Teoretyczne aspekty koncepcji downsizingu silników spalinowych

PIETRAS Dariusz 1 Teoretyczne aspekty koncepcji downsizingu silników spalinowych WSTĘP W literaturze terminem downsizing silników spalinowych określa się nowoczesną tendencję w rozwoju silników samochodowych, zarówno o zapłonie iskrowym jak i samoczynnym, wykorzystującą najnowocześniejsze rozwiązania techniczne. Tendencja ta prowadzi najczęściej do zmniejszania objętości skokowej silnika przy jednoczesnym wykorzystaniu nowoczesnych systemów doładowania. Prowadzi to do zwiększenia wskaźników jednostkowych silnika, odniesionych do jednego cylindra lub do objętości skokowej (przykładowo wzrost wysilenia silnika mierzonego N e objętościowym wskaźnikiem mocy N v ) a w konsekwencji również do zwiększenia sprawności Vss ogólnej silnika i zmniejszenia zużycia paliwa (emisji CO 2 ). Dzięki doładowaniu możliwe jest utrzymanie parametrów użytkowych na poziomie silników starszych generacji, ale o większych pojemnościach skokowych [1]. Obecne rozwiązania techniczne stosowane w budowie silników wykraczają znacznie poza podstawową definicję downsizingu, tworząc kolejne generacje downsizingu. Nowe rozwiązania techniczne dotyczą zazwyczaj systemu doładowania, sterowania ładunkiem oraz zaawansowanych optymalizacji przepływu ciepła w silniku [2]. Prowadzi to do dalszego zwiększenia skuteczności i efektywności downsizingu, przy zachowaniu korzystnych charakterystyk silnika. Dotyczy to w głównej mierze osiąganych parametrów momentu obrotowego i mocy szczególnie w dolnych zakresach prędkości obrotowych. Zagadnienie downsizingu można analizować również w ujęciu szerszym, odwołując się do definiowanych dla silnika spalinowego sprawności technicznych i analizy prędkościowych i uniwersalnych charakterystyk jego pracy. 1. SPRAWNOŚĆ SILNIKÓW W ODNIESIENIU DO KONCEPCJI DOWNSIZINGU Podstawowym założeniem downsizingu jest wzrost sprawności ogólnej silnika przy zachowaniu możliwie dobrych osiągów, a w szczególności dużym momencie obrotowym już w zakresie możliwie małych prędkości obrotowych. Możliwe jest to przez zastosowanie odpowiedniego systemu doładowania, obecnie często mechaniczno-pneumatycznemu [3]. Zgodnie z definicją sprawność ogólna silnika jest wskaźnikiem określającym efektywność konwersji ciepła dostarczonego do silnika na pracę użyteczną uzyskaną na wale korbowym. Stanowi iloczyn sprawności cząstkowych: o t i m (1) gdzie: η t - sprawność teoretyczna, największy wpływ na jej wartość ma strata wylotowa spalin, η i - sprawność indykowana, uwzględniająca straty związane z wymianą ładunku oraz straty ciepła podczas spalania i chłodzenia, największy wpływ na jej wartość ma strata chłodzenia, η m - sprawność mechaniczna, stanowiąca miarę strat mechanicznych na skutek oporów tarcia ruchomych elementów, oporów wentylacyjnych oraz oporów wynikających z napędu układów pomocniczych silnika. 1 Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej, Wydział Budowy Maszyn i Informatyki, 43-309 Bielsko-Biała ul. Willowa 2, tel. 33 8279332, e-mail: pietras@ath.bielsko.pl 5098

Sprawność mechaniczna (rys. 1) zależy od: prędkości obrotowej maleje wraz ze wzrostem prędkości obrotowej na skutek wzrostu oporów wentylacyjnych oraz narastających oporów tarcia, stopnia sprężania i wynikającego z niego maksymalnego ciśnienia obiegu, obciążenia silnika rośnie wraz ze wzrostem obciążenia, co wynika z nieproporcjonalności przyrostu oporów tarcia w funkcji rosnącego ciśnienia użytecznego. Rys. 1. Charakter zmian sprawności mechanicznej η m w zależności o wzrostu prędkości obrotowej n i średniego ciśnienia użytecznego p e [4] Oczywisty kierunek zmian przy projektowaniu silników obejmuje takie kształtowanie poszczególnych sprawności cząstkowych, aby wypadkowa sprawność ogólna była jak największa. W tym kontekście dziedziny optymalizacji wpływające na wzrost sprawności silnika obejmują [2]: minimalizację strat mechanicznych, strat wymiany ładunku (oporów przepływu) i strat procesu spalania mieszanki - wzrost sprawności, konstrukcyjne modelowanie charakterystyki silnika pod kątem zwiększenia udziału pracy w okolicach punktu o maksymalnej sprawności ogólnej (ge min), optymalizację regulacji silnika wg kryterium minimalnego zużycia paliwa g e min. Osiąganie wyższych sprawności ogólnych przez silniki ZS w stosunku do silników ZI w ujęciu teoretycznym wynika z [4,5]: wyższej sprawności termodynamicznej obiegu Sabathe go, wyższej temperatury podczas wydzielania ciepła (w okresie od początku do końca spalania) wynikającej z wyższych ciśnień w końcowej fazie sprężania, szybkiego spalania ładunku w fazie kinetycznej ze względu na wielopunktowy (przestrzenny) samozapłon, odmiennych własności paliw. 2. REALIZACJA DOWNSIZINGU NA TLE CHARAKTERYSTYK SILNIKÓW Główne korzyści downsizingu można analizować na podstawie przebiegów izolinii jednostkowego zużycia paliwa w połączeniu z krzywą stałej mocy na wykresie charakterystyki uniwersalnej dla hipotetycznego silnika benzynowego (rys. 2). Parametry mocy i zużycia paliwa przedstawione są na wykresie w zależności od wartości średniego ciśnienia efektywnego p e [%] i prędkości obrotowej silnika n. Izolinie zużycia paliwa informują przy jakich warunkach pracy silnika (prędkość obrotowa i średnie ciśnienie efektywne) jednostkowe zużycie paliwa jest stałe. Minimalny poziom zużycia paliwa (100%) osiągany jest przy n 2600 obr/min i p e 80% p emax [6]. Linia stałej mocy charakteryzuje z kolei wartość mocy jaką silnik może rozwinąć przy różnej konfiguracji prędkości obrotowej i średniego ciśnienia efektywnego, co warunkuje prędkość z jaką może poruszać się pojazd. Stałą moc silnika można uzyskać w wielu punktach jego pracy różniących się średnim ciśnieniem efektywnym, prędkością obrotową oraz zużyciem jednostkowym paliwa, przykładowo: punkt A: n 3600 obr/min, pe 30% pemax, zużycie paliwa na poziomie 125% zużycia minimalnego. 5099

punkt B: n 2100 obr/min, p e 60% p emax, zużycie paliwa na poziomie 105% zużycia minimalnego. Można zatem uzyskać zmniejszenie zużycia paliwa na poziomie 20% w punkcie B stosunku do punku A, przy tym samym poziomie mocy (wyższe średnie ciśnienie efektywne w pkt. B) i założeniu jazdy samochodu ze stałą prędkością (w praktyce wymaga to zmiany biegu na wyższy). Zagadnienie to często było niemożliwe do realizacji w silnikach wolnossących z uwagi na niskie wartości momentu obrotowego (średniego ciśnienia efektywnego) dla małych prędkości obrotowych. W silnikach realizujących koncepcję dowsizingu (doładowanych silnikach o małej pojemności) przebieg momentu obrotowego dla małych prędkości obrotowych jest znacznie korzystniejszy i można bez przeszkód realizować opisany powyżej scenariusz pracy silnika (rozdz. 3 rys. 5). Rys. 2. Charakterystyka uniwersalna jednostkowego zużycia paliwa dla hipotetycznego silnika benzynowego [6] Analizując charakterystyki prędkościowe oraz uniwersalne silników ZS/ZI (przykładowe przedstawiono na rys. 3) można zauważyć, iż minimalne jednostkowe zużycie paliwa odpowiada w przybliżeniu zakresowi prędkości obrotowej dla quasi-maksymalnej (85-100%) wartości momentu obrotowego, zależnego od średniego ciśnienia użytecznego. Wysokie obciążenia (p e ) warunkują wysoką sprawność mechaniczną, a odpowiadający im optymalny przedział prędkości obrotowej (mniejsze wartości n) gwarantuje jeszcze względnie dobrą sprawność napełnienia. Po przekroczeniu optymalnego przedziału prędkości obrotowej (zakres n Mmax n Ne ) następuje wyraźny spadek sprawności napełnienia cylindrów, wzrastają opory pompowania (opory na zaworach), straty mechaniczne (wzrost n) oraz cieplne, a generowany moment maleje, pociągając za sobą zwiększenie zużycia paliwa. W przypadku konwencjonalnych silników o zapłonie iskrowym maksymalny moment osiągany jest w stosunkowo wąskim zakresie wartości prędkości obrotowej. Silniki wysokoprężne (rys. 3) osiągają maksymalny moment obrotowy przy mniejszych prędkościach obrotowych i w szerszym ich zakresie. Charakteryzują się zatem mniejszą zmiennością sprawności ogólnej w zakresach obciążeń częściowych i korzystniejszą elastycznością momentu obrotowego. W tym sensie wskaźniki elastyczności definiują zakresy użytecznych prędkości obrotowych. Utrzymywanie prędkości obrotowej w zakresie n n, w silnikach ZS pozwala na M N 5100

minimalizację zużycia paliwa, przy jednoczesnym wysokim momencie obrotowym, a więc dobrych parametrach trakcyjnych. Rozpiętość momentu obrotowego n M n N Rozpiętość prędkości obrotowej Rys.3. Przykładowe charakterystyki: uniwersalna oraz prędkościowa silnika ZS [7, 8] Odpowiednie kształtowanie prędkościowych charakterystyk zewnętrznych i mocy częściowych silników spalinowych stanowią podstawowe obszary działań koncepcji downsizingu. Badania wykazują, że silniki o małej pojemności skokowej pracujące przez większość czasu w zakresie zwiększonych obciążeń (p e ), charakteryzują się większą sprawnością ogólną, w stosunku do jednostek o dużej pojemności skokowej, pracujących przez większość czasu na obciążeniach częściowych. Na podobnym założeniu opiera się koncepcja samochodów hybrydowych, których silniki celowo zostają dociążane podczas jazdy (prądnicami), celem wejścia w korzystny zakres eksploatacyjny pracy silnika przy g e min. 3. DOŁADOWANIE SILNIKÓW PODDANYCH DOWNSIZINGOWI Doładowanie zwiększa ciśnienie nad tłokami (co większa stosunek sił gazowych do sił bezwładności), przez co silnik pracuje efektywnie już w zakresie niższych prędkości obrotowych (przy niższych siłach bezwładności a więc mniejszych oporach tarcia). Wynika to z mniejszych sił tarcia proporcjonalnych do sumy sił bezwładności i gazowych. Większe siły gazowe warunkują również korzystną wartość momentu obrotowego silnika i zależą od stopnia doładowania [4]. Wzrost sił gazowych w procesie doładowania nie wynika wyłącznie ze zwiększenia gęstości ładunku w procesie doładowania (większa dawka jednostkowa paliwa). Dodatkowymi korzystnymi efektami doładowania są: wzrost wartości ciśnienia czynnika początku i końca sprężania oraz końcu rozprężania (punkty 1, 2 i 5 na rys. 4) powodujące zwiększenie średniego ciśnienia użytecznego (rys. 4b i 4c), dodatnie pole pętli wymiany ładunku (rysunek 4b i 4c), zwiększające pole pracy indykowanej (a tym samym również użytecznej). 5101

Rys. 4. Obiegi porównawcze silników ZS: a) silnik wolnossacy, b) silnik z doładowaniem mechanicznym, c) silnik doładowaniem zespołem turbosprężarkowym [9] Efekt praktyczny doładowania realizowany w koncepcji downsizingu, gdzie w wyniku doładowania obszar wysokiej sprawności dla silnika ZI został przesunięty w kierunku niższych prędkości obrotowych silnika przedstawia rys. 5. Mo [Nm] Mmax Mmax Obszar wysokiej sprawności silnika turbodoładowanego Obszar wysokiej sprawności silnika wolnossącego Rys. 5. Obrazowa charakterystyka prędkościowa dla wolnossącego silnika ZI i turbodoładowanego [typu downsized] z uwzględnieniem obszarów wysokiej sprawności [10] Najczęściej stosowane systemy doładowania bazują na wykorzystaniu sprężarek, coraz częściej w ujęciu mieszanym jako kombinacji doładowania mechanicznego i turbosprężarkowego, ze sprężarkami VTG o zmiennej geometrii łopatek i małym momencie bezwładności. Warto zaznaczyć, że system doładowania mieszanego jest stosowany w wielu silnikach typu downsized głównie ze względu na poprawę elastyczności w szerszych zakresach prędkości obrotowej (rys. 6). n 5102

doładowanie mieszane suma efektów w ustalonym zakresie prędkości obrotowej doładowanie mechaniczne stosowane dla wysokich obciążeń i małych prędkości obrotowych gdzie sprawność turbosprężarki jest niska turbodoładowanie stosowane w większości pola pracy silnika brak doładowania Rys. 6. Przykład zastosowania doładowania mieszanego TWINCHARGER w silniku 1.4TSI 140/170KM. [11] W ujęciu ogólnym zastosowanie doładowania skutkuje licznymi korzyściami jak np. [12]: możliwość ograniczenia pojemności skokowej silnika a nawet redukcję liczby cylindrów jako przejaw tzw. agresywnej koncepcji downsizingu, korzystny sposób kształtowania przebiegu momentu obrotowego (pe) silnika, duże wartości już przy niskich prędkościach obrotowych (szczególnie przy doładowaniu mieszanym), poprawa sprawności ogólnej w zakresie kilku procent (a w tym m dla wyższych obciążeń), szczególnie przy wariancie turbodoładowania, powiększenie sprawności wolumetrycznej, szczególnie w przypadku chłodzenia powietrza doładowującego (intercooling) oraz wzrost zawirowania i lepsze przepłukanie cylindrów. 4. GŁÓWNE OGRANICZENIA KONCEPCJI DOWNSIZINGU Optymalizację sprawnościową silników spalinowych, a tym samym realizacje koncepcji dowsizingu ograniczają określone możliwości technicze związane głównie z: spełnieniem wymagających norm emisji składników spalin (głównie NOx), ograniczeniem stopnia sprężania spalanie stukowe mieszanki palnej w silnikach ZI, aspektami termodynamicznymi, charakter pracy silnika, straty cieplne, uwarunkowaniami wytrzymałościowymi proporcjonalnymi do stopnia wysilenia silnika, uwarunkowaniami trybologicznymi (ograniczone możliwości redukcji strat tarcia), wzrostem kosztów silnika proporcjonalnym do stopnia skomplikowania silnika i osprzętu. Główne ograniczenie sprawności ogólnej silnika wynika z ustawowo limitowanych norm emisji NO x. Wyższe obciążenia (a więc wyższe temperatury oraz ciśnienia spalania) powodują zwiększenie sprawności silnika, ale jednocześnie zwiększają emisję NO x. Stanowi to niewątpliwie kluczowy czynnik ograniczający rozwój koncepcji downsizingu współczesnych silników samochodowych. Inne ograniczenie rozwoju koncepcji downsizingu można upatrywać w ogólnych kosztach wytworzenia proporcjonalnych do rosnącego stopnia skomplikowania. Wynika to ze znacznych wymagań w stosunku do systemów doładowania, układów zasilania oraz specjalnych systemów redukcji NO x. PODSUMOWANIE Ogólne założenia teoretyczne koncepcji downsizingu silników można sprowadzić do [12]: zmniejszania objętości skokowej silników zarówno ZI jak i ZS (ograniczanie strat cieplnych oraz strat tarcia) tzw. mild downsizing, zmniejszania liczby cylindrów lub ich odłączania podczas pracy (ograniczanie strat cieplnych i mechanicznych) tzw. agressive downsizing, zmniejszania wymiarów i masy silnika, choć bywa to kwestią dyskusyjną, biorąc pod uwagę rozbudowany osprzęt, 5103

zwiększania stopnia wysilenia silnika i przesuwania zakresów jego eksploatacji w kierunku wyższych obciążeń, gdzie sprawność ogólna jest większa, kształtowania korzystnego (stabilnego) przebiegu momentu obrotowego i preferowania jazdy z niskim prędkościami obrotowymi minimalizacja sił bezwładności oraz strat mechanicznych (tarcia), cieplnych i wentylacyjnych. Koncepcja downsizingu silników posiada także wady i ograniczenia obejmujące m. in.[12]: ograniczenie dalszego wzrostu sprawności wskutek rosnących strat cieplnych i zwiększania średnich temperatur pracy powodujących trudności w spełnieniu norm emisji NO x, znaczny wzrost stopnia skomplikowania silnika, osprzętu, systemu sterowania, wzrost kosztów produkcji na skutek zaangażowania nowych technologii i spełniania wysokich wymagań materiałowych (wytrzymałościowych), trybologicznych i sterowania, wzrost kosztów potencjalnych napraw pogwarancyjnych, przerzucanie w/w kosztów na finalnego nabywcę i konieczność tworzenia proekologicznej polityki transportowej, stymulującej popyt na ekologiczne silniki, niezadowalający stopień redukcji eksploatacyjnego zużycia paliwa, zgłaszany przez wielu użytkowników. Z wymienionych powodów efektywność koncepcji downsizingu należy oceniać ostrożnie. Wypadkowa redukcja zużycia paliwa zależy bowiem od wielu zmiennych takich jak profil i szybkość jazdy, stan techniczny pojazdu i silnika, średniego podczas całego cyklu jazdy stopnia obciążania silnika itd. Rozważając różne parametry zużycia paliwa przez silnik należy zawsze przyjmować właściwy (możliwie szeroki) kontekst analizy, celem uzyskania wiarygodnych wyników. Koncepcja downsizingu pod względem założeń teoretycznych wydaje się słuszna przy projektowaniu typowych silników samochodowych. Należy jednak pamiętać o silnych i słabych stronach koncepcji, a także w szczególności uważać, aby względy ekologiczne nie prowadziły do wytwarzania silników zbyt drogich co może prowadzić do spadku popytu. Obserwacje rynku wskazują jednak, że silniki typu downsized zyskują coraz większą popularność i są jednostkami prestiżowymi w wielu koncernach samochodowych, a coraz więcej prognoz i zapowiedzi uwzględnia jeszcze bardziej radykalne zmiany w tym zakresie. Choć trudno jednoznacznie przewidzieć w jakim kierunku podążą zmiany w motoryzacji, powyższe przesłanki pozwalają sądzić, iż koncepcja downsizingu silników będzie aktualna przez kilka najbliższych dekad [12]. Publikacja powstała w ramach realizacji projektu badawczego nr 5178/B/T02/2011/40 finansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki. Streszczenie Produkowane obecnie nowoczesne silniki spalinowe służące do napędów samochodów osobowych w większości konstruowane są wg koncepcji dowsizingu. Należy jednak pamiętać, że oprócz tego kierunku rozwoju silników realizowane są również inne alternatywne koncepcje jak napędy hybrydowe czy wysokosprawne silniki o zapłonie samoczynnym DDE (Derated Diesel Engine). W artykule omówiono zagadnienia związane z teoretycznymi aspektami dowsisingu. Przedstawiono zagadnienia zmian sprawności silników konstruowanych wg koncepcji downsizingu ze szczególnym uwzględnieniem zmian sprawności mechanicznej. Omówiono zagadnienie wpływu doładowania, jako podstawowej techniki stosowanej w downsizingu silników, wykorzystując w tym celu porównanie obiegów teoretycznych silników wolnossących oraz doładowanych mechanicznie i zespołami turbosprężarkowymi. Wiele uwagi poświęcono również przedstawieniu charakterystyk uniwersalnych silników, wyjaśniając w oparciu o nie praktyczny efekt dowsizingu jakim jest ograniczenie emisji dwutlenku węgla poprzez obniżenie zużycie paliwa. 5104

The theoretical aspects of downsizing concept of combustion engines Abstract Modern combustion engines purposed to drive vehicles are mostly constructed according to the concept of downsizing. However it is worth to remember, that in addition to this idea of the engines development there are also implemented other alternative concepts such as hybrid drives or high-performance compression ignition DDE (Derated Diesel Engine). In this paper there are discussed issues related to the theoretical aspects of downsizing. There are presented issues of the changes of engines efficiency designed according to the concept of downsizing, with particular attention to changes in mechanical efficiency. There is discussed the influence of supercharging, as the primary technique applied in downsized engine by using for this purpose comparison of theoretical engines cycles. Much attention is also devoted to the presentation of the universal characteristics of the engines, based on which there is presented the explanation of the practical effect of downsizing such as reduction of carbon dioxide emission by lowering the fuel consumption. BIBLIOGRAFIA 1. Brzeżański M., Śliwiński K., Downsizing nowy kierunek rozwoju silników samochodowych. Silniki Spalinowe 2/2004. s. 3-11. 2. Friedl H. Kapus P. Kierunki rozwoju silników ZI. Silniki Spalinowe 2/2005. S.3-9 3. Klonowski M., Mniej, ale wydajniej downsizing silników. Motor 12/2012. s.40-41. 4. Wajand J.A., 5. Teodorczyk A., Rychter T. Teoria silników tłokowych. Wyd. WKŁ. Warszawa. 2006. S. 79 6. Myszkowski S., Jeździć oszczędniej, Wiadomości IC nr 30, Warszawa, kwiecień 2009. 7. Http://autokult.pl/2010/07/20/testy-zuzycia-paliwa-oraz-metody-na-obnizenie-konsumpcji. 8. Http://forum.tdi-tuning.pl/printview.php?t=912&start=0 9. Luft S., Podstawy budowy silników. Wyd. Komunikacji i Łączności. Warszawa. 2006. ISBN: 83-206-1629-8 10. Http://autokult.pl/2010/08/12/czy-powinnismy-bac-sie-downsizingu. 11. Http://www.auto-motor-i-sport.pl/magazyn/silnik-downsizing-pojemnosc-2896.html 12. Hejny B., Downsizing ekologiczny trend w konstrukcjach nowoczesnych silników spalinowych. Praca dyplomowa inżynierska, promotor Dariusz Pietras, ATH Bielsko-Biała 2013. 5105