Silnik o zapłonie samoczynnym

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. 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. Stopień sprężania w silnikach wysokoprężnych mieści się w przedziale 12-25.

Historia

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

• 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,
• 1993 – FIAT patentuje i wprowadza na rynek technologię common rail,
• 2004 – W krajach Europy Zachodniej udział nowo rejestrowanych samochodów z silnikiem wysokoprężnym przekracza 50%.

Zasada działania

Ssanie

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

Sprężanie

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.

Praca (ekspansja)

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. 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. 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

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.

Silniki wysokoprężne w muzeum Tatry.

Podstawy termodynamiczne

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

• adiabatyczne sprężanie,
• izochoryczne podgrzewanie czynnika,
• izobaryczne podgrzewanie czynnika,
• adiabatyczne rozprężanie,
• izochoryczne oziębianie czynnika.

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

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

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

• 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

Wady

• 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 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.

Zalety

• 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).
• Możliwość pracy w ciężkich warunkach, gdzie wilgoć mogłaby unieruchomić silniki benzynowe, w których potrzebna jest iskra od aparatu zapłonowego.
• Wyższy moment oborotowy w stosunku do silnika o zapłonie iskrowym o podobnej pojemności skokowej i podobnym stopniu zaawansowania technologicznego
• Maksymalne wartości momentu obrotowego położone w niższym zakresie obrotów, przez co pojazd sprawniej przyśpiesza bez konieczności zwłoki "wkręcania" silnika na wyższe obroty
• Ze względu na właściwości palne oleju napędowego mniejsze prawdopodobieństwo samozapłonu (w tym eksplozywnego) przy skałdowaniu 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

Bibliografia

• 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

• silnik z wtryskiem bezpośrednim
• silnik z wtryskiem pośrednim
• silnik wielopaliwowy
• silnik żarowy
• energia mechaniczna
• moc mechaniczna
• prędkość obrotowa
• moment obrotowy
• wtrysk paliwa
• pompa sekcyjna
• pompa rozdzielaczowa
• pompowtryskiwacz
• Common rail
• zwłoka zapłonu
• hydrauliczny system wtrysku paliwa
• liczba cetanowa