Mimo że w ciągu ostatniego stulecia silnik wysokoprężny był stale udoskonalany, aby stać się jednostką napędową charakteryzującą się wysoką wydajnością paliwową, obecnie silnik wysokoprężny jest zagrożony jak nigdy dotąd. Zatem „jaka jest przyszłość silnika wysokoprężnego?” było tematem pytań zadawanych dr Staffanowi Lundgrenowi, starszemu doradcy ds. technologii ds. układów napędowych w Volvo Group.
Dlaczego olej napędowy pozostaje tak popularnym źródłem zasilania?
Spalanie dyfuzyjne – gdzie spalanie koncentruje się wokół zapłonu, a tlen jest rozproszony wokół obszaru spalania – jest bardzo wydajne. Charakteryzuje się minimalnymi stratami energii na ściankach silnika w wyniku promieniowania lub konwekcji – znacznie niższymi niż w przypadku silnika benzynowego. Podstawowy silnik wysokoprężny jest bardzo mocny i wytrzymuje bardzo wysokie ciśnienia.
Jak skuteczne jest to rozwiązanie?
Nastąpiła duża poprawa – skok z wydajności około 35% w latach 80. do dzisiejszej wydajności 50%. Oznacza to, że połowa paliwa jest obecnie zużywana na użyteczną pracę mechaniczną. Dla porównania – silnik benzynowy ma sprawność około 35%. Korzyści te wynikają z wysokociśnieniowych układów wtrysku paliwa typu Common Rail, turbodoładowania i wprowadzenia mocy obliczeniowej umożliwiającej precyzyjne sterowanie spalaniem i systemami zarządzania oczyszczaniem spalin.
Czy rosnące zapotrzebowanie klientów w zakresie efektywności paliwowej jest numerem 1?
Tak, dobre zużycie paliwa jest najważniejszym elementem, ale klienci wymagają również dobrych osiągów i trwałości silnika. Wtedy trzeba
być trwałe i spełniać wymogi w zakresie emisji – a te czasami stanowią dla siebie konkurencję.
Czy silniki również stają się coraz mocniejsze?
Istnieje tendencja wzrostowa – klienci przewożą większe ładunki, a to wymaga większej mocy. Największa moc wyjściowa Volvo Group wynosi obecnie 1,000 KM. Jednak w porównaniu z samochodami osobowymi wszystkie zastosowania wymagające dużych obciążeń mają nadal (stosunkowo) słabą moc.
Silnikowi wysokoprężnemu zarzuca się, że jest nieprzyjazny dla środowiska. Czy może uporządkować swoje działania?
Czyszczenie silników wysokoprężnych bardzo czystymi jest możliwe i jest to coś, w czym przemysł ciężki poczynił większe postępy niż sektor lekki. Jednym z powodów jest to, że wydajność wymagana przez klientów w sektorze pojazdów ciężkich jest znacznie wyższa.
Jak trudno było zwiększyć wydajność przy jednoczesnym obniżeniu emisji?
Wyzwaniem było udoskonalenie procesu termodynamicznego, aby zrekompensować obciążenie związane z dodaniem układu oczyszczania spalin SCR. Ale teraz wracamy na właściwą drogę, aby krok po kroku zwiększać efektywność.
Jak daleko jeszcze można dojść – zero emisji?
To zależy od tego, co rozumiesz przez emisję. Jeśli napędzasz silnik paliwem niezawierającym węgla i łączysz go z wydajnym procesem spalania, który nie wytwarza sadzy, możliwa jest zerowa emisja. Pracujemy nad wykorzystaniem metanu i DME (eteru dimetylowego) jako czystych alternatyw dla oleju napędowego. Nie jest to pomysł nowy, już w 1900 roku silnik wysokoprężny z powodzeniem zasilany był olejem arachidowym. Problem nie leży w technologii wytwarzania czystych paliw, ale w ich dostępności. Jeśli jednak uda się rozwiązać problem dostaw paliw odnawialnych, możliwe będzie działanie silników wysokoprężnych w 100% pozbawionych emisji CO2.
Czy czyste paliwa nie niosą ze sobą również własnych wyzwań środowiskowych?
Produkcja biopaliw nie powinna konkurować z produkcją żywności – są jednak inne paliwa, w przypadku których nie stanowi to problemu. Elektropaliwa (E-paliwa) wykorzystują energię słoneczną lub wiatrową do „krakingu” wody i łączenia jej z CO2 z metanu – a paliwa te charakteryzują się dość wysoką wydajnością – deklarowaną do 80%. To mogłoby być ciekawym uzupełnieniem elektryfikacji.
Jak różne paliwa wpływają na spalanie?
Z punktu widzenia wydajności silnika nie obchodzi, czy cząsteczka paliwa pochodzi ze źródła kopalnego, czy odnawialnego. Zatem dzięki inwestycjom w odpowiedni rodzaj paliw odnawialnych przejście na odnawialne źródła energii powinno być proste.
Jak zatem jeszcze bardziej obniżyć zużycie paliwa?
Kolejnym dużym krokiem w kierunku zwiększenia wydajności silnika/zmniejszenia zużycia paliwa jest jego połączenie z elektromobilnością. Zapotrzebowanie na silniki w przyszłości nie będzie tak zróżnicowane jak obecnie. Istnieje różnica pomiędzy wydajnością silnika w „najlepszym punkcie” a wydajnością w całym rzeczywistym zakresie pracy. Współpraca silników z silnikami elektrycznymi, podobnie jak w przypadku hybryd równoległych, umożliwia pracę silnika na najbardziej wydajnym poziomie. Bez wątpienia elektryfikacja będzie stanowić część przyszłego rozwiązania w zakresie napędu spalinowego.
Czy inna technologia może pomóc obniżyć rachunki za paliwo?
Przykładami są technologia stop/start i systemy elektryczne 48 V, które zasilają urządzenia pomocnicze w sposób elektryczny, a nie mechaniczny. Wszystkie one mogą mieć w przyszłości zastosowania w zastosowaniach wymagających dużych obciążeń, gdy ich solidność zostanie udowodniona. Kolejnym ważnym źródłem większej wydajności jest odzysk ciepła. Nie jest to łatwe zadanie w przypadku silników o dużej wytrzymałości, ponieważ ich spaliny są stosunkowo zimne, ale wciąż istnieje nadzieja, że uda się to rozwiązać i uczynić komercyjnie opłacalnym.
Jaka jest maksymalna wydajność, jaką może osiągnąć silnik?
Silnik wysokoprężny ma teoretyczną sprawność układu wynoszącą od 55-60%. Dla porównania, najlepsze elektrownie działają ze sprawnością 50-55%, a ogniwa paliwowe mają również sprawność na poziomie ponad 50% – zatem silniki wysokoprężne mogą być niewiarygodnie wydajne. To, w połączeniu z faktem, że silniki zasilane elektrycznie będą często miały niższe zapotrzebowanie na moc, będzie oznaczać, że zużycie paliwa w przyszłości spadnie.
Jak długo może wytrzymać silnik wysokoprężny?
Silnik spalinowy Diesla pozostaje bardzo opłacalnym rozwiązaniem w zakresie wytwarzania energii mechanicznej. To powiedziawszy, ustawodawstwo, szczególnie w Europie, dość mocno naciska na elektryfikację, co może mieć bezpośredni wpływ na żywotność silnika spalinowego. Uważamy, że jego zastosowanie będzie oparte na zastosowaniach i że będzie stosowane przez dłuższy czas w zastosowaniach na długich dystansach, takich jak statki oceaniczne i ciężarówki dalekobieżne. Ale nawet tutaj prawdopodobnie będzie stosowana mieszanka technologii.
Czy olej napędowy jest przyszłością?
Silnik diesla – w zmodyfikowanej formie – może być bardzo czysty i wydajny. Dobrze radzi sobie również z elektryfikacją. Jako producent musimy znaleźć najlepsze rozwiązanie w oparciu o decyzje podejmowane przez społeczeństwo. Czymkolwiek one są, musimy być na to przygotowane.
