Silnik o zapłonie samoczynnym

DM12 – silnik wysokoprężny pierwszej generacji (1906)

Silnik o zapłonie samoczynnym (znany jako silnik wysokoprężny lub silnik Diesla, ZS) – silnik cieplny 22 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[1]. 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[1]. Stopień sprężania w silnikach wysokoprężnych mieści się w przedziale 12–25[1].

Historia

Świadectwo patentowe Rudolfa Diesla

Według publikacji Niemieckiej Akademii Nauk, historia silnika wysokoprężnego zaczyna się od wypożyczenia przez Rudolfa Diesela pruskiego patentu (wydanego w Poznaniu) od Jana Nadrowskiego, którego Nadrowski nie zgłosił w Reichsamtcie, gdyż wiązało się to z pewnym kosztami. Na podstawie patentu Nadrowskiego Diesel opatentował silnik w Monachium i zarejestrował w Reichsamtcie. Nadrowski wytoczył Dieslowi proces o oszustwo. Na pytanie sądu czy Diesel wcześniej zajmował się tematem silnika wysokoprężnego, pozwany Diesel przedłożył schemat chłodziarki na amoniak Ferdinanda Carrégo.[potrzebny przypis]

W 1892 roku Rudolf Diesel skonstruował silnik o nieco zmienionej konstrukcji i zasadzie działania, niż silniki spalinowe znane dotychczas. Przyświecającym mu celem było stworzenie maszyny jeszcze wydajniejszej, a opierającej się na ogólnej koncepcji silnika spalinowego. 23 lutego 1893 r. zdobył patent na swą konstrukcję „silnika o zapłonie samoczynnym”.

W roku 1897 Rudolf Diesel zbudował pierwszy dwucylindrowy silnik o zapłonie samoczynnym, który otrzymał nagrodę Grand Prix na wystawie w Paryżu.

Konstrukcja silnika, którą opracował R. Diesel była bardzo zawodna i trudna w eksploatacji poprzez zastosowanie wtrysku paliwa do cylindra za pomocą sprężonego powietrza. Układ wtryskowy wymagał wielostopniowej sprężarki, aby uzyskać wystarczająco wysokie ciśnienie powietrza, za pomocą którego wtryskiwana i rozpylana była dawka paliwa. Przy ówczesnej technologii materiałowej zapewnienie odpowiedniej trwałości i niezawodności sprężarki było trudne, powiększało to gabaryty i ciężar niemałego silnika, oraz zwiększało ilość części ruchomych wymagających okresowego serwisowania. Dopiero opracowanie hydraulicznego systemu wtrysku paliwa (James Mc Kechnie patent w 1910) pozwoliło na szeroki rozwój silników wysokoprężnych pracujących na oleju napędowym, ale już nie według klasycznego obiegu Diesla (stałe ciśnienie spalania), tylko według obiegu Sabathe’a (przemiana izochoryczna i przemiana izobaryczna).

Dużą rolę w rozwoju silnika odegrał inż. Prosper L’Orange zatrudniony w przedsiębiorstwie Benz & Cie, który zaprojektował w 1908 r. komorę wstępną. Pierwszy silnik dieslowski produkcji przedsiębiorstwa MAN był jednocylindrowym gigantem o pojemności niemal 20 litrów, który przy prędkości 172 obrotów na minutę rozwijał moc prawie 15 kW.[potrzebny przypis]

W 1936 roku Mercedes-Benz zastosował silnik diesla po raz pierwszy w seryjnym aucie osobowym[2].

Kalendarium

  • 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[3].
  • 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[4],
  • 1933 – pierwsze zastosowania w samochodach osobowych (Citroën Rosalie)[4],
  • 1934 – pierwszy czołg z napędem diesla (7TP – Polski Czołg Lekki),
  • 1936 – pierwszy seryjnie produkowany samochód osobowy z silnikiem wysokoprężnym (Mercedes-Benz 260 D)[4],
  • 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%.

Zasada działania

Ssanie

Do cylindra, w wyniku przesuwania się tłoka i wystąpienia dzięki temu podciśnienia, zasysane jest z otoczenia czyste powietrze[1]. Suw ssania kończy się zamknięciem zaworu ssącego (silnik czterosuwowy) lub przesłonięciem kanału dolotowego (silnik dwusuwowy).

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[1].

Praca (ekspansja)

Temperatura powietrza pod koniec sprężania jest tak wysoka, że możliwy jest zapłon wtryśniętej dawki paliwa do przestrzeni nad tłokiem znajdującym się w pobliżu górnego martwego położenia[1]. Paliwo wtryskiwane jest pod wysokim ciśnieniem (zob. hydrauliczny system wtrysku paliwa), 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 palny gaz. 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[1]. 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 kończy się jeszcze w czasie ruchu tłoka w stronę dolnego martwego położenia.

Podczas suwu pracy ujawnia się główna różnica pomiędzy silnikiem o zapłonie samoczynnym a silnikiem o zapłonie iskrowym pracującym według cyklu Otta. W silnikach o zapłonie iskrowym spalanie mieszanki zachodzi bardzo szybko i wiąże się z gwałtownym wzrostem temperatury i ciśnienia w cylindrze (przemiana izochoryczna). W silnikach Diesla spalanie jest wolniejsze i następuje w dużej mierze podczas cofania tłoka. Ciśnienie podczas spalania jest mniej więcej stałe, rośnie natomiast temperatura i objętość gazu (czyli jest to przemiana izobaryczna).

Wydech

Gdy tłok znajduje się w pobliżu dolnego martwego położenia, następuje otwarcie zaworu wylotowego. Ponieważ ciśnienie gazu w cylindrze jest wyższe od ciśnienia otoczenia, 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.

Podstawy termodynamiczne

Obiegiem porównawczym współczesnych silników wysokoprężnych jest obieg Seiligera-Sabathé. Obieg ten składa się z następujących przemian charakterystycznych:

Obieg porównawczy jest obiegiem teoretycznym. Silnik rzeczywisty pracuje wg obiegu, składającego się z nieco innych przemian. Sprężanie i rozprężanie nie są adiabatyczne, ponieważ występuje wymiana cieplna 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).

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 – zob. olej rzepakowy) do nowoczesnych systemów wtrysku nie nadają się, ponieważ istnieje możliwość zatarcia i zablokowania sadzami precyzyjnych otworków wtryskiwaczy. Ponadto jego liczba cetanowa jest niska, co stanowi istotną wadę (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.

Parametry charakterystyczne

  • Stopień sprężania – od 14 do 23
  • Ciśnienie sprężania – od 3 do 4,5 MPa
  • Ciśnienie spalania – od 5 do 8 MPa
  • Ciśnienie wtrysku paliwa – od 12 do 200 MPa

Wpływ spalin z diesla na zdrowie człowieka

Konkretne zanieczyszczenia zawarte w spalinach z pojazdów z silnikiem diesla są czynnikiem ryzyka różnych chorób

  • Cząsteczki stałe PM10, PM2,5 i mikrocząsteczki:

Wraz z powietrzem przenikają do górnych dróg oddechowych i, w zależności od wielkości, dalej do innych narządów. PM10 zatrzymują się w płucach, PM2,5 docierają do oskrzeli, natomiast mikrocząsteczki są na tyle małe, że przez oskrzela dostają się do krwiobiegu i są rozprowadzane po całym organizmie.

  1. Badania dowodzą, że nawet ekspozycja na krótkotrwałe wysokie stężenie PM10 może wywołać zawał serca lub udar mózgu[5].
  2. Cząsteczki zatrzymujących się w płucach powodują kaszel, zadyszkę oraz zwiększają ryzyko zakażenia infekcjami układu oddechowego[6].
  3. Powodują zaostrzenie objawów alergicznych oraz objawów chorób układu oddechowego, np. astmy[7].
  4. Nadmierna ekspozycja na PM2,5 i PM10 jest czynnikiem ryzyka nowotworu płuc[8].
  5. Cząsteczki stałe we wdychanym powietrzu podnoszą poziom kortyzolu (hormonu stresu)[9].
  1. W 2019 roku udowodniono wpływ dwutlenku azotu na rozwój astmy u dzieci żyjących w miastach. Szacuje się, że aż 95% przypadków astmy dziecięcej na świecie da się powiązać z ekspozycją na zanieczyszczenia zawierające NO2[10].
  2. Długofalowo, przy nadmiernej ekspozycji, dwutlenek azotu jest czynnikiem ryzyka chorób układu oddechowego i układu sercowo-naczyniowego oraz nowotworów płuc[11] i raka piersi[12].
  1. Dłuższa ekspozycja na ozon prowadzi do powstawania stanów zapalnych w obrębie dróg oddechowych oraz stresu oksydacyjnego[13].
  2. Mieszkańcy i mieszkanki obszarów, na których występują wysokie poziomy ozonu troposferycznego często doświadczają bólu płuc w trakcie oddychania, bólu gardła, podrażnień śluzówki nosa, kaszlu, łzawienia oczu, bólu głowy, senności.
  3. Może zaburzać funkcje układu hormonalnego i układu krążenia[13]
  4. Pośrednio, wchodzą w reakcje, w których tworzą się inne związki, np. tlenki azotu, O3 odpowiada za konsekwencje zdrowotne tych związków.
  1. W zanieczyszczeniach pochodzących z pojazdów z silnikiem diesla występują przede wszystkim duże węglowodory aromatyczne np. najczęściej benzopiren. To właśnie one uważane są za kancerogenne[14].
  2. Aktualne dane wskazują na ich związek z rozwojem chorób układu sercowo-naczyniowego, mają również negatywny wpływ na rozwój płodu[15].
  3. Odmiany PAHs, zawierające atomy azotu, siarki lub tlenu na pierścieniach, zaburzają pracę układu endokrynnego, głównie prowadząc do wzrostu poziomu estrogenów[15].

Zobacz też

Zobacz multimedia związane z tematem: Silnik o zapłonie samoczynnym
Zobacz hasło diesel w Wikisłowniku

Przypisy

  1. a b c d e f g Jan Aleksander Wajand, Jan Tomasz Wajand: Tłokowe silniki spalinowe średnio- i szybkoobrotowe. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2005, s. 89-123. ISBN 83-204-3054-2.
  2. Motofakty
  3. „Marian Lutosławski (1871–1918)” Leksykon Lublin
  4. a b c 125 lat silnika Diesla – posiadacz patentu nie był jego wynalazcą, „Onet Moto”, 4 kwietnia 2017 [dostęp 2017-04-22]  (pol.).
  5. Konsekwencje zdrowotne zanieczyszczenia powietrza, Journal of Life and Medical Sciences, 2020: http://www.naukowcy.org.pl/wp-content/uploads/2020/10/2.-Konsekwencje-zdrowotne-zanieczyszczenia-powietrza.pdf .
  6. Particulate matter (PM10) enhances RNA virus infection through modulation of innate immune responses, Environmental Pollution, 2020: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0269749120325616?via%3Dihub.
  7. Asthma and PM10, Respiratory Research BMC, 2000: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC59535/.
  8. System Monitoringu Jakości Powietrza, WIOŚ, Warszawa, 2015: https://web.archive.org/web/20171224102004/http://sojp.wios.warszawa.pl/?page=pm.
  9. Particulate Matter Exposure and Stress Hormone Levels, Circulation, 2017:https://www.ahajournals.org/doi/10.1161/CIRCULATIONAHA.116.026796
  10. Long-term trends in urban NO2 concentrations and associated paediatric asthma incidence: estimates from global datasets, The Lancet, 2022: https://www.thelancet.com/journals/lanplh/article/PIIS2542-5196(21)00255-2/fulltext.
  11. Lung Cancer and Exposure to Nitrogen Dioxide and Traffic: A Systematic Review and Meta-Analysis, Environmental Health Perspectives, 2015: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25870974/.
  12. Breast cancer risk in relation to ambient concentrations of nitrogen dioxide and particulate matter: results of a population-based case-control study corrected for potential selection bias (the CECILE study), Environment International, 2021: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34030067/.
  13. a b Ozone Alerts and Respiratory Emergencies: The Environmental Protection Agency's Potential Biological Pathways for Respiratory Effects, Journal of Emergency Nursing, 2020: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7340387/.
  14. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons: From Metabolism to Lung Cancer, Society of Toxicology, 2015: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4408964/.
  15. a b Health impacts and costs of diesel emissions in the EU, EPHA, 2018: https://epha.org/wp-content/uploads/2018/11/embargoed-until-27-november-00-01-am-cet-time-ce-delft-4r30-health-impacts-costs-diesel-emissions-eu-def.pdf.

Bibliografia

  • Jan Werner Silniki spalinowe małej i średniej mocy. Wyd. II Wydawnictwa Naukowo – Techniczne Warszawa 1964 r.
  • M. Bernhardt, S. Dobrzyński, E. Loth „Silniki samochodowe”. Wyd. IV WKiŁ 1988 r.
Kontrola autorytatywna (silnik tłokowy):
  • LCCN: sh85037828
  • GND: 4012211-6
  • NDL: 00561498
  • BnF: 11932537p
  • BNCF: 39638
  • NKC: ph184919, ph116656
  • J9U: 987007553026005171
Encyklopedia internetowa: