Silnik wysokoprężny
Z Wikipedii
Silnik wysokoprężny (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.
Silnik wysokoprężny znany jest także pod nazwą: silnik z zapłonem samoczynnym lub silnik Diesla.
Spis treści |
[edytuj] Rys historyczny
Silnik wysokoprężny został wynaleziony w 1892 roku przez Rudolfa Diesla. W czasie jego rozwoju zostały przetestowane różne materiały konstrukcyjne. Był powodem ciągłego rozwoju technik bezpośredniego wtrysku paliwa do cylindra, później przeniesionych do silników benzynowych. W początkowym okresie rozwoju największe problemy wynikały z niedokładności wykonania wtryskiwaczy.
- 1897 – Prace rozwojowe silnika doprowadziły do uzyskania silnika o stosunkowo dobrych własnościach eksploatacyjnych,
- 1902 – 1910 firma MAN wyprodukowała 82 stacjonarne silniki wysokoprężne DM12,
- 1908 – Uzyskanie wystarczająco precyzyjnej pompy wtryskowej oraz zastosowanie komory wstępnej,
- 1910 – Zastosowanie pierwszego silnika wysokoprężnego do napędu statków, i rozpoczęcie powolnego wypierania napędu parowego,
- 1923 – Pierwszy ciągnik i ciężarówka napędzana silnikiem wysokoprężnym,
- 1936 – Pierwsze zastosowania w samochodach osobowych,
- 1937 – Pierwsze zastosowania do napędu samolotów,
- 1968 – Zastosowanie silnika wysokoprężnego ustawionego poprzecznie przez Peugeota w modelu 204.
- 1978 – Uruchomienie produkcji VW Golf Diesel,
- 1985 – FIAT jako pierwszy prezentuje samochód z doładowanym silnikiem wysokoprężnym z bezpośrednim wtryskiem (Croma TDI), i tym samym narzuca kierunek rozwoju silników wysokoprężnych,
- 1993 – FIAT patentuje i wprowadza na rynek technologię common rail,
- 2004 – W krajach Europy zachodniej udział nowo rejestrowanych samochodów z silnikiem wysokoprężnym przekracza 50 %.
[edytuj] Zasada działania
[edytuj] 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).
[edytuj] 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.
[edytuj] Praca (ekspansja)
Temperatura powietrza pod koniec sprężania jest tak wysoka, że możliwy jest zapłon gazowej mieszanki paliwowo-powietrznej. Mieszanka ta powstaje w wyniku wtryśnięcia paliwa do przestrzeni nad tłokiem znajdującym się w pobliżu górnego martwego położenia. Paliwo wtryskiwane jest pod bardzo wysokim ciśnieniem, 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 skończy się jeszcze w czasie ruchu tłoka w stronę wału korbowego.
[edytuj] Wydech
Gdy tłok znajduje się w pobliżu dolnego martwego położenia, następuje otwarcie zaworu wylotowego. Ponieważ ciśnienie gazu w cylindrze jest wyższe, od ciśnienia otoczenia, więc 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.
[edytuj] Podstawy termodynamiczne
Obiegiem porównawczym silnika wysokoprężnego jest obieg Diesla lub Seiligera-Sabathé. Obieg Seiligera-Sabathé lepiej opisuje zjawiska termodynamiczne występujące w silnikach szybkoobrotowych, wyposażonych w pompy wtryskowe. Większość współczesnych silników jest lepiej opisywana przez 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 rzeczywistego, składającego się z nieco innych przemian. Sprężanie i rozprężanie nie są adiabatyczne, ponieważ występuje wymiana ciepła 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).
[edytuj] Rozwiązania konstrukcyjne
![Silnik wysokoprężny 1.3 Multijet 16V, technologia Common rail, zdobył nagrodę Silnik roku 2005[1].](../../../upload/shared/thumb/1/14/Multijet.jpg/250px-Multijet.jpg)
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 (rozgrzane 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. Nowoczesne rozwiązania konstrukcyjne (pompowtryskiwacze, system common rail) takich świec zasadniczo nie wymagają.
[edytuj] 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. Paliwem alternatywnym do silników wysokoprężnych może być również zużyty lub świeży olej roślinny (np. olej rzepakowy)), niestety, jego liczba cetanowa jest niska co jest istotną wadą. 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.
[edytuj] Parametry charakterystyczne
- Stopień sprężania - od 14 do 23,
- Ciśnienie sprężania - od 30 do 45 barów,
- Ciśnienie spalania - od 50 do 80 barów,
- Ciśnienie wtrysku paliwa - od 120 do 2000 barów.
[edytuj] Wady i zalety
[edytuj] Wady
- Większa emisja tlenków azotu NOx w porównaniu do silników z zapłonem iskrowym, wyposażonych w trójfunkcyjny katalizator spalin,
- Emisja cząstek stałych jeśli silnik nie jest wyposażony w odpowiedni filtr,
- Większe koszty produkcji, w porównaniu z silnikami benzynowymi,
- Większy hałas i ciężar, niż silników benzynowych o tej samej mocy,
- Ograniczona maksymalna prędkość obrotowa spowodowana opóźnieniem zapłonu,
- Większe wymagania co do własności olejów silnikowych.
[edytuj] Zalety
- Większa sprawność konwersji energii chemicznej paliwa, a dzięki temu mniejsze zużycie paliwa i emisja dwutlenku węgla,
- Możliwość zastosowania łatwiejszego w produkcji i tańszego paliwa,
- Większa niezawodność pracy silnika,
- Większa żywotność silnika.
