Silnik Diesla
Silnik o zapłonie samoczynnym (znany jako silnik
wysokoprężny lub silnik Diesla, 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 zewnętrzne źródło
energii - następuje zapłon samoczynny. Do cylindra
dostarczane jest powietrze, a kiedy tłok zbliża się do
swojego GMP następuje wtrysk paliwa, które następnie
spala się po przekroczeniu w komorze spalania
temperatury jego zapłonu. Do zainicjowania zapłonu nie
są potrzebne tak jak w przypadku silnika o zapłonie
iskrowym zewnętrzne źródła ciepła
Rozwiązania konstrukcyjne
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 (rozgrzanie 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. Zasilanie paliwem odbywa się poprzez
układ hydraulicznego systemu wtrysku paliwa. Są to
pompy sekcyjne, pompy rozdzielaczowe
i nowoczesne rozwiązania konstrukcyjne
(pompowtryskiwacze, system common rail) – te ostatnie
konstrukcje świec żarowych zasadniczo nie wymagają.
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. Ponadto paliwo musi spełniać funkcje
smarne
w układzie wtrysku paliwa, przez co paliwa alternatywne
do silników wysokoprężnych (np. zużyty lub świeży olej
roślinny)
do nowoczesnych systemów wtrysku nie nadają się,
ponieważ istnieje możliwość zatarcia i zablokowania
sadzami precyzyjnych otworków wtryskiwaczy. Ponadto
jego liczba cetanowa jest niska co jest istotną wadą
(zwiększa się znacznie zwłoka zapłonu i silnik wchodzi w
obszar dymienia). 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.
Kalendarium
1893-Skonstruowanie pierwszego silnika wysokoprężnego
przez Rudolfa Diesla
1897 – Prace rozwojowe silnika doprowadziły do uzyskania
silnika o stosunkowo dobrych właściwościach
eksploatacyjnych,
1900 – polski inżynier Marian Lutosławski w warszawskim
hotelu Bristol zbudował pierwszą w Polsce elektrownię
zasilaną silnikiem diesla.
1902-1910 – Przedsiębiorstwo MAN wyprodukowało 82
stacjonarne silniki wysokoprężne DM12,
1903 – Zastosowanie pierwszego silnika wysokoprężnego do
napędu statków i początek powolnego wypierania napędu
parowego,
1908 – Uzyskanie wystarczająco precyzyjnej pompy
wtryskowej oraz zastosowanie komory wstępnej,
1923 – Pierwszy ciągnik i ciężarówka napędzana silnikiem
wysokoprężnym,
1934 – Pierwszy czołg z napędem diesla (7TP – Polski Czołg
Lekki),
1936 – Pierwsze zastosowania w samochodach osobowych,
1937 – Pierwsze zastosowania do napędu samolotów
(Junkers)
1968 – Zastosowanie silnika wysokoprężnego ustawionego
poprzecznie przez Peugeota w modelu 204.
1986 – Silnik wysokoprężny z wtryskiem bezpośrednim (Fiat
Croma TDid) zastosowany w produkcji wielkoseryjnej
samochodów osobowych,
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%
Wady
-Większa emisja tlenków azotu NOx w porównaniu do silników z
zapłonem iskrowym, wyposażonych w trójfunkcyjny katalizator
spalin. Aby wykluczyć emisję tlenków azotu NOx stosuje się
układy recyrkulacji spalin, w nowszych konstrukcjach technologię
AdBlue.
-Emisja cząstek stałych jeśli silnik nie jest wyposażony w
odpowiedni filtr.
-Większe koszty produkcji w porównaniu z silnikami benzynowymi.
-Większa masa silnika – sztywniejszy musi być wał korbowy,
kadłub silnika z uwagi na wyższe ciśnienia pracy.
-Zazwyczaj większa hałaśliwość pracy niż silników benzynowych o
tej samej mocy.
-Ograniczona maksymalna prędkość obrotowa spowodowana
zwłoką zapłonu.
-Większe wymagania co do własności olejów silnikowych.
-Trudności w uruchomieniu silnika zimą w niskich temperaturach
(konieczność podgrzania komory spalania przez świece żarowe).
Ta wada została praktycznie wyeliminowana w nowoczesnych
konstrukcjach poprzez bardzo szybkie i wydajne świec.
-Wskutek wyższego momentu obrotowego (dla silników o takiej
samej mocy maksymalnej) większe obciążenie układu
przeniesienia napędu skutkujące,
w przypadku zbyt forsownej eksploatacji, szybszym zużyciem
elementów współpracujących (skrzynia biegów, sprzęgło,
dwumasowe koło zamachowe).
-Wrażliwość na niską temperaturę i konieczność stosowania
odpowiedniego paliwa zimą.
-Spaliny mogą wywoływać raka płuc.
Zalety
-Większa sprawność konwersji energii chemicznej paliwa, a dzięki
temu mniejsze zużycie paliwa.
-Większa niezawodność pracy silnika (dyskusyjne dla
nowoczesnych, skomplikowanych silników z Common Rail i
pompowtryskiwaczami).
-Możliwość pracy w ciężkich warunkach, gdzie wilgoć mogłaby
unieruchomić silniki benzynowe, w których potrzebna jest iskra od
aparatu zapłonowego.
-Ze względu na właściwości palne oleju napędowego mniejsze
prawdopodobieństwo samozapłonu (w tym eksplozywnego) przy
składowaniu i dostarczaniu paliwa do silnika.
-Współczesne silniki Diesla są bardzo rozwinięte technologicznie, co
przekłada się na bardzo dobre osiągi tych silników i zastosowania w
samochodach wyścigowych jak np. Audi R10. Osiągi te pozostają
jednak relatywnie niższe względem silników benzynowych o
identycznej pojemności skokowej
i podobnym stopniu zaawansowania technologicznego (np. silniki
aut F1).
-Lepsze warunki pracy turbosprężarki - większa masa spalin i ich
niższa temperatura w stosunku do silnika iskrowego.
Silnik Diesla pierwszej generacji
1905 rok
Współczesny silnik
Diesla