem na obniżenie zużycia paliwa i emisji substancji toksycznych przez silniki ZS, przy jednoczesnym zwiększeniu objętościowego wskaźnika mocy. Znaczenie turbodoładowania łatwo zrozumieć, gdy weźmie się pod uwagę, że podczas pracy z pełnym obciążeniem osiągnięcie pełnej mocy warunkowane jest z reguły nie ilością wtryśniętego paliwa, ale możliwością dostarczenia odpowiedniej ilości powietrza do jego pełnego spalenia. Chłodzenie powietrza doładowanego zwiększa masowy ładunek cylindra i powoduje obniżenie temperatury panującej w komorze spalania, co sprzyja redukcji emisji tlenków azotu.

Pełne wykorzystanie możliwości wynikających z doładowania wymaga zapewnienia odpowiedniej jego wydajności w całym zakresie prędkości obrotowych i obciążenia silnika. Spełnienie tego warunku umożliwiają turbosprężarki o zmiennej geometrii kierownicy VGT (Variable Geometry Turbocharger) lub zmiennym przepływie VFT (Variable Flow Turbocharger). Wzrasta dzięki temu szybkość reagowania silnika na wszelkie zmiany warunków pracy oraz moment obrotowy w całym zakresie prędkości obrotowych.

Emisja tlenku węgla i węglowodorów przez współczesne silniki ZS jest zbliżona do poziomów notowanych w silnikach ZI wyposażonych w trójfunkcyjny reaktor katalityczny, a jej dalsza redukcja nie stwarza większych problemów. Najwięcej trudności sprawia natomiast ograniczenie emisji tlenków azotu i cząstek stałych.

Dla silników ZS regułą stało się stosowanie układu recyrkulacji spalin EGR, w tym także z chłodzeniem zawracanych do cylindra spalin. Wprowadzenie jedynie recyrkulacji spalin pozwala zmniejszyć ilość formowanych w silniku tlenków azotu, jednak kosztem zwiększenia emisji produktów niezupełnego spalania. Zastosowanie chłodzenia recyrkulowanych spalin pozwala równocześnie obniżyć emisję tlenków azotu i cząstek stałych.

Coraz większą uwagę zwraca się na ograniczanie emisji podczas zimnego rozruchu i nagrzewania silnika ZS. W tym celu wyposaża się go w systemy skracające czas nagrzewania silnika i podjęcia pracy przez układy oczyszczania spalin.

Podsumowując, nakreślić można następujące kierunki rozwoju silników ZS:

·         szerokie zastosowanie wtrysku bezpośredniego,

·         stosowanie wtrysku dwufazowego, z dawką pilotującą,

·         optymalizacja przestrzeni spalania i zawirowań,

·         obniżenie pojemności pojedynczego cylindra, zwiększenie prędkości obrotowej i wysilenia (dotyczy silników pojazdów lekkich),

·         wielozaworowe układy rozrządu o regulowanych parametrach,

·         doładowanie dynamiczne i turbosprężarką typu VGT lub VFT z chłodzeniem powietrza doładowanego,

·         dynamiczne układy recyrkulacji spalin, z chłodzeniem,

·         elektroniczna regulacja parametrów wtrysku w funkcji wielu zmiennych,

·         wprowadzenie systemu wtryskowego Common Rail lub pompowtryskiwaczy o wysokim ciśnieniu wtrysku,

·         zwiększenie współczynnika nadmiaru powietrza,

·         stosowanie otwartych komór spalania,

·         stosowanie w silnikach pojazdów ciężkich bezwirowych komór spalania,

·         sterowanie zawirowaniami i turbulencją w cylindrach,

·         zwiększanie stopnia sprężania przy małych prędkościach obrotowych i zmniejszanie przy dużych,

·         filtry cząstek stałych, reaktory katalityczne utleniające, reaktory katalityczne redukujące dla dużych współczynników nadmiaru powietrza z wykorzystaniem technologii plazmy,

·         układy chłodzenia o wyższej temperaturze czynnika chłodzącego i zmniejszające czas nagrzewania silnika,

·         akumulatory ciepła,

·         dodatkowa turbina mocy,

·         wysokiej mocy rozrusznik zintegrowany z alternatorem,

·         zastępowanie mechanicznego i hydraulicznego napędu osprzętu napędem elektrycznym,

·         diagnostyka pokładowa OBD-II,

·         paliwa o zwiększonej „czystości spalania” - reformułowane oleje napędowe.