Często jako dowód przewagi technicznej silników ZS (z zapłonem samoczynnym) nad silnikami ZI (z zapłonem iskrowym) jest podawana wyższa wartość maksymalnego momentu obrotowego silnika ZS. Czy jest to jednak wystarczający argument? Przyjrzyjmy się charakterystykom zewnętrznym obu silników i przełożeniom układów przeniesienia napędu, które z nimi współpracują.
Silniki ZI i ZS a siła oporu ruchu
Porównajmy dwa takie same modele samochodów – jeden z silnikiem ZI, a drugi z silnikiem ZS, z kołami napędowymi o takiej samej średnicy. Jeśli oba poruszają się pod drodze poziomej, z tą samą prędkością (rys. 24), wówczas na oba samochody działają siły oporu ruchu Fo, o tej samej wartości (pomijam wpływ większej masy samochodu z silnikiem ZS na wzrost oporów toczenia). Do kół napędowych obu pojazdów trzeba więc doprowadzić moment obrotowy Mnk o tej samej wartości, a koła napędowe muszą obracać się z tą samą prędkością obrotową nk (założyliśmy, że samochody jadą z tą samą prędkością).
Jeśli oba pojazdy rozpędzają się z tą samą wartością przyspieszenia, do kół napędowych samochodu z silnikiem ZS konieczne jest doprowadzenie momentu obrotowego o większej wartości. Jest to spowodowane większą masą silnika ZS w porównaniu z silnikiem ZI. Różnica ta powoduje, że dla uzyskania tej samej wartości przyspieszenia konieczne jest pokonanie większej siły oporu bezwładności.
Podobnie jest podczas podjazdu pod wzniesienie. Wówczas większa masa silnika ZS, w porównaniu z silnikiem ZI, powoduje, że wartość siły oporu wzniesienia dla samochodu z silnikiem ZS jest większa.
Silniki ZI i ZS – różne charakterystyki
Zacznijmy od przyjrzenia się charakterystykom dwóch silników ZI i ZS o tej samej mocy, które są montowane w różnych modelach samochodów marek należących do grupy Volkswagena:
- silnik 1,2 TSI – turbodoładowany silnik ZI z bezpośrednim wtryskiem benzyny;
- silnik 1,6 CR DPF – turbodoładowany silnik ZS z bezpośrednim wtryskiem oleju napędowego.
Porównajmy charakterystyki zewnętrzne obu silników (rys. 25). Przedstawiają one przebieg momentu obrotowego i mocy silnika przy pełnym naciśnięciu pedału przyspieszania. Wartość maksymalna momentu obrotowego silnika osiągana przez silnik 1,2 TSI wynosi 175 Nm. Jest ona wyraźnie mniejsza niż maksymalna wartość momentu obrotowego, wynosząca 250 Nm, osiągana przez silnik 1,6 CR DPF. Proszę jednak zauważyć, że silnik 1,2 TSI osiąga maksymalną wartość momentu obrotowego w zakresie prędkości obrotowej od 1550 do 4100 obr./min, podczas gdy silnik 1,6 CR DPF osiąga maksymalną wartość momentu obrotowego w węższym zakresie prędkości obrotowej – tylko od 1500 do 2500 obr./min.
Mimo różnic w przebiegu wykresu momentu obrotowego oba osiągają tę samą moc 77 kW (105 KM) – silnik 1,2 TSI przy prędkości obrotowej 5000 obr./min, a silnik 1,6 CR DPF przy prędkości obrotowej 4400 obr./min.
Jak już wspomniałem na wstępie, często jako dowód przewagi technicznej silnika ZS nad silnikami ZI podawana jest wyższa wartość maksymalnego momentu obrotowego tego pierwszego. Czy słusznie? Większa wartość maksymalnego momentu obrotowego silnika ZS w porównaniu z silnikiem ZI to cecha, bez której silnikowi ZS trudno byłoby konkurować z benzynowym bratem – dlaczego?
W poprzednim punkcie wyjaśniłem, że aby dwa takie same modele samochodów, jeden z silnikiem ZI, a drugi z silnikiem ZS, jechały z tą samą prędkością (rys. 24):
- do kół napędowych obu samochodów musi być doprowadzony moment obrotowy Mnk o tej samej wartości;
- koła napędowe (zakładamy, że mają tę samą średnicę zewnętrzną) muszą obracać się z tą samą prędkością obrotową nk.
Proszę jednak zauważyć, że maksymalna prędkość obrotowa silnika 1,2 TSI wynosi 5800 obr./min, podczas gdy silnik 1,6 CR DPF może obracać się z mniejszą maksymalną prędkością obrotową, która wynosi 4800 obr./min. Aby silnik ZS o niższej maksymalnej prędkości obrotowej obracał kołami napędowymi z tą samą prędkością obrotową nk co silnik ZI o wyższej maksymalnej prędkości obrotowej, konieczne jest, aby dla poszczególnych biegów skrzyni biegów wartości całkowitych przełożeń układu przeniesienia napędu współpracującego z silnikiem ZS (całkowite przełożenie układu przeniesienia napędu to iloczyn przełożenia danego biegu i przełożenia przekładni głównej) miały wartości mniejsze niż całkowite przełożenia układu przeniesienia napędu współpracującego z silnikiem ZI. Przełożenia o niższej wartości nazywamy potocznie „dłuższymi”.
Aby przy tych samych prędkościach obrotowych kół napędowych nk samochodu wartość momentu obrotowego Mnk przekazywana na koła napędowe przez zespół napędowy z silnikiem ZS (o mniejszych wartościach całkowitych przełożeń) była co najmniej równa wartości momentu obrotowego Mnk przekazywanego na koła napędowe przez zespół napędowy z silnikiem ZI (o większych wartościach całkowitych przełożeń), wartość momentu obrotowego silnika ZS musi być większa od wartości momentu obrotowego silnika ZI przynajmniej w takim stosunku, w którym maksymalna prędkość obrotowa silnika ZI jest większa od maksymalnej prędkości obrotowej silnika ZS. Wymóg ten dotyczy również wartości maksymalnego momentu obrotowego silnika.
Wybrany do porównania silnik 1,2 TSI nie ma dużej maksymalnej prędkości obrotowej, dlatego różnica prędkości obrotowych silników, których charakterystyki są zaprezentowane na rys. 25, wynosi tylko 1000 obr./min.
Aby lepiej zobaczyć różnice, które dla układu napędowego samochodu wynikają z różnic pomiędzy charakterystykami zewnętrznymi silników ZI i ZS, proszę przyjrzeć się charakterystykom silników samochodów firmy BMW: modelu 335i (silnik ZI) i modelu 335d (silnik ZS), przedstawione na rys. 26. Oba silniki są turbodoładowanymi jednostkami rzędowymi o 6 cylindrach. Każdy z cylindrów posiada 4 zawory. Silniki mają podobną pojemność skokową:
- silnik modelu 335i – 2979 cm3;
- silnik modelu 335d – 2993 cm3.
Proszę zwrócić uwagę (rys. 26), że maksymalna prędkość obrotowa silnika modelu 335i wynosi 7000 obr./min, a maksymalna prędkość obrotowa silnika modelu 335d wynosi 4800 obr./min. Maksymalna prędkość obrotowa silnika modelu 335d jest więc niższa o 2200 obr./min (ok. 31%) od prędkości obrotowej silnika modelu 335i.
Jednocześnie wartość maksymalnego momentu obrotowego silnika 335i wynosi 400 Nm w zakresie prędkości obrotowej od 1200 do 5000 obr./min, natomiast wartość maksymalnego momentu obrotowego silnika 335d wynosi 580 Nm w zakresie prędkości obrotowej od 1750 do 2250 obr./min. Wartość maksymalnego momentu obrotowego silnika 335d jest więc wyższa od wartości maksymalnej momentu obrotowego silnika 335i o 180 Nm, co w odniesieniu do wartości maksymalnej momentu obrotowego silnika 335d wynosi ok. 31%.
Wartości przełożeń układów napędowych, które współpracują z silnikami modeli 335i i 335d firmy BMW, są zestawione w tabeli 1. Jeśli analizujemy wartości poszczególnych przełożeń skrzyń biegów lub przełożeń głównych, to nie zobaczymy wyraźnie różnic. Proszę jednak zwrócić uwagę na wartości całkowitych przełożeń układów napędowych obu silników – są one ujęte w ostatnich dwóch kolumnach tabeli 1, po prawej stronie.
Proszę zauważyć, że dla wszystkich przełożeń skrzyni biegów wartości całkowitych przełożeń układu przeniesienia napędu współpracującego z silnikiem modelu 335d, są mniejsze („dłuższe”) niż wartości całkowitych przełożeń układu przeniesienia napędu współpracującego z silnikiem modelu 335i. Dzięki temu koła napędowe połączone z silnikiem modelu BMW 335d mogą obracać się z tą samą prędkością obrotową jak koła napędowe połączone z silnikiem modelu BMW 335i, a wyższa wartość maksymalnego momentu obrotowego silnika modelu BMW 335d, w porównaniu z silnikiem modelu BMW 335i, zapewnia uzyskanie na kołach napędowych obu samochodów podobnych wartości momentu obrotowego.
Obciążenie i prędkość obrotowa silnika a zużycie paliwa
Na przykładzie silnika ZI przyjrzyjmy się zagadnieniu doboru obciążenia i prędkości obrotowej silnika, tak by silnik zużywał możliwie mało paliwa. To podstawa techniki jazdy nazywanej Eco Drivingiem, która bez żadnych nakładów finansowych umożliwia zmniejszenie zużycia paliwa do ok. 20% (a nawet więcej, jeśli kierowca przed rozpoczęciem nauki Eco Drivingu ma dużo złych nawyków, które zwiększają zużycie paliwa). Jej stosowaniu sprzyja taka charakterystyka silnika, jak silnika 1,2 TSI (rys. 25).
Każda z linii 2 charakterystyki uniwersalnej silnika ZI (rys. 27) informuje o wartościach prędkości obrotowej silnika i średniego ciśnienia efektywnego pe, panującego w komorach silnika (od wartości tego ciśnienia zależy wartość momentu obrotowego), przy których silnik pracuje z określonym stałym jednostkowym zużyciem paliwa (ilość gramów paliwa potrzebna, aby silnik pracował z mocą 1 kW przez jedną godzinę). Na charakterystyce na rys. 27 przyjęto, że najniższe jednostkowe zużycie paliwa jest równe 100%.
Jak już wiemy, aby samochód poruszał się z oczekiwaną prędkością, w określonych warunkach ruchu, należy na koła napędowe dostarczyć określoną wartość momentu obrotowego, a koła napędowe muszą obracać się z określoną prędkością obrotową. Iloczyn momentu obrotowego, dostarczonego na koła napędowe i prędkości obrotowej kół napędowych to tzw. moc napędowa „na kołach pojazdu”.
Tę samą wartość mocy napędowej „na kołach pojazdu” (linia 1, rys. 27), konieczną do np. utrzymania stałej prędkości jazdy samochodu, można uzyskać przy różnych wartościach prędkości obrotowej silnika i średniego ciśnienia efektywnego. Praca silnika z każdą parą wartości prędkości obrotowej silnika i średniego ciśnienia efektywnego, przy której na kołach napędowych samochodu uzyskujemy tę samą moc napędową „na kołach pojazdu” (linia 1, rys. 27), cechuje się określoną wartością jednostkowego zużycia paliwa. Należy więc wybrać takie wartości momentu obrotowego i prędkości obrotowej silnika, aby jednostkowe zużycie paliwa było jak najmniejsze.
Przykład. Praca silnika przy wyższej prędkości obrotowej silnika (nA) i mniejszej wartości średniego ciśnienia efektywnego (peA) cechuje się jednostkowym zużyciem paliwa o wartości 125% (pkt. A, rys. 27). Praca silnika przy niższej prędkości obrotowej silnika (nB), ale przy wyższej wartości średniego ciśnienia efektywnego (peB), cechuje się jednostkowym zużyciem paliwa o wartości 105% (pkt. B, rys. 27), ponieważ podczas procesu spalania przy wyższych ciśnieniach paliwo spalane jest bardziej efektywnie. W praktyce jazda na piątym biegu (punkt B, rys. 27) zamiast na trzecim (punkt A) obniża zużycie paliwa o 20%.
Drugim czynnikiem, który powoduje, że praca silnika z niższą prędkością obrotową powoduje obniżenie zużycia paliwa przez silnik, jest ilość pracy potrzebnej na pokonanie oporów ruchu silnika. Wyjaśnię to na przykładzie ruchu tłoka w tulei cylindrowej (rys. 28).
Ruchowi tłoka towarzyszy konieczność pokonania np. oporu tarcia pierścieni tłokowych o tuleje cylindra – siła Tpt. W uproszczeniu, ilość energii, którą należy na to zużyć, np. w czasie 1 minuty pracy silnika, to iloczyn siły tarcia Tpt pierścieni tłokowych o tuleje cylindra oraz drogi, którą w ciągu 1 minuty pracy silnika przebywa tłok. Aby zmniejszyć ilość energii na to potrzebnej, a więc ilość spalonego paliwa, można:
- zmniejszyć wartość siły tarcia Tpt pierścieni tłokowych o tuleje cylindra – to jest czynnik konstrukcyjny;
- zmniejszyć długość drogi, którą przebywa tłok, co osiągamy przez zmniejszenie prędkości obrotowej silnika.
To samo dotyczy współpracy wszystkich innych ruchomych części silnika.
Dolny zakres prędkości obrotowej silnika
Z punktu widzenia oszczędnej i ekologicznej jazdy samochodem dolny zakres prędkości obrotowej silnika to taki:
- który leży w najbardziej ekonomicznym zakresie charakterystyki silnika (okolice punktu B, rys. 27), powyżej bezpiecznej dla danego silnika wartości prędkości obrotowej;
- w którym wartości momentu obrotowego silnika zapewniają pojazdowi akceptowalne przyspieszenia – musi się on sprawnie poruszać.
Jazda przy niskich prędkościach obrotowych silnika budzi wątpliwości u fachowców, szczególnie tych pamiętających Polskie Fiaty 125p i Polonezy. W tych samochodach taka technika jazdy gwarantowała przyspieszoną naprawę wału korbowego i panewek.
Wyższe ciśnienia w komorach spalania powodują bowiem, że łożyska wału korbowego są obciążone większymi siłami (szczególnie korbowodowe). Jednocześnie niższa prędkość obrotowa silnika utrudnia utrzymanie filmu olejowego, który rozdziela powierzchnie czopa i panewek. Ich zetknięcie powoduje wystąpienie tarcia mieszanego lub suchego, które szybko niszczy współpracujące powierzchnie.
We współczesnych silnikach ryzyko opisanego uszkodzenia jest znacznie mniejsze. Są one konstrukcyjnie przystosowane do pracy z niskimi prędkościami obrotowymi. Współczesne oleje silnikowe, przeważnie syntetyczne, o bardziej stabilnej lepkości, zapewniają warunki tarcia płynnego (współpracujące części rozdziela film olejowy) również przy małych prędkościach obrotowych i dużych obciążeniach łożysk ślizgowych. Współczesnym silnikom nie szkodzi praca z niskimi prędkościami obrotowymi, jeśli nie jest ona niższa od wartości bezpiecznej dla danego silnika.
Bezpieczna wartość prędkości obrotowej to taka, poniżej której są wyczuwalne drgania układu napędowego samochodu, powodowane zmianami wartości momentu obrotowego generowanego przez silnik. Jeśli bowiem silnik generuje stałą wartość momentu obrotowego, to stała jest tylko jego wartość średnia (linia 1, rys. 29 a). W rzeczywistości silnik generuje moment obrotowy tylko podczas suwu pracy. Jego część jest magazynowana w kole zamachowym i poruszających się częściach silnika. Ta „zmagazynowana” część jest wykorzystywana do sprężenia mieszanki (silnik ZI) lub powietrza (silnik ZS). Wartość rzeczywista momentu obrotowego generowanego przez silnik zmienia się cyklicznie (linie 2, rys. 29 a i b), w większym zakresie w silniku o 4 cylindrach (rys. 29 a), a w mniejszym zakresie w silniku o 6 cylindrach (rys. 29 b).
Wyczuwalne drgania w układzie napędowym obciążają dodatkowo układ napędowy i stwarzają ryzyko przerwania filmu olejowego pomiędzy współpracującymi elementami silnika i układu przeniesienia napędu.
Silniki o większej liczbie cylindrów można eksploatować przy niższych zakresach prędkości obrotowych od silników o mniejszej liczbie cylindrów. Dolny zakres prędkości obrotowej silnika, który można z korzyścią wykorzystywać, najlepiej określić na drodze próby.
mgr inż. Stefan Myszkowski
Komentarze (1)