W ostatnich latach coraz większą popularność zdobywają samochody osobowe z napędem alternatywnym, a jednym z najczęstszych argumentów za silnikami elektrycznymi jest ich wyższa wydajność w porównaniu z jednostkami spalinowymi. Od momentu powstania silników benzynowych i wysokoprężnych nie ustają prace nad poprawą ich wydajności. W dalszym ciągu silniki te mają jednak poważne mankamenty. W artykule omówimy czynniki wpływające na powstawanie strat w silnikach spalinowych, jak również rozwiązania stosowane w celu ich kompensacji.

Parametry silnika

Silnik spalinowy jest silnikiem cieplnym skonstruowanym w celu przekształcenia wartości opałowej paliwa w pracę mechaniczną, którą układ napędowy może następnie wykorzystać do przyśpieszania i utrzymywania prędkości pojazdu, a także do obsługi urządzeń pomocniczych.

Parametry te można podzielić na dwie odrębne grupy – geometryczne i energetyczne. Są one ze sobą powiązane. Parametry te to średnica cylindra (D), skok tłoka (s), liczba skoków (n), liczba cylindrów (z) i ciśnienie powietrza zasysanego przez silnik (p), a podsumować je można następującym wzorem:

P = (D² π)/4 ∙ s ∙ z ∙ 0,5n ∙ p

Dzięki powyższym danym można łatwo obliczyć osiągi silnika, ale ustalenie tych danych w przypadku konkretnych jednostek jest możliwe tylko w określonych okolicznościach.

Uwagę może przyciągać 0,5 przy liczbie skoków. Rekompensuje to czterosuwowy cykl pracy. W przypadku bowiem silników dwusuwowych na każdy obrót koła zamachowego przypada jeden suw roboczy, a jednostka przetwarza więcej mieszanki paliwowej, co z kolei podwaja wydajność. Mimo to w obu typach silników skok skuteczny jest niewiele większy niż połowa skoku geometrycznego, więc rzeczywista objętość skokowa jest nie tylko mniejsza niż obliczeniowa, ale mniej korzystny jest również rzeczywisty stopień sprężania, a co za tym idzie wydajność transformacji energetycznej.

Kolejnym ważnym punktem jest stosunek wspomnianej wcześniej średnicy cylindra do długości skoku, ale tego stosunku nie odzwierciedla powyższy wzór. Ponieważ moc silnika spalinowego można skutecznie podnieść poprzez zwiększenie obrotów, obiecującym rozwiązaniem jest zwiększenie średnicy cylindra w stosunku do długości skoku.

Rozmiar otworu nie może być jednak zwiększany w nieskończoność: im większa średnica cylindra, tym bardziej niekorzystny kształt komory spalania, a tym samym zwiększona tendencja do tzw. spalania stukowego.

Na osiągi wpływa również liczba cylindrów: podzielenie danej objętości skokowej na większą liczbę cylindrów skutkuje wydajniejszą kompresją i lepszym wykorzystaniem energii cieplnej, choć negatywną stroną jest wzrost tarcia, co prowadzi do pogorszenia zarówno wydajności, jak i charakterystyki emisji.

Pojęcie wydajności

Straty w silnikach spalinowych dzielą się na dwie ogólne grupy: straty wewnętrzne i zewnętrzne, a ich suma określa, jakiego odsetka wartości opałowej paliwa silnik nie był w stanie przetworzyć na energię użyteczną dla układu napędowego.

Straty wewnętrzne to takie, które powstają w wyniku nieodwracalnych procesów zachodzących w silniku. Wszystkie one są natury przepływowej i termicznej – chodzi tu m.in. o przepływ, tarcie, zawirowania i inne oddziaływania mieszanki paliwowej, wymianę ciepła z otoczeniem, nieszczelności, itp.

Straty zewnętrzne to takie, które redukują wydatek pracy podczas cyklu, ale nie mają związku z czynnikiem roboczym. Są to zasadniczo straty mechaniczne powstałe w wyniku wzajemnego tarcia części silnika i pracy urządzeń pomocniczych.

Skalę tych strat ilustrujemy na podstawie pracy F. A. F. Schmidta:

Ponieważ straty wynoszą łącznie ok. 69%, sprawność silnika wynosi 31%. Są to oczywiście tylko szacunkowe wartości.

Z tabeli wynika jasno, że największe straty są związane z wykorzystaniem energii cieplnej paliwa, czy też jego sprawności termicznej, którą ilustruje poniższy wzór:

η_t = (W₀ ∙ β_α ) / (B ∙ H )_i

gdzie:

• W₀ – praca teoretyczna
• β_α – zmniejszający wydajność efekt reakcji rzeczywistego czynnika roboczego
• B – zużycie paliwa do pracy teoretycznej
• H_i – wartość opałowa paliwa

Stopień dobroci to różnica między cyklem teoretycznym a cyklem rzeczywistym:

η_j = W_i / W₀

gdzie:

• W_i – praca znamionowa
• W₀ – praca teoretyczna

Sprawność znamionowa jest ilorazem pracy znamionowej i wprowadzonego ciepła, ale odpowiada także iloczynowi sprawności cieplnej i stopnia dobroci:

η_i = η_t ∙ η_j

Stosunek mocy rzeczywistej (P_e) zmierzonej na wale korbowym silnika do mocy znamionowej (P_i) stanowi sprawność mechaniczną:

η_m = P_e / P_i

Ten wzór dotyczy w równym stopniu pracy skutecznej i znamionowej, jak również ciśnienia.

Jeśli porównamy pracę lub moc na wale głównym silnika z ciepłem pobranym z paliwem, otrzymamy sprawność skuteczną, znaną również jako sprawność ekonomiczna.

η_e = W_e / W_o

Jest to wartość uwzględniająca wszystkie straty silnika, a więc oznacza całkowitą sprawność silnika:

η_e = η_t ∙ η_j ∙ η_m

Jej praktyczna wartość wynosi 0,25-0,35 dla silników benzynowych i 0,28-0,42 dla silników wysokoprężnych.

Zwiększanie wydajności

Należy jednocześnie pamiętać, że określoną wydajnością charakteryzuje się każdy stan pracy – w niektórych zakresach prędkości spotykamy znacznie gorsze wartości od wyżej wymienionych. Dlatego też podjęto wiele wysiłków, aby ograniczyć pracę silników spalinowych do najbardziej efektywnych warunków pracy (np. napędy hybrydowe).

Zastosowanie turbosprężarki skutkuje również znacznym wzrostem wydajności, ponieważ urządzenie wykorzystuje do zwiększenia poziomu doładowania ciepło odpadowe i ruch spalin, które bez turbosprężarki byłyby uwalniane do środowiska.

Najnowocześniejsze systemy, takie jak stosowane w Formule 1, osiągają obecnie sprawność na poziomie 50%, ale nikt jeszcze nie osiągnął wyższego poziomu w samochodach osobowych, zaś silniki elektryczne osiągają sprawność na poziomie 80-90%.