Bogaty ubóstwem

BoschJuż nie diesel, jeszcze nie silnik niskoprężny - pomysł FEV łączy w sobie to, co najlepsze

Na początek łyk technicznej teorii. Silniki benzynowe zazwyczaj pracują na mieszankach stechiometrycznych o proporcji powietrza do paliwa na poziomie 14,7:1, co oznacza, że do optymalnego (całkowitego i pozostawiającego jak najmniej szkodliwych produktów końcowych) spalenia 1 kg paliwa potrzeba 14,7 kg powietrza. W silniku Diesla współczynnik ten jest teoretycznie bardzo podobny i wynosi 14,6:1, ale jego zastosowanie w praktyce oznaczałoby znaczne ilości sadzy i czarny dym ulatujący z wydechu. Dlatego też jednostki zasilane olejem napędowym pracują na mieszankach znacznie uboższych, wahających się od 17:1 do 29:1 pod obciążeniem i nawet 145:1 na biegu jałowym. Rzecz w tym, że olej napędowy daje mniej czasu na wytworzenie jednorodnej mieszanki, czyli w różnych miejscach w cylindrze ma ona inny skład, a więc nawet znaczny nadmiar powietrza nie stanowi przeszkody dla poprawnego przebiegu procesu spalania. Osiągnięcie takich wartości proporcji mieszanki dla benzyny i paliw gazowych byłoby bardzo trudne ze względu na wysokie temperatury towarzyszące spalaniu oraz toksyczność spalin, a jednak FEV pokonało te przeszkody i zbudowało oparty na konstrukcji diesla silnik na sprężony gaz ziemny zadowalający się ubogimi mieszankami.

Firma przedstawi swojego „diesla na gaz” (choć nie gazodiesla!) podczas dorocznego Światowego Kongresu SAE (amerykańskiego Stowarzyszenia Inżynierów Motoryzacji). Jednostka ma udowodnić, że przy zastosowaniu odpowiedniego zestawu modyfikacji można osiągnąć porównywalny poziom sprawności i mocy co w dieslu, pomimo zastąpienia oleju napędowego sprężonym gazem ziemnym. Podstawowym rozwiązaniem prowadzącym do tego celu jest tzw. ATAC (Advanced Turbulence Assisted Combustion), czyli, w dosłownym tłumaczeniu, spalanie wspomagane zaawansowanym zawirowaniem. Mówiąc bardziej przystępnym językiem, chodzi o takie zmiany w głowicy silnika, kształcie komory spalania, kolektora dolotowego i tłoka, dzięki którym powietrze dostarczane do komór spalania ulega silnemu zawirowaniu. Efekt „zakręcenia” uzyskano m. in. poprzez przebudowę kanału wirowego w układzie dolotowym w taki sposób, że gaz wpada w jeszcze większą turbulencję niż powietrze w bazowym „ropniaku”, co sprzyja równomiernemu wymieszaniu paliwa i powietrza (usprawnia i przyspiesza powstawanie mieszanki), czyniąc proces spalania wydajniejszym. Ubogi skład mieszanki paliwowo-powietrznej sprawia zaś, że silnik oszczędnie obchodzi się z paliwem i emituje mniej dwutlenku węgla niż odpowiednik pracujący „na bogato”. Podobne parametry osiągane są zatem przy mniejszym nacisku na pedał gazu.

Poza już wymienionymi, w bazowym silniku wprowadzono i inne zmiany. W miejsce bezpośredniego wtrysku paliwa zamontowano układ wtrysku wielopunktowego podobny do systemu wtrysku pośredniego (do kolektora). Dokonano również pewnych manipulacji w zakresie prędkości mieszanki wpadającej do komory spalania, zmodyfikowano konstrukcję turbosprężarki i oczywiście zamontowano układ zapłonowy. Stopień sprężania dopasowano do charakterystyki nowego paliwa w taki sposób, że teraz jego wartość leży pomiędzy wartościami typowymi dla silników benzynowych i wysokoprężnych. Aby zaś zapobiec nadmiernemu lub przedwczesnemu zużyciu elementów narażonych na duże obciążenia mechaniczne i cieplne (np. zaworów i gniazd zaworowych), użyto materiałów o zwiększonej odporności, zapewniając tym samym właściwą żywotność całego silnika.

Zdaniem Gary’ego Rogersa, szefa FEV, koncept opracowany przez jego firmę oferuje alternatywę w stosunku do obecnie używanych jednostek napędowych zasilanych paliwami ropopochodnymi, w dodatku gotową do szybkiego wdrożenia na masową skalę. Silnik przygotowany przez amerykańskich inżynierów spala bowiem paliwo nie tylko tańsze, ale i cenowo stabilniejsze (wartość gazu ziemnego nie jest tak wahliwa jak koszt baryłki ropy naftowej) oraz dostępne z wielu niezależnych od siebie źródeł na świecie (podczas gdy „czarne złoto” pochodzi w dużej mierze z Bliskiego Wschodu, co sprzyja dyktatowi cenowemu). Gaz ziemny wybrano także ze względu na walory praktyczne - bardziej niż inne paliwa kopalne nadaje się do spalania w ubogich mieszankach i charakteryzuje się wysoką odpornością na efekt spalania stukowego. W połączeniu z tradycyjnymi cechami diesla (efektywne działanie w warunkach wysokiego stopnia sprężania), CNG okazało się najlepsze.

Czy takie pomysły mają szansę się przyjąć? Jak najbardziej - już dziś widać, że zwrot w kierunku paliw alternatywnych nabiera tempa, a poza tym wielu producentów samochodów we własnym zakresie pracuje nad połączeniem zalet jednostek dieslowskich z paliwami innymi niż olej napędowy (wystarczy wspomnieć ideę DiesOtto Mercedesa czy volkswagenowski HCCI, znajdujące się w fazie zaawansowanych testów). O ile więc diesel może - głównie ze względu na niemożność dalszego dostosowywania się do coraz ostrzejszych norm emisji spalin - nie przetrwać próby czasu, rozwiązania dla niego charakterystyczne znajdą zastosowanie w silnikach przyszłości. Jeżeli paliwa gazowe będą mieć w tym procesie swój udział, jesteśmy całym sercem za!