Wytrzymały system spalania jest bezwzględnym wymogiem dla osiągnięcia coraz to bardziej rygorystycznych celów w zakresie emisji i oszczędności paliwa. Już niedługo, bo od roku 2022, rejestrowane i produkowane modele pojazdów będą musiały spełniać wymogi ekologiczne nie tylko na taśmie produkcyjnej, ale i po dłuższym czasie eksploatacji. A to oznacza...

Przypomnijmy, norma 6D ISC-FCM (In Service Conformity; Fuel Consumption Monitoring) to nic innego, jak rozwinięcie obowiązującej od 2014 r. normy Euro 6. Ta akurat przewiduje prowadzenie badań emisji szkodliwych substancji nie tylko w fabryce, ale również na drodze. W praktyce zobowiązuje więc producentów do wypuszczania na rynek samochodów, które będą odpowiadały standardom ekologicznym pomimo ich normatywnego zużycia. A to oznacza, że od 1 stycznia 2021 r. pojazdy osobowe muszą posiadać na pokładzie aparaturę monitorującą konsumpcję paliwa. Na podstawie jej odczytów można będzie określać, jak auto spisuje się w warunkach drogowych w porównaniu do deklarowanych przez producenta wartości. Nadmieńmy, że producenci samochodów ciężarowych mają jeszcze 12 miesięcy, by przygotować swoje propozycje rynkowe do wymogów 6D ISC-FCM.
W artykule przybliżymy najnowsze osiągnięcia inżynierów, ale również wyzwania związane z doskonaleniem silników benzynowych. Zacznijmy od spalania benzyny.

Proces spalania dawki paliwowo-powietrznej
Mahle Powertrain od wielu lat prowadzi zaawansowane badania, których kulminacją jest rozwój Mahle Jet System Ignition. To zaawansowany przedkomorowy system spalania, który może zapewnić korzyści zarówno w zakresie oszczędności paliwa, jak i wydajności. Konstrukcja Mahle Jet Ignition (MJI) wykorzystuje bardzo małą pomocniczą komorę wstępną (o objętości mniej niż 3% objętości komory głównej). Dotychczas opracowano dwie wersje: tzw. aktywny MJI – wyposażony w świecę zapłonową i mikroprzepływowy wtryskiwacz paliwa w obrębie komory wstępnej, oraz pasywny MJI, który zawiera tylko świecę zapłonową.
Tu dygresja. Dość długo konstruktorzy silników benzynowych odkładali w czasie jego uturbienie. Dlaczego tak było?
– Czasem wydaje mi się, że problem leżał w wyższych temperaturach spalin silnika benzynowego, w którym paradoksalnie denko tłoka osiąga mniejsze temperatury podczas pracy – dzieli się swym doświadczeniem Maciej Hadryś, kierownik Technical Service Aftermarket Mahle Polska Sp. z o.o. – Niezależnie od tego silnik ma wciąż bardzo wiele do zaoferowania, nawet w wersji 3-cylindrowej. Jeszcze kilka lat temu? Wszyscy negowali jednostki downsizingowe, a dziś stały się powszechne i mają się przyzwoicie. Kwestia tylko, do czego mają być zamontowane. Jeżeli chodzi o nasz koncern, to stosując nowe rozwiązania, takie jak MJI, pokazujemy, że świeca nad tłokiem może dostać zupełnie nową obudowę, m.in. w postaci komory przedwstępnej, by jeszcze lepiej wykorzystać proces spalania mieszaniki paliwowo-powietrznej. Tym samym poza świetnymi tłokami dajemy światu jeszcze lepsze środowisko ich pracy.
Tu wyjaśnijmy. Aktywny MJI skrywa po dwa wtryskiwacze paliwa na cylinder: wtryskiwacz (DI lub PFI) do dostarczania głównego ładunku paliwa i wtryskiwacz (DI) w komorze wstępnej o niskim natężeniu przepływu. Korzyścią takiego rozwiązania są przede wszystkim ultramałe dawki paliwa, podawane w wielu miejscach. Poprawia to wydajność i znacznie ogranicza tworzenie się zanieczyszczeń. Z kolei bierny MJI to jeden wtryskiwacz paliwa (DI lub PFI). Korzyścią takiej koncepcji jest łatwiejsze wdrożenie do produkcji seryjnej. Niższe koszty dzięki stosowaniu konwencjonalnej obróbki końcowej idą w parze z bardzo obiecującą wydajnością takich jednostek napędowych. Tyle zalety. A wady?
– Przede wszystkim konieczność stosowania wysoko wydajnej benzyny (Sub 200 g/kWhr), ale pamiętajmy, że w silniku o takim rozwiązaniu zadbano o należytą filtrację paliwa, gdyż w ten sposób odpowiednio dbamy o chłodzenie obu wtryskiwaczy. Sam napęd deklaruje się niską emisją NOx (poniżej 100 ppm) – dodaje Maciej Hadryś z Mahle.
Inżynierowie firmy po raz pierwszy pochwalili się swą propozycją w 2014 r. W minionym roku zdobyli nagrodę na konferencji IMechE. W opinii jury do najważniejszych zalet MJI należą bardzo oszczędna praca silnika, zużycie paliwa poniżej 200 g/kWh (> 42% BTE), a też brak strat cieplnych – system zaprzęgnięty jest m.in. do dogrzewania katalizatora. Co więcej, koncepcja opracowana przez inżynierów jest łatwa do integracji w szerokim spektrum silników benzynowych.
Aby spełnić rygorystyczne cele w zakresie emisji i oszczędności paliwa, pracują też oczywiście inni dostawcy technologii.

Olej, jego dodatki i uszczelnienia
Zacznijmy od rozwiązywania problemu. Skutkiem ubocznym wyścigów o największą redukcję zużycia paliwa, redukcję emisji szkodliwych gazów w spalinach, przy jednoczesnym powiększaniu sprawności silnika, stało się spalanie stukowe, tzw. LSPI (Low-speed pre-ignition, przedwczesny zapłon).
– Przyczyniły się do tego zasilanie przez wtrysk bezpośredni paliwa do komory spalania oraz wyższe ciśnienia w komorze spalania w turbodoładowanych silnikach poddanych downsizingowi – wyjaśnia Bogdan Ptak, dyrektor ds. motoryzacyjnych środków smarnych spółki Fuchs Oil Corporation. – Kolejnym trendem prowadzącym do obniżenia zużycia paliwa jest stosowanie olejów silnikowych o niższych klasach lepkości. Małe cząstki, osady i mikroskopijne krople oleju obecne w komorze spalania tworzą rozgrzane punkty, od których mieszanka paliwowa może zapalić się przed właściwym zapłonem, prowadząc do LSPI. Przedwczesny zapłon powoduje, że siły nacisku gazów działają na tłok, gdy posuwa się w suwie sprężania, czyli w przeciwnym kierunku. By olej nie przyczyniał się do tego szkodliwego zjawiska, nowoczesne oleje silnikowe są badane na okoliczność występowania LSPI, wdrożono nowe normy producentów (np. GM Dexos1 Gen2) oraz międzynarodowe specyfikacje, np. API SN Plus, API SP.
I dodaje, że Fuchs bardzo wcześnie zareagował na zmiany wymagań dla silników dotkniętych LSPI i w krótkim czasie po ogłoszeniu nowych specyfikacji stworzył olej Titan Supersyn D1 SAE 5W-30 posiadający dopuszczenie Dexos1 Gen2.
Dwa to wysokie ciśnienia w komorze spalania. Ale nie tylko tam. W końcu wszelkiego rodzaju uszczelnienia miękkie wykonane są na bazie teflonu czy fluorokauczuku… Wszystkie mają ograniczone odporności temperaturowe i chemiczne na środowisko, w którym pracują. W przypadku teflonu graniczna wartość to jakieś 210°C, a dla FTEV już ok. 180°C. Wyższe zakresy temperaturowe skutkują uszkodzeniem m.in. gniazd zaworowych.
To o tyle istotne, że generalnie im nowszy model samochodu, tym większa moc z tej samej pojemności. Z racji coraz wyższych wymagań stawianych samochodom silniki muszą być coraz bardziej wysilone i wydajne, a pomaga w tym olej silnikowy. Pozwala na pracę silnika z wydłużonym przebiegiem między wymianami oraz mniejszymi oporami ruchu. Jednak, pomimo tego że olej wpływa korzystnie na wiele części w silniku, powoduje też... przyspieszone zużycie elementów, takich jak uszczelniacze. Winnymi są dodatki olejowe. Chemiczne składniki pozwalające na lepszą wydajność smarną oleju.
– Niektóre z najważniejszych dodatków do oleju używane są do poprawy lepkości i smarności, kontroli i rozpuszczania zanieczyszczeń czy poprawy szczelności, więc jakkolwiek wpływają bardzo korzystnie na większość komponentów silnika, to degradują uszczelniacze, gdy dochodzi do niekompatybilności chemicznej – problem ten pojawia się, gdy zostają wprowadzone zmiany – dowodzi Wojciech Głowaty, regional sales & marketing area manager w firmie Corteco. – Czasami nawet niewielka zmiana w składzie oleju może prowadzić do przyspieszonego zużycia uszczelniacza. Jednakże efekt ten jest ciężki do przewidzenia – uszczelniacz może zużywać się szybciej lub po prostu nie działać należycie. Materiał uszczelniający może stracić swoje właściwości z powodu styczności z płynem korozyjnym. Sytuacja taka ma miejsce, gdy zastosujemy materiał nieodpowiedni do danej aplikacji. Użycie niekompatybilnych materiałów prowadzi do ingerencji chemicznej przez dodatki olejowe, prowadząc do hydrolizy i utleniania elementów uszczelniających. W rezultacie otrzymamy pogorszenie profilu wargi uszczelniającej, zmiękczenia, puchnięcia lub kurczenia się uszczelniacza. Zmiana/wyblaknięcie koloru uszczelniacza wskazuje na erozję chemiczną.

A wydajność filtrowania?
Wysoko wydajny układ napędowy to także doskonalenie technologii filtracji powietrza silnikowego. I tak jak system MJI firmy Mahle powstał z myślą o integracji w szerokim spektrum silników benzynowych, tak też jest z innowacyjną i wielokrotnie wyróżnianą technologią filtracji powietrza silnikowego UFI Multitube, która może być stosowana zarówno w wielocylindrowych silnikach wysokoprężnych, jak i w ekonomicznych samochodach segmentu A. UFI Multitube to produkt opatentowany przez UFI Filters Group, zaprezentowany na targach Automechanika 2018, gdzie otrzymał nominację do nagrody za innowacyjność. Po raz pierwszy został on wprowadzony na rynek jako oryginalne wyposażenie Porsche GT2RS, a w ubiegłym roku został również zastosowany m.in. w samochodzie Fiat 500 Hybrid Launch Edition.
– Jedną z głównych zalet technologii filtracji powietrza Multitube jest możliwość dopasowania kształtu wkładu – mówi Onofrio Defina, sales & marketing aftermarket EMEA director UFI Filters. – Produkt jest oferowany w formie modułu, jak również według określonego projektu uwzględniającego potrzeby producenta, co pozwala dopasować go do konkretnego modelu samochodu i zoptymalizować przestrzeń w komorze silnika. Dzięki wieloletniemu doświadczeniu i know-how w zakresie rozwoju materiałów eksperci UFI skonstruowali medium filtracyjne składające się ze sztywnej włókniny z hydrofobowych włókien syntetycznych, ułożonych według określonej średnicy i gradientu porowatości. Produkt zachowuje pełną funkcjonalność przez cały okres użytkowania, w odróżnieniu od tradycyjnego panelu z celulozy, która pochłania wilgoć i zmniejsza zdolność filtrowania z powodu deformacji materiału.
Większa elastyczność budowy, mniejsza waga, lepsza dynamika przepływu powietrza i zwiększona wydajność filtrowania – to czynniki, które sprawiają, że Multitube jest nowoczesnym produktem trwale chroniącym silnik. Co więcej, szczelny system montowania wkładu do skrzynki filtracyjnej ułatwia czynności serwisowe i zapobiega przedostawaniu się zanieczyszczonego powietrza do silnika, gwarantując dodatkowy poziom ochrony. Innowacyjny filtr o podwójnej strukturze cylindrycznej zastępuje tradycyjny płaski panel, a jego wkład jest lżejszy o 50%. Dwie rurki w systemie Multitube są umieszczone w skrzynce filtracyjnej wykonanej z polipropylenu, materiału lekkiego i odpornego na odkształcenia. Waga całkowita modułu jest mniejsza o ponad 30%, co przekłada się na redukcję zużycia paliwa i emisji CO2. Pomimo zmniejszenia rozmiaru filtra poziom filtracji powietrza silnikowego nadal wynosi 99,5%, dodatkowo zwiększają się dynamika i płynność jego przepływu. Liniowy strumień minimalizuje opory oraz spadek ciśnienia i utratę energii.

Rafał Dobrowolski
Fot. materiały firm Mahle i UFI Filters