Optymalizacja silników spalinowych
Fot. Bosch
Optymalizacja silników spalinowych
W 2020 roku w pojazdach drogowych nadal dominować będą silniki spalinowe, lecz ich konstrukcja musi zostać udoskonalona stosownie do wymogów ochrony ziemskiego klimatu i rezerw paliw kopalnych.
Według obecnych prognoz z końcem bieżącej dekady światowa produkcja samochodów osobowych i lekkich dostawczych osiągnie poziom 104 milionów sztuk (w 2010 – 71 milionów). Z tego zaledwie 3 miliony przypadnie w udziale pojazdom elektrycznym i hybrydowym typu plug-in. W kolejnych 6 milionach silniki elektryczne towarzyszyć będą spalinowym jako napęd dodatkowy w układzie hybrydowym. To znaczy, iż w 2020 roku trafi na światowy rynek ok. 100 milionów pojazdów z silnikami spalinowymi.
Przyszłość napędów tradycyjnych
Z powyższych liczb wynika, że udział napędów elektrycznych w redukcji emisji dwutlenku węgla przez światowy transport samochodowy będzie stosunkowo niewielki, a dominującą rolę w spełnianiu rygorystycznych norm ochrony środowiska i oczekiwań klientów i pełnić będą nadal pojazdy spalinowe.
W 2009 roku przeciętny samochód osobowy w Europie odprowadzał do atmosfery 146 gramów CO2 w przeliczeniu na jeden przejechany kilometr. Komisja Europejska nakazuje państwom członkowskim UE obniżenie tego wskaźnika do 130 gramów na kilometr (o 11%) w 2015 roku, a do 95 g/km w roku 2020 (redukcja o ok. 30%). O ile na innych kontynentach zmniejszenie emisji dwutlenku węgla związane jest z wprowadzaniem rozmaitych paliw alternatywnych, o tyle w Europie zarówno użytkownicy, jak i producenci pojazdów zainteresowani są głównie dalszym rozwojem silników spalinowych. Istnieją bowiem realne techniczne możliwości, by obecne zużycie paliwa ograniczyć w silnikach z zapłonem iskrowym i wysokoprężnych aż o połowę, przy zakładanym udoskonaleniu pozostałych części pojazdów, takich jak np. opony o niskich oporach toczenia, lżejsze konstrukcje nośne i nadwozia o poprawionej aerodynamice.
Już teraz niektóre modele samochodów, także w klasie średniej, emitują mniej CO2 niż będzie to wymagane na obszarze Unii w 2015 roku. Na przykład VW Golf TSI z silnikiem benzynowym o mocy 77 kW opracowany przy udziale Boscha zużywa 5,2 litra paliwa na 100 km, emitując zaledwie 121 gramów dwutlenku węgla na kilometr. Ten sam Golf z silnikiem wysokoprężnym przy zużyciu oleju napędowego 3,8 l/100 km osiąga poziom emisji 99 g/km. Podobnie korzystne charakterystyki mają modele Volvo C30D i BMW 5, a Peugeot 3008 z technologią hybrydową Bosch spełnia już normy emisji przewidziane na rok 2020.
Współczesne hybrydy benzynowe odznaczają się zużyciem paliwa podobnym do występującego w porównywalnych silnikach Diesla, a obie te technologie już dziś są w stanie spełniać normy obowiązujące w 2020 roku. Także większość konstrukcji seryjnie produkowanych teraz silników dysponuje wystarczającą rezerwą dla zastosowania znacznych oszczędności energii.
Era downsizingu
Jeśli chodzi o zrealizowane projekty, najnowsze oraz przygotowywane prototypy, najbardziej skuteczną metodą ograniczania zużycia paliwa i emisji CO2 okazuje się downsizing. Koncepcja ta polega na zmniejszaniu do minimum pojemności skokowej i liczby cylindrów, co obniża straty energii powodowane przez tarcie i bezwładność ruchomych mas, jak również zmniejsza straty cieplne. Nie odbywa się to kosztem rozwijanej mocy, gdyż są to wyłącznie silniki z turbodoładowaniem rekompensującym z nadwyżką efekt zmniejszonej pojemności.
Z końcem 2011 roku spółka joint venture Bosch Mahle Turbo Systems rozpocznie produkcję nowoczesnych systemów turbodoładowania, przeznaczonych do nowych konstrukcji silników benzynowych i wysokoprężnych. Na rok 2015 planuje się ich roczną produkcję na poziomie miliona sztuk.
Możliwości downsizingu nie zostały jeszcze wyczerpane, lecz dalszy rozwój tej koncepcji wymaga rozwiązania pewnych problemów jej towarzyszących. W przypadku silników benzynowych przeszkodą jest tzw. granica spalania stukowego, po osiągnięciu której zapłon zaczyna przebiegać w sposób niekontrolowany. Przezwyciężenie tych trudności umożliwia stosowanie bezpośredniego wtrysku paliwa, ponieważ schładza on komorę spalania i jednocześnie zapewnia dobre przepłukiwanie cylindra świeżym powietrzem. Dzięki temu granicę spalania stukowego można przesunąć na tyle, by silnik zdolny był pokonywać znacznie wyższe obciążenia przy większym stopniu doładowania. W efekcie przy zapłonie iskrowym uzyskiwane będą bardzo wysokie momenty obrotowe, osiągalne dotychczas tylko w silnikach Diesla.
Z kolei zwiększanie stopnia doładowania w silnikach wysokoprężnych wiąże się z koniecznością stosowania coraz wyższych ciśnień wtrysku w systemach common rail, aby zapobiegać przeciążeniom układu korbowego przez nadmierny wzrost ciśnień w cylindrach i występowaniu zbyt wysokich temperatur gazów odprowadzanych do turbosprężarki. Jest to korzystne także dla optymalizacji składu mieszanki, a tym samym – dla oszczędności paliwa i czystości spalin, zwłaszcza pod względem emisji tlenków azotu.
Jeszcze w tym roku Bosch wprowadzi do seryjnej produkcji pierwszy system common rail do samochodów osobowych, charakteryzujący się ciśnieniem wtrysku 2200 barów. Konstruowana jest też następna generacja o ciśnieniu 2500 barów.
Inne możliwości
W niektórych konstrukcjach silników postęp w dziedzinie systemów wtryskowych nie jest bynajmniej warunkiem koniecznym dla obniżenia zawartości zanieczyszczeń w spalinach. Ich konstruktorzy mają bowiem do dyspozycji oprócz filtrów cząstek stałych także systemy redukcji tlenków azotu. Pierwsze takie rozwiązania dla samochodów osobowych pojawiły się na rynku amerykańskim w 2008 roku, a już w następnym – na europejskim. Wyposażone w nie silniki Diesla już dziś spełniają wymogi normy EU6, mającej obowiązywać dopiero od roku 2015.
Systemy DenOx umożliwiają dostosowanie silnika do tych podwyższonych standardów nawet przy ciśnieniach wtrysku rzędu 1600 barów. W samochodach osobowych z silnikami wysokoprężnymi mogą być one wykorzystywane również do zmniejszania zużycia paliwa nawet o 5%. Ze względu na upowszechnianie się układów common rail na nowych rynkach azjatyckich, gdzie wymagane są rozwiązania bardzo wytrzymałe, a równocześnie niedrogie, Bosch planuje dostarczać do Chin i Indii instalacje wtryskowe o ciśnieniu od 1400 do 1800 barów.
Konstruktorzy Boscha poszukują możliwości ograniczania emisji CO2 nie tylko w obrębie samych silników, lecz także w innych zespołach nowoczesnych pojazdów drogowych, poprzez poprawę ich ogólnej sprawności energetycznej. Chodzi tu przede wszystkim o eliminację jałowej pracy urządzeń w danym momencie nieużywanych. Warunek ten spełniają na przykład elektrycznie sterowane pompy układu chłodzenia, elektryczne systemy wspomagania układów kierowniczych, a także alternatory ładujące akumulatory głównie podczas hamowania samochodu silnikiem.
Bezpośredni wtrysk benzyny i turbodoładowanie zapewniają płaską charakterystykę momentu obrotowego
Największą skutecznością w tym zakresie odznacza się system start-stop firmy Bosch. Wyłącza on silnik spalinowy przy każdym, nawet krótkotrwałym, zatrzymaniu pojazdu i samoczynnie włącza go ponownie po naciśnięciu przez kierowcę pedału przyspieszenia. Daje to 4% średniej oszczędności paliwa mierzonej w nowym europejskim cyklu jazdy, a w warunkach ruchu miejskiego – nawet 8%.
---
Dr Rolf Leonhard pełni fukcję prezesa ds. rozwoju w dziale branżowym Systemy Diesla spółki Robert Bosch GmbH. Publikowany artykuł jest redakcyjnym skrótem referatu wygłoszonego w Boxbergu na 60. Międzynarodowej Konferencji dla Prasy Motoryzacyjnej. Tytuł i śródtytuły zostały wprowadzone przez redakcję.
0 komentarzy dodaj komentarz