Technologia nowoczesnych silników benzynowych

Technologia nowoczesnych silników benzynowych

Europejskie koncerny wprowadzają ekonomiczne techniki budowy silników Koncerny co rusz donoszą o wynalazku alternatywnych napędów, które zrewolucjonizują branżę motoryzacyjną. Nikt nie ma jednak złudzeń, że jeszcze długie lata na świecie królować będą silniki spalinowe. A mają one wiele możliwości rozwoju.

Co tam zresztą dużo mówić - to właśnie silnik spalinowy pozwolił przeskoczyć z ery powozów do epoki samochodu.

Dziś konstrukcja nowych silników jest przy tym chyba trudniejsza nawet niż w epoce pionierów motoryzacji. W grę wchodzą gigantyczne inwestycje na prowadzone latami prace badawcze. Kupić odpowiednie technologie jest też bardzo trudno, gdyż koncerny samochodowe nie darmo wydają fortuny na utrzymanie armii inżynierów, aby dzielić się własnymi patentami z konkurencją. A na dodatek ustawodawcy na całym świecie wprowadzają coraz bardziej surowe przepisy dotyczące emisji spalin. Skonstruować silnik, który przez kilkanaście lat będzie spełniał coraz bardziej wymagające normy, a przy tym nie pozbawi kierowców przyjemności z jazdy - to naprawdę sztuka. Na dodatek taka, w której nie wypowiedziano jeszcze ostatniego słowa. Koncerny samochodowe nie ustają wprawdzie w poszukiwaniu źródeł napędów alternatywnych wobec klasycznych silników spalinowych. Jednocześnie nie zaniedbują jednak prac nad udoskonaleniem hałaśliwego, zadymiającego świat wynalazku sprzed ponad wieku.

Być może za kilkanaście lat na drogach wiele będzie pojazdów napędzanych połączonymi ze sobą silnikami spalinowo-elektrycznymi. Pojazdy o takim mieszanym, "hybrydowym" napędzie zużywają bardzo mało paliwa i w nikłym stopniu zatruwają świat spalinami. Są już one produkowane seryjnie przez japońskie koncerny Toyota i Honda.

Być może nieco później w branży samochodowej pierwsze skrzypce grać będą pojazdy z silnikami elektrycznymi zasilanymi przez pokładowe elektrownie złożone np. z ogniw paliwowych. Wytwarza się w nich prąd, łącząc wodór z tlenem. Z rury wydechowej pojazdu o takim napędzie wydobywać się będzie głównie nieszkodliwa dla przyrody para wodna. A wodoru i tlenu jest tak dużo na świecie, że w tej przyszłej erze motoryzacji kryzysy paliwowe będą uważane za nierealny koszmar przeszłości. Taki, jakim dla wielu młodych osób są opowieści o tym, jak to jeszcze w połowie lat 80. w naszych sklepach był tylko jeden gatunek kawy, samochody sprzedawano na talony, a książki spod lady.

Auta o napędzie hybrydowym lub samochody z ogniwami paliwowymi to jednak mniej lub bardziej odległa przyszłość. A na razie dzięki nowym patentom silnik spalinowy przeżywa drugą młodość.

Pomysł Diesla dla benzyny

Już w najbliższych tygodniach francuski koncern PSA (Peugeot-Citroen) zaprezentuje swój pierwszy samochód z silnikiem HPi (prawdopodobnie następcę modelu Xantia), wykonanym w technologii bezpośredniego wtrysku benzyny. To jedna z najbardziej rewolucyjnych dziś innowacji w konstrukcji "benzyniaków". O co w niej chodzi?

W tradycyjnym silniku benzynowym do cylindrów zasysana jest gotowa już mieszanina paliwa z powietrzem. Benzyna wtryskiwana jest zaś do kanału tuż przed cylindrem. Natomiast w systemie bezpośredniego wtrysku paliwo jest wpuszczane bezpośrednio do cylindra, podobnie jak w silnikach Diesla, i dopiero tam miesza się z powietrzem. Co to daje? Po prostu można ściślej dawkować ilość benzyny, jaka potrzebna jest w konkretnych warunkach jazdy. Można nawet połączyć w jedno zalety klasycznego silnika benzynowego z silnikiem na ubogą mieszankę. Ten pierwszy optymalnie pracuje wtedy, kiedy spala mieszaninę o ściśle określonej proporcji - jednej porcji paliwa na 15 porcji powietrza. W tym drugim typie silnika jedna porcja paliwa wystarcza czasem na aż 30 porcji powietrza.

Silnik z bezpośrednim wtryskiem benzyny może zatem przy spokojnej jeździe w mieście zmniejszyć nasze wydatki, gdyż będzie zadowalać się niewielkimi dawkami paliwa. A kiedy na autostradzie będziemy chcieli w nim zbudzić dzikie zwierzę, bez oporu przejdzie na tryb pracy taki jak w klasycznym motorze. Dzięki układowi bezpośredniego wtrysku taka zmiana charakteru pracy mechanizmu nastąpi w sposób płynny, niezauważalny dla kierowcy.

Na dodatek ta nowa technologia pozwala wycisnąć z urządzenia więcej mocy i zredukować spalanie - w gruncie rzeczy niezależnie od warunków jazdy.

A konkretnie? Francuski silnik z bezpośrednim wtryskiem benzyny HPi ma dwa litry pojemności. Jego moc (143 KM) jest o 3 proc. większa od najnowszego, klasycznej budowy silnika koncernu PSA o pojemności dwóch litrów, który został wprowadzony jesienią 1999 r. W porównaniu ze starszej generacji "benzynowcem" PSA o tej samej pojemności konstrukcja HPi ma moc o 6 proc. większą. Przy tym zużycie paliwa przez silnik HPi jest o 10 proc. niższe niż w najnowszym motorze PSA, a o prawie jedną piątą w porównaniu z silnikiem starszej generacji. Silnik HPi ma też tzw. moment obrotowy o wyższej wartości od poprzedników. W konsekwencji prowadzenie auta staje się przyjemniejsze, gdyż pojazd przyspiesza łatwiej i płynniej.

Zawartość trucizn w spalinach silnika HPi odpowiada normom, które w Unii Europejskiej zaczną obowiązywać dopiero od 2005 r.

Zbiornik na spaliny

Zmniejszenie zawartości trucizn w spalinach silników z bezpośrednim wtryskiem benzyny to dodatkowe wyzwanie dla konstruktorów. Kiedy bowiem do cylindrów wtłaczamy mieszaninę, w której na jedną porcję paliwa przypada więcej niż 15 porcji powietrza, z rury wydechowej wydobywa się zbyt dużo szalenie szkodliwych tlenków azotu. Aby poradzić sobie z tym problemem, francuscy inżynierowie przykręcili do silnika HPi skomplikowany układ rur wydechowych zbudowany wraz ze spółką niemieckiego koncernu Degussa-Huels.

Auto ma dwa katalizatory, przy czym jeden służy jako pochłaniacz trujących tlenków azotu. Są one wiązane w warstwie soli baru, rzadkiego pierwiastka użytego do produkcji wewnętrznej powłoki tego katalizatora wraz z tradycyjnie stosowanymi do tego celu szlachetnymi metalami - platyną, palladem i rodem. Przez trzy sekundy w ciągu każdej minuty pracy silnika komputer wydaje komendę wtrysku większej ilości paliwa. Temperatura spalin rośnie, zmienia się też skład spalin i dzięki temu zgromadzone wcześniej na powłoce katalizatora tlenki azotu wskutek reakcji chemicznych są przekształcane w mniej szkodliwe związki.

Ów specjalny katalizator jest szczególnie przydatny w warunkach jazdy po mieście, na krótkich trasach, gdzie także auta z normalnymi silnikami benzynowymi z trudem radzą sobie z ograniczeniem emisji szkodliwych tlenków azotu.

Wszystkie dane o emisji spalin dotyczą urządzeń wykorzystujących benzyny spełniające dzisiejsze normy Unii Europejskiej. Producenci aut często żalą się, że jest to paliwo o zbyt wysokiej zawartości siarki. Stosując paliwo mniej zasiarczone, takie, jakie można kupić już w Szwecji lub Kalifornii, z rury wydechowej wydobywałoby się jeszcze mniej trucizn.

Aby silnik HPi pracował prawidłowo, trzeba go było wyposażyć również w nową pompę wtryskującą paliwo. Wtłacza ona benzynę do cylindrów pod ciśnieniem od 30 do 100 barów, czyli od dziesięciu do ponad trzydziestu razy wyższym niż w urządzeniach wtryskowych stosowanych w najnowszych silnikach o klasycznym wtrysku paliwa. Dzięki wysokiemu ciśnieniu skraca się czas wtrysku i to dodatkowo ułatwia dawkowanie paliwa w ściśle określonych dozach. Urządzenie wtryskowe to dzieło inżynierów francuskiego koncernu oraz niemieckiego Siemensa.

Światło ze Wschodu

Koncern Peugeot-Citroen nie jest jednak ani pierwszą firmą na świecie, ani nawet w Europie, która zademonstrowała silnik z bezpośrednim wtryskiem benzyny.

Seryjną produkcję takich silników jako pierwsi na świecie zaczęli dbający o przyrodę Japończycy, a konkretnie koncern Mitsubishi (było to w 1996 r.). Swoje konstrukcje firma z Kraju Kwitnącej Wiśni oznacza skrótem GDI. Peugeot-Citroen podpisał nawet z Mitsubishi umowę w sprawie zakupu japońskiej licencji. Sprawa transferu technologii jest jednak zagmatwana, bo Francuzi tłumaczą, że podjęli tę decyzję, aby uniknąć prawnych sporów z Japończykami, ponieważ ich własne opracowania miały być bardzo zbliżone do rozwiązań Mitsubishi. Intrygujące jest też podobieństwo działania katalizatora zastosowanego w silniku HPi do oryginalnej konstrukcji opatentowanej przez Toyotę. Ten największy z japońskich koncernów wkrótce po Mitsubishi zaczął produkować własne auta z silnikami o bezpośrednim wtrysku benzyny, ale do tej pory nie sprzedaje ich poza Azją. Czy i w tym przypadku doszło do zapożyczenia przez firmę z Europy pomysłów z Japonii? Nie wiadomo.

W zeszłym roku własnej konstrukcji silnik z systemem bezpośredniego wtrysku benzyny opracowanym przez Siemensa przedstawił koncern Renault. Na razie nie jest on jednak montowany do seryjne produkowanego pojazdu. Kilka miesięcy po Renault, także w zeszłym roku, własny silnik w technice bezpośredniego wtrysku o pojemności 1,4 litra i mocy 105 KM zaprezentował Volkswagen. Mechanizm wtrysku w tym przypadku opracowano wraz z Boschem. Model Lupo wyposażony w to urządzenie ma spalać średnio ok. 5 litrów benzyny na 100 km, a przy tym pozwolić na bardzo dynamiczną jazdę: do setki rozpędza się w ok. 10 s, a prędkość maksymalna wynosi blisko 200 km/godz. Niemiecki koncern zapowiadał, że Lupo z nowym silnkiem pojawi się w salonach w połowie tego roku. Do tej pory tak się jednak nie stało.

Koncern Peugeot-Citroen, który najpóźniej przedstawił swój wynalazek, ma zatem szansę jako pierwszy z europejskich firm samochodowych rozpocząć sprzedaż pojazdów z nowatorskim napędem.

ANDRZEJ KUBLIK