Diesle nie tylko wytwarzają moment obrotowy; działają według zasadniczo innej logiki niż silniki benzynowe znajdujące się pod maską większości samochodów. Chociaż oba systemy wykorzystują spalanie wewnętrzne do zamiany paliwa w napęd, mechanika tego procesu różni się w sposób, który wyjaśnia, dlaczego 2,0-litrowy silnik wysokoprężny może przewyższać znacznie większy silnik V6. Aby zrozumieć dlaczego, należy spojrzeć nie tylko na tłoki, ale także na czas spalania.
Korzenie tej technologii są starsze, niż mogłoby się wydawać. Nikolaus August Otto opatentował czterosuwowy silnik benzynowy w 1876 roku, tworząc coś, co do dziś nazywamy cyklem Otto. Stało się to podstawą wczesnego ruchu samochodowego, ale było nieskuteczne. Silniki parowe nie były lepsze. W tamtych czasach tylko około 10 procent paliwa faktycznie napędzało samochód. A co z pozostałymi 90 procentami? Radiator. To była ogromna ilość energii przepływająca przez wydech.
Rudolf Diesel dostrzegł tę stratę i chciał ją naprawić. Do 1878 roku pracował nad „silnikiem o sile spalania”, który z każdej kropli paliwa wydobywał więcej pracy. Patent otrzymał w 1892 roku. W rezultacie powstał silnik, który nie opierał się na iskrach. Opierał się na fizyce.
Jak zapłon samoczynny zmienia wszystko
W silniku benzynowym proces jest prosty. Mieszasz powietrze i paliwo, sprężasz mieszankę, a świeca zapłonowa wytwarza iskrę. Tylko.
W silniku Diesla kolejność się zmienia. Tłoki sprężają tylko powietrze. W miarę sprężania temperatura tego powietrza gwałtownie wzrasta. Paliwo jest następnie wtryskiwane bezpośrednio do tego gorącego powietrza. Ciepło powstające podczas sprężania jest wystarczające do zapalenia paliwa bez świecy zapłonowej. Nie jest wymagany czas elektryczny. Tylko termodynamika.
Dlatego silniki wysokoprężne mają wyższy stopień sprężania. Wytrzymują takie obciążenia, ponieważ nie są narażone na ryzyko przedwczesnego zapłonu lub detonacji, jak silniki benzynowe o wysokim stopniu sprężania.
Silniki wysokoprężne i benzynowe: kluczowe różnice
Na papierze oba silniki przekształcają energię chemiczną w energię mechaniczną. W obu przypadkach zastosowano tłoki, wały korbowe i cylindry. Liniowy ruch tłoków zamienia wał korbowy w ruch obrotowy, który powoduje obrót kół. Różnią się jednak tym, „jak” to się dzieje.
- Metoda zapłonu: Silniki benzynowe wykorzystują świece zapłonowe. Diesle wykorzystują ciepło powstałe w wyniku sprężania.
- Dostawa paliwa: Silniki benzynowe często mieszają paliwo z powietrzem przed sprężaniem (w układach gaźników lub podczas wtrysku dolotowego). Diesle wtryskują paliwo do cylindra po rozpoczęciu sprężania.
- Wydajność: Ponieważ olej napędowy ma wysoką gęstość energii, a proces spalania jest pełniejszy ze względu na charakterystykę spalania ubogiego, silniki wysokoprężne historycznie zapewniały lepszą oszczędność paliwa (mpg) niż porównywalne silniki benzynowe.
Problem z reputacją
Jeśli przez dziesięciolecia jeździłeś dieslem, spodziewałeś się sadzy, stukania i kłębów czarnego dymu. W Europie warto było podjąć taki kompromis ze względu na oszczędność paliwa. W Stanach Zjednoczonych społeczeństwo generalnie odrzuciło tę technologię. Wyglądało to industrialnie. Brudny. Głośny.
Potem przyszedł rok 2014. Skandal z dieslem Volkswagena nie dotyczy tylko jednej marki; zatruł studnię na cały segment. Kiedy okazało się, że marketing „czystego oleju napędowego” maskuje oprogramowanie oszukujące w testach emisji, zaufanie wyparowało.
Ale sama technologia ewoluowała. Nowoczesne silniki wysokoprężne są cichsze, czystsze i bardziej wydajne niż cokolwiek z lat 90-tych. Wtrysk bezpośredni, turbosprężarki o zmiennej geometrii i zaawansowane systemy kontroli emisji zmieniły wrażenia z jazdy. Rynek powoli się ożywia, napędzany prostą matematyką kosztów paliwa.
Co to oznacza dla Ciebie?
Jeśli zastanawiasz się nad dieslem, godzisz się na pewien zestaw kompromisów. Uzyskasz lepszą wydajność paliwową. Duży moment obrotowy można uzyskać już przy niskich obrotach, co ułatwia holowanie i jazdę po autostradzie. W porównaniu z nowoczesnym silnikiem benzynowym poświęcasz pewną płynność i stawiasz czoła bardziej rygorystycznym wymaganiom w zakresie konserwacji systemów kontroli emisji.
Cykl czterosuwowy zachowuje tę samą strukturę: wlot, sprężanie, skok mocy, wydech. Ale w ciągu tych pociągnięć silnik wysokoprężny działa inaczej. Jest to maszyna zbudowana z myślą o wydajności, a dopiero potem osiągów. A w obecnej sytuacji cen paliw wydajność ponownie staje się głównym atutem.
Jak naprawdę działa kompresja oleju napędowego
Rudolf Diesel nie działał przypadkowo. Obliczył, że więcej sprężonego powietrza zapewni większą moc i lepszą wydajność. Fizyka jest prosta, ale głęboka. Kiedy tłok spręża powietrze w cylindrze, koncentruje cząsteczki. Olej napędowy ma ogromny potencjał energetyczny, dlatego ściśle upakowane cząsteczki powietrza tworzą środowisko o dużym prawdopodobieństwie reakcji.
Pomyśl o tym w ten sposób: kiedy cząsteczki powietrza są zmuszane do zbliżenia się do siebie, paliwo ma znacznie większą szansę na reakcję z tlenem. Diesel miał rację. Silniki benzynowe zazwyczaj działają przy stopniu sprężania od 8:1 do 12:1. Silniki wysokoprężne zwiększają ten stosunek do 14:1, a niektóre osiągają 25:1. To właśnie ten wyższy współczynnik oznacza, że silniki wysokoprężne nie wymagają świec zapłonowych. Ciepło powstające podczas sprężania powoduje bezpośredni zapłon paliwa.
To prowadzi nas do sedna systemu: procesu wtrysku.
Czym różnią się metody wtrysku paliwa w silnikach wysokoprężnych i benzynowych
Silniki benzynowe wykorzystują konstrukcję hybrydową. Przełączają pomiędzy wtryskiem do kolektora a bezpośrednim wtryskiem paliwa w zależności od warunków pracy silnika. W przypadku wtrysku do kolektora dolotowego paliwo jest wtryskiwane bezpośrednio na zewnątrz cylindra, tuż przed suwem ssania. To jest tryb stabilny. Dobrze pracuje na biegu jałowym i niskich obrotach. Wtrysk bezpośredni kieruje paliwo bezpośrednio do cylindra. Jest bardziej agresywny, zapewnia większą moc przy wysokich obrotach i zmniejsza ryzyko detonacji – tego irytującego stukania, które pojawia się, gdy mieszanka zapala się zbyt wcześnie z powodu nadmiernego sprężania.
Silniki Diesla nie grają w tę grę. Używają wyłącznie bezpośredniego wtrysku. Paliwo trafia bezpośrednio do cylindra, bez żadnych objazdów.
Dlaczego wtryskiwacz oleju napędowego jest najtrudniejszą częścią w produkcji
Wtryskiwacz to „perła” silnika Diesla. I najtrudniejsze. Inżynierowie spędzili dziesięciolecia udoskonalając jego lokalizację, wzór atomizacji i odporność na warunki panujące w komorze spalania. Musi wytrzymać ekstremalne ciśnienie i temperaturę podczas rozpylania paliwa w drobną mgiełkę.
Równomierne mieszanie tej mgły z powietrzem jest fizyczną zagadką. Jeśli paliwo nie obraca się prawidłowo, proces spalania staje się nieefektywny. To dlatego w głowicach cylindrów diesla widzisz komory wstępne spalania, specjalne zawory dolotowe lub inne urządzenia kontrolujące przepływ. Powodują one obrót powietrza, zapewniając, że mgła paliwa i powietrza spotyka się dokładnie tam, gdzie i kiedy jest to potrzebne do wydajnego spalania.
Czy Twój silnik wysokoprężny potrzebuje świecy żarowej?
Może. A może nie.
Kiedy silnik wysokoprężny jest zimny, ciepło powstające podczas sprężania może nie wystarczyć do zapalenia paliwa. Na ratunek przychodzi świeca żarowa. Zasadniczo jest to gruby drut podgrzewany elektrycznie, podobny do elementów grzejnych w tosterze. Ogrzewa komorę spalania, dzięki czemu powietrze staje się wystarczająco gorące, aby zapalić rozpylone paliwo.
Nowoczesne technologie wtrysku bezpośredniego są tak precyzyjne, że do uruchomienia silnika często nie jest wymagana świeca żarowa. Jednak producenci nadal je instalują. Dlaczego? Ponieważ to dodatkowe ciepło pomaga w czystszym spalaniu paliwa. Mniej chodzi o uruchomienie, a bardziej o wydajność i emisję gazów cieplarnianych.
Samo paliwo: olej napędowy kontra benzyna
Sprzęt to nie jedyna różnica. Paliwo to zupełnie osobna kwestia.
Dlaczego olej napędowy inaczej zachowuje się w silniku
W rafineriach ropa naftowa jest rozkładana (krakowana) na określone frakcje. Benzyna, paliwo do silników odrzutowych, nafta, olej napędowy. W pojemniku wyglądają podobnie, ale cząsteczki nie dbają o wygląd. Diesel jest cięższy. Naftowiec. Nie chce wyparować.
To powolne tempo parowania wynika z długości łańcucha węglowego. Cząsteczki oleju napędowego są dłuższe i zawierają więcej atomów węgla niż cząsteczki benzyny. Temperatura wrzenia jest wyższa niż temperatura wrzenia wody. Ta strukturalna „ciężkość” oznacza, że olej napędowy ma większą gęstość energii. Jeden galon (3,8 litra) oleju napędowego zawiera około 139 000 BTU. Benzyna w tej samej objętości zapewnia 124 000 BTU.
Ta dodatkowa energia w połączeniu z termodynamiczną wydajnością silnika o zapłonie samoczynnym wyjaśnia, dlaczego ciężarówka ciągnie mocniej i pokonuje więcej mil na galonie niż jej benzynowy odpowiednik. Dlatego olej napędowy był kiedyś tańszy. Wymagało mniej głębokiego przetwarzania. Według amerykańskiej Agencji Informacji o Energii olej napędowy stanowi około 24 procent produktów naftowych w USA, podczas gdy dominuje benzyna z udziałem 56 procent.
Jak olej napędowy napędza nowoczesną maszynę przemysłową
Widzisz to na autostradzie. Ciężarówki klasy 8. Ale diesel jest wszędzie.
- Autobusy szkolne
- Parki komunikacji miejskiej
- Statki morskie
- Lokomotywy kolejowe
- Dźwigi budowlane
- Maszyny rolnicze
- Generatory awaryjne
Profil środowiskowy jest mieszany. Dobra wiadomość: wyższa wydajność oznacza spalanie mniejszej ilości paliwa na jednostkę wykonanej pracy, co skutkuje mniejszą emisją dwutlenku węgla na milę. Zła wiadomość: spalanie oleju napędowego uwalnia duże ilości związków azotu. Przyczynia się to do powstawania smogu, kwaśnych deszczy i powoduje problemy z oddychaniem.
Dlaczego era diesla z lat 70. nie powiodła się (i co się zmieniło)
Europejscy producenci wprowadzili olej napędowy do samochodów osobowych podczas kryzysu naftowego w latach 70. W codziennym użytkowaniu okazał się porażką. Silniki były głośne. Samochody wróciły do domu pokryte czarną sadzą. Cząsteczki te to ta sama substancja, która dławi miejskie powietrze.
Nowoczesna inżynieria w dużej mierze wyeliminowała hałas i sadzę. Wtrysk bezpośredni sterowany jest obecnie przez systemy komputerowe kontrolujące spalanie w czasie rzeczywistym. Wydajność wzrosła. Emisje spadły.
Potem przyszedł rok 2014. Volkswagen. Maszyna marketingowa „czystego diesla” okazała się oszustwem programowym. Firma zastosowała ten sam wyrafinowany komputerowy system sterowania do wykrywania warunków testowych i tłumienia emisji tylko podczas testów laboratoryjnych. Konsekwencje były powszechne. Miliardowe kary. Zakup samochodu. Liderzy w więzieniu.
Zmieniło się także samo paliwo. Od 2010 r. cały olej napędowy sprzedawany w Stanach Zjednoczonych to olej napędowy o bardzo niskiej zawartości siarki (ULSD). Siarka stanowiła problem, ponieważ zatruwała katalizatory i filtry cząstek stałych przeznaczone do wychwytywania zanieczyszczeń. Po usunięciu siarki urządzenia te zaczynają działać zgodnie z przeznaczeniem. Nowoczesne katalizatory w silnikach wysokoprężnych mają sprawność około 90 procent. Nigdy więcej kłębów czarnego dymu. Nigdy więcej zapachu siarki.
Czy biodiesel zastępuje olej napędowy?
Nie bardzo. Biodiesel jest alternatywą lub dodatkiem. Chemicznie wytwarzany jest z olejów roślinnych lub tłuszczów zwierzęcych, a nie z ropy naftowej. Rudolf Diesel faktycznie rozważał zastosowanie oleju z nasion roślin w swojej oryginalnej konstrukcji silnika.
Można go mieszać ze zwykłym olejem napędowym. W niektórych przypadkach silniki zasilane są w 100% biodieslem z minimalnymi modyfikacjami lub bez nich. Spala się czyściej pod względem cząstek stałych i emisji dwutlenku węgla. Różni się jednak od paliw ropopochodnych napędzających obecnie większość flot pojazdów ciężkich.
Dokąd zmierzają ograniczenia dotyczące oleju napędowego
Pomimo 90-procentowej wydajności nowoczesnych systemów oczyszczania spalin, olej napędowy nadal emituje cząstki stałe. W gęsto zaludnionych obszarach miejskich pozostaje problemem zdrowia publicznego.
Kilka miast, stanów i krajów zobowiązało się do wprowadzenia zakazu wjazdu dla pojazdów z silnikiem Diesla w ciągu następnej dekady. Technologia stała się czystsza, ale otoczenie polityczne stało się bardziej rygorystyczne. Pytanie brzmi, czy następna generacja silników o zerowej emisji będzie w stanie dorównać momentowi obrotowemu i zasięgowi, jakie nadal zapewnia olej napędowy w ciężkich zastosowaniach.
