Silnik wysokoprężny / z zapłonem samoczynnym / Diesel
Kluczową różnicą między silnikiem z zapłonem samoczynnym (Diesel), a silnikiem z zapłonem iskrowym (jednostka benzynowa) jest metoda zapłonu mieszanki paliwowej w cylindrze. W silniku Diesla zapłon nie jest inicjowany poprzez przeskok iskry na elektrodach świecy zapłonowej. Zapłon powstaje w wyniku wtryśnięcia oleju napędowego do cylindra w którym jest sprężone powietrze.
Zasada działania jest zawsze taka sama. Czterosuwowe silniki wysokoprężne zasysają powietrze, które następnie jest mocno sprężane podczas suwu sprężania (stosunek w silnikach czterosuwowych to około od 14:1 do 24:1). W wyniku tego sprężania, powietrze jest podgrzewane do około 700-900 stopni Celsjusza. Tuż przed górnym martwym punktem tłoka wtryskiwane jest paliwo, które jest bardzo drobno rozprowadzane i rozpylane w gorącym powietrzu w komorze spalania. Wysoka temperatura wystarczy, aby zapalić mieszankę. Nie ma więc iskry zapłonowej od świecy, która jest niezbędna do inicjacji zapłonu w silniku benzynowym.
Ponieważ w przypadku zimnej jednostki, samo sprężone powietrze w cylindrze nie spełni wymogów do wywołania zapłonu, w silniku Diesla stosowane są świece żarowe. Ich zadaniem jest dogrzanie wnętrza cylindra przed uruchomieniem zimnego silnika. W efekcie mamy sprężone powietrze wskutek ruchu tłoka i wystarczającą temperaturę wskutek nagrzania przez świece żarowe.
Gdy jednostka rozpoczyna pracę, świece są odłączane i już nie „dogrzewają cylindra". Różnica w poszczególnych silnikach Diesla polega tylko na stosowaniu wtrysku paliwa i doładowaniu napływającego ładunku.
Trochę historii, czyli chronologia powstania silnika Diesla
23 lutego 1893, Rudolf Diesel otrzymał patent RP 67207 „Sposób pracy i konstrukcja silników spalinowych". Wskazał tam system pracy silnika o dużej sprawności. Pierwsza eksperymentalna maszyna, zbudowana przez firmę M.A.N. według specyfikacji Diesla, została ukończona już w lipcu 1893.
Konstruktor zakładał bezpośredni wtrysk paliwa pod ciśnieniem. Zaplanował do tego zasadę akumulacji. Dysza wtryskowa jest zasilana ze zbiornika akumulacyjnego, w którym panuje stałe nadciśnienie, utrzymywane za pomocą pompy powietrza (koncepcja Diesla jest zatem identyczna jak obecnie stosowany system common rail). Jednak pomimo kilku ulepszeń, system ten nie działał wystarczająco dobrze ze względu na nieodpowiednie pompy i brak precyzji wtryskiwaczy. Dlatego Diesel musiał zastąpić pompę powietrza dużą sprężarką, co pozwoliło na pominięcie zbiornika akumulacyjnego. Paliwo było teraz wtryskiwane bezpośrednio.
Niestety, ze względu na swoją konstrukcję silnik wysokoprężny początkowo mógł być stosowany tylko jako silnik stacjonarny. Pierwszy, komercyjnie używany, silnik wysokoprężny to dwucylindrowy czterosuwowy silnik o efektywnej mocy 60 KM przy 180 obr/min. Wszedł on do eksploatacji w roku 1898, w fabryce zapałek Union w Kempten.
W roku 1903, silnik wysokoprężny był po raz pierwszy zastosowany na statku. Paliwo było tam rozpylane przez zmodyfikowany gaźnik i wdmuchiwane do komory spalania wraz z powietrzem pod wysokim ciśnieniem. Do wytworzenia ciśnienia wykorzystano skomplikowaną i wrażliwą sprężarkę, tzw. wtryskarkę.
Podstawą rozwoju silnika wysokoprężnego w pojazdach była dopiero komora wstępna, na którą Prosper L'Orange złożył wniosek patentowy w roku 1909.
Dzięki wtryskowi paliwa do „przedpokoju komory spalania" wystarczyło niższe ciśnienie wtrysku, co pozwoliło zrezygnować ze skomplikowanego i dużego systemu wtrysku powietrza. Zmniejszone rozmiary, oraz waga silnika wysokoprężnego, umożliwiły zatem jego montaż w pojazdach lądowych.
Niestety układ komorowy sprawiał, że silnik był słabszy, gdyż były dodatkowe opory i mniej efektywny przebieg procesu spalania. W efekcie prac, w roku 1924 firma MAN zaprezentowała jednak pierwszy silnik wysokoprężny z bezpośrednim wtryskiem do pojazdów użytkowych. Miał on moc około 30 kW. W następnych latach osiągi silników nadal rosły i już w połowie lat 30-tych, pojawiły się silniki o mocy ponad 100 kW przeznaczone do pojazdów użytkowych.
W lutym 1936, na targach motoryzacyjnych w Berlinie, zaprezentowano pierwsze dwa samochody produkcji niemieckiej z silnikami wysokoprężnymi – Mercedes-Benz 260 D i Hanomag Rekord.
Pod koniec lat 40-tych, silnik wysokoprężny stał się szeroko rozpowszechniony jako napęd pojazdów użytkowych, pojazdów szynowych i statków.
Warto też zauważyć, że już w czasie I wojny światowej, okręty podwodne były wyposażone w silniki wysokoprężne. Ryzyko pożaru i wybuchu było bowiem niskie w porównaniu z silnikami benzynowymi (do pojemnika z olejem napędowym można wrzucić palącego papierosa i zgaśnie. W przypadku pojemnika z benzyną, nie polecam próbować).
Wracając zaś do silników z komorami wstępnymi, to były one bardzo rozpowszechnione, zanim silnik z wtryskiem bezpośrednim zajął dominującą pozycję ze względu na większą ekonomiczność. Do lat 90-tych, silniki Diesla w samochodach osobowych były projektowane z wykorzystaniem procesów komorowych, ponieważ hałas spalania był niższy.
Wtrysk bezpośredni był natomiast cały czas pojazdach ciężarowych. Stąd też, silniki te były dużo głośniejsze.
Jednak silniki wysokoprężne samochodów osobowych przez długi czas nie mogły się zadomowić, ponieważ uważano je za mało wydajne do szybszej jazdy. Zmieniło się to dopiero po przejściu na elektroniczny wysokociśnieniowy wtrysk bezpośredni w połączeniu z turbodoładowaniem. Silnik wysokoprężny samochodu osobowego był coraz bardziej akceptowany przez konsumentów. W efekcie, w Europie w roku 2017 prawie co drugi nowo rejestrowany samochód miał silnik wysokoprężny.
Obecnie, w rejestracjach jest tendencja coraz niższej ilości modeli Diesel.
Oto najważniejsze fakty wprowadzenia technologii Diesel
- 1897 – prace rozwojowe silnika doprowadziły do uzyskania silnika o stosunkowo dobrych właściwościach eksploatacyjnych,
- 1902–1910 – przedsiębiorstwo MAN wyprodukowało 82 stacjonarne silniki wysokoprężne DM12,
- 1903 – zastosowanie pierwszego silnika wysokoprężnego do napędu statku i początek powolnego wypierania napędu parowego,
- 1908 – uzyskanie wystarczająco precyzyjnej pompy wtryskowej oraz zastosowanie komory wstępnej,
- 1923 – pierwszy ciągnik i ciężarówka napędzana silnikiem wysokoprężnym
- 1936 – pierwsze seryjnie produkowane samochody osobowe z silnikiem wysokoprężnym
- 1937 – pierwsze zastosowania do napędu samolotów (Junkers)
- 1968 – zastosowanie silnika wysokoprężnego ustawionego poprzecznie (Peugeota w modelu 204).
- 1986 – silnik wysokoprężny z wtryskiem bezpośrednim (Fiat Croma) zastosowany w produkcji wielkoseryjnej samochodów osobowych,
- 1989 – silniki TDI ł
- 1993 – FIAT 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%.
Co to jest system komór wstępnych
Wtrysk do komory wstępnej był zasadą wtrysku w silnikach wysokoprężnych, która była rozpowszechniona do lat 90. Charakterystyczne jest to, że komora spalania jest podzielona na główną komorę spalania i „przedsionek". To właśnie do „przedsionka" wtryskiwane jest paliwo. Dziś system ten został w dużej mierze zastąpiony przez bezpośredni wtrysk. Obecnie jest używany tylko w niszowych zastosowaniach, takich jak generatory dieslowskie.
- Komora wstępna
Aby wyeliminować wady gwałtownego wzrostu sił działających na tłok, w roku 1908 opatentowano komorę wstępną. Jest to przestrzeń wynosząca 20 - 40% objętości całej komory spalania, zabudowana w głowicy. W jej górnej części umieszczono wtryskiwacz, a dolną – poprzez otwory – połączono z przestrzenią nad tłokiem. To w tej przestrzeni następuje samozapłon, a rozprężające się gazy przepływają do przestrzeni nad tłok. Wraz z gazami przepływają też cząstki powietrza i paliwa. Nad tłokiem odbywa się też dalsza część właściwego spalania. Ten przyrost ciśnienia był dość wolny przez co silniki z komorą wstępną pracowały dość cicho i elastycznie. Rozwiązanie było jednak dość drogie, stąd też stosowane było tylko w wersjach prestiżowych, np. w Mercedesach.
- Komora wirowa
Prostszym rozwiązaniem jest komora wirowa. Jest to przestrzeń, ok 50-80% całej komory spalania, która jest w głowicy silnika jako wprasowany element. Ma ona charakterystyczny kulisty kształt, powodujący zawirowanie sprężanego powietrza. Do niego wtryskiwane jest paliwo i następuje samozapłon, który rozpręża się w komorze i bezpośrednio nad tłokiem. Komora wirowa jest prostsza w konstrukcji jak komora wstępna, ale też nie gwarantuje takiego komfortu pracy.
W przypadku obydwu komór spalania, paliwo jest sprężane przez pompę paliwową szeregową lub rotacyjną do ciśnienia ok 200 bar i metalowymi przewodami doprowadzone bezpośrednio do wtryskiwacza.
System Common Rail
Wtrysk Common Rail to układ wtryskowy, w którym paliwo pod ciśnieniem wypełnia instalację rurową, która podczas pracy silnika jest stale pod ciśnieniem. Podstawową ideą jest całkowite oddzielenie wytwarzania ciśnienia od samego procesu wtrysku. Dzięki temu możliwe jest dostarczenie dawki paliwa, sterowanej wyłącznie mapami wtrysku. Czas i ilość wtryśniętego paliwa są kontrolowane przez elektroniczny sterownik silnika. To on uruchamia zawór dozujący dawkę do cylindra, który zastępuje konwencjonalne dysze wtryskowe klasycznych silników wysokoprężnych.
Proces wtrysku pod koniec suwu sprężania dzieli się na trzy grupy:
- wtrysk wstępny – możliwe są do dwóch wtrysków pilotujących dla płynnej pracy silnika
- główny wtrysk – który można podzielić na pierwszy i drugi główny wtrysk
- wtrysk uzupełniający – który może być wykorzystany do zmniejszenia tworzenia się sadzy wewnątrz silnika, dla uzyskania niskiej wartości NOxlub do wypalenia filtrów cząstek stałych.
Turbodoładowanie
Po tym, jak szwajcar Alfred Büchi uzyskał patent na turbosprężarkę, w roku1905 roku, pierwszy silnik z doładowaniem pojawił się w roku 1924. Był to silnik wysokoprężny z turbosprężarką zastosowany w okręcie wojennym. Pierwsze lokomotywy spalinowe miały turbosprężarki pod koniec lat 30-tych.
Jako ciekawostkę podamy, że pierwszymi statkami handlowymi, z silnikami wysokoprężnymi z doładowaniem, były statki armatorów z Gdańska i Prus. Weszły one do służby w roku 1926.
Turbosprężarki pojawiły się w pojazdach znacznie później, ponieważ znacznie mniejsze ładowarki miały większe straty. Ponadto przez długi czas nie było możliwe uzyskanie korzystnej krzywej momentu obrotowego i zapobieganie niedoskonałemu spalaniu podczas przyspieszania silnika.
Przykładowo, Adolph Saurer AG już w 1938 r. testował turbodoładowanie do silników Diesla w ciężarówkach, ale nie było dobrych efektów, ze względu na rodzaj sprężarek.
Problemy konstrukcyjne zostały rozwiązane na początku lat 50-tych. W roku 1951, firma MAN wyposażyła silnik do samochodów ciężarowych w opracowaną przez siebie turbosprężarkę, zwiększając moc 8,72-litrowego silnika ze 130 do 175 KM. Od roku 1954, producent samochodów ciężarowych Volvo montował w swoich silnikach turbosprężarki, co ze względu na ich niezawodność doprowadziło do przełomu w konstrukcji silników do samochodów ciężarowych. W tym okresie turbosprężarki szybko stały się popularne w dużych pojazdach użytkowych. Opracowywano też turbosprężarki o kompaktowych wymiarach.
W roku 1978, Daimler-Benz przeprowadził testy z doładowanymi silnikami wysokoprężnymi w pojazdach eksperymentalnych C 111 . W tym samym roku, po raz pierwszy w produkcji seryjnej pojawił się turbodoładowany silnik wysokoprężny (wciąż bez bezpośredniego wtrysku!!!) w modelu 300 SD serii W 116 (Mercedes klasa S). Francuski producent samochodów Peugeot zaoferował też doładowany silnik wysokoprężny (80 KM, 184 Nm momentu obrotowego) w samochodzie osobowym P604 w lutym 1979 roku.
Sądzę, że te podstawy wiedzy, dają już prawo do nawiązania do tekstu o TDI. Oto trzy najważniejsze tezy wyjaśniające aspekty poruszane przez Czytelników:
- Rodzina silników TDI wbrew sugestiom autora wcale nie była unikalna, bo kilka innych firm zainwestowało w rozwój silników diesla. Nie wzięła się tez znikąd, bo wcześniej były silniki TD Volkswagena
Nieprawdą jest, że 1,9 TDI to to samo co 1,9 TD tylko z wtryskiem bezpośrednim. Cylindry silników TDI nie mają bowiem przedsionków ani komór wirowych, a świece żarowe są umieszczone w komorze spalania, która zwykle znajduje się w okrągłym wgłębieniu w denku tłoka. Powierzchnia komory spalania jest mniejsza niż w silnikach z komorą wstępną/wirówkową. Dzięki temu straty ciepła są mniejsze, co poprawia sprawność . Ponadto nie ma dławionego przelewu z przedsionków lub komór wirowych do cylindra. Dlatego silniki te charakteryzują się szczególnie niskim zużyciem jednostkowym
- Wtrysk bezpośredni był w 1988 w Fiacie Croma.
Fiat faktycznie był pierwszym producentem oferującym – od wiosny 1997 – silnik Diesla z bezpośrednim wtryskiem do swoich modeli samochodów osobowych. Było to w wersji Croma 1.9 TD.
Do tego czasu silnik ten był oferowany tylko w pojazdach użytkowych, takich jak Fiat Ducato, ponieważ kultura pracy nie odpowiadała standardowi komfortu dla samochodów osobowych. We współpracy z Magneti Marelli opracowano jednak elektroniczne sterowanie wtryskiem, które umożliwiło płynniejszą pracę silnika. W ten sposób można było zoptymalizować czas i ilość wtrysku, dostosowując odpowiednie czujniki i siłowniki do prędkości i warunków obciążenia silnika. Silnik zastosowany w Cromie miał pojemność 1929 ccm i generował moc 92 KM. Początkowo jednostka ta była jednak dostępna tylko na rynku włoskim, ponieważ chciano wykluczyć ewentualne „problemy wieku dziecięcego" i niekorzystne opinie na rynkach zagranicznych.
Jednak później okazało się to poważnym błędem marketingowym. Fiat przegapił okazję do zaprezentowania się jako wynalazca pionierskiej technologii wtrysku bezpośredniego. Audi jest zatem pierwszym producentem tego typu silnika, który zakorzenił się w świadomości społecznej.
- A nie przypadkiem BMW ze swoim 524td było pierwsze?
W 1986 roku Bosch zaprezentował pierwszą elektroniczną jednostkę sterującą dla silników wysokoprężnych, Bosch EDC (Electronic Diesel Control). Silnik M21 stosowany w BMW E28 (524 td) był pierwszym silnikiem wysokoprężnym na świecie, który otrzymał ten system. Niestety zarówno M21 jak i M51, będący jego następcą, miały komory wirowe, a nie wtrysk bezpośredni.
Sądzę, że dokładne wytłumaczenie poszczególnych składowych pracy jednostek Diesel, będzie przydatne w rozszerzaniu dalszej wiedzy.
