Diesel na benzynę

Argonne National Laboratorybenzynowy diesel na stanowisku pomiarowym

Uczeni z ANL pracują nad swego rodzaju fuzją zalet silnika wysokoprężnego i paliwa benzynowego. Rozwiązanie, nad którym w zaciszu laboratoriów głowią się także inżynierowie wszystkich największych koncernów samochodowych świata (np. Mercedesa czy Volkswagena), to coś w pół drogi między zapłonem samoczynnym a iskrowym, przy czym nie jest to stricte ani jedno, ani drugie. Kto więc zacz?

Ta strategia pracy silnika zwana jest LTC, czyli low temperature combustion, a po naszemu zapłon w niskiej temperaturze. Próbowano różnych podejść do tematu, z których najbardziej znanym jest prawdopodobnie HCCI (homogeneous charge compression ignition, a więc samozapłon mieszanki jednorodnej), a wśród innych można wymienić M-K (modulated kinetics - mieszanka o zmiennej kinetyce) czy UNIBUS (uniform bulky stratified - równomierna mieszanka uwarstwiona masowo). Może to wszystko brzmieć jak niepotrzebne komplikowanie prostych spraw, ale w tym szaleństwie jest metoda.

Silniki spalinowe pracują bez zasadniczych zmian od ponad stulecia, ale teraz, w dobie zaostrzających się drastycznie wymagań w dziedzinie ekologii, czas na małą rewolucję. Połączenie cech diesli i „benzyniaków” pozwala bowiem jednocześnie wyeliminować najistotniejsze wady obydwu, czyli emisję cząstek stałych i tlenków azotu z jednej strony oraz, z drugiej, problemy z wydajnością spowodowane obecnością przepustnicy w układzie dolotowym, która z kolei jest niezbędna dla kontrolowania rozwijania mocy w jednostkach o zapłonie iskrowym. Pracując nad każdym z systemów zasilania osobno, nie da się osiągnąć wiele więcej niż dotychczas, dlatego wrzucenie obydwu koncepcji do jednego „worka” zaczęto postrzegać jako realną alternatywę.

Na zasadzie „najlepsze z dwóch światów”, wzięto to, co najlepsze i połączono w jedno. Z konstrukcyjnego punktu widzenia, nowy silnik jest bardziej dieslem niż benzynowcem - nie ma przepustnicy i korzysta z wtryskiwacza oleju napędowego. Zamiast paliwa, do którego go stworzono, przepływa jednak przezeń benzyna, obdarzona naturalnie niższą skłonnością do samozapłonu oraz powodująca powstawanie wyraźnie mniejszych ilości szkodliwych składników spalin, będących w jednostkach wysokoprężnych efektem specyficznego przebiegu procesu spalania „ropy”. Zaletą zmiany rodzaju „życiodajnego płynu” jest możliwość wprowadzenia go do komory spalania we wczesnej fazie suwu ssania bez ryzyka natychmiastowego, samoistnego zapłonu. Paliwo można wtryskiwać w dawkach nawet dwu- lub trzykrotnie jeszcze w trakcie suwu sprężania, a zapłon nastąpi dopiero w momencie, gdy tłok znajdzie się bardzo blisko pozycji GMP (górnego martwego położenia).

Benzyna pozwala też inżynierom bardziej dokładnie ustawić czas zapłonu, ponieważ pomiędzy wtryskiem a zapłonem jest stosunkowo długa przerwa. W międzyczasie mieszankę w cylindrze można precyzyjnie „ułożyć”, co w następstwie owocuje efektywniejszym spalaniem. Całe paliwo jest dokładnie wymieszane z powietrzem (nie ma dużych kropel płynnej benzyny) i spala się wydajnie - to właśnie dlatego udaje się osiągnąć niską zawartość NOX i cząstek stałych w gazach wydechowych. Sprzyja temu również niska zawartość powietrza w stanie „wolnym”, tzn. nie wymieszanego z paliwem. Jego nadmiar powoduje tworzenie się tlenków azotu, których odsetek w spalinach jeszcze zmniejszono poprzez zamontowanie układu recyrkulacji spalin (EGR).

Wygląda na to, że „benzydiesel” ma same zalety, jednak to byłoby po prostu zbyt piękne. Poświęceniem nie do uniknięcia jest tzw. gęstość mocy (z ang. power density). Innymi słowy - spadają osiągi, ponieważ procesy zachodzące w silniku nie są tak gwałtowne jak w konwencjonalnych jednostkach benzynowych. Badacze z Argonne szacują, że maksymalna moc ulega obniżeniu o ok. 25% w porównaniu z tradycyjnym motorem o podobnej pojemności skokowej. Twórcy eksperymentalnego rozwiązania uważają jednak, że najwyższych parametrów używa się na tyle rzadko, że taka strata będzie nieodczuwalna w warunkach realnej eksploatacji. W użytecznym spektrum prędkości obrotowej wału korbowego silnik nowego typu ma zachowywać się jak dobry diesel, czyli rozwijać moc płynnie i oferować wysoki moment obrotowy w szerokim zakresie pracy, a to na co dzień przydaje się znacznie bardziej niż prędkość maksymalna.

Jak podkreślają inżynierowie ANL, ich podejście do zagadnienia różni się nieco od prezentowanych przez inne ośrodki badawcze. Zastosowali oni bowiem w swoich próbach benzynę o niższej liczbie oktanowej niż standardowe paliwo dostępne na stacjach (80-85 RON). Taka benzyna łatwiej ulega samozapłonowi niż komercyjna (choć jednocześnie trudniej niż olej napędowy, co jest zaletą), a przy tym rafineriom prościej jest ją produkować. Z tego też powodu pracom Argonne National Laboratory bacznie przyglądają się takie koncerny jak BP czy ConocoPhillips, oferując również fachowe doradztwo.

Zdaniem autorów opisywanego rozwiązania, kluczem nie jest tak naprawdę samo paliwo, ale kontrola wszystkich czynników jego podawania i spalania w cylindrze, a więc liczba wtrysków i ich czas, ciśnienie paliwa itd. System nie jest może tak wydajny jak współczesne jednostki napędzane tradycyjnie, ale sprawniejszy niż inne próby scalenia benzynowców z dieslami podjęte przez naukowców ośrodka. Patent najwyraźniej wydaje się obiecujący, ponieważ jego rozwojem zainteresował się już wychodzący z siniakami, ale cało z kryzysu gigant motoryzacyjny - General Motors. Wygląda na to, że cała przyszłość silnika spalinowego, nim odejdzie on na zasłużoną emeryturę, może być właśnie taka. Co to oznacza? Że i autogaz jeszcze długo będzie miał się nieźle!