Janusz MYSŁOWSKI ELASTYCZNOŚĆ WSPÓŁCZESNYCH SILNIKÓW O ZAPŁONIE ISKROWYM Streszczenie W pracy przedstawiono możliwości dynamiczne silników spalinowych o zapłonie iskrowym nowej generacji oraz tych silników z różnymi rodzajami doładowania. Dokonano porównania współczynników elastyczności omawianych silników oraz ich porównania z silnikami o zapłonie samoczynnym. WSTĘP Elastyczność silnika spalinowego mówi o jego zdolności przystosowania się do zmiennych obciążeń i prędkości obrotowych. Dla silników trakcyjnych jest to bardzo istotny wskaźnik ich możliwości eksploatacyjnych. Duże natężenie ruchu drogowego wymusza stosowanie silników przeznaczonych do napędu pojazdów samochodowych o większej elastyczności niż to miało miejsce dotychczas. Dotyczy to szczególnie pojazdów drogowych o dużej masie, które mogą wpływać na zmniejszenie płynności ruchu w wyniku małej elastyczności silnika. Liczbowym wyrazem elastyczności silnika jest współczynnik elastyczności. Można określić go m.in. na podstawie charakterystyki zewnętrznej silnika [1], w sposób podany poniżej: M E = n o max N = em en (1) M N nmo max gdzie: e M rozpiętość (elastyczność) momentu obrotowego, e n rozpiętość prędkości obrotowej, M omax maksymalny moment obrotowy silnika, M N moment obrotowy odpowiadający mocy znamionowej, n Momax prędkość obrotowa maksymalnego momentu obrotowego, n N znamionowa prędkość obrotowa. Pierwszy z członów iloczynu przedstawia rozpiętość (elastyczność) momentu obrotowego i zależy ona od przebiegu krzywej momentu obrotowego silnika. Przebieg ten zależy od szeregu czynników takich jak: parametry charakterystyczne układu dolotowego, charakterystyka rozrządu, charakterystyka układu zasilania. Przez zmianę tych parametrów można wpływać na przebieg krzywej momentu obrotowego w kierunku pożądanym przez użytkownika, tak by silnik był dobrze przystosowany do wykonywanych zadań. Sposób realizacji poprawy elastyczności momentu obrotowego zależy od możliwości wykonawczych i analizy opłacalności danego rozwiązania w przypadku konkretnego silnika. Jeśli chodzi o możliwości zmian dru- AUTOBUSY 307
giego członu iloczynu, są one ściśle związane ze zmianą pierwszego członu polegającą na przemieszczeniu położenia maksimum krzywej momentu obrotowego. Od położenia tego maksimum zależy rozpiętość prędkości obrotowej i przez wpływanie na nią można skutecznie sterować elastycznością silnika. Biorąc pod uwagę uzyskiwane wartości elastyczności przez silniki samochodów osobowych najnowszej generacji znacznie korzystniej prezentowały się silniki o zapłonie samoczynnym i wtrysku bezpośrednim dla których średnia wartość całkowitej elastyczności wynosiła E = 2,905 (e M =1,449 i e n =2,005),podczas gdy dla silników o zapłonie iskrowym wynosiła E = 1,647 (e M =1,136 i e n =1,450). Prekursorem zastosowania silników o zapłonie iskrowym i wtrysku bezpośrednim była firma Mitsubishi w modelu Carisima 1.8 GDI, przy czym decydowały o tym względy ekonomiczności pracy silnika wyrażające się niskim zużyciem paliwa jak na silniki o zapłonie iskrowym. Charakterystykę gęstości czasowej zużycia paliwa przedstawia rys. 1. 0-25 % 25-75 % 75-100 % 225 235 30 25 20 15 10 5 0 udział % jednostkowe zuż. pal.g/kwh 225 230 235 240 300 prędkość obrotowa % Rys. 1. Charakterystyka gęstości czasowej zużycia paliwa silnika Mitsubishi 1.8 GDI [2] Źródło: Opracowanie własne Na rys. 1 widać wyraźnie, że wartości jednostkowego zużycia paliwa opisywanego silnika są bardzo zbliżone do wartości uzyskiwanych przez silniki wysokoprężne napędzające samochody osobowe. Największy udział procentowy zużycia paliwa mieści się w granicach 230 do 240 g/kwh i jest niski jak na silniki benzynowe. Natomiast elastyczność całkowita tego silnika była niska i wynosiła zaledwie E = 1,582. Dalsze poszukiwania poprawy parametrów operacyjnych silników o zapłonie iskrowym szły w kierunku poprawy ich ekonomiczności i elastyczności drogą doładowania turbosprężarkowego. Doładowanie to poprzednio napotykało na przeszkody w postaci zbyt wysokich temperatur spalin wpływających na żywotność turbin turbosprężarek oraz ich małej nadążności za zmianami obciążenia silnika. 1. NOWE SILNIKI BENZYNOWE Działania koncernu Volkswagen mające na celu doprowadzenie do powszechnego zastosowania silników benzynowych o wtrysku bezpośrednim przyniosły pozytywne rezultaty, a serię silników turbodoładowanych przeznaczonych do napędu samochodów osobowych o handlowej nazwie TFSI lub TSI przedstawia tabela 1. W silnikach 1,4 TSI lub TFSI (stare oznaczenie) zastosowano pulsacyjny napęd turbosprężarki, dzieląc kolektor wylotowy na dwie równoległe części. Wirniki turbosprężarki mają 308 AUTOBUSY
średnicę 37 lub 41 mm, co daje bardzo małą ich bezwładność, a tym samym krótki czas odpowiedzi na impuls spalin. Pozwala to na osiąganie prędkości obrotowych do 220 000 1/min, nieosiągalnych w turbosprężarkach silników samochodów ciężarowych. W ten sposób uzyskuje się możliwości sterowania przebiegiem krzywej momentu obrotowego. Tab. 1. Parametry pracy benzynowych silników koncernu Volkswagen [3] Lp. Model 1,4FSI AUX 1,4 TFSI CAXC 1,4 TSI BLG 2,0 TFSI AXX 3,0 V6 TFSI 1. Rodzaj rzędowy rzędowy rzędowy rzędowy widlasty 2. Ilość cyl. 4 4 4 4 6 3. D [mm] 76,5 76,5 76,5 82,5 84,5 4. Liczba zaworów 16 16 16 16 24 5. V ss [cm 3 ] 1390 1390 1390 1984 29 6. ε 12 10 10 10,5 10,5 7. N e / n 63 kw 92kW 125 kw 147 kw 213 kw 5000 1/min 5000 1/min 6000 1/min 5700 1/min 5000 1/min 8. M o /n 130 Nm 200 Nm 240 Nm 280 Nm 420 Nm 3500 1/min 1500 1/min 1750 1/min 1800 1/min 0 1/min 9. Doładowanie - Turbo Turbo+MechEaton Turbo Turbo + MechRoots Wymagana liczba 10. oktanowa /98 /98 98 /98 /98 Stały postęp w rozwiązaniach konstrukcyjnych benzynowych silników turbodoładowanych koncernu VW/Audi można prześledzić na podstawie porównania mocy jednostkowej tych silników co przedstawiono na rys. 2, a elastyczność silników z tabeli 1 w tabeli 2. Tab. 2. Elastyczność benzynowych silników koncernu Volkswagen Lp. Model 1,4FSI AUX 1,4 TFSI CAXC 1,4 TSI BLG 2,0 TFSI AXX 3,0 V6 TFSI 1. e M 1,079 1,137 1,205 1,136 1,031 2. e n 1,428 3,333 3,428 3,333 2,000 3. E 1,542 3,789 4,130 3,786 2,063 Rys. 2. Moce jednostkowe silników benzynowych VW / Audi W podobny sposób postąpiła szwedzka firma SAAB, stosując silniki benzynowe o wtrysku bezpośrednim. Jak wynika z podawanych informacji, parametry robocze silników benzynowych SAAB poprawiły się, szczególnie jeśli chodzi o przebieg momentu obrotowego, zbliżając się do charakterystyk silników o zapłonie samoczynnym. Obniżenie prędkości obrotowej, przy której występuje maksimum momentu obrotowego poprawia znacznie elastyczność silnika i wpływa na obniżenie jednostkowego zużycia paliwa. AUTOBUSY 309
Przegląd silników nowej generacji na tle silników bez doładowania podano w tabeli 3. Tab. 3. Parametry pracy benzynowych silników SAAB 900 [3] Rodzaj Rzędowy Rzędowy Rzędowy Rzędowy Rzędowy 1. Ilość cyl. 4 4 4 4 4 2. D [mm] 90 90 90 90 90 3. s [mm] 78 78 90 90 90 4. V ss [cm 3 ] 1985 1985 2290 2290 2290 5. ε 10,1 9,2 10,5 9,25 9,25 6. N e / n 96 kw 136 kw 110 kw 147 kw 165 kw 6 1/min 5500 1/min 5700 1/min 5500 1/min 5500 1/min 7. M o /n 177 Nm 263 Nm 210 Nm 323 Nm 342 Nm 4300 1/min 2100 1/min 4300 1/min 1800 1/min 1800 1/min 8. p doładow. [MPa] - 0,0-0,1 0,108 9. Wymagana 98 liczba oktanowa (min. 91) bezołow. (min. 91) bezołow. (min. 91) bezołow. (min. 91) bezołow. (min. 91) bezołow. Charakterystykę zewnętrzną jednego z doładowanych silników SAAB o korzystnym przebiegu momentu obrotowego przedstawia rys. 3. Moc kw/moment Nm 350 300 200 150 100 50 0 1500 2000 0 3000 3500 0 4500 5000 5500 Ne Mo prędkość obrotowa 1/min Rys. 3. Charakterystyka zewnętrzna silnika SAAB 2,3 Turbo (Aero) 2. OMÓWIENIE WYNIKÓW Prezentowane wyniki działań znanych koncernów w dziedzinie poprawy parametrów operacyjnych przedstawiają się imponująco. Zastosowanie wtrysku bezpośredniego w połączeniu z doładowaniem silników o zapłonie iskrowym pozwoliło znacząco podnieść wartości tych parametrów. W przypadku koncernu Volkswagen dzięki opisanym zabiegom poprawiono elastyczność całkowitą silników przeznaczonych do napędu samochodów osobowych w stosunku do średniej wartości podanej wcześniej o 108,9%, a w stosunku do średniej wartości dla silników o zapłonie samoczynnym (uważanych za bardzo elastyczne) o 18%. Co prawda największy przyrost uzyskano dla doładowania kombinowanego (turbodoładowanie + doładowanie mechaniczne), które pogarsza ekonomiczność pracy silnika, ale znacznie poprawiono jego właściwości dynamiczne, niezbędne przy coraz większym zatłoczeniu dróg. Podobne rezultaty uzyskano w koncernie SAAB wyrażające się przyrostem elastyczności całkowitej o 110,6% w stosunku do średniej wartości dla silników o zapłonie iskrowym oraz 19,4% w stosunku do elastyczności silników o zapłonie samoczynnym. 310 AUTOBUSY
BIBLIOGRAFIA 1. Mysłowski J., Kołtun J.: Elastyczność tłokowych silników spalinowych, WNT, Warszawa 2000. 2. Mysłowski J.: Pojazdy samochodowe. Doładowanie silników, WKiŁ, Warszawa 2011. 3. Poradnik VW Bosch, WKiŁ, Warszawa 2010. FLEXIBILITY OF CONTEMPORARY SPARK IGNITION ENGINES Abstract The paper presents the efforts to improve the flexibility of motor ignition engines intended to power cars. Discussed the latest developments in this field made by the leading car companies. Autor: prof. dr hab. inż. Janusz Mysłowski Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie AUTOBUSY 311