Silnik wysokoprężny

Dziś pod maskami luksusowych krążowników klasy "Prezes Zarządu & Co." pracują ośmiocylindrowe diesle o fantastycznych osiągach. Ani się nie obejrzymy, jak w prezydenckich krążownikach klekotać będą diesle 12-cylindrowe. Klekotać? Raczej szemrzeć!Właśnie odgłosy pracy silnika wysokoprężnego odstraszały wielu klientów od nabycia samochodu z taką jednostką napędową. Szczególnie głośne klekotanie po rozruchu zimnego silnika uważane jest za dźwięk nieprzyjemny. Dziś, kiedy proces spalania potrafimy kontrolować o wiele lepiej, klekotanie zredukowano do poziomu stłumionego postukiwania, które nawet wytrenowane ucho nie zawsze jest w stanie odróżnić od odgłosów pracy jednostki benzynowej. A od takiej jednostki silnik wysokoprężny różni się bardzo poważnie, choć oba - przynajmniej w samochodach osobowych - pracują na zasadzie czterosuwowej. Silnik benzynowy opiera swoje funkcjonowanie na dostarczaniu bardzo dokładnie odmierzonej mieszanki paliwowo-powietrznej, przy czym ma zupełnie oddzielny system zapłonowy. W dieslu wystarczy dostarczyć do cylindra olej napędowy pod właściwym ciśnieniem i we właściwym momencie - reszta, to znaczy zapłon, odbywa się samoistnie.Warunkiem zapłonu jest jednak uzyskanie przez sprężone w cylindrze powietrze odpowiednio wysokiej temperatury. Osiąga się to przez silne ściskanie powietrza, określane tzw. stopniem sprężania, a więc stosunkiem objętości powietrza zassanego do cylindra do jego objętości po zakończeniu procesu sprężania. W silnikach wysokoprężnych z komorą wstępną stopień sprężania wynosi na przykład około 22:1, a więc powietrze zostaje ściśnięte 22-krotnie. Przesuwający się do góry tłok zmniejsza przestrzeń w cylindrze nad sobą do jednej dwudziestej drugiej początkowej objętości. W wyniku tego procesu powietrze w komorze spalania nad tłokiem w pozycji GMP sprężone zostaje pod ciśnieniem od 30 do 55 barów.Jednocześnie zachodzi tu efekt znany każdemu, kto choć raz próbował napompować dętkę rowerową - pompka silnie się nagrzewa. W silniku dieslowskim tłok i cylinder stanowią odpowiednik (bardzo dokładny zresztą) pompki. Nagrzewają się, bo temperatura sprężanego powietrza gwałtownie rośnie - do co najmniej 550 st., najczęściej jednak do około 700 st. Jednakże do rozruchu zimnego diesla, to jest do uzyskania w jego cylindrach odpowiedniej temperatury, wykorzystuje się trik z podgrzewaniem. Do celu tego służy montowany w komorze spalania lub w kanale dolotowym element podgrzewający, zwany świecą żarową. Typowe dzisiejsze silniki wysokprężne mają świece żarowe, które w czsie poniżej czterech sekund nagrzewają powietrze do 850 st. - co sprawia, że tak typowe dla "grzechotników", długotrwałe poranne odpalanie w zimie należy już tylko do zamierzchłej historii, i niedługo trzeba będzie o nich opowiadać dzieciom zupełnie jak o torturach związanych z ręcznym (bez pilota) przełączaniem kanałów w telewizorze.No więc doszliśmy już do sytuacji, gdy w cylindrze znajduje się bardzo sprężone i nagrzane powietrze. W tym momencie wtryśnięte zostaje paliwo, które natychmiast się zapala i uwalnia swą energię, przez co tłok w ramach suwu pracy zostaje odepchnięty w dół cylindra. Ale zarówno wtrysk paliwa, jak i jego zapłon muszą nastąpić we właściwym do tego momencie, dokładnie tak samo jak w silniku benzynowym. Fachowcy mówią tu o początku wtrysku, a dokładność ustalenia tego momentu wynosi jeden stopień obrotu wału korbowego.Ogromną wagę ma także ciśnienie, pod jakim wtryśnięte zostaje paliwo. Nie wystarczy bowiem po prostu dostarczyć paliwo do cylindra - gdziekolwiek - ono musi tam wpaść z określoną, dużą energią. Inaczej płomień pojawiłby się jak w zapalniczce na końcu wtryskiwacza. I mówilibyśmy o paleniu się paliwa, a nie o jego spalaniu wybuchowym. Dlatego też olej napędowy musi wpaść do cylindra w postaci mgły - i rozproszyć się po całej komorze spalania.Aby uzyskać prawidłowy proces spalania w silniku wysokoprężnym z komorą wstępną lub wirową, ciśnienie wtrysku musi wynosić co najmniej 125 barów. W silnikach z wtryskiem bezpośrednim wartość ta sięga dziś nawet i 2000 barów.Brzmi to niepokojąco, ale za tymi ogromnymi ciśnieniami kryje się bardzo istotny fakt: im wyższe ciśnienie wtrysku, tym wyższa jakość wydalanych spalin. A to dlatego, że pod wysokim ciśnieniem łatwiej jest rozpylić paliwo na drobniejsze kropeltki. Dalej już chyba jest wszystko jasne: im mniejsze są kropelki, tym łatwiej się spalają i mniej pozostałości po procesie spalania pozostawiają.Ale dopiero dziesięć lat temu pojawiły się systemy wtryskowe, które umożliwiły powstanie silników klasy TDI, CDI, HDI czy JTD. Przedtem silnikowcy-dieslowcy wspomagali się trikiem o nazwie komora pomocnicza. W silnikach do samochodów osobowych zastosowanie znalazły jej dwa rodzaje: komora wstępna i komora wirowa.Oba te typy miały to samo zadanie: spowodować zapłon oleju napędowego w małej, ograniczonej przestrzeni, a potem poprzez kanały łączące przenieść proces spalania wybuchowego do właściwej komory spalania nad denkiem tłoka.Komora wstępna - domena Mercedesa - miała wielkie zalety w dziedzinie wyrównywania pracy silnika i podnoszenia jakości wydalanych spalin, za to silniki z komorą wirową były o wiele żwawsze. Niemniej takie "chodzenie opłotkami" w dziedzinie wywoływania i prowadzenia procesu spalania kosztowało straty mocy i zwiększenie zużycia paliwa. I właśnie dlatego dziś konstruktorzy skupili się wyłącznie na silnikach z wtryskiem bezpośrednim.Pod względem zużycia paliwa mają one ponadtrzydziestoprocentową przewagę nad równie mocnymi jednostkami benzynowymi, pod względem osiąganego momentu obrotowego nawet 50-procentową. I relacje te nie ulegną zmianie nawet po przejściu na zasilanie wtryskiem bezpośrednim także w silnikach benzynowych. Bo także i wówczas do uzyskania odpowiedniego składu mieszanki paliwowo-powietrznej silnik benzynowy będzie musiał mieć przepustnicę, która w większości sytuacji roboczych powoduje straty. Diesle natomiast może sobie zasysać powietrze wedle uznania - albo nawet wspomagać się turbodoładowaniem. Bo tu im więcej wpadnie powietrza do cylindra, tym lepiej.Ostatnim więc argumentem przeciwko silnikom wysokoprężnym jest problem sadzy. Od początku ery katalizatorów naukowcy podejrzewają diesle o wytwarzanie rakotwórczych substancji. Kiedyś winą za te podejrzenia obardzano wielkie cząstki węglowe (sadzę); dziś, gdy zawartość sadzy w spalinach nowoczesnych diesli oscyluje wokół granicy mierzalności, rakotwórcze mają być cząstki stałe mikroskopijne.Dyskusja ta zapewne straci rację bytu dopiero z wprowadzeniem na rynek filtrów cząstek stałych - takich, jak w najnowszym silniku HDI Peugeota, gdzie w modelu 607 jednostka o pojemności 2,2 l w układzie wydechowym otrzymała swego rodzaju zbiorniko-dopalacz. Najpierw cząstki stałe są tu gromadzono, a potem - cyklicznie - spalane jednorazowo.