Najmniej paliwa zużywa silnik, gdy... nie pracuje. Najnowsze systemy oszczędzania

W przypadku silnika benzynowego, jego sprawność wynosi poniżej 40%. Tym samym na 10 litrów paliwa tylko 4 litry służą do napędu kół. Jak maksymalnie wykorzystać te 4 litry pokazujemy na przykładzie silnika grupy VW.

Aby podać dlaczego efektywność silnika jest ograniczona, musimy sięgnąć do teorii, czyli drugiej zasady termodynamiki oraz zaobserwować bilans cieplny w silniku.

Efektywność silnika spalinowego, prezentuje wykres Sankeya obrazujący bilans cieplny, jaki uzyskiwany jest ze spalenia jednostki paliwa.

Prawo jazdyTo za znakiem D-42 kierowcy tracą prawo jazdy na potęgę. Zapominają o pewnym przepisie

Całego ciepła, uzyskiwanego ze spalania paliwa w silniku, nie można zamienić na pracę mechaniczną. Zamianie takiej ulega zaledwie 30-45 proc. ciepła dostarczonego do silnika. Wartości sprawności cieplnej silników są różne dla rożnych rodzajów jednostek. Przykładowo dla silników z zapłonem iskrowym wynoszą około 0,30 - 0,36, zaś dla silników z zapłonem wysokoprężnym około 0,40-0,45. Oznacza to ni mniej ni więcej tylko, że wlewając do baku 60 litrów paliwa jedynie 18-21,6 litrów w przypadku benzyny i 24-27 lirów oleju napędowego jest wykorzystywane do napędu podzespołów samochodu. Reszta jest bezpowrotnie tracona. Uchodzi z gazami spalinowymi bądź jest odprowadzana przez czynnik chłodzący. Obrazuje to równanie

Qd= Qe + Qch + Qw + Qrs + Qot

gdzie:

  • • Qd - całkowita ilość ciepła doprowadzonego do silnika
  • • Qe - ciepło efektywne/użyteczne, tzn. ilość ciepła zamienionego na pracę użyteczną
  • • Qw - strata wylotowa, tzn. ilość ciepła odprowadzonego ze spalinami
  • • Qch - strata chłodzenia, tzn. ilość ciepła odprowadzonego do czynnika chłodzącego
  • • Qrs - straty spalania, tzn. ilość ciepła traconego na skutek niezupełnego spalania
  • • Qot - straty do otoczenia, tzn. ilość ciepła oddanego do otoczenia bez pośrednictwa czynników chłodzących (m.in. tarcie)

wykres Sankeyawykres Sankeya wykres Sankeya

Zatem sami, wpływ na zmniejszenie zużycia paliwa, w silniku o konkretnych rozwiązaniach konstrukcyjnych, mamy jedynie w kwestii niepełnego spalania i tarcia w mechanizmach silnika. O poprawność spalania możemy więc sami zadbać tylko poprzez zapewnienie należytego stanu elementów jak świece, filtry paliwa, powietrza, wtryskiwacze. Zmniejszeniem strat, wynikających z tarcia, jest zaś odpowiednie dbanie o olej silnikowy i filtr oleju.

Zobacz wideo Testy kosmicznych silników nuklearnych

A jak konstruktorzy mogą uzyskać wyższą sprawność silnika?

Niestety prawda jest taka, że są ograniczenia technologiczna. Tak jak skoczek narciarski nie może pofrunąć dalej, niż pozwalają warunki przyrody, tak i silnik nie może być bardziej efektywny. Zatem... najlepiej wyłączyć silnik.

Być może wyda się to dziwne, ale faktycznie jest to najrozsądniejsze rozwiązanie. W tym wypadku konstruktorzy silników zastosowali dwa rozwiązania: wyłączenia części cylindrów lub wyłączanie całego silnika. Jako przykład tych technologii przytoczmy silniki grupy VW.

ACT, czyli dwa cylindry wyłączone

W zależności od obciążenia jednostki napędowej, podczas jazdy z prędkością obrotową silnika w przedziale od 1.400 do 3.200 obr/min, system odłączanych cylindrów (Active Cylinder Management - ACT) niewyczuwalnie dla kierowcy wyłącza dwa z czterech cylindrów. To wyłączenie z pracy drugiego i trzeciego cylindra odbywa się błyskawicznie i praktycznie niezauważalnie. Zwiększa się wtedy efektywność działających cylindrów, podczas gdy te odłączone nie powodują niemal żadnych strat – wystarczy nacisnąć pedał gazu, by ponownie je uruchomić.

 

FMA, czyli silnik w fazie żeglowania

Jeszcze bardziej rozbudowaną funkcją jest silnik z funkcją żeglowania FMA (z niemieckiego Freilauf Motor Aus), co oznacza, że podczas jazdy ze stałą prędkością i bez przyspieszania silnik jest całkowicie wyłączony. Do prędkości 130 km/h pozwala on korzystać z samochodu na zasadzie podobnej do tej, jaką zapewniają hybrydy – gdy kierowca zdejmie nogę z padłu gazu, może on poruszać się (żeglować) z wyłączonym silnikiem. W obecnym systemie FMA Volkswagen wzbogacił 12-woltową instalację elektryczną o niewielki akumulator litowo-jonowy, który zasila prądem dodatkowe urządzenia wtedy, gdy auto porusza się w trybie żeglowania. Tak zwana dioda Q reguluje przepływ prądu pomiędzy akumulatorem litowo-jonowym a ołowiowym. Pod koniec fazy żeglowania silnik, zależnie od prędkości jazdy oraz od sytuacji, zostaje uruchomiona jednym z kilku sposobów: przy pomocy rozrusznika, poprzez sprzęgła skrzyni DSG, albo łącznie poprzez rozrusznik i sprzęgło.

Volkswagen Caddy PanAmericana 2.0 TDI 122 KM 4MOTIONSilnik Diesla, TD, TDI, Common Rail, czyli... trochę wiedzy

Czterocylindrowy silnik zaskakuje też cichą pracą i wysokim momentem obrotowym dostępnym już przy niskich prędkościach obrotowych, nawet podczas ekonomicznej jazdy na wysokich biegach. Odpowiadają za to m.in. praca w cyklu Millera, oraz wysoki moment obrotowy i korzyści wynikające z zastosowania bezpośredniego wtrysku paliwa. Prześledźmy najważniejsze rozwiązania:

Cykl Millera

Gdy jednostka nie pracuje pod pełnym obciążeniem, a więc w większości codziennych sytuacji, zapotrzebowanie na paliwo jest w silniku TSI mniejsze. Dzieje się tak z powodu wcześniejszego zamykania się zaworów dolotowych, co zmniejsza straty na przepustnicy i umożliwia uzyskanie wysokiego stopnia sprężania – 12,5:1 w wypadku jednostki czterocylindrowej i 11,5:1 w silniku trzycylindrowym. Mniejsza ilość powietrza nie powoduje jednak ani spadku mocy, ani momentu obrotowego; przeciwdziałają temu wyrafinowane rozwiązania techniczne. Aby zwiększyć wypełnienie komór spalania podczas przyspieszania autem, stale zmienia się położenie wałka rozrządu, który steruje pracą zaworów dolotowych. Służy do tego, działający niezwykle szybko i precyzyjnie, system hydrauliczny. Wałek, który steruje pracą zaworów wydechowych także zmienia swoje położenie.

Turbina o zmiennej geometrii

Turbosprężarkę wyposażono w turbinę o zmiennej geometrii (VTG). Pozwala to na uzyskanie ciśnienia sprężania o wartości 2,3 barów w silniku czterocylindrowym i nawet 2,8 barów w trzycylindrowej jednostce napędowej. Dzięki temu obydwa silniki są w stanie wytwarzać swój maksymalny moment obrotowy już przy bardzo niskich obrotach.

Jako ciekawostkę warto podać, że sprężarka wytrzymuje temperaturę spalin wynoszącą 950 stopni Celsjusza i uzyskuje maksymalne obroty o wartości 289.000 obr/min.

W silniku 1,5 130 KM, maksymalny moment 200 Nm jest do dyspozycji już od zaledwie 1.400 obr./min i utrzymuje się na takim poziomie aż do 4.000 obr./min.

Ciśnienie wtrysku o wartości 350 barów

Układ wtryskowy typu common-rail we wszystkich benzynowych silnikach TSI pracuje z maksymalnym ciśnieniem 350 barów i w jednym suwie pracy może dokonać pięciu pojedynczych wtrysków paliwa. Benzyna jest rozpraszana na bardzo drobne cząstki, mieszanka jest tworzona bardzo precyzyjnie, a emisja szkodliwych substancji okazuje się niska. Za silnikiem zamontowano filtr cząstek stałych, zatrzymujący niemal wszystkie drobinki sadzy jakie pozostały w spalinach.

Aluminiowa obudowa wału korbowego z pokryciem plazmowym.

Wykonanie obudowy wału korbowego z aluminium sprawia, że silniki TSI są bardzo lekkie, czyli ograniczamy masę całego pojazdu. Zastosowanie nowych technologii, powoduje też zmniejszenie tarcia wewnętrznego. Ścianki cylindrów pokryto warstwą odpowiedniego stopu o grubości 100 mikrometrów, naniesioną przy użyciu natrysku plazmowego. Optymalną temperaturę pracy silników 1.5 TSI i 1.0 TSI zapewnia nowo zaprojektowany układ chłodzenia. Ważnym elementem jest tam kolektor wydechowy znajdujący się w głowicy cylindrów, co przyczynia się on do szybkiego rozgrzania silnika, a przez to wczesnego uruchomienia układu oczyszczania spalin.

A pomyśleć, że silnik malucha można było pod blokiem rozłożyć i naprawić...

Więcej o: