Wtrysk superkrytyczny - ratunek dla silnika spalinowego?

sae.orgwtrysk paliwa w postaci cieczy superkrytycznej

Według badaczy z kalifornijskiego ośrodka Transonic Combustion, wiele zależy od sposobu podania paliwa, a konkretnie - od jego konsystencji. Konstruktorzy od lat dążą do uzyskania jak najmniejszych kropel, ponieważ w ten sposób proces spalania staje się wydajniejszy. Wzrastają osiągi, obniża się spalanie i spada zawartość szkodliwych związków w gazach spalinowych. Kiedy wydawało się, że niewiele więcej da się jeszcze zrobić, Mike Cheiky i jego współpracownicy przyszli z odsieczą. Przynajmniej tak twierdzą.

Sekret polega na doprowadzeniu wtryskiwanego paliwa do postaci tzw. cieczy superkrytycznej, czyli czegoś w rodzaju czwartego stanu skupienia, zawieszonego pomiędzy cieczą a gazem. Dokonuje się tego za pomocą umiejętnego żonglowania temperaturą i ciśnieniem - ciecz superkrytyczna powstaje wtedy, gdy temperatura jest tak wysoka, że żadne ciśnienie (choćby ekstremalne) nie jest w stanie przywrócić jej pierwotnej formy płynnej. Mimo gazowej konsystencji, ciecz superkrytyczna zachowuje 60% gęstości płynu, jakim jest w normalnych warunkach. W przypadku paliwa całe zjawisko jest to o tyle korzystne, że paliwo się nie skrapla i można je dokładniej wymieszać z powietrzem. Sprzyja temu również niskie napięcie powierzchniowe.

W systemie TSCi (Transonic Supercritical Combustion injection), mieszanka powstająca w cylindrze w krótkim czasie staje się bardzo jednorodna, co pomaga lepiej kontrolować przebieg procesu spalania. Staje się on wyraźnie bardziej przewidywalny, przez co z tej samej ilości paliwa można „wycisnąć” więcej energii, jednocześnie produkując mniej zanieczyszczeń. Elementami tego układu, działającego na zasadzie bezpośredniego wtrysku common-rail, są m. in. szybkie i precyzyjne wtryskiwacze piezoelektryczne oraz specjalny katalizator, który rozbija długie łańcuchy cząsteczek paliw na prostsze węglowodory. Paliwo dostaje się do cylindrów jako bardzo drobna mgiełka, szybko i dokładnie mieszająca się z powietrzem płynącym z kolektora.

Według twórców koncepcji TSCi, testy statyczne dają bardzo obiecujące rezultaty. Badany w laboratorium silnik, przerobiony według założeń inżynierów firmy Transonic i zamontowany w ważącym niespełna 1,5 tony samochodzie, osiągnął zużycie paliwa o połowę niższe niż przed modyfikacjami. Przy stałej prędkości 80 km/h, osiągniętej jednak nie na drodze, a na stanowisku badawczym, spalanie wyniosło zaledwie 2,4 l/100 km! Emisja dwutlenku węgla nie przekroczyła przy tym poziomu 60 g/km, czyli połowy limitu wyznaczonego przez Unię Europejską jako średnią dla wszystkich nowo rejestrowanych samochodów od roku 2012. Podobno dwaj znaczący producenci aut już przyglądają się z bliska jednostkom wyposażonym w nową technologię, a trzeci właśnie negocjuje warunki prób na własne potrzeby.

Kluczową sprawą dla silnika działającego w nowy wynalazek jest moment zapłonu. Chodzi o to, by spalanie przebiegało jak najbliżej środka wirującego w cylindrze ładunku paliwowo-powietrznego, z dala od ścianek, które odbierają duże ilości ciepła i marnują je. Cały proces zamyka się w przedziale 20-30° po górnym martwym położeniu tłoka, co sprzyja optymalnemu wykorzystaniu energii mechanicznej, przy jednoczesnej redukcji strat ciepła poprzez wydech.

Ponieważ silnik spalinowy ma przed sobą jeszcze co najmniej kilkanaście, a prawdopodobnie i kilkadziesiąt lat „życia”, wszelkie pomysły czyniące to życie mniej uciążliwym dla otoczenia są mile widziane. Tylko po co łamać sobie głowę nad doprowadzeniem paliw płynnych do stanu gazowego, skoro można od razu zastosować gaz?