Energia cieplna uzyskana ze spalenia mieszanki paliwowo-powietrznej jest nieodłącznie związana z silnikiem. Do napędu samochodu i osprzętu silnika wykorzystujemy tylko jej część. Niewykorzystana ulatuje bezpowrotnie ze spalinami, jest odprowadzana przez układy chłodzenia i smarowania do otaczającego powietrza. Istotnym elementem układu chłodzenia jest termostat, który umożliwia silnikowi szybko osiągnąć prawidłową temperaturę pracy i ją utrzymać. On i jego rozwój będą tematami serii artykułów - od elementu całkowicie mechanicznego, do elementu współpracującego ze sterownikiem silnika.

Ciepło z procesu spalania i jego wykorzystanie
Energia uzyskana w procesie spalania przekształca się w energię mechaniczną w następujących po sobie przemianach obiegu termodynamicznego. Teoretycznie przebiega on przy idealnych założeniach, dlatego nazywany jest obiegiem teoretycznym lub porównawczym. Są to np. obiegi Sabathé, Diesla czy Otto. Obieg teoretyczny pozwala przekształcić tylko część energii uzyskanej z procesu spalania w energię mechaniczną. Jak duża jest ta część, określa tzw. współczynnik sprawności teoretycznej, zależny od stopnia sprężania silnika. Dla trzech rodzajów silnika jest on podany na wykresie na rys. 1.



Rys. 1. Sprawność teoretyczna obiegu termodynamicznego różnych silników: ZI-MPI - silnik o zapłonie iskrowym, o stopniu sprężania e = 10,5, z wielopunktowym pośrednim układem wtryskowym,; ZI-DI - silnik o zapłonie iskrowym, o stopniu sprężania e = 11,5, z bezpośrednim układem wtryskowym; ZI-DI - silnik o zapłonie samoczynnym, o stopniu sprężania e = 19,5, z bezpośrednim układem wtryskowym. (Źródło: Robert Bosch).

Silnik o zapłonie iskrowym (ZI), z wielopunktowym układem wtrysku benzyny, tylko 51 proc. energii cieplnej przekształca w energię mechaniczną. Wtrysk bezpośredni do komór spalania silnika ZI pozwala zwiększyć stopień sprężania, ponieważ krople paliwa, parujące w zamkniętej komorze spalania, chłodzą zamknięte w niej powietrze, co hamuje procesy prowadzące do niekontrolowanego rozpoczęcia procesu spalania. Można więc wykorzystać 56 proc. energii cieplnej. Jednak aktualnie najwięcej energii cieplnej w mechaniczną zmienia silnik ZS z bezpośrednim wtryskiem paliwa - 59 proc. To jest początek drogi, którą przebywa energia mechaniczna, nim będzie ją można odebrać od wału korbowego silnika do napędu samochodu. W trakcie tej drogi części energii jest tracona. Prześledźmy ją na przykładzie silnika ZI - patrz schemat na rys. 2. Na początku jest całą energia wyzwolona w procesie spalania - 100 proc. W tym przykładzie 55 proc. energii jest przetwarzane na energię mechaniczną, a więc 45 proc. energii (A) jest tracone.



Rys. 2. Tylko część energii uzyskanej ze spalenia mieszanki jest wykorzystywana do napędu samochodu. Wykres prezentuje przyczyny strat energii w silniku o zapłonie iskrowym, samochodu „jadącego” na hamowni podwoziowej, zgodnie z wymaganiami testu homologacyjnego NEDC (Nowy Europejski Test Drogowy). Oznaczenia na rysunku: A - strata energii w teoretycznym (idealnym) obiegu termodynamicznym; B - straty wynikające z różnic pomiędzy teoretycznym a rzeczywistym obiegiem termodynamicznym; C - strata energii spowodowana zasilaniem silnika mieszanką o składzie stechiometrycznym; D - energia utracona na wymianę ładunku w komorach spalania silnika; E - energia niezbędna do napędu osprzętu oraz utracona na pokonanie oporów tarcia silnika i jego osprzętu; F - energia wykorzystana do napędu samochodu. (Źródło: Robert Bosch).

Ponieważ rzeczywisty obieg termodynamiczny przebiega odmiennie od teoretycznego, (ciepło przenika z komory spalania, nie całe paliwo się spala, więc jego część ulatuje ze spalinami), dlatego tracimy 15 proc. energii (B). Ponadto, najwięcej energii można pozyskać spalając mieszanki charakteryzowane współczynnikiem składu mieszanki lambda (?) o wartości od 1,1 do 1,3, a większość silników o zapłonie iskrowym jest zasilana mieszanką o składzie bliskim stechiometrycznemu (? » 1), co jest wymuszone przez stosowanie konwerterów katalitycznych spalin. Jest to powodem utraty 7proc. energii (C). Tej energii nie tracimy, jeśli silnik spala mieszanki ubogie. Aby komora spalania silnika ZI została napełniona świeżym ładunkiem, napływające powietrze musi pokonać opór stawiany przez przepustnicę. Ponadto, aby spaliny szybko opuszczały komorę spalania, muszą mieć pewne nadciśnienie. Obie prace to utratę 10 proc. energii (D). Niższa jest ona w silnikach ZI z bezpośrednim wtryskiem benzyny, które przy małych i średnich obciążeniach pracują z prawie maksymalnie otwartą przepustnicą, a o wartości momentu obrotowego decyduje tylko masa wtryśniętego paliwa (tak jak w silnikach ZS). Silnik napędza osprzęt, np. sprężarkę klimatyzacji, pompy układów chłodzenia i wspomagania czy alternator, co wymaga wykonywania pracy użytecznej oraz pokonywania oporów, np. sił tarcia i bezwładności poruszających się części. To pochłania kolejne 10 proc. energii (E). Po dodaniu wszystkich strat energii (od A do E), do odbioru z koła zamachowego silnika i wykorzystania do napędu samochodu pozostaje tylko 13 proc. energii (F). Ponieważ silnik pracujący w tych przykładowych warunkach zużywa paliwa w ilości 8l/100km, tak więc do napędu samochodu wykorzystuje ok. 1l/100km. Przytoczony rozkład strat dotyczy pracy silnika ZI w określonych warunkach. W innych warunkach, dla innego silnika np. ZS, będzie inny.



Rys. 3. Dwa współpracujące elementy, np. czop 1 obracający się względem panewki łożyska 3, które przenoszą siłę F, powinna rozdzielać warstwa oleju 2. Jeśli ten warunek jest spełniony, to mówimy o tzw. tarciu płynnym (rys.a). Jeśli powierzchnie obu elementów, mimo warstwy oleju, stykają się w kilku punktach (rys.b, punkty styku wyróżnione są kółkami), wówczas występuje tzw. tarcie mieszane.

Chłodzenie i ogrzewanie
Straty energii zwiększają temperaturę elementów silnika i osprzętu. Straty energii cieplnej, np. ucieczka ciepła przez ścianki cylindra do płaszcza chłodzącego, czynią to bezpośrednio, a straty energii mechanicznej pośrednio, bowiem praca zużyta pierwotnie na pokonanie oporów tarcia, przekształca się w energię cieplną. Po uruchomieniu silnika o temperaturze niższej od temperatury pracy, tracona energia cieplna pozwala zwiększyć jego temperaturę. Układ chłodzenia powinien zapewnić możliwie najszybsze osiągnięcie prawidłowej temperatury pracy silnika. Jeśli przyrost temperatury silnika jest za wolny, stosuje się dogrzewanie elektryczne układu chłodzenia, np. w silnikach typu TDI. Ogrzewany bywa również olej w skrzyni biegów, aby zmniejszyć lepkość, a więc opory pracy skrzyni biegów, a w konsekwencji zużycie paliwa przez silnik.
Po osiągnięciu prawidłowej temperatury pracy, układ chłodzenia i smarowania silnika odprowadza nadmiar energii cieplnej, tak aby tę temperaturę utrzymać w wymaganym zakresie. Ponieważ ilość „nadmiarowej” energii zależy od warunków pracy silnika, dlatego konieczna jest regulacja ilości odprowadzanej energii cieplnej stosownie do potrzeb. Jest to zadanie dla termostatu. Układy chłodzenia silników mają też nowe zadania, np. chłodzenia recyrkulowanych spalin, chłodzenia lub dogrzewania powietrza doładowującego (w silnikach ZS spełniających normę emisji spalin Euro 5), dlatego układy chłodzenia są bardziej rozbudowane. Mają tzw. część nisko- i wysokotemperaturową oraz więcej termostatów.

Prawidłowa temperatura pracy silnika
Jest to temperatura, która powinna zapewnić silnikowi:
- niskie zużycia paliwa;
- niską emisję szkodliwych składników spalin;
- spokojną pracę;
- możliwie długą żywotność.

Jeśli temperatura silnika jest niższa od prawidłowej, tylko część dostarczonego paliwa odparowuje i jest spalana. Niespalone paliwo trafia do układu wylotowego. Tylko w początkowej fazie nagrzewania silnika ma to korzystne działanie, bo szybciej nagrzewa się konwerter katalityczny. Po osiągnięciu prawidłowej temperatury pracy, paliwo odparowuje prawie całkowicie. Możliwie mała jest wówczas ilość paliwa, która w pobliżu ścianek cylindra przechodzi z pary w ciecz. To paliwo jest częściowo tracone, bowiem nie całe wraca do komory spalania wraz z częścią spalin. Niskie zużycie paliwa jest jednym z warunków niskiej emisji szkodliwych składników spalin, ale nie jedynym.



Rys. 4. Dynamiczna lepkość oleju silnikowego η (jednostka mPa´s to milipaskalosekundy) zmienia się wraz ze zmianą jego temperatury. Wykres pokazuje zmiany lepkości olejów kilku klas, według wymagań SAE. (Źródło: SAE).

Stabilna temperatura pracy silnika pozwala utrzymać stabilny stan cieplny, czyli zagwarantować wszystkim częściom i układom silnika prawidłową dla nich temperaturę pracy. Jeśli przykładowo silnik osiągnie za wysoką temperaturę, to paliwo w listwie paliwowej może zacząć wrzeć. Pojawić się mogą kłopoty z uruchomieniem nagrzanego silnika, obniżą się osiągi silnika, może nierówno pracować.
Zużycie elementów silnika warunkuje jego żywotność. Aby zminimalizować to zużycie, silnik jest smarowany olejem pod ciśnieniem. Wszystkie poruszające się względem siebie części powinny być rozdzielone warstwą oleju silnikowego. To gwarantuje tzw. warunki tarcia płynnego (rys. 3a), przy których obie części nie stykają się, a więc nie ma ich zużycia ściernego. Tłoczony przez pompę olej musi jednak najpierw dopłynąć do smarowanych miejsc, zachowując określoną wartość ciśnienia. Na przeszkodzie stoi między innymi jego lepkość, która tłoczenie utrudnia. Lepkość zależy ściśle od temperatury, co pokazuje wykres na rys.4. W momencie uruchamiania zimnego silnika i bezpośrednio po nim mija czas nim olej dopłynie do smarowanych miejsc. Wówczas może dojść do częściowego styku powierzchni współpracujących elementów, powodując zużycie ścierne. Jest to tzw. tarcie mieszane (rys. 3b).



Rys. 5. Zakresy prędkości obrotowych sprawnego i zagrzanego do właściwej temperatury pracy silnika samochodu BMW M5, na skali obrotomierza: 1 - prędkość obrotowa maksymalna, dopuszczalna chwilowo; 2 - prędkość obrotowa za wysoka, niebezpieczna dla silnika. Jeśli silnik ma za niską temperaturę lub układ sterowania silnika jest uszkodzony, pierścień z oznaczeniami zakresów jest obracany w kierunku strzałki 3, aby przypomnieć kierowcy o niższych zakresach wartości dopuszczalnych prędkości obrotowych, oznaczonych nr 1 i 2. (Źródło: Auto Motor i Sport).

Gdy zimny olej już dopłynie do smarowanych miejsc, jego ciśnienie jest niższe od ciśnienia oleju nagrzanego, dlatego warstwie oleju trudniej jest rozdzielać obracające się elementy, a więc zagwarantować warunki tarcia płynnego. Dlatego w fazie nagrzewania silnika należy zadbać, by siły przenoszone przez ruchome połączenia, np. siła F na rys.3, nie osiągała wartości bliskich maksymalnym. Jeśli warstwa oleju nie będzie w stanie rozdzielić poruszających się części, wówczas wystąpi tarcie mieszane. Proszę zwrócić uwagę jak na wykresie na rys.4 zmieniają się lepkości oleju. Przykładowo - lepkość dynamiczna ? oleju klasy 10W-30, w temperaturze 20OC, to ok. 150 mPa´s, ale w temperaturze 80OC to tylko 13 mPa´s. Silnik powinien więc możliwie szybko osiągać prawidłową temperaturę pracy, a w okresie nagrzewania należy pamiętać, aby:
- wykorzystywać trochę wyższy zakres prędkości obrotowych (poprawia to warunki tworzenia warstwy oleju rozdzielającej współpracujące elementy);
- obciążać silnik mniejszymi wartościami momentu obrotowego.

Szczególnie niekorzystna w okresie nagrzewania jest praca silnika przy niskiej prędkości obrotowej i wysokiej wartości momentu obrotowego. Kierowcy winni o tym pamiętać, szczególnie samochodów z silnikami o mocy zwiększonej w stosunku do seryjnej. Kierowcom BMW M5 przypomina o tym obrotomierz - patrz rys.5. W tym seryjnym samochodzie, z silnikiem V10, na obrotowym pierścieniu obrotomierza są oznaczone dwa zakresy prędkości obrotowych: maksymalnej, dopuszczalnej chwilowo oraz niebezpiecznej dla silnika. Jeśli temperatura silnika jest za niska lub układ sterowania silnika jest uszkodzony, wówczas oba zakresy prędkości obrotowe są niższe. Aby przypomnieć kierowcy, że silnik należy wówczas traktować łagodniej, pierścień z oznaczeniami zakresów jest obracany w kierunku strzałki 3. Ponadto, w tych warunkach kierowca ma do dyspozycji „tylko” 400 KM mocy silnika. Jeśli układ sterowania silnika jest sprawny i silnik uzyska prawidłową temperaturę pracy, kierowca może wybrać na ekranie komputera pokładowego program sterujący pracą silnika o oznaczeniu P500, który umożliwia pełne wykorzystanie osiągów silnika - momentu obrotowego 520 Nm i mocy 507 KM. Zawsze po uruchomieniu silnika ma on moc 400 KM, a jej zwiększenie do 507 KM wymaga każdorazowego wyboru programu P500 przez kierowcę. Niebezpieczna dla silnika jest również za wysoka temperatura. Wówczas lepkość oleju jest niższa od pożądanej, co mimo prawidłowego ciśnienia oleju może utrudnić utrzymanie warstwy oleju o grubości gwarantującej rozdzielenie współpracujących elementów. Wówczas też może wystąpić tarcie mieszane. Ponadto, wyższa temperatura oleju zwiększa jego skłonność do utleniania, co przyspiesza starzenie oleju.

mgr inż. Stefan Myszkowski

Artykuł powstał na podstawie materiałów udostępnionych przez firmę Behr Thermot-tronik GmbH & Co.