Sprawność silnika spalinowego

Czasami wystarczy jedna zmiana, aby sprawność jednostki napędowej, zmniejszyła się albo zwiększyła. Od czego zależy sprawność silnika spalinowego?

Silnik spalinowy wykorzystuje zjawiska sprężania (gaz zimny) oraz rozprężania (gaz ciepły) czynnika termodynamicznego do wytworzenia momentu obrotowego lub siły.

Aby wspomniany czynnik został sprężony, potrzeba mniej energii mechanicznej niż uzyskuje się z rozprężania tego czynnika. To właśnie z tego powodu energia uzyskiwana z procesu rozprężania, zużywana jest do sprężania gazu i do napędu jednostki napędowej. W przypadku silnika spalinowego czynnikiem roboczym jest paliwo, które ulega spaleniu w cylindrze.

W tym miejscu pojawiają się pierwsze wątpliwości. Niestety mimo dużego zaawansowania techniczno-technologicznego, w silniku spalinowym nie dochodzi do spalania całkowitego. Aby to osiągnąć, komora spalania powinna mieć kształt geometryczny kuli, przynajmniej w teorii.

W rzeczywistości mamy do czynienia ze spalaniem niezupełnym i niecałkowitym. Przez to przy ściankach cylindra odkłada się niespalona mieszanka, która jest odpowiedzialna za powstawanie nadmiernej ilości tlenku azotu, przez lokalne zubożenie mieszanki.

Do tego wszystkiego chodzi jeszcze sama konstrukcja silnika, która nie jest idealnym izolatorem cieplnym. Jak można się domyślić to wpływa negatywnie na sprawność ogólną silnika.

Wkurzają cię korki? Zobacz, w jaki sposób powinno się jeździć, żeby je rozładować

Od czego zależy sprawność silnika?

Przede wszystkim projektując jednostkę napędową należy pamiętać, że największy spadek sprawności występuje w momencie znacznych strat cieplnych. Dlatego istotne jest, aby konstrukcja była jak najlepszym izolatorem.

Najwięcej wspomnianego ciepła „ucieka” m.in. przez zawory w suwie pracy. Żeby temu zapobiegać powinno się wybierać jaki materiał na zawory, aby stanowił jak najlepszy izolator i „uciekającego” ciepła było jak najmniej.

Kolejną kwestią jest dopracowanie procesu spalania w cylindrze. Coraz więcej pojazdów ma zastosowany bezpośredni wtrysk paliwa (w odniesieniu do silników z zapłonem iskrowym), co daje duże zalety związane ze spalaniem mieszkanki.

Jednak niesie ze sobą również wady, w postaci większej emisji tlenków azotu oraz cząstek stałych. To właśnie z tego powodu zaczyna się stosować w silnikach z zapłonem iskrowym filtry cząstek stałych.

Sprawność silnika spalinowego jest jasno określona, a jej zwiększenie ściąga sen z powiek wielu inżynierom. Do silnika spalinowego dostarcza się energię w postaci paliwa, a uzyskuje z niego energię mechaniczną. Zwiększenie sprawności można uzyskać kilkutorowo. Z jednej strony np. polepszając proces spalania (co w dobie norm czystości spalin jest już bardzo rozwinięte), a z drugiej odzyskując z silnika energię cieplną. Ponad 50% energii cieplnej pochodzącej ze spalania paliwa jest tracone wraz z odprowadzaniem gorących spalin i chłodzeniem silnika. Kluczowym w tym momencie byłoby opracowanie takich technologii, aby jak najwięcej tej właśnie energii móc odzyskać zwiększając sprawność ogólną silnika spalinowego – przykładem może być silnik realizujący obieg o wydłużonej ekspansji. Czy więc zwiększenie sprawności silnika spalinowego miałoby wpływ na spowolnienie rozwoju pojazdów elektrycznych? Tu chyba najważniejszym kryterium jest kwestia opłacalności. W tym momencie można przyjąć, że średnio 40% wydawanych przez Nas pieniędzy na stacji benzynowej faktycznie przekłada się na ruch samochodu. Resztę kolokwialnie mówiąc wyrzuca się w błoto. Każdy procent sprawności więcej to wymierne korzyści dla użytkowników objawiające się obniżeniem zużycia paliwa, a więc oszczędnościami. Na dzień dzisiejszy rozważając jedynie koszt paliwa każdy przejechany kilometr pojazdem elektrycznym jest tańszy, niż podobnej wielkości pojazdem spalinowym, rozważyć natomiast trzeba jaki koszt ogólny niesie za sobą przejechany każdy kilometr wliczając w to recykling zużytego samochodu, koszt produkcji, obsługi, etc. – komentuje Mateusz Bednarski z Zakładu Silników Spalinowych Politechniki Warszawskiej.

Na chwilę obecną największą sprawność wśród silników mają te z zapłonem samoczynnym. Wynika to z wysokiego stopnia sprężania, która spręża mieszankę paliwowo-powietrzną w celu jej samozapłonu. Różnica pomiędzy odmianami z zapłonem iskrowym oraz samoczynnym może wynosić nawet 20% w kwestii ich sprawności ogólnej. Jest to wynik większej gęstości oleju napędowego co powoduje, że z każdym litrem paliwa jest więcej jego kilogramów, a to się przekłada na zużycie.

Przeczytaj także: Francja obniża prędkość maksymalną, czy Polska zrobi to samo?

Benzyna i diesel w jednym

Mazda postanowiła pójść o krok dalej, konstruując silnik, który w pewnym sensie jest połączeniem benzyny i diesla. Konstruktorzy tej jednostki napędowej podnieśli przede wszystkim stopień sprężania i zastosowali kompresor sterowany elektronicznie.

Jednak nawet w warunkach, kiedy panuje duże obciążenie oraz niska prędkość obrotowa, nie dojdzie do samozapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej. W tym celu konieczne było zastosowanie świecy zapłonowej.

To rozwiązanie stanowi w pewnym stopniu połączenie dwóch rodzajów silnika w jeden. Zaletą tego jest lepsza kontrola nad procesem spalania się mieszanki w cylindrze oraz możliwości pracy na zubożonej mieszance przy zapłonie iskrowym silnika.

Przeczytaj także: Jeździliśmy prototypem Mazdy z silnikiem benzynowym z samoczynnym zapłonem

Z punktu widzenia procesu spalania warto zaznaczyć, że tego typu działania są bardzo skomplikowane. Aby to rozwiązanie mogło działać prawidłowo konieczne jest odpowiednie zaprojektowanie zawirowań wtryskiwanej dawki paliwa, tak aby przy świecy zapłonowej była mieszanka na tyle bogata, aby doszło do zapłonu.

Gdy to się stanie reakcja zajmie również zubożoną dawkę. Według założeń inżynierów Mazdy, takie rozwiązanie przyniesie ograniczenie zużycia paliwa o 30 proc. w odniesieniu do silników o porównywalnych mocach oraz podniesie o 30 proc. moment obrotowy.

Wprowadzenie technologii SKYACTIV-X nie ma na celu oddalenia wizji elektrycznej przyszłości, lecz przygotowanie się do niej w jak najlepszy sposób. Chodzi o uzyskanie maksymalnej efektywności z silnika spalinowego na benzynę bezołowiową przy wykorzystaniu procesów spalania stosowanych w jednostkach wysokoprężnych. Dzięki temu już w przyszłym roku będziemy w stanie zaproponować silnik o parametrach mocy i momentu obrotowego wyższych od dotychczasowych jednostek SKYACTIV-G, ale gwarantujący niższe zużycie paliwa. To rozwiązanie początkowo będzie przewidziane jako samodzielny napęd naszych samochodów nowej generacji, jednak z biegiem czasu zacznie być też łączone z silnikiem elektrycznym, tworząc napęd hybrydowy. Wierzymy, że połączenie bardzo efektywnego silnika spalinowego z efektywną jednostką elektryczną da bardzo oszczędny, ale zarazem dynamiczny duet, który planujemy wprowadzić do sprzedaży w 2021 r. Będzie to zarówno konwencjonalna hybryda jak i jednostka typu plug-in z możliwością ładowania z gniazdka. Poza pracami nad rozwinięciem silnika spalinowego Mazda opracowuje też swój pierwszy samochód elektryczny, który trafi do sprzedaży w 2020 r. – komentuje Szymon Sołtysik Dyrektor PR Mazda Motor Poland.

Nowa jednostka napędowa ma być wstępem do elektromobliności japońskiej marki. Masahiro Moro, dyrektor generalny Mazda North American Operations dla Automotive News powiedział, że podstawowy silnik musi być najpierw wydajny, żeby można było zacząć robić hybrydy.

Czas jednak pokaże czy ta konstrukcja jest przełomowa na tyle aby w pierwszej kolejności stworzyć wydaje układy hybrydowe, a następnie w pełni elektryczne pojazdy Mazdy. Z pewnością z punktu widzenia układu hybrydowego, spalinowa jednostka napędowa o wysokiej sprawności będzie powodowała, że w połączeniu z elektrycznym silnikiem układ będzie jeszcze wydajniejszy i przy okazji oszczędniejszy.  

Więcej o:
Komentarze (2)
Sprawność silnika spalinowego
Zaloguj się lub komentuj jako gość
  • hiszpan25

    0

    silnik spalinowy ma niska sprawnosc… wiekszosc energii z paliwa marnuje sie w postaci ciepla oddawanego do otoczenia przez uklad chlodzenia oraz wraz ze spalinami. idealem bylo by odizolowanie termiczne silnika od otoczenia. niestety ani znane materialy ani technologie nie pozwalaja na dzisiaj na taki krok. sredniej wielkosci auto z silnikiem o mocy powiedzmy 100kW spokojnie moglo by marnowanym cieplem ogrzac zima kilka mieszkan.

  • Gość: Ts

    Oceniono 3 razy -1

    Dawno nie czytałem takiego steku bzdur... sprawność zależy od izolacyjnoisilnika... dobre... i diesel ma większą sprawność bo ... olej napędowy ma większą gęstość... juz nie mogę pisać ze śmiechu

Aby ocenić zaloguj się lub zarejestrujX