Wszystko
o samochodach

Porady / Warto wiedzieć

Sprawność cieplna silnika. Nie taka fizyka straszna

Data publikacji: Autor: Bogusław Korzeniowski

Fot. materiały producenta Zazwyczaj jeżeli ktoś usłyszy hasło „sprawność cieplna silnika”, od razu zmienia temat. O silnikach można rozmawiać o ich mocy, o ich zużyciu paliwa, czy - wzbudzając szacunek rozmówców jako znawca - o systemach pracy jak: Diesel, Otto, Wankel czy Atkinson. Ale sprawność cieplna brzmi jak odrabianie zadania z fizyki, czyli wywołuje wstręt i negatywne reakcje. Tymczasem wszystko to łączy się w jedno....

Sprawność silnika - oznaczana łacińskim symbolem η (eta) - jest parametrem charakteryzującym dany silnik i oznacza, jaka część dostarczonego ciepła jest zamieniona na pracę użytkową. W przypadku silnika spalinowego jest to zamiana energii cieplnej - powstałej wskutek spalania paliwa - na energię mechaniczną, oddawaną przez silnik wskutek obrotu wału korbowego.

Wartości tej sprawności są różne dla rożnych rodzajów silników i przykładowo dla silników z zapłonem iskrowym wynoszą około 0,30 - 0,36, zaś dla silników z zapłonem wysokoprężnym (Diesla) około 0,40-0,45. Oznacza to ni mniej ni więcej ale, że wlewając do baku 50 litrów paliwa tylko 15-18 litrów benzyny i 20-22,5 lirów oleju napędowego jest wykorzystywane do napędu podzespołów samochodu. Reszta jest bezpowrotnie tracona.

Od czego zależy sprawność cieplna?

Fot. materiały producenta To „wykorzystanie energii cieplnej” najogólniej mówiąc powstaje wskutek różnicy między temperaturą zapłonu mieszanki, a temperaturą spalin opuszczających cylinder. Im większa jest ta różnica tym większa ilość ciepła jest zamieniana na pracę.

Tutaj niestety musimy przypomnieć sobie kilka zasad z fizyki/mechaniki. Tłok przesuwając się w kierunku głowicy spręża mieszankę paliwowo-powietrzną (wersje benzynowe) lub powietrze (diesel) i po zapłonie/wybuchu spaliny rozprężają się dokładnie po tej samej drodze, jak była wcześniej sprężona mieszanka paliwo-powietrzna, albo - w dieslach - sprężone samo powietrze. Znaczy to, że im bardziej czynnik będzie sprężony, tym bardziej po wybuchu się rozpręży, a jak będzie bardziej rozprężany, to tłok wykona większą pracę i spaliny są chłodniejsze.
Jako przykład warto podać, że temperatura spalania paliw w silnikach spalinowych wynosi ponad 2000 stopni Celsiusza, temperatura spalin w silnikach benzynowych (gdzie stopień sprężania zazwyczaj ma wartość ok. 9-11:1) wynosi ok. 550 – 700 stopni C, a w  przypadku wersji Diesel (gdzie stopień sprężania wynosi ponad 20:1) temperatura spalin to około 400 C.

Zobacz także: Ford Kuga. Jaka jest trzecia generacja?

Zatem wynika stąd, że aby zanotować w silniku benzynowym większą sprawność cieplną należy zwiększyć stopień sprężania. Problemem jest jednak wówczas spalanie stukowe, gdyż w pewnym momencie sprężania temperatura rośnie na tyle, że jeszcze przed zapłonem - wywołanym iskrą na świecy - paliwo potrafi wybuchnąć, co powoduje zerwanie płynności działania silnika i jego nierówną pracę.

Spalanie stukowe może także prowadzić do uszkodzenia silnika. Szczególnie narażone na wybuchy paliwa są panewki na główce i stopie korbowodu oraz łożyskowania wału korbowego. W mniejszym stopniu spalanie takie niekorzystnie działa na zawory, tłoki, czy korbowód. Samo zjawisko spalania stukowego zależy od konstrukcji silnika i składu chemicznego paliwa.

Fot. materiały producenta Zneutralizować niekorzystne spalanie stukowe może więc podwyższenie liczby oktanowej powyżej 100 (przypominam paliwo na stacjach ma 95 lub 98). Teoretycznie jest to możliwe, gdyż taka benzyna jest obecnie m.in. w Brazylii (dodatek etanolu), a wyższą wartość liczby oktanowej potrzebowały też silniki stosowane w lotnictwie.
Jednakże w czołowych laboratoriach badawczych rozpoczęto także badania nad zmodernizowaniem aktualnych konstrukcji silnika, poprzez wykorzystanie wszystkich znanych innowacji technicznych. Efektem tych prac jest m.in. silnik benzynowy SKYACTIV-G z laboratoriów badawczych Mazdy.

W tym silniku benzynowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa zastosowano pełen zakres zupełnie nowych rozwiązań technicznych. Dzięki temu jest on wyjątkowo mocny, a przy tym nadzwyczajnie sprawny dzięki wykorzystaniu niespotykanego dotąd stopnia sprężania. Udało się bowiem pokonać wszystkie trudności, jakie wcześniej to uniemożliwiały.

Podstawowe cechy tego silnika:
bardzo wysoki stopień sprężania 14.0:1, który uzyskano dzięki specjalnemu układowi wylotowemu, wgłębieniom w tłokach, nowym wtryskiwaczom wielootworkowym i innym innowacjom zapobiegającym niewłaściwemu spalaniu (stukowemu);
tarcie wewnętrzne zmniejszone o 30%;
zmienne fazy rozrządu w napędzie zaworów dolotowych i wylotowych;
lekka budowa – masa całkowita mniejsza o 10%.
W efekcie tych zabiegów uzyskano czterocylindrowe silniki wolnossące o dużych pojemnościach skokowych w których jest duży moment obrotowy (większy o ok. 15% w zakresie małych i średnich prędkości obrotowych silnika od wersji tradycyjnych), a  zużycie paliwa i emisja CO2  są mniejsze o ok. 15% w porównaniu z silnikiem benzynowym o podobnej pojemności. Jest to zatem alternatywa dla powszechnej obecnie minimalizacji silników.
Najważniejsze zaś, że w silnikach  SKYACTIV-G nie mamy niekorzystnych wibracji silnika w niskim zakresie obrotów, nie ma niekorzystnego przyrostu prędkości i mamy dużo wyższą kulturę pracy, niż mające podobne moce małe trzycylindrowe jednostki konkurencji. Przedstawiamy to w tabeli porównując Mazdę 2 i Mazdę 3 z silnikiem SKYACTIV-G oraz Peugeot z trzycylindrowym 1,2 Pure Tech i VW z silnikami 1,0 TSi.

 

Mazda 2

Peugeot 208

VW Polo

Mazda 3

Peugeot 308

VW golf

 

SKYACTIV-G

1,2 wolnossący

1,0 TSI

SKYACTIV-G

1,2 turbo

1,0 TSI

Pojemność [ccm]

1496

1199

999

1998

1199

999

Moc [KM]

90

82

95

122

130

115

Moment [Nm]

148

118

175

213

230

200

Prędkość [km/h]

183

171

187

197

207

198

Pzysp [ sek]

9,7

13,5

10,8

10,4

9,6

9,8

Spalanie wg WLTP [litr]

5,7

5,5

6,4

6,2

5,8

 

Nieco inną drogę zwiększenia sprawności cieplnej przyjęli konstruktorzy Toyoty.Sięgnęli oni po pomysł angielskiego wynalazcy Jamesa Atkinsona. W roku 1882 skonstruował on silnik, w którym dzięki skomplikowanemu układowi popychaczy łączących tłoki z wałem korbowym suw pracy był dłuższy od suwu sprężania. Dzięki temu po długim suwie pracy, w momencie rozpoczęcia suwu wydechu ciśnienie gazów spalinowych i temperatura były znacznie niższe, a energia z rozprężenia została w pełni wykorzystana.

Fot. materiały producenta Jednakże obecnie zamiast opracowywać skomplikowane systemy popychaczy, które wydłużyłyby suw pracy, wykorzystano „elektronikę i osiągnięcia XXI wieku”.  Dzięki sprytnemu rozwiązaniu udało się spowodować, że mimo iż silnik Toyoty zachowuje klasyczną, prostą budowę konwencjonalnych silników czterosuwowych, gdzie w każdym z suwów tłok pokonuje taką samą drogę, to jednak efektywny suw pracy jest dłuższy od suwu sprężania.
Jak stwierdzają konstruktorzy Toyoty, właściwie należało by powiedzieć inaczej: efektywny suw sprężania jest krótszy od suwu pracy (czyli dokładnie idea silnika James Atkinsona). Osiągnięto to dzięki opóźnieniu zamknięcia zaworu ssącego, który zamyka się chwilę po rozpoczęciu suwu sprężania. W ten sposób część mieszanki paliwowo-powietrznej jest cofana do kolektora ssącego. Ma to dwojakie konsekwencje: ilość gazów spalinowych powstałych z jej spalenia jest mniejsza i jest w stanie rozprężyć się całkowicie przed rozpoczęciem suwu wydechu, przekazując całą energię tłokowi, a sprężanie mniejszej ilości mieszanki wymaga mniejszej ilości energii, co zmniejsza wewnętrzne straty silnika. Stosując to i inne rozwiązania, w przypadku silnika wchodzącego w skład układu napędowego czwartej generacji Toyoty Prius udało się osiągnąć sprawność cieplną aż 41 procent, do tej pory osiągalną jedynie dla silników wysokoprężnych.
Jedyny problem silnika działającego w systemie Atkinsona, to fakt mniejszej mocy, którą silnik taki uzyskuje z analogicznej do tradycyjnych pojemności skokowej. O ile koncepcja ta okazała się doskonałym rozwiązaniem w samochodach hybrydowych, w których niedobór mocy, potrzebnej zwłaszcza podczas ruszania i przyspieszania, rekompensuje silnik elektryczny, to w porównaniu z klasycznym silnikiem Otto, silnik Atkinsona wyraźnie przegrywa.
Tu jednak ponownie ujawnił się geniusz inżynierów Toyoty/Lexusa. Innowacje techniczne i wykorzystanie elektronicznego sterowania otwarciem zaworów pozwoliły bowiem na wykorzystanie obu systemów pracy i stworzenie silnika o zmiennym cyklu pracy. Gdy zapotrzebowanie na moc jest niewielkie, na przykład podczas spokojnej jazdy szosowej, silnik taki pracuje w cyklu Atkinsona, zużywając niewiele paliwa. Gdy jednak potrzebne są lepsze osiągi – przy ruszaniu ze świateł czy wyprzedzaniu – przechodzi do cyklu Otto, wykorzystując całą dostępną dynamikę. Taki silnik o pojemności skokowej 1,2 litra, z bezpośrednim wtryskiem paliwa i turbodoładowaniem, napędza na przykład Toyotę Auris i miejskiego SUV-a Toyota C-HR. Analogicznie pracująca dwulitrowa jednostka wykorzystywana jest w Lexusach: IS 300, GS 300, NX 300, RX 300 i RC 300 (dawniej wersje oznaczane były jako 200t), zapewniając im świetne osiągi przy niższym zużyciu paliwa i minimalnej emisji niepożądanych substancji.

Tak wiec sprawność cieplna jest podstawowym czynnikiem wpływającym na zużycie paliwa i wykorzystaniem energii cieplnej powstałej podczas spalania paliwa. Co ważne, cały czas trwają prace nad zwiększaniem tej sprawności, czyli opracowywaniem lepszych silników.

Najnowszym rozwiązaniem jest silnik INFINITI VC-Turbo (Variable Compression Turbo) t. To jeden z najbardziej zaawansowanych technicznie silników spalania wewnętrznego, jaki kiedykolwiek powstał, a zastosowana w nim technologia VC-Turbo pozwala połączyć moc wyczynowego silnika benzynowego 2.0 turbo z momentem obrotowym i ekonomiką nowoczesnego silnika wysokoprężnego, ale bez jego emisji spalin.

Technologia VC-Turbo Infiniti ma zdolność do ciągłego transformowania, wykorzystuje bowiem zaawansowany układ wielodźwigniowy, by bezstopniowo zwiększać lub zmniejszać wielkość komory spalania i natychmiast – w oparciu o wykrywane obciążenie silnika i polecenia kierowcy – wybrać najbardziej odpowiedni stopień sprężania. Silnik jest w stanie zrealizować każdy stopień sprężania w zakresie od 8:1 aż po 14:1.

Rozwijający maksymalną moc na poziomie 272 KM oraz moment obrotowy 390 Nm, silnik VC-Turbo jest porównywalny pod względem osiągów z benzynowymi silnikami sześciocylindrowymi, a jest przy tym zdecydowanie od nich oszczędniejszy.

Przyszłość?

Musimy pamiętać, że opracowanie nowych silników nie jest tak proste jak zbudowanie nowych karoserii, czy podzespołów, gdyż w tym wypadku badania laboratoryjne mają kolosalne znaczenie, ale można przypuszczać, że silniki za kilkanaście lat będą miały wyższą sprawność cieplną.
Chyba, że faktycznie silniki elektryczne tak zawojują rynek, że silnik spalinowy odejdzie do muzeum i prace badawcze nad nowymi rozwiązaniami przestaną być ekonomicznie opłacalne...

Zobacz także: Testujmy Mazdę 6

Spodobał Ci się artykuł? Udostępnij go swoim znajomym na Facebooku i Twitterze!

Ogłoszenia motoryzacyjne pochodzą z serwisu Gratka.pl

Zobacz także

Tagi:

Komentarze

  • Jacek (gość)

    A czy za tym zaawansowaniem technologicznym nie idą przypadkiem złożoność mechanizmów i mniejsza ich niezawodność? Ja osobiście nie kupię nowego auta z salonu, żeby później służyć za testera "nowych" rozwiązań technologicznych. Tym bardziej, że żaden z producentów nie jest szczery jeśli chodzi o instrukcję eksploatacji silnika (oleje LONGLIFE itp.). A takie np. nowe C3 picasso namawia kierowcę, żeby wrzucić 5 bieg po kilku sekundach jazdy 60km/h bez przyspieszania. Nie zauważyłem natomiast aby namawiał do redukcji biegu kiedy chcemy przyspieszyć. Każdy stary kierowca wie czym się kończy takie dorzynanie silnika na 5ce. No ale teraz jest ekologicznie - Ciul z tym, że złom będziemy produkować w jeszcze większych ilościach.

  • Jk (gość)

    Zapłon to samoczynny a nie wysokoprężny

Dodaj komentarz

Najnowsze motofakty

Wszystkie artykuły
Advertisement

Motofakty mazowieckie

Top 5 motofaktów

Testy i porównania

Premiery i nowości