Silnik o zapłonie samoczynnym

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
(Przekierowano z Silnik wysokoprężny)
Skocz do: nawigacja, szukaj
DM12 – silnik wysokoprężny pierwszej generacji (1906)

Silnik o zapłonie samoczynnym (znany powszechnie jako silnik wysokoprężny lub silnik Diesla, ZS) – silnik cieplny spalinowy tłokowy o spalaniu wewnętrznym, w którym ciśnienie maksymalne czynnika jest znacznie większe, niż w silnikach niskoprężnych (z zapłonem iskrowym), a do zapłonu paliwa nie jest wymagane żadne zewnętrzne źródło energii, ma miejsce zapłon samoczynny[1]. Do cylindra dostarczane jest powietrze, kiedy tłok zbliża się do swojego GMP następuje wtrysk paliwa, które następnie spala się po przekroczeniu w komorze spalania temperatury jego zapłonu. Do zainicjowania zapłonu nie są potrzebne tak jak w przypadku silnika o zapłonie iskrowym zewnętrzne źródła ciepła[1]. Stopień sprężania w silnikach wysokoprężnych mieści się w przedziale 12-25[1].

Historia[edytuj | edytuj kod]

Świadectwo patentowe Rudolfa Diesla z dnia 23 lutego1893

W 1893 roku Rudolf Diesel skonstruował silnik o nieco zmienionej konstrukcji i zasadzie działania, niż silniki spalinowe znane dotychczas. Przyświecającym mu celem było stworzenie maszyny jeszcze wydajniejszej, a opierającej się na ogólnej koncepcji silnika spalinowego. W roku 1893 zdobył patent na swą konstrukcję "silnika o zapłonie samoczynnym".

W roku 1897 Rudolf Diesel zbudował pierwszy dwucylindrowy silnik o zapłonie samoczynnym, który otrzymał nagrodę Grand Prix na wystawie w Paryżu. Silnik ten bezpośrednio z wystawy został przewieziony do Warszawy, gdzie był zastosowany do napędu prądnicy w elektrowni hotelu ,,BRISTOL’’.[potrzebne źródło]

Konstrukcja silnika, którą opracował R. Diesel była bardzo zawodna i trudna w eksploatacji poprzez zastosowanie wtrysku paliwa do cylindra za pomocą sprężonego powietrza. Układ wtryskowy wymagał wielostopniowej sprężarki, aby uzyskać wystarczająco wysokie ciśnienie powietrza, za pomocą którego wtryskiwana i rozpylana była dawka paliwa. Przy ówczesnej technologii materiałowej zapewnienie odpowiedniej trwałości i niezawodności sprężarki było trudne, powiększało to gabaryty i ciężar niemałego silnika, oraz zwiększało ilość części ruchomych wymagających okresowego serwisowania. Dopiero opracowanie hydraulicznego systemu wtrysku paliwa (James Mc Kechnie patent w 1910) pozwoliło na szeroki rozwój silników wysokoprężnych pracujących na oleju napędowym, ale już nie według klasycznego obiegu Diesela (stałe ciśnienie spalania), tylko według obiegu Sabathe'a (przemiana izochoryczna i przemiana izobaryczna).

Dużą rolę w rozwoju silnika odegrał inż. Prosper L’Orange zatrudniony w firmie Benz & Cie, który zaprojektował w 1908 r. komorę wstępną.

Pierwszy pojazd dieslowski produkcji firmy MAN był jednocylindrowym gigantem o pojemności niemal 20 litrów, który przy prędkości 172 obrotów na minutę rozwijał moc 15 kW. W 1936 roku Mercedes zastosował diesla po raz pierwszy w seryjnym aucie osobowym.[potrzebne źródło]

Kalendarium[edytuj | edytuj kod]

  • 1897 – Prace rozwojowe silnika doprowadziły do uzyskania silnika o stosunkowo dobrych właściwościach eksploatacyjnych,
  • 1902-1910 – Firma MAN wyprodukowała 82 stacjonarne silniki wysokoprężne DM12,
  • 1903 – Zastosowanie pierwszego silnika wysokoprężnego do napędu statków i początek powolnego wypierania napędu parowego,
  • 1908 – Uzyskanie wystarczająco precyzyjnej pompy wtryskowej oraz zastosowanie komory wstępnej,
  • 1923 – Pierwszy ciągnik i ciężarówka napędzana silnikiem wysokoprężnym,
  • 1934 – Pierwszy czołg z napędem diesla (7TP - Polski Czołg Lekki),
  • 1936 – Pierwsze zastosowania w samochodach osobowych,
  • 1937 – Pierwsze zastosowania do napędu samolotów, (Junkers)
  • 1968 – Zastosowanie silnika wysokoprężnego ustawionego poprzecznie przez Peugeota w modelu 204.
  • 1986 – Silnik wysokoprężny z wtryskiem bezpośrednim (Fiat Croma TDid) zastosowany w produkcji wielkoseryjnej samochodów osobowych,
  • 1993FIAT patentuje i wprowadza na rynek (w 1997 r.) technologię common rail,
  • 2004 – W krajach Europy Zachodniej udział nowo rejestrowanych samochodów z silnikiem wysokoprężnym przekracza 50%.

Zasada działania[edytuj | edytuj kod]

Ssanie[edytuj | edytuj kod]

Do cylindra, w wyniku przesuwania się tłoka i wystąpienia dzięki temu podciśnienia, zasysane jest z otoczenia czyste powietrze.[1] Suw ssania kończy się zamknięciem zaworu ssącego (silnik czterosuwowy) lub przesłonięciem kanału dolotowego (silnik dwusuwowy).

Sprężanie[edytuj | edytuj kod]

Zassane do cylindra powietrze (o temperaturze zbliżonej do temperatury otoczenia) jest następnie sprężane w wyniku ruchu tłoka w stronę głowicy przy zamkniętych zaworach. Podczas sprężania rośnie intensywnie temperatura powietrza do bardzo wysokiej wartości.[1]

Praca (ekspansja)[edytuj | edytuj kod]

Temperatura powietrza pod koniec sprężania jest tak wysoka, że możliwy jest zapłon wtryśniętej dawki paliwa do przestrzeni nad tłokiem znajdującym się w pobliżu górnego martwego położenia.[1] Paliwo wtryskiwane jest pod wysokim ciśnieniem (zob. hydrauliczny system wtrysku paliwa), dzięki czemu uzyskuje się dobre rozpylenie paliwa. Bardzo małe krople paliwa otoczone gorącym powietrzem szybko odparowują, a pary paliwa, dzięki dużej turbulencji, dobrze mieszają się z powietrzem tworząc jednorodny gaz palny. Gaz ten ulega samozapłonowi wywołanemu wysoką temperaturą. W wyniku spalania silnie rośnie temperatura gazu. Spalanie rozpoczyna się, gdy tłok znajduje się w pobliżu górnego położenia zwrotnego tłoka.[1] Jest to początek ekspansji czynnika roboczego i wykonywania pracy. Początkowo, wraz ze wzrostem temperatury, rośnie także ciśnienie czynnika, lecz wzrost prędkości poruszania się tłoka powoduje, że ciśnienie zaczyna maleć, a rośnie objętość właściwa gazu. Spalanie kończy się jeszcze w czasie ruchu tłoka w stronę dolnego martwego położenia.

Podczas suwu pracy ujawnia się główna różnica pomiędzy silnikiem wysokoprężnym a silnikiem o zapłonie iskrowym pracującym według cyklu Otta. W silnikach o zapłonie iskrowym spalanie mieszanki zachodzi bardzo szybko i wiąże się z gwałtownym wzrostem temperatury i ciśnienia w cylindrze (przemiana izochoryczna). W silnikach Diesla spalanie jest wolniejsze i następuje w dużej mierze podczas cofania tłoka. Ciśnienie podczas spalania jest mniej więcej stałe, rośnie natomiast temperatura i objętość gazu (czyli jest to przemiana izobaryczna).

Wydech[edytuj | edytuj kod]

Gdy tłok znajduje się w pobliżu dolnego martwego położenia, następuje otwarcie zaworu wylotowego. Ponieważ ciśnienie gazu w cylindrze jest wyższe od ciśnienia otoczenia, następuje wylot gazu do otoczenia. Zawór ten jest otwarty także podczas ruchu tłoka w kierunku głowicy i prawie wszystkie gazy spalinowe zostają wydalone z cylindra.


Podstawy termodynamiczne[edytuj | edytuj kod]

Obiegiem porównawczym współczesnych silników wysokoprężnych jest obieg Seiligera-Sabathé. Obieg ten składa się z następujących przemian charakterystycznych:

Obieg porównawczy jest obiegiem teoretycznym. Silnik rzeczywisty pracuje wg obiegu, składającego się z nieco innych przemian. Sprężanie i rozprężanie nie są adiabatyczne, ponieważ występuje wymiana cieplna ze ściankami cylindra, głowicą, tłokiem i innymi elementami. Nawet, gdyby występujące procesy były adiabatyczne, nie byłyby odwracalne. Ogrzewanie czynnika nie jest izobaryczne, następuje najpierw wzrost ciśnienia, a potem jego spadek. Najważniejszą różnicą jest to, że obieg porównawczy opisuje układ zamknięty (wykorzystywany jest wciąż ten sam czynnik), a obieg rzeczywisty układ otwarty (następuje wymiana czynnika roboczego).

Rozwiązania konstrukcyjne[edytuj | edytuj kod]

W powszechnie stosowanych silnikach paliwo wtryskiwane jest do komory wstępnej, komory wirowej lub bezpośrednio do cylindra. W silnikach z komorą wstępną i wirową stosuje się zwykle świece żarowe, których żarzenie (rozgrzanie do czerwoności) wspomaga wystąpienie samozapłonu w zimnym silniku. Występuje tu bowiem silniejsze chłodzenie sprężanego powietrza od chłodnych ścianek cylindra i głowicy, niż w przypadku silnika z wtryskiem bezpośrednim. Zasilanie paliwem odbywa się poprzez układ hydraulicznego systemu wtrysku paliwa. Są to pompy sekcyjne, pompy rozdzielaczowe i nowoczesne rozwiązania konstrukcyjne (pompowtryskiwacze, system common rail) – te ostatnie konstrukcje świec żarowych zasadniczo nie wymagają.

Paliwa[edytuj | edytuj kod]

Paliwem spalanym w silniku wysokoprężnym jest zwykle olej napędowy lub (w przypadku wolnobieżnych silników wielkogabarytowych) mazut. Istotną cechą paliw dla silników wysokoprężnych jest liczba cetanowa, która świadczy o zdolności do samozapłonu. Ponadto – paliwo musi spełniać funkcje smarne w układzie wtrysku paliwa, przez co paliwa alternatywne do silników wysokoprężnych (np. zużyty lub świeży olej roślinny – zob. olej rzepakowy) do nowoczesnych systemów wtrysku się nie nadają z uwagi na groźbę zatarcia i zablokowania sadzami precyzyjnych otworków wtryskiwaczy. Ponadto jego liczba cetanowa jest niska co jest istotną wadą (zwiększa się znacznie zwłoka zapłonu i silnik wchodzi w obszar dymienia). Znacznie lepsze są estry olejów roślinnych (tzw. biodiesel). Zużycie tego paliwa jest wyższe o kilka procent, co wynika z mniejszej wartości opałowej niż oleju napędowego. Warto wspomnieć, że pierwszy silnik wysokoprężny, zbudowany przez Rudolfa Diesla zasilany był olejem arachidowym.

Parametry charakterystyczne[edytuj | edytuj kod]

  • Stopień sprężania – od 14 do 23
  • Ciśnienie sprężania – od 3 do 4,5 MPa
  • Ciśnienie spalania – od 5 do 8 MPa
  • Ciśnienie wtrysku paliwa – od 12 do 200 MPa

Wady i zalety[edytuj | edytuj kod]

Wady[edytuj | edytuj kod]

  • Większa emisja tlenków azotu NOx w porównaniu do silników z zapłonem iskrowym, wyposażonych w trójfunkcyjny katalizator spalin. Aby wykluczyć emisję tlenków azotu NOx stosuje się układy recyrkulacji spalin, w nowszych konstrukcjach technologię AdBlue.
  • Emisja cząstek stałych jeśli silnik nie jest wyposażony w odpowiedni filtr.
  • Większe koszty produkcji w porównaniu z silnikami benzynowymi.
  • Większa masa silnika - sztywniejszy musi być wał korbowy, kadłub silnika z uwagi na wyższe ciśnienia pracy.
  • Zazwyczaj większa hałaśliwość pracy niż silników benzynowych o tej samej mocy.
  • Ograniczona maksymalna prędkość obrotowa spowodowana zwłoką zapłonu.
  • Większe wymagania co do własności olejów silnikowych.
  • Trudności w uruchomieniu silnika zimą w niskich temperaturach (konieczność podgrzania komory spalania przez świece żarowe). Ta wada została praktycznie wyeliminowana w nowoczesnych konstrukcjach poprzez bardzo szybkie i wydajne świece.
  • Wskutek wyższego momentu obrotowego (dla silników o takiej samej mocy maksymalnej) większe obciążenie układu przeniesienia napędu skutkujące, w przypadku zbyt forsownej eksploatacji, szybszym zużyciem elementów współpracujących (skrzynia biegów, sprzęgło, dwumasowe koło zamachowe).
  • Wrażliwość na niską temperaturę i konieczność stosowania odpowiedniego paliwa zimą.
  • Spaliny mogą wywoływać raka płuc[2].

Zalety[edytuj | edytuj kod]

  • Większa sprawność konwersji energii chemicznej paliwa, a dzięki temu mniejsze zużycie paliwa.
  • Większa niezawodność pracy silnika (dyskusyjne dla nowoczesnych, skomplikowanych silników z Common Rail i pompowtryskiwaczami)[3].
  • Możliwość pracy w ciężkich warunkach, gdzie wilgoć mogłaby unieruchomić silniki benzynowe, w których potrzebna jest iskra od aparatu zapłonowego.
  • Ze względu na właściwości palne oleju napędowego mniejsze prawdopodobieństwo samozapłonu (w tym eksplozywnego) przy składowaniu i dostarczaniu paliwa do silnika
  • Współczesne silniki Diesla są bardzo rozwinięte technologicznie, co przekłada się na bardzo dobre osiągi tych silników i zastosowania w samochodach wyścigowych jak np. Audi R10. Osiągi te pozostają jednak relatywnie niższe względem silników benzynowych o identycznej pojemności skokowej i podobnym stopniu zaawansowania technologicznego np. silniki aut F1

Przypisy

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 Jan Aleksander Wajand, Jan Tomasz Wajand: Tłokowe silniki spalinowe średnio- i szybkoobrotowe. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techinczne, 2005, s. 89-123. ISBN 8320430542.
  2. Diesel Exhaust Fumes Can Cause Cancer Scientific American
  3. W przypadku właściwego serwisowania silnika wysokoprężnego i stosowaniu materiałów eksploatacyjnych zgodnych z wymaganiami producenta silnika, silnik wysokoprężny jest bardziej niezawodny od silnika iskrowego. Przykładowy silnik benzynowy wytrzymuje 400 tys. km a Diesla ponad 600 tys. km i więcej, jak silniki produkcji Mercedesa czy Grupy Audi-VW

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

  • Jan Werner Silniki spalinowe małej i średniej mocy. Wyd. II Wydawnictwa Naukowo - Techniczne Warszawa 1964 r.
  • M. Bernhardt, S. Dobrzyński, E. Loth "Silniki samochodowe". Wyd. IV WKiŁ 1988 r.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Wikimedia Commons
WiktionaryPl nodesc.svg
Zobacz hasło diesel w Wikisłowniku