Silnik wysokoprężny z wtryskiem pośrednim

Silnik wysokoprężny z wtryskiem pośrednim – tłokowy silnik spalinowy, konstrukcyjna odmiana silnika wysokoprężnego, w którym paliwo jest podawane do komory wstępnej (lub komory wirowej) będącej integralną częścią głowicy silnika.

Inna równoznaczna nazwa (rzadko już spotykana) to silnik z dzieloną komorą spalania.

Geneza

Koncepcję i konstrukcję takiego silnika stworzył inż. Prosper L'Orange, niemiecki konstruktor i wynalazca. Tematem wiodącym była niska szybkobieżność ówczesnych silników wysokoprężnych a spowodowana niewystarczającym rozpyleniem podanej dawki paliwa. To, łącznie ze zwłoką zapłonu sprawiało, że zastosowanie ówczesnych silników wysokoprężnych było jedynie stacjonarne. W 1909 roku Inż. Prosper L'Orange rozdzielił fazę podania dawki paliwa z jej właściwym zapłonem (patent), dzięki czemu wykorzystano samorozpylenie paliwa i przez to znacząco wzrosła szybkobieżność silnika, a jego miękka praca spowodowała możliwość zmniejszenia jego masy – dzięki czemu silnik wysokoprężny mógł być zastosowany w transporcie drogowym do napędu samochodów^[1].

Idea

W komorze wstępnej dochodzi do odparowania wtryśniętej dawki paliwa, wymieszania z powietrzem i zapłonu. Wobec małej objętości komory dochodzi jedynie do częściowego spalenia paliwa. W wyniku wzrostu ciśnienia w komorze wstępnej następuje przepływ częściowo niespalonych gazów (opary paliwa i produkty częściowego spalenia paliwa) strugą z dużą prędkością (w silnym i pożądanym zawirowaniu) pod własnym ciśnieniem do cylindra nad tłok. Gazy dopalając się całkowicie oddają swoją energię poprzez suw pracy, dając pracę użyteczną. Zawirowanie strugi częściowo niespalonych gazów spalinowych z komory wstępnej stwarza doskonałe warunki do wymieszania się cząstek par paliwa z cząstkami sprężonego nad tłokiem powietrza i jest koncepcyjną ideą silnika wysokoprężnego z wtryskiem pośrednim. Idea jest zbliżona do pneumatycznego systemu wtrysku paliwa opracowanego przez Rudolfa Diesla.

Rozwiązania

Komora spalania w silniku z wtryskiem pośrednim może być zrealizowana w formie:

W pierwszym wariancie objętość powietrza w zasobniku powoduje spłaszczenie fali ciśnienia nad tłokiem po samozapłonie paliwa. W drugim wariancie opary paliwa i gazów spalinowych z powietrzem po samozapłonie w komorze wstępnej pod własnym ciśnieniem ulegają samorozpyleniu w komorze nad tłokiem, co również łagodzi tempo przyrostu ciśnienia ze spalonego paliwa. W trzecim wariancie silne zawirowanie powietrza skraca pierwszy okres procesu spalania paliwa (przyśpiesza wystąpienie samozapłonu), co redukuje masę paliwa ulegającemu jednoczesnemu samozapłonowi – co łącznie z objętością komory zmniejsza maksymalne ciśnienie w obiegu.

Zalety

Silniki wysokoprężne z wtryskiem pośrednim cechują się zaletami takimi jak:

niższe maksymalne ciśnienie obiegu, co przyczynia się do lżejszej konstrukcji silnika i mniejszej jego masy – cecha bardzo istotna w silniku trakcyjnym
możliwość unifikacji bloków cylindrowych, wałów korbowych itp. z lżejszymi silnikami benzynowymi (wykorzystanie tych samych linii produkcyjnych do obróbki)
miękka praca
łatwość uzyskania wyższych prędkości obrotowych
dobra szybkobieżność (reakcja na "dodanie gazu")
niewygórowane wymagania co do liczby cetanowej paliwa (zob. też zwłoka zapłonu)
prostsza konstrukcja aparatury wtryskowej i wtryskiwaczy.

Wady

Silniki te posiadają też i wady takie jak:

większe jednostkowe zużycie paliwa w stosunku do silnika z wtryskiem bezpośrednim z uwagi na straty cieplne
występują straty pompowania związane z przepływem strugi gazów po zapłonie z komory wstępnej lub wirowej do komory głównej nad tłokiem
trudniejszy jest rozruch zimą (niezbędna jest świeca żarowa).

Zastosowania

Silniki te jako pierwsze silniki wysokoprężne osiągnęły obroty 4000 obr./min, wiele z nich może osiągnąć 5000 obr./min – co w połączeniu z miękką pracą oraz lekką konstrukcją sprawiło, że z powodzeniem sprawdziły się jako napęd samochodów osobowych, dostawczych i ciężarowych. Szeroki zakres obrotów użytkowych pozwala bez problemu na wygodne stosowanie 5 a nawet 4 biegów do jazdy wprzód. Przykładem może być silnik 4C90 konstrukcji W.S.W. "Andoria" w Andrychowie, stosowany np. w samochodach Żuk i Lublin, oraz silnik S-530 (Star 28), silniki Panhard 4HL do autobusów Chausson i inne. Były stosowane nawet do napędu lokomotyw SM41, czy niektórych egzemplarzy lokomotywy Lxd2. W ZSRR silniki z komorą wirową były stosowane też do ciągników gąsienicowych DT-54 (lata 50. XX wieku).

Silniki te mogą pracować zarówno jako silniki wolnossące (spotykane np. w wybranych samochodach Citroen C15D, niektóre wersje FSO Polonez), jak i z turbodoładowaniem (niektóre wersje Lublina) i z intercoolerem (niektóre wersjie GAZ Gazela i Honkera).

Zmierzch

Opanowanie nowych technologii silnika z wtryskiem bezpośrednim (pompowtryskiwacze, system common rail o b. wysokim ciśnieniu wtrysku (dobre rozpylenie paliwa) – zwłaszcza z podawaniem dawki paliwa w kilku porcjach na jeden cykl – co sprzyja redukcji twardości biegu silnika) z niskim jednostkowym zużyciem paliwa, oraz kwestie ekologiczne (czystość spalin) sprawiło, iż silniki z wtryskiem pośrednim odgrywają mniejszą rolę jako silniki trakcyjne do napędu pojazdów niż kiedyś i powoli zaczynają wychodzić z produkcji.

Przypisy

↑ Zob. Prosper L'Orange sekcja Precombustion chamber (ang.).

Zobacz też

Bibliografia

Adam Tuszyński. Samochodowe silniki wysokoprężne. Wydawnictwa Komunikacyjne. Warszawa 1954 r.
Jan Werner Silniki spalinowe małej i średniej mocy. Wyd. II Wydawnictwa Naukowo – Techniczne Warszawa 1964 r.
M. Bernhardt, S. Dobrzyński, E. Loth "Silniki samochodowe". Wyd. IV WKiŁ 1988 r.

[1] Zob. Prosper L'Orange sekcja Precombustion chamber (ang.).

[1]