Silniki spalinowe: wewnętrzne rozwiązania dla bardziej ekologicznej przyszłości.

Jeszcze niedawno przewidywano szybki spadek znaczenia silników spalinowych ze względu na napędzany aspektami środowiskowymi i wydajnościowymi rosnący trend e-mobilności. Obecnie jednak producenci kładą duży nacisk na rozwój silników spalinowych, których przyszłość w dużej mierze zależy od ich niskoemisyjnej konstrukcji. Metody oczyszczania spalin można podzielić na wewnętrzne i pozasilnikowe systemy obróbki spalin. W tym artykule przyjrzymy się bliżej tym pierwszym.

Z tego artykułu dowiesz się:

• jakie są wyzwania związane z emisją w silnikach spalinowych,
• jaka jest rola norm emisyjnych,
• jaki wpływ mają gazy spalinowe,
• jakie są wewnętrzne rozwiązania zmniejszające emisje.

Czy mamy problemy z emisją spalin?

Dynamiczny rozwój przemysłu motoryzacyjnego w drugiej połowie XX wieku doprowadził do pojawienia się znacznej liczby pojazdów napędzanych silnikiem spalinowym. Szczególnie w latach 50. i 60. ubiegłego wieku Stany Zjednoczone stanęły przed problemem nadmiernego zanieczyszczenia środowiska. Niedopracowane jednostki napędowe z nieefektywnym procesem spalania okazały się z czasem niewystarczające, dlatego poszukiwano metod poprawy parametrów pracy silników oraz redukcji wysokiego jednostkowego zużycia paliwa. Rosnąca aktywność osób zainteresowanych ekologią zwróciła uwagę na możliwe wyczerpywanie się naturalnych zasobów paliw kopalnych, skażenie środowiska oraz zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi spowodowane zanieczyszczeniem spalinami. W konsekwencji zaczęły pojawiać się ilościowe i jakościowe ograniczenia emisji spalin. Wprowadzenie tych norm poprzedziły rozważania nad złożonymi mechanizmami powstawania szkodliwych i toksycznych związków w silniku spalinowym. Obecnie uznaje się, że obawy przed zniszczeniem środowiska naturalnego przez emisję spalin są znacznie większe niż potencjalne wyczerpanie się naturalnych źródeł paliwa, gdyż duża część złóż pozostaje jeszcze nieodkryta.

Normy – przeszkoda czy siła napędowa innowacji?

Stany Zjednoczone były prekursorem w tworzeniu norm emisji spalin, ustanawiając CARB (California Air Resources Board, 1967) i EPA (United States Environmental Protection Agency, 1970), a w kolejnych latach własne ośrodki do walki z emisją na rynkach lokalnych stworzyły Europa, Japonia i Australia. W efekcie silniki spalinowe podlegają coraz bardziej rygorystycznym wymogom dotyczącym emisji szkodliwych i toksycznych związków chemicznych powstających w procesie spalania paliwa.

Normy emisyjne dotyczą nie tylko pojazdów osobowych, ale także szerokiej gamy pojazdów ciężarowych i maszyn znajdujacych się na lądzie, łodzi i statków na morzu, a nawet samolotów, które przemierzają niebo – wszystkiego, co wykorzystuje silnik spalinowy. Z jednej strony zmusza to inżynierów opracowania technik i technologii zmniejszających emisję spalin, napędzając innowacyjność, ale z drugiej ogranicza jednak rozwój silników, gdyż projektanci muszą uwzględniać odgórne ograniczenia w całym procesie projektowania silnika i podsystemów. Co ciekawe, obecnie normy emisji odnoszą się nie tylko do spalin, ale takze inne czynniki przyczyniające się do zanieczyszczenia, takie jak cząstki stałe z opon i hamulców. Nie bez znaczenia jest również fakt, że wygórowane normy emisji mogą stwarzać warunki, których spełnienie promuje alternatywne metody napędu, takie jak elektryfikacja. Jednostki zasilane energią elektryczną wykazują swoje wielkie zalety w różnych zastosowaniach, udowadniając swoją niezawodność i efektywność na przestrzeni lat. Jednak całkowite odejście od technologii spalania, biorąc pod uwagę różne zastosowania i globalną perspektywę, wydaje się obecnie nierealne. Równolegle zrównoważone rozwiązania energetyczne, w tym przyszłe paliwa do silników spalinowych, mają wielką szansę na sukces. Paliwa te są projektowane w taki sposób, aby oferować niższy wpływ na środowisko w porównaniu do konwencjonalnych paliw kopalnych, takich jak benzyna i olej napędowy.

Co znajdziemy w spalinach?

Ideą silnika spalinowego jest przekształcenie energii chemicznej zawartej w paliwie w energię mechaniczną. Proces ten jest wieloetapowy i bejmuje powtarzające się procesy fizykochemiczne. Efekt końcowy w postaci momentu obrotowego i mocy jest możliwy dzięki głównemu procesowi chemicznemu – reakcji spalania pomiędzy węglowodorami (HC) z paliwa w obecności powietrza zawierającego tlen (O₂) i azot (N₂).

Gazy spalinowe, uważane za substancje odpadowe, powstają podczas utleniania i niepełnego spalania paliw ropopochodnych i muszą być usunięte z silnika lub ponownie wykorzystane. Dokładny skład spalin zależy w dużej mierze od rodzaju paliwa, konstrukcji silnika i warunków pracy. Chociaż większość składu gazów spalinowych stanowią czysty azot i tlen, można wyróżnić trzy główne grupy związków chemicznych:

• Neutralne – H₂O (para wodna),
• Szkodliwe – CO₂ (dwutlenek węgla),
• Toksyczne – CO (tlenek węgla), HC (węglowodory), NO_x (tlenki azotu), PM (cząstki stałe).

Z punktu widzenia ekologicznego najistotniejsze są związki toksyczne, które mają najbardziej niekorzystny wpływ na środowisko i zdrowie, dlatego największy nacisk kładzie się by je ograniczyć. Ich łączna obecność może stanowić mniej niż 1% całkowitego składu spalin. Procesy powstawania związków toksycznych są skomplikowane i zależą od szeregu czynników charakterystycznych dla każdego związku indywidualnie.

Czy możemy oczyścić zanim spalimy?

W przypadku obecnie produkowanych silników spalinowych emisję toksycznych związków trzeba uwzględnić już na jednym z pierwszych etapów projektowania. Konstrukcja poszczególnych elementów silnika i ich powiązania funkcjonalne między podzespołami mają bardzo istotny wpływ na całkowitą emisję. Odpowiednie obliczenia i symulacje pozwalają ocenić już w początkowej fazie projektowania czy konstrukcja będzie w stanie spełnić wymagane prawem normy. Działania mające na celu poprawę konstrukcji silnika i ograniczenie obecnych w spalinach zanieczyszczeń opuszczających silnik nazywane są wewnętrznymi (pierwotnymi) i obejmują głównie:

• zastosowanie układu recyrkulacji spalin – EGR stosowany jest głównie w celu redukcji emisji tlenków azotu oraz pośrednio węglowodorów. Układ kieruje pewną ilość spalin do cylindra (kolektora dolotowego), aby mogły one ponownie wziąć udział w reakcji spalania. Powoduje to częściowe zastąpienie tlenu spalinami, co obniża średnią temperaturę całego procesu spalania. Niższa temperatura cylindra zmniejsza emisję NOx. Pozytywny wpływ EGR na emisję węglowodorów wynika z możliwości utleniania łańcuchów węglowodorowych, które zostały tylko częściowo przerwane podczas pierwotnego procesu spalania.
• rozwój systemów wtrysku paliwa – precyzyjna kontrola ilości paliwa i momentu jego dostarczenia do cylindra prowadzi do zmniejszenia emisji toksycznych związków. Wysokie ciśnienie wtrysku pozwala na lepsze wymieszanie paliwa z powietrzem w cylindrze, rozbicie dużych kropel paliwa na mniejsze i szybsze odparowanie węglowodorów. Ma to pozytywny wpływ na emisję cząstek stałych, podczas gdy ilość wytwarzanych tlenków azotu wzrasta. Ulepszona konstrukcja wtryskiwaczy zapewnia znacznie krótsze czasy otwarcia i zamknięcia, co pozwala precyzyjniej kontrolować ilość paliwa dostarczanego do cylindra. Dodatkowo, opracowanie strumienia wtrysku zapewnia lepszą dystrybucję paliwa w komorze spalania, co pozytywnie wpływa na rozmiar kropel paliwa.
• poprawa wydajności turbosprężarki -aby proces spalania przebiegał prawidłowo, oprócz paliwa konieczne jest dostarczenie odpowiedniej ilości świeżego powietrza. W tym celu stosuje się układy zasilania powietrzem wyposażone w turbosprężarkę, która wtłacza powietrze pod zwiększonym ciśnieniem do cylindrów. Ciśnienie doładowania powietrza pozwala obniżyć stopień sprężania oraz zmniejszyć zużycie paliwa, co przekłada się na ograniczenie emisji związków toksycznych przy bez pogorszenia parametrów pracy silnika.
• zmniejszenie emisji węglowodorów – istotnym problemem w przypadku silników spalinowych jest strata węglowodorów pochodzących z paliwa, które nie uczestniczy aktywnie w procesie spalania, oraz oleju smarowego. Istnieje kilka źródeł czystych węglowodorów, z których emisja jest ograniczana – skrzynia korbowa i układ paliwowy. Podczas pracy silnika spalinowego w skrzyni korbowej powstaje ciśnienie gazu, które musi mieć możliwość ucieczki do atmosfery, aby chronić silnik przed uszkodzeniem. Ze względu na wysoką temperaturę silnika, olej smarujący paruje, a paliwo dostaje się do skrzyni korbowej w wyniku nieszczelności w układzie cylinder-pierścienie-tłok. Nowoczesne silniki wykorzystują zamknięty układ wentylacji skrzyni korbowej (CCV), w którym zanieczyszczone gazy i opary są filtrowane – olej wraca do skrzyni korbowej, a gazy są ponownie wprowadzane do kolektora dolotowego.
• Optymalizacja faz rozrządu – optymalizacja faz rozrządu zapewnia efektywne spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej w komorze spalania. Zmniejsza to ilość niespalonego paliwa i węglowodorów w spalinach.

W obrębie silnika można wyróżnić także inne metody, które dodatkowo wpływają na niską emisję toksycznych związków w spalinach. Przykładem może być optymalizacja układów chłodzenia silnika w celu utrzymania temperatury jednostki napędowej w zakresie najniższej emisji, elektryfikacja podzespołów w celu zmniejszenia wysiłku jednostki napędowej czy dobór odpowiedniej jakości paliw i olejów. Projektanci silników aktywnie rozwijają kolejne aspekty silników spalinowych w celu zapewnienia odpowiedniej jakości spalin.

Utrzymanie znaczenia silników spalinowych w bardziej ekologicznej przyszłości

Choć silniki spalinowe stoją w obliczu rosnących regulacji środowiskowych i konkurencji ze strony napędów elektrycznych, ciągłe innowacje w zakresie redukcji emisji podkreślają ich potencjał w zmieniającym się rynku. Dzięki zaawansowanym strategiom projektowym inżynierowie aktywnie zmniejszają wpływ tych silników na środowisko. Te osiągniecia, w połączeniu z systemem oczyszczania spalin, który przedstawimy w kolejnym artykule, oraz zrównoważonymi opcjami paliwowymi, wskazuje że technologia silników spalinowych może nadal odgrywać znaczącą rolę obok rozwiązań elektrycznych – zwłaszcza w zastosowaniach, w których pełna elektryfikacja pozostaje wyzwaniem. W miarę rozwoju branży, koncentracja na czystszej technologii spalania podkreśla zrównoważone podejście do mobilności, które integruje zarówno tradycyjne, jak i alternatywne systemy napędowe, dążąc do zrównoważonej przyszłości wykorzystującej mocne strony każdego z nich.

Jakub Szylar

Project Leader, Układy napędowe

Od zawsze pasjonowałem się motoryzacją. Niektórzy twierdzą, że musiałem urodzić się w garażu, ale to mój ojciec, mechanik samochodowy, wprowadził mnie w świat motoryzacji. Jako Project Leader w Endego czuję się kreatywny i odpowiedzialny za wyniki pracy, które przynoszą satysfakcję naszym klientom. Wykonując zarówno czynności projektowe, jak i zarządcze, mogę być częścią każdego zespołu na drodze do sukcesu.