1

2

3

4

5

 

System common rail

Pojawienie się układu common rail znacząco wpłynęło na rynek motoryzacyjny, popularyzując samochody z silnikami wysokoprężnymi. Choć zasada działania tego układu jest stosunkowo prosta, to sam proces produkcji seryjnej wymaga stosunkowo zaawansowanej technologii, a co więcej właściwej elektroniki sterującej. Wtryskiwacze stosowane w common rali posiadają raczej wyrafinowaną konstrukcję, natomiast biorąc pod uwagę fakt, że czas ich otwarcia to jedynie milisekundy, produkcja tego elementu wymaga ogromnej precyzji. Podobnie jest z pompą wysokiego ciśnienia, która zmuszona jest do wytwarzania ciśnienia wynoszącego ponad tysiąc bar. Kontrolę nad pracą tych elementów sprawuje elektroniczny sterownik. Jego rola polega na bieżącym obliczaniu dawki wtrysku, a także sterowaniu pracą zarówno wtryskiwaczy, jaki i pompy. Układ ten pracuje bardzo sprawnie, a także posiada niezbędną swobodę czasu wtrysku. Tym samym możliwy jest odpowiedni podział dawki w czasie jednego cyklu spalania. Dzięki temu, jedna duża dawka została zastąpiona kilkoma zdecydowanie mniejszymi. Takie rozwiązanie pozwoliło na ograniczenie emisji substancji szkodliwych do środowiska, co ma niebagatelne znaczenie przy ciągłym zaostrzaniu obowiązujących norm emisyjnych. Przy okazji zmniejszył się również poziom hałasu, a tym samym zwiększył komfort jazdy.

Moc i znaczenie momentu obrotowego

Moment obrotowy to parametr będący równoznaczny z siła, jaką możemy uzyskać z silnika, tym samym więc od niego zależy przyspieszenie, a także uciąg samochodu. Naturalną jest to, że im wyższa moc samochodu, tym lepsze przyspieszenie. Jednak jest to następstwem faktu, że silnik charakteryzuje się wysokim momentem obrotowym. W praktyce oznacza to mniej więcej tyle, że nawet przy wysokich obrotach jesteśmy w stanie rozpędzić samochód. Moc natomiast jest odpowiedzialna za to, jaką możemy osiągnąć maksymalną prędkość jazdy. Prędkość jest oczywiście zależna od przełożeń układu napędowego. Jednym słowem, nawet zawieszona moc maksymalna, osiągana przy niezmienionej prędkości obrotowej silnika nie spowoduje zmian, a więc maksymalna prędkość będzie wciąż taka sama. Co więcej, jazda z maksymalną prędkością wcale nie jest równoznaczna z tym, że silnik osiągnął maksymalną moc. Natomiast chcąc zwiększyć prędkość konieczna jest zmiana przełożeń układu napędowego. Najbardziej znamiennym przykładem jest porównanie różnic wrażeń, jakie towarzyszą nam podczas jazdy samochodem z silnikiem benzynowym, a jakie odczuwamy poruszając się pojazdem napędzanym silnikiem wysokoprężnym. Jeśli zestawimy silnik diesla i silnik benzynowy, oba o tej samej mocy, zauważymy dużą różnicę w przyspieszeniu. Diesel mocno przyspiesza, dzięki temu, że posiada wysoki moment obrotowy w zakresie niskich prędkości. Wymaga on jednak po przyspieszeniu szybkiej zmiany biegu na wyższy.

Czy samochody hybrydowe są przyszłością motoryzacji?

Pojawienie się na rynku samochodów z napędem hybrydowym spowodowało, że bardzo szybko znaleźli się entuzjaści takiego rozwiązania. Hybrydy typu plug-in mają tą zaletę, że ich akumulatory można ładować podczas postoju, chociażby wykorzystując domowe gniazdko elektryczne. Dzięki połączeniu silnika spalinowego z układem hybrydowym mamy możliwość wykorzystywania dowolnego napędu. Tym samym pokonując krótkie miejskie trasy możemy używać jedynie taniego w eksploatacji silnika elektrycznego. Obserwując wzrost zainteresowania, a tym samym zwiększoną produkcję samochodów typu plug-in, można pokusić się o przypuszczenie, że powoli producenci zmierzają w stronę samochodów elektrycznych. Nowością na rynku są samochody, które łączą całą infrastrukturę hybrydową z silnikiem wysokoprężnym. Początkowo jedynie silniki benzynowe wykorzystywano do tego celu. Było to spowodowane zapewne faktem, że silniki benzynowe są zdecydowanie tańsze od silników Diesla. Ponadto biorąc pod uwagę fakt, że silniki wysokoprężne cechuje bardzo wysoka sprawność, nawet przy jedynie częściowym obciążeniu, dodatkowe wspomaganie, jakie daje zastosowanie napędu hybrydowego daje jedynie niewielkie korzyści w porównaniu do tych, jakie przynosi zestawienie go z silnikiem benzynowym. Wszystko jednak wskazuje na to, że powoli tradycyjne samochody będą wypierane przez ich ekologicznych, a nade wszystko tanich w eksploatacji następców.

Połączenia napędów hybrydowych

Jednym z kryteriów, które decydują o podziale napędów hybrydowych jest sposób w jaki dwa źródła napędu są ze sobą połączone. Najbardziej typowy jest hybrydowy napęd równoległy. W tym układzie silnik elektryczny został podłączony do silnika spalinowego na przedłużeniu wału korbowego. Następnie znajdziemy w tym układzie skrzynię biegów oraz mechanizm różnicowy. Czyli kolejność analogiczna z rozwiązaniami stosowanymi w klasycznych samochodach z napędem spalinowym. Z racji tego, że oba silniki połączono mechanicznie, wykorzystując koła napędowe, użytkownik ma możliwość korzystania osobno z napędu elektrycznego, osobno z napędu spalinowego, a także napędzać samochód stosując oba silniki równocześnie. Kolejnym połączeniem jest stosowanym w napędzie hybrydowym jest tzw. napęd typu szeregowego. Tu z kolei generator energii odpowiedzialny jest za zasilenie akumulatorów, a także silnika elektrycznego napędzającego samochód, natomiast silnik spalinowy jest właśnie do niego podłączony. To rozwiązanie powoduje, że samochód zawsze napędzany jest przez silnik elektryczny. Trzecie połączenie to napęd mieszany szeregowo – równoległy. Pozwala on na optymalne wykorzystanie korzyści, jakie niesie za sobą obecność napędu hybrydowego. W tym układzie przekładnia sumująca łączy silnik spalinowy z dwoma silnikami elektrycznymi, pełniącymi jednocześnie rolę generatora.

Rodzaje napędów hybrydowych

Kiedy na rynku zaczęły pojawiać się pierwsze samochody z napędem hybrydowym, dzielono je ze względu na stopień zaawansowania tego napędu. Tak więc rozróżnialiśmy wówczas full hybrid oraz mild hybrid,, czyli pełną hybrydę i łagodną hybrydę. W pierwszym przypadku istniało przekonanie, że silnik elektryczny jest samodzielną jednostką mogącą napędzić samochód. Natomiast łagodna hybryda była wyposażona w stosunkowo niewielki i słaby silnik elektryczny, stanowiący jedynie wsparcie dla silnika spalinowego. W obecnie produkowanych samochodach najczęściej spotykamy napęd full hybrid. Ponadto napędy hybrydowe dzieli się również w zależności od sposobu, w jaki łączone są oba źródła napędu. W tej klasyfikacji rozróżniamy trzy typy połączeń, czyli napęd szeregowy, równoległy raz mieszany. Napęd spalinowo – elektryczny jest najbardziej rozpowszechniony. Natomiast potrzeba rozwoju sprawiła, że pojawiły się również rozwiązania, których celem jest oparcie napędy hybrydowego o inne źródła energii. Stąd też przeprowadzono badania nad napędem spalinowo – pneumatycznym, a także spalinowo – hydraulicznym. Oczywiście należy pamiętać również o kinetycznym napędzie hybrydowym, który wykorzystuje zjawisko wirujących mas. Takie rozwiązanie możemy obserwować w bolidach biorących udział w wyścigach samochodowych Formuły 1.

Samochody hybrydowe mają również wady

Samochody z napędem hybrydowym miały w założeniu wyleczenie wszystkich bolączek silnika spalinowego. W dużej mierze zabieg ten zakończył się sukcesem, a samochody hybrydowe bardzo szybko zyskały uznanie, i szybko stały się przedmiotem marzeń. Jednak mimo niewątpliwych zalet i korzyści, warto poświęcić chwilę, aby poznać wady tych samochodów. I niekoniecznie chodzi tu o cenę tych aut. Choć znajdą się tacy, którzy uznają, że koszt zakupu jest zasadniczą i podstawową wadą. Jednak cenę uzasadnia fakt, że samochody hybrydowe to połączenie standardowego modelu z dodatkowymi elementami umożliwiającymi współpracę silnika elektrycznego ze spalinowym. Jedną z najdroższych części składowych są akumulatory, bardzo często litowo – polimerowe. Te akumulatory leżą również u podstaw kolejnej wady. Ich obecność niestety rodzi potrzebę wygospodarowania odpowiedniej ilości miejsca, co często jest przyczyną zmniejszenie przestrzeni użytkowej samochodu. Konieczność zastosowania dodatkowych, a co gorsza ciężkich elementów zwiększa wagę pojazdu hybrydowego. Największy problem pojawia się, kiedy zakumulowana energia zostanie wyczerpana. Wówczas elementy tworzące układ hybrydowy są jedynie obciążeniem, powodującym wyższe spalanie. Tym samym samochody hybrydowe doskonale sprawdzą się w mieście, natomiast są bardzo nieekonomiczne na długich trasach.

Sens stosowania napędu hybrydowego

Pojawienie się silników hybrydowych zostało sprowokowane wadami, które dotyczą jednostek spalinowych. Głównym problemem, który miał rozwiązać silnik hybrydowy, to niska sprawność silnika spalinowego przy małych obciążeniach, a pełna sprawność przy pełnym obciążeniu. Tym samym niemożliwe jest zastosowanie silnika ekonomicznego, przeznaczonego do łagodnej oszczędnej jazdy. Pozbawimy się bowiem w ten sposób rezerw mocy, które mogą się przydać podczas wyprzedzania lub zwyczajnej szybkiej jazdy. Ta sytuacja doprowadziła do powstania samochodów z napędem hybrydowym, czyli łączącym w sobie dwa silniki – spalinowy i elektryczny. Te dwa źródła napędu stanowią dla siebie wzajemne wspomaganie. Optymalne ustawienie parametrów współpracy tych dwóch jednostek zapewnia prawidłowe, a co najważniejsze efektywne działanie napędu hybrydowego. W tym układzie silnik elektryczny pełni funkcję napędową, a równocześnie jest generatorem energii. Obecność silnika elektrycznego powoduje, że w samochodzie można dzięki niemu zmontować mniejszy, natomiast sprawniejszy silnik spalinowy. Tym samym podczas przyspieszenia, czy konieczności szybkiej jazdy, kiedy następuje duże obciążenie, silnik spalinowy wspierany jest napędem elektrycznym. Podczas wolnej jazdy, silnik elektryczny pełni funkcję generatora, a dodatkowo obciąża silnik spalinowy, który zyskuje dzięki temu obciążeniu wyższą sprawność.

Kilka słów o budowie turbosprężarki

Budowa turbosprężarki jest stosunkowo prosta. W rzeczywistości to nic innego, jak dwa współpracujące ze sobą urządzenia przepływowe. Jednym z nich jest turbina. Napędzają ją spaliny, których strumień opuszczając silnik trafiają do wirnika turbiny, mającego na celu nadanie im ruchu obrotowego. Drugą część turbosprężarki jest wirnik sprężarki, który za pomocą wałka łączy się z wirnikiem turbiny. Wirnik sprężarki ma kształt pozwalający na zasysanie powietrza z otaczającej go atmosfery. Jego zadaniem jest sprężenie zassanego powietrza, a następnie skierowanie jego strumienia w kierunku kolektora dolotowego. W ten właśnie sposób silnik otrzymuje zdecydowanie większą ilość powietrza, a tym samym rożnie jego moc. Sama turbosprężarka napędzana jest energią spalin, które w rezultacie i tak trafiają do rury wydechowej. Bardzo ważne w procesie turbodoładowania jest kontrolowanie ilości powietrza, które trafia do silnika. Aby móc właściwie regulować ilość powietrza, turbosprężarki posiadają specjalny zawór blow – off lub wastegate. Zwiększenie żywotności turbosprężarki następuje dzięki obniżeniu temperatury powietrza, które rozgrzewa się bardzo mocno podczas sprężania. Odpowiada za to intercooler. Ochłodzone powietrze gęstnieje, tym samym więcej go trafia do cylindra. Jak widać proste rozwiązania mogą być zarazem genialne.

Za co właściwie odpowiada turbosprężarka?

Ilość mieszaniny paliwa z powietrzem stanowi o mocy, jaką może osiągnąć silnik spalinowy. Zwiększenie ilości doprowadzanego paliwa jest bardzo proste, gorzej niestety zainicjować dostarczenie większej ilości powietrza. Można to oczywiście zrobić poprzez zwiększenie pojemności skokowej. Dzięki temu możliwe będzie zassanie zwiększonej ilości powietrza z atmosfery. Można również dostarczyć do silnika sprężone powietrze. Wówczas zachowując niezmienioną objętość, dostarczamy większą ilość tlenu, który jest niezbędny dla procesu spalania. Proces dostarczenia sprężonego powietrza, to nic innego jak doładowanie silnika. Zwiększenie ilości mieszanki paliwa z powietrzem w cylindrze powoduje uwolnienie zdecydowanie większej ilości energii, a tym samym osiągnięcie wzrostu mocy jednostki napędowej. Aby to osiągnąć niezbędne jest zastosowanie sprężarki, która powoduje wzrost ciśnienia powietrza, powodując jednocześnie zmniejszenie jego objętości. Turbodoładowanie z kolei to proces, który możliwy jest do osiągnięcia dziwki zastosowaniu sprężarki promieniowej. Co więcej, wykorzystuje on energię spalin, dzięki czemu jest postrzegany jako jedna z najbardziej efektywnych form zwiększania mocy. Nic więc dziwnego, że rozwiązanie to jest tak powszechnie stosowane w większości samochodów z silnikiem wysokoprężnym, zarówno osobowych, jak również dostawczych.

Krótka historia turbosprężarki

Turbosprężarki po raz pierwszy zostały zamontowane w celu wspomagania silnika już ponad 100 lat temu. Oczywiście wtedy nie wspomagały pracy silników samochodowych, a stanowiły wsparcie dla jednostek montowanych w okrętach czy lokomotywach. Dzięki ich zastosowaniu udało się znacznie zwiększyć moc niskoobrotowych dużych silników. Zalety turbodoładowania bardzo szybko docenił przemysł lotniczy, dla którego problem stanowiła gęstość powietrza, która na dużych wysokościach była bardzo niska. Nie trzeba było długo czekać, aby turbosprężarkami zainteresowali się konstruktorzy silników samochodowych. Ponieważ silniki wysokoprężne nie wymagały specjalnie skomplikowanych procesów, mających na celu regulację turbosprężarki, pierwotnie zastosowano ją, aby zwiększyć moc samochodów ciężarowych. Zresztą samochody osobowe wówczas były napędzane wyłącznie benzyną, stąd też nie specjalnie turbodoładowanie było im potrzebne. Dopiero w latach sześćdziesiątych rozpoczęto seryjną produkcję samochodów osobowych wyposażonych w turbosprężarkę. Z czasem turbodoładowanie zyskało na znaczeniu. Dziś w zasadzie trudno jest znaleźć samochód osobowy czy dostawczy z silnikiem Diesela, który nie byłby wspomagany turbosprężarką. Co więcej, potrzeba zmniejszenia pojemności skokowej silnika spowodowała, że turbodoładowanie zaczęto stosować również w jednostkach napędzanych benzyną.