Silnik o zapłonie

samoczynnym

Wykonał: Masternak Damian Kl. IV T4B

Silnik o zapłonie samoczynnym (znany powszechnie jako silnik

wysokoprężny lub silnik Diesla, ZS) – silnik cieplny spalinowy

tłokowy o spalaniu wewnętrznym, w którym ciśnienie

maksymalne czynnika jest znacznie większe, niż w silnikach

niskoprężnych (z zapłonem iskrowym), a do zapłonu paliwa nie

jest wymagane żadne zewnętrzne źródło energii, ma miejsce

zapłon samoczynny. Do cylindra dostarczane jest powietrze, kiedy

tłok zbliża się do swojego GMP następuje wtrysk paliwa, które

następnie spala się po przekroczeniu w komorze spalania

temperatury jego zapłonu. Do zainicjowania zapłonu nie są

potrzebne tak w jak w przypadku silnika o zapłonie iskrowym

zewnętrzne źródła ciepła. Stopień sprężania w silnikach

wysokoprężnych mieści się w przedziale 12-25.

Zasada działania



Ssanie
Do cylindra, w wyniku przesuwania się tłoka i wystąpienia dzięki temu podciśnienia, zasysane jest z otoczenia czyste
powietrze.. Suw ssania kończy się zamknięciem zaworu ssącego (silnik czterosuwowy) lub przesłonięciem kanału
dolotowego (silnik dwusuwowy).



Sprężanie
Zassane do cylindra powietrze (o temperaturze zbliżonej do temperatury otoczenia) jest następnie sprężane w wyniku
ruchu tłoka w stronę głowicy przy zamkniętych zaworach. Podczas sprężania rośnie intensywnie temperatura powietrza
do bardzo wysokiej wartości.



Praca (ekspansja)
Temperatura powietrza pod koniec sprężania jest tak wysoka, że możliwy jest zapłon wtryśniętej dawki paliwa do
przestrzeni nad tłokiem znajdującym się w pobliżu górnego martwego położenia. Paliwo wtryskiwane jest pod wysokim
ciśnieniem (zob. hydrauliczny system wtrysku paliwa), dzięki czemu uzyskuje się dobre rozpylenie paliwa. Bardzo małe
krople paliwa otoczone gorącym powietrzem szybko odparowują, a pary paliwa, dzięki dużej turbulencji, dobrze
mieszają się z powietrzem tworząc jednorodny gaz palny. Gaz ten ulega samozapłonowi wywołanemu wysoką
temperaturą. W wyniku spalania silnie rośnie temperatura gazu. Spalanie rozpoczyna się, gdy tłok znajduje się w
pobliżu górnego położenia zwrotnego tłoka. Jest to początek ekspansji czynnika roboczego i wykonywania pracy.
Początkowo, wraz ze wzrostem temperatury, rośnie także ciśnienie czynnika, lecz wzrost prędkości poruszania się tłoka
powoduje, że ciśnienie zaczyna maleć, a rośnie objętość właściwa gazu. Spalanie kończy się jeszcze w czasie ruchu
tłoka w stronę dolnego martwego położenia.
Podczas suwu pracy ujawnia się główna różnica pomiędzy silnikiem wysokoprężnym a silnikiem o zapłonie iskrowym
pracującym według cyklu Otta. W silnikach o zapłonie iskrowym spalanie mieszanki zachodzi bardzo szybko i wiąże się
z gwałtownym wzrostem temperatury i ciśnienia w cylindrze (przemiana izochoryczna). W silnikach Diesla spalanie jest
wolniejsze i następuje w dużej mierze podczas cofania tłoka. Ciśnienie podczas spalania jest mniej więcej stałe, rośnie
natomiast temperatura i objętość gazu (czyli jest to przemiana izobaryczna).



Wydech
Gdy tłok znajduje się w pobliżu dolnego martwego położenia, następuje otwarcie zaworu wylotowego. Ponieważ
ciśnienie gazu w cylindrze jest wyższe od ciśnienia otoczenia, następuje wylot gazu do otoczenia. Zawór ten jest
otwarty także podczas ruchu tłoka w kierunku głowicy i prawie wszystkie gazy spalinowe zostają wydalone z cylindra.

Podstawy termodynamiczne



Obiegiem porównawczym współczesnych silników wysokoprężnych jest obieg
Seiligera-Sabathé. Obieg ten składa się z następujących przemian
charakterystycznych:



adiabatyczne sprężanie,



izochoryczne podgrzewanie czynnika,



izobaryczne podgrzewanie czynnika,



adiabatyczne rozprężanie,



izochoryczne oziębianie czynnika.

Obieg porównawczy jest obiegiem teoretycznym. Silnik rzeczywisty pracuje wg

obiegu, składającego się z nieco innych przemian. Sprężanie i rozprężanie nie są

adiabatyczne, ponieważ występuje wymiana cieplna ze ściankami cylindra, głowicą,

tłokiem i innymi elementami. Nawet, gdyby występujące procesy były adiabatyczne,

nie byłyby odwracalne. Ogrzewanie czynnika nie jest izobaryczne, następuje

najpierw wzrost ciśnienia, a potem jego spadek. Najważniejszą różnicą jest to, że

obieg porównawczy opisuje układ zamknięty (wykorzystywany jest wciąż ten sam

czynnik), a obieg rzeczywisty układ otwarty (następuje wymiana czynnika

roboczego).

Rozwiązania konstrukcyjne

W powszechnie stosowanych silnikach paliwo wtryskiwane

jest do komory wstępnej, komory wirowej lub bezpośrednio
do cylindra. W silnikach z komorą wstępną i wirową stosuje

się zwykle świece żarowe, których żarzenie (rozgrzanie do

czerwoności) wspomaga wystąpienie samozapłonu w

zimnym silniku. Występuje tu bowiem silniejsze chłodzenie

sprężanego powietrza od chłodnych ścianek cylindra i

głowicy, niż w przypadku silnika z wtryskiem bezpośrednim.

Zasilanie paliwem odbywa się poprzez układ hydraulicznego

systemu wtrysku paliwa. Są to pompy sekcyjne, pompy

rozdzielaczowe i nowoczesne rozwiązania konstrukcyjne

(pompowtryskiwacze, system common rail) – te ostatnie

konstrukcje świec żarowych zasadniczo nie wymagają.

Parametry

charakterystyczne

Paliwem spalanym w silniku wysokoprężnym jest

zwykle olej napędowy lub (w przypadku

wolnobieżnych silników wielkogabarytowych)

mazut. Istotną cechą paliw dla silników

wysokoprężnych jest liczba cetanowa, która

świadczy o zdolności do samozapłonu. Ponadto –

paliwo musi spełniać funkcje smarne w układzie

wtrysku paliwa, przez co paliwa alternatywne do

silników wysokoprężnych (np. zużyty lub świeży

olej roślinny – zob. olej rzepakowy) do

nowoczesnych systemów wtrysku się nie nadają z

uwagi na groźbę zatarcia i zablokowania sadzami

precyzyjnych otworków wtryskiwaczy. Ponadto
jego liczba cetanowa jest niska co jest istotną

wadą (zwiększa się znacznie zwłoka zapłonu i

silnik wchodzi w obszar dymienia). Znacznie

lepsze są estry olejów roślinnych (tzw. biodiesel).

Zużycie tego paliwa jest wyższe o kilka procent,

co wynika z mniejszej wartości opałowej niż oleju

napędowego. Warto wspomnieć, że pierwszy

silnik wysokoprężny, zbudowany przez Rudolfa

Diesla zasilany był olejem arachidowym.

Paliwa



Stopień sprężania – od 14 do 23



Ciśnienie sprężania – od 3 do 4,5
Mpa



Ciśnienie spalania – od 5 do 8 Mpa



Ciśnienie wtrysku paliwa – od 12
do 200 MPa

Wady i zalety

Wady



Większa emisja tlenków azotu NOx w porównaniu do silników z zapłonem iskrowym, wyposażonych w trójfunkcyjny katalizator spalin.
Aby wykluczyć emisję tlenków azotu NOx stosuje się układy recyrkulacji spalin, w nowszych konstrukcjach technologię AdBlue.



Emisja cząstek stałych jeśli silnik nie jest wyposażony w odpowiedni filtr.



Większe koszty produkcji w porównaniu z silnikami benzynowymi.



Większa masa silnika - sztywniejszy musi być wał korbowy, kadłub silnika z uwagi na wyższe ciśnienia pracy.



Zazwyczaj większa hałaśliwość pracy niż silników benzynowych o tej samej mocy.



Ograniczona maksymalna prędkość obrotowa spowodowana zwłoką zapłonu.



Większe wymagania co do własności olejów silnikowych.



Trudności w uruchomieniu silnika zimą w niskich temperaturach (konieczność podgrzania komory spalania przez świece żarowe). Ta
wada została praktycznie wyeliminowana w nowoczesnych konstrukcjach poprzez bardzo szybkie i wydajne świece.



Wskutek wyższego momentu obrotowego większe obciążenie układu przeniesienia napędu skutkujące, w przypadku zbyt forsownej
eksploatacji, szybszym zużyciem elementów współpracujących (skrzynia biegów, sprzęgło, dwumasowe koło zamachowe).



Wrażliwość na niską temperaturę i konieczność stosowania odpowiedniego paliwa zimą.



Spaliny mogą wywoływać raka płuc.

Zalety



Większa sprawność konwersji energii chemicznej paliwa, a dzięki temu mniejsze zużycie paliwa.



Większa niezawodność pracy silnika (dyskusyjne dla nowoczesnych, skomplikowanych silników z Common Rail i
pompowtryskiwaczami).



Możliwość pracy w ciężkich warunkach, gdzie wilgoć mogłaby unieruchomić silniki benzynowe, w których potrzebna jest iskra od
aparatu zapłonowego.



Współczesne silniki Diesla są bardzo rozwinięte technologicznie, co przekłada się na bardzo dobre osiągi tych silników i zastosowania
w samochodach wyścigowych jak np. Audi R10. Osiągi te pozostają jednak relatywnie kiepskie względem silników benzynowych o
identycznej pojemności skokowej i podobnym stopniu zaawansowania technologicznego np. silniki aut F1.