Diesel: silnik który napędza świat

Diesel to najbardziej wydajny silnik spalinowy na świecie. Zapewnia większą moc i mniejsze zużycie paliwa niż alternatywy, takie jak benzyna, sprężony gaz ziemny lub skroplony gaz ziemny. Silniki wysokoprężne stanowią moc największych maszyn na świecie — ciężarówek, pociągów, statków i łodzi podwodnych. Na pierwszy rzut oka są podobne do zwykłych silników benzynowych, ale generują więcej mocy i są bardziej wydajne.

Od czasu ich wynalezienia prawie 150 lat temu, silniki wysokoprężne znacznie ewoluowały. Dzisiejsza zaawansowana technologia silników Diesla to trzyczęściowy system obejmujący silniki ze zoptymalizowanymi podzespołami, układami sterowania, konstrukcją i strategiami spalania; ultraniskosiarkowe oleje napędowe i/lub niskoemisyjne odnawialne biodiesle, a także najnowocześniejsza technologia kontroli emisji, razem wzięte, praktycznie eliminują ogromne emisje zanieczyszczeń, które są wytwarzane z silników wysokoprężnych.

Sprawdzona efektywność energetyczna zaawansowanego oleju napędowego oraz możliwość wykorzystania paliw odnawialnych sprawiają, że jest to kluczowa technologia pomagająca w uzyskaniu czystszego powietrza i niższej emisji gazów cieplarnianych z myślą o zrównoważonym środowisku.

Zaawansowane konstrukcje silników wysokoprężnych są wysoce zoptymalizowane, aby osiągnąć maksymalną moc, osiągi i oszczędność paliwa, jednocześnie minimalizując i kontrolując powstawanie emisji spalin. Osiąga się to dzięki unikalnej konfiguracji komory spalania i specjalistycznym powłokom metalowych elementów silnika, takich jak łożyska, tłoki i wały korbowe.

Sterowane komputerowo systemy zarządzania silnikiem precyzyjnie kontrolują i optymalizują każde zdarzenie spalania, w czasie rzeczywistym, poprzez zarządzanie precyzyjnie kontrolowanymi zdarzeniami wtrysku paliwa pod wysokim ciśnieniem i turbosprężarkami o zmiennej geometrii. Dezaktywacja cylindrów, hybrydyzacja, elektryfikacja niektórych komponentów, a także inne strategie to także wyłaniające się aspekty zaawansowanej konstrukcji obecnych silników wysokoprężnych.

Jak działa silnik Diesla?

Podobnie jak silnik benzynowy, silnik wysokoprężny jest rodzajem silnika spalinowego. Silnik spalinowy to po prostu taki, w którym paliwo spala się wewnątrz głównej części silnika, gdzie wytwarzana jest moc.

Obecne silniki bardzo różnią się od silnika spalinowego, takiego który był używany w staromodnych lokomotywach parowych. W dawnej maszynie parowej na jednym końcu kotła pali się duży ogień, który podgrzewa wodę w celu wytworzenia pary. Para przepływa długimi rurami do cylindra na przeciwległym końcu kotła, gdzie popycha tłok w przód i w tył w celu wytworzenia ruchu kół. Takie spalanie nazywamy zewnętrznym, ponieważ ogień pojawia się na zewnątrz cylindra.

W silniku benzynowym lub wysokoprężnym paliwo spala się przy cylindrach. Spalanie wewnętrzne powoduje marnowanie znacznie mniejszej ilości energii, ponieważ ciepło nie musi przepływać z miejsca, w którym zostało wyprodukowane, do cylindra: wszystko dzieje się w tym samym miejscu. Dlatego silniki spalinowe wewnętrzne są bardziej wydajne niż silniki spalinowe zewnętrzne – wytwarzają więcej energii z tej samej ilości paliwa.

Co sprawia, że silnik wysokoprężny jest bardziej wydajny niż benzynowy?

Silniki wysokoprężne są nawet dwukrotnie bardziej wydajne niż silniki benzynowe – w najlepszym razie około 40–45 procent. Mówiąc najprościej, oznacza to, że możesz dojechać znacznie dalej na tej samej ilości paliwa. Jest tego kilka powodów.

Po pierwsze: wyższy stopień sprężania powietrza pozwala na lepsze wykorzystanie energii cieplnej dostarczonej do silnika.

Po drugie: silniki wysokoprężne charakteryzują się wyższą sprawnością termodynamiczną dzięki wykorzystaniu cyklu Carnota, który jest bardziej efektywny niż cykl Otto stosowany w silnikach benzynowych. Cykl Carnota opiera się na przekształceniach adiabatycznych, które pozwalają na większe wykorzystanie dostarczonej energii cieplnej. Silnik wysokoprężny pracujący przy większej różnicy temperatur jest bardziej wydajny.

Po trzecie: silniki wysokoprężne nie używają zapłonu iskrowego, jak to ma miejsce w silnikach benzynowych. Zamiast tego paliwo jest wtryskiwane do cylindra w postaci rozbryzgu, a następnie samozapala się pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia wywołanego sprężarką. To oznacza, że silnik wysokoprężny wykorzystuje całą dostarczoną energię paliwa, co przekłada się na większą sprawność.

Po czwarte: silniki wysokoprężne charakteryzują się zazwyczaj wyższym momentem obrotowym niż silniki benzynowe o porównywalnej pojemności. To oznacza, że silnik wysokoprężny może pracować efektywnie w niższych zakresach obrotów, co jest przydatne w zastosowaniach, gdzie wymagane jest dużo momentu obrotowego, takie jak jazda ciężarówkami czy ciągnięcie przyczep.

Po piąte: innym ważnym czynnikiem jest to, że olej napędowy niesie nieco więcej energii na litr niż benzyna, ponieważ cząsteczki, z których jest zbudowany, mają więcej energii łączącej swoje atomy. Olej napędowy jest również lepszym smarem niż benzyna, więc silnik wysokoprężny będzie naturalnie pracować z mniejszym tarciem. Silniki wysokoprężne są często bardziej trwałe niż silniki benzynowe, ponieważ mają mniej ruchomych części, co ogranicza zużycie i zużywanie się elementów mechanicznych. Ponadto, ze względu na wyższy moment obrotowy, silniki wysokoprężne pracują przy niższych obrotach, co może zmniejszyć zużycie paliwa w niektórych warunkach.

Zalety i wady silników wysokoprężnych

Silniki wysokoprężne to najbardziej wszechstronne, powszechnie stosowane silniki spalające paliwo – od pociągów i dźwigów po buldożery i łodzie podwodne. W porównaniu do silników benzynowych są prostsze, wydajniejsze i bardziej ekonomiczne. Są także bezpieczniejsze, ponieważ olej napędowy jest mniej lotny, a jego opary mniej wybuchowe niż benzyna. W przeciwieństwie do silników benzynowych szczególnie dobrze nadają się do przenoszenia dużych ładunków przy małych prędkościach, dlatego idealnie nadają się do stosowania na statkach przewożących towary, ciężarówkach, autobusach i lokomotywach. Wyższa kompresja oznacza, że części silnika wysokoprężnego muszą wytrzymywać znacznie większe naprężenia i obciążenia niż części silnika benzynowego. Dlatego silniki Diesla muszą być mocniejsze i cięższe i dlatego przez długi czas służyły wyłącznie do napędzania dużych pojazdów i maszyn.

Zanieczyszczenia to jedna z największych wad silników Diesla: wytwarzają one mieszaninę substancji zanieczyszczających, w tym tlenki azotu, tlenek węgla, węglowodory i cząsteczki sadzy, które są brudne i niebezpieczne dla zdrowia. Teoretycznie diesle są bardziej wydajne, więc powinny zużywać mniej paliwa, emitować mniej dwutlenku węgla (CO2) i w mniejszym stopniu przyczyniać się do globalnego ocieplenia. W praktyce toczy się spór, czy to rzeczywiście prawda. Niektóre eksperymenty laboratoryjne wykazały, że średnia emisja spalin z silników wysokoprężnych jest tylko nieznacznie niższa niż w przypadku silników benzynowych, chociaż producenci twierdzą, że jeśli porówna się podobne samochody z silnikiem Diesla i benzyną, diesle rzeczywiście wypadną lepiej. Inne badania sugerują, że nawet nowe samochody z silnikiem Diesla powodują duże zanieczyszczenie.

Europejska Agencja Środowiska zauważa na przykład, że nawet typowy samochód z silnikiem Diesla, spełniający normy emisji EURO 6, wytwarza około 10 razy więcej zanieczyszczeń tlenkiem azotu niż porównywalny pojazd benzynowy. A co z emisją CO2? Według The Society of Motor Manufacturers & Traders, samochody z silnikiem Diesla w ogromnym stopniu przyczyniły się do zmniejszenia emisji CO2. Od 2002 r. nabywcy wybierający olej napędowy zaoszczędzili prawie 3 miliony ton CO2 przedostającego się do atmosfery.

Silniki wysokoprężne rzeczywiście kosztują początkowo więcej niż silniki benzynowe, chociaż ich niższe koszty eksploatacji i dłuższa żywotność zazwyczaj to rekompensują. Mimo to nabywcy samochodów nie wydają się już przekonani: nastąpił znaczny spadek sprzedaży od czasu skandalu dotyczącego emisji spalin Volkswagena w 2015 r., kiedy to niemiecki producent samochodów błędnie przedstawiał emisje swoich samochodów z silnikiem Diesla, aby sprawiały wrażenie mniej zanieczyszczających.

Nie ma wątpliwości, że silniki wysokoprężne będą w dalszym ciągu napędzać ciężkie pojazdy – od nich zależą ciężarówki, autobusy, statki i lokomotywy – ale ich przyszłość w samochodach osobowych i lżejszych pojazdach staje się coraz bardziej niepewna. Nacisk na samochody elektryczne zapewnił potężny impuls do uczynienia silników benzynowych lżejszymi, bardziej ekonomicznymi i mniej zanieczyszczającymi środowisko. W rosnącej konkurencji między niedrogimi pojazdami elektrycznymi, a ulepszonymi samochodami benzynowymi diesle mogą zostać całkowicie wyparte. Z drugiej strony same diesle stale się rozwijają. Już w 2011 roku Departament Energii Stanów Zjednoczonych przewidywał, że sprawność przyszłych silników może wzrosnąć z obecnych 40% do 60% lub więcej.

Technologie i odbudowa silników Diesla

Dzisiejszy nowoczesny silnik wysokoprężny jest naszpikowany nowoczesnymi technologiami. Globalny potentat produkujący silniki wysokoprężne, firma Cummins wydaje 1 miliard dolarów rocznie na badania i rozwój technologii silników. Co więcej, niedawno w Krakowie firma zainwestowała 10 mln dolarów w Europejskie Centrum Odbudowy Silników, w którym przywraca te potężne jednostki do życia w momencie kiedy już są niezdolne do pracy.

Marek Matuszewski Country Leader na Polskę, Kraje Bałtyckie i Ukrainę w Cummins zaznacza, że krakowski oddział to nie tylko centrum odbudowy silników. Posiada również warsztat, który będzie przywracał do pracy silniki nie tylko o pojemności od 19 do 78 litrów, ale także mniejsze jednostki. Kraków jest także hubem, który będzie zaopatrywał w części kraje bałtyckie i Ukrainę. Dodatkowo dochodzi serwis. Jeśli chodzi o koszt odbudowy silnika, cena waha się pomiędzy 70-80% wartości nowego silnika – wszystko zależy od remontowanej jednostki.

Jak w wielkim skrócie proces odbudowy wygląda w oddziale? Po przywiezieniu silnik jest myty w myjni, przechodzi na stanowisko gdzie jest rozbierany na części. Już podczas procesu rozbierania pracownicy wiedzą, które komponenty mają zostać wymienione na nowe. Podczas prac elementy silnika poddawane są wielokrotnym inspekcjom i poddawane testom jakościowym. Obiekt posiada także własna hamownię, która mierzy szczegółowo parametry silnika, w tym także jego rzeczywisty moment obrotowy oraz lakiernię.

Firma korzysta także z wiedzy wielu jednostek naukowych na świecie czerpiąc pomysły od umysłów ścisłych. Współpracuje także z technicznymi uczelniami w Polsce.

Jesteśmy w stałym kontakcie z uczelnią AGH, z której także zatrudniamy młodych i ambitnych studentów – dodaje Marek Matuszewski.

Integracja komponentów automatyki z silnikami wysokoprężnymi znacznie poprawiła sprawność i zoptymalizowała pracę dzisiejszych zaawansowanych silników wysokoprężnych. Jednostki Cummins oferują w pakietach pełny zestaw cyfrowych produktów i możliwości, które mają na celu wydłużyć żywotność silników.

Możemy obecnie zdalnie monitorować stan sprzętu i analizować jego działanie, wykorzystując w razie potrzeby największą w tej branży sieć serwisową –  podkreśla Marek Matuszewski.

Firma oferuje opcję Predictive Service Insights, która ostrzega floty samochodów ciężarowych i lokalizacje serwisowe o prawdopodobieństwie awarii określonych komponentów, dostarczając rekomendacji serwisowych, umożliwiając im zaplanowanie wymiany przed wystąpieniem faktycznej awarii. Technologia ta wykorzystuje dane bezpośrednio z silnika, co pomaga klientom uniknąć nieplanowanych i kosztownych przestojów.

Redukcja emisji spalin w silnikach Diesla

Dzisiejsze silniki Diesla emitują o 90% mniej szkodliwych emisji spalin, w porównaniu z silnikami wyprodukowanymi przed rokiem 2000. Postęp w technologii pomógł zdecydowanie w dalszym ulepszaniu silników wysokoprężnych. Redukcja emisji spalin z silników to jeden z kluczowych kierunków firmy Cummins.

Technologia w tym przypadku odegrała kluczową rolę w jej ograniczaniu. Nowe inteligentne układy napędowe potrafią zmniejszyć zużycie paliwa i znacznie zmniejszyć emisję spalin. Na przykład predykcyjna zmiana biegów wykorzystuje kombinację kamer, czujników i danych o ruchu drogowym, aby aktywnie zmieniać bieg na wyższy lub niższy w pojeździe w zależności od nadchodzących warunków na drodze. Wykorzystywana technologia umożliwia automatyczną zmianę biegów, oszczędzając paliwo i zmniejszając naprężenia mechaniczne przekładni i powiązanych części.

Normy emisji spalin stale ewoluują, co oznacza, że pojazdy użytkowe ze starymi specyfikacjami silników wysokoprężnych nie odpowiadają obecnym standardom. Dlatego Cummins oferuje także szeroką gamę technologii oczyszczania spalin, aby sprostać stale zmieniającym się przepisom. Te układy oczyszczania spalin zawierają filtr cząstek stałych Cumminsa, który gromadzi i utlenia węgiel, usuwając cząstki stałe o ponad 90%. Po usunięciu cząstek stałych w spalinach nadal pozostaje tlenek azotu i dwutlenek azotu. Aby obniżyć te poziomy, w procesie wtrysku wprowadza się mocznik, który przekształca toksyczne emisje w nieszkodliwy azot i parę wodną. Dzięki temu skutecznie można wyeliminować szkodliwe emisje, co w rezultacie przekłada się na redukcję emisji ze spalin.

Jak opowiada Marek Matuszewski, firma posiada wizję „Planety 2050”, w której zakłada, że do tego 2050 roku wszystkie ich produkty nie bedą emitowały zanieczyszczeń do środowiska. W tym celu powołana została w tym roku dodatkowa spółka o nazwie Accelera. Obecnie w Hiszpanii budowana jest fabryka komponentów, które będą składową zeroemisyjnych silników.

Przyszłość silników wysokoprężnych

Przez dziesięciolecia olej napędowy był głównym paliwem napędzającym całe gałęzie przemysłu. W porównaniu z silnikami benzynowymi, technologia diesla została zaprojektowana specjalnie do transportu ciężkich ładunków na duże odległości. Jest idealnym wyborem dla pojazdów i sprzętu o dużej pojemności ładunkowej, które wymagają wysokiej mocy i trwałości..

Technologia ta znajduje swoje zastosowanie począwszy od pojazdów drogowych, takich jak autobusy i ciężarówki, po pojazdy terenowe, takie jak maszyny do kopalni oraz statki i lokomotywy. Wykorzystywana jest również do zastosowań stacjonarnych, takich jak generatory prądu w placówkach medycznych, centrach danych i innych budynkach.

Silniki wysokoprężne przeszły znaczną ewolucję pod względem sprawności i emisji. Dzisiejsze jednostki wysokoprężne są znacznie bardziej ekologiczne i efektywne, niż kiedykolwiek wcześniej, co zawdzięczają postępowi technologicznemu i zastosowaniu nowoczesnych norm dotyczących emisji spalin. Obraz pojazdu z silnikiem Diesla wydzielającego gęsty, czarny dym już dawno przestał być aktualny. Doskonałym przykładem poprawy jest fakt, że 30 lat temu jedna ciężarówka emitowała tyle samo emisji co obecnie 60 ciężarówek.

W ciągu ostatnich dwóch dekad przepisy znacząco ograniczyły emisję kluczowych zanieczyszczeń pochodzących z silników Diesla. Obecnie powszechnie uważa się, że technologie o zerowej emisji dwutlenku węgla oraz technologie o obniżonej emisji dwutlenku węgla stanowią ostateczny cel naszego dążenia do zrównoważonego rozwoju środowiskowego. Droga ku temu celowi będzie wymagała wykorzystania różnorodnego zestawu technologii, od mikrosieci i magazynów energii o niskiej emisji po ogniwa paliwowe oraz źródła energii odnawialnej.

Porównując silniki wysokoprężne z elektrycznymi układami napędowymi, oczywiste jest, że te pierwsze oferują większą elastyczność i korzystają z wieloletniego doświadczenia. Z kolei opcja elektryczna silnika nadal znajduje się we wczesnej fazie rozwoju i boryka się z wyzwaniami, takimi jak kwestie związane z infrastrukturą, ceną i zasięgiem. Mimo potencjalnych zalet, jakie niesie za sobą napęd elektryczny, wszechstronność i niezawodność silników wysokoprężnych sprawiają, że konkurowanie z nimi na rynku będzie trudne. Niezależnie od tego, czy trzymasz się świata silników wysokoprężnych, czy też interesuje cię odkrywanie możliwości pojazdów elektrycznych, zarówno wysokoprężne, jak i elektryczne układy napędowe są budowane z myślą o przyszłości – każdy z nich po prostu ma zastosowanie do konkretnych zastosowań i potrzeb klienta.

Dziękujemy, że przeczytałaś/eś nasz artykuł do końca. Obserwuj nas także w Wiadomościach Google.

Jeśli spodobał Ci się artykuł i uważasz, że prezentowane przez nas treści są ciekawe i wartościowe – udostępnij dalej swojej społeczności. Dziękujemy.