Silniki Diesla napędzają praktycznie cały światowy transport towarów. Olejem napędowym napędzane są samochody dostawcze, ciężarówki, lokomotywy spalinowe, raz praktycznie wszystkie statki śródlądowe i oceaniczne. Niedobór tego paliwa lub poważna podwyżka jego cen doprowadzi światową gospodarkę na skraj załamania. Co można zrobić, aby wykorzystywać paliwa silnikowe efektywniej?
Zacznijmy od omówienia podstaw działania silnika tłokowego. Powietrze pobierane z otoczenia jest sprężane w cylindrze przez tłok do ciśnienia kilkanaście-kilkadziesiąt razy większego niż atmosferyczne, następnie wtryskiwane jest paliwo, którego spalenie zwiększa temperaturę i ciśnienie gazu. Gdy tłok zaczyna sunąć w dół, spaliny rozprężają się aż do momentu, gdy tłok opadnie w swoje dolne położenie, a następnie są wyrzucane na zewnątrz. Temperatura spalin przed rozpoczęciem rozprężania może przekroczyć 1700°C, czyli prawie 2000K, a po rozprężaniu wynosi około 500°C, czyli prawie 800K. Idealny silnik cieplny pracujący w takim cyklu miałby sprawność 60%, silniki rzeczywiste mają efektywność rzędu 30-50%, przy czym te najwyższe wartości zarezerwowane są dla olbrzymich silników diesla napędzających wielkie statki.
Rys. 1 Większość największych statków jest napędzana przez dwusuwowe silniki Diesla. Generują one bardzo dużą moc (do 100 000 KM) przy stosunkowo niewielkim rozmiarze, wymagają niewiele obsługi i mają wysoką sprawność w szerokim zakresie mocy. Źródło.
Aby poprawić efektywność silnika spalinowego stosuje się wiele sztuczek. W silnikach benzynowych głównym ograniczeniem dla konstruktorów są wybuchowe właściwości paliwa. Benzyna, która w wyniku sprężania zostanie rozgrzana zbyt mocno, zaczyna się spalać stukowo, czyli wybucha, zanim tłok osiągnie swoje najwyższe położenie.
Olej napędowy, jako cięższe paliwo, spala się wolniej, dlatego stosuje się go w silnikach wysokoprężnych. Dzięki wyższemu ciśnieniu w komorze spalania, można odzyskać ze spalin więcej energii, a więc silnik pracuje efektywniej. Ciśnienie spalin wylatujących z silnika jest wciąż znacznie wyższe od atmosferycznego, można więc wykorzystać je np. do napędzenia małej turbiny gazowej. Energia uzyskana przez turbinę może posłużyć do zasilenia sprężarki, dzięki czemu zwiększa się ciśnienie w silniku, a więc również jego moc i sprawność. Turbosprężarka jest jednym z najważniejszych elementów współczesnego silnika Diesla, umożliwia mu osiągnięcie dużej mocy przy niewielkiej pojemności cylindrów silnika.
Temperatura, w jakiej spalane jest paliwo w silniku może w niektórych miejscach osiągnąć 2000°C. Ścianki cylindra mogą wytrzymać tak wysoką temperaturę tylko dlatego, że przez cały czas są chłodzone przez układ chłodzenia, który odbiera z silnika nawet jedną trzecią generowanego tam ciepła. Ciepło pobierane przez płyn chłodzący silnik zazwyczaj oddawane jest bezpośrednio do otoczenia w chłodnicy, jest więc bezpowrotnie tracone.
Prawie jedna czwarta energii zawartej w paliwie opuszcza silnik w postaci ciepła spalin. Mają one na tyle niską temperaturę, że bardzo trudno jest wykorzystać je do napędu. Systemy odzyskiwania ciepła spalin stosowane są czasami na największych statkach, jednak podnoszą one sumaryczną sprawność silnika o zaledwie 2-3%.
Jak jeszcze można podnieść sprawność silników benzynowych i wysokoprężnych? Obecnie wprowadzane innowacje opierają się przede wszystkim na polepszeniu procesu spalania paliwa poprzez modyfikację kształtu komory spalania i zaworów, lepsze rozpylenie paliwa i elektroniczne sterowanie wtryskiem, a także na zmniejszenie oporów przepływu powietrza przez turbosprężarkę, zawory i kolektory. Tego typu technologie mogą zmniejszyć zużycie paliwa co najwyżej o kilka procent.
Współczesne silniki tłokowe mogą być zasilane różnymi paliwami. W największych silnikach wysokoprężnych zamiast standardowego oleju napędowego, używa się jego cięższej odmiany, czyli mazutu (ang. bunker fuel, heavy fuel oil). Jest to gęsty, mocno zasiarczony destylat ropy naftowej, stosowany niegdyś do opalania kotłów parowych, a obecnie głównie do napędzania dużych statków. Mazut to tanie, ale nadzwyczaj brudne paliwo. Innym paliwem wykorzystywanym w transporcie morskim jest LNG – skroplony gaz ziemny. Jego zaletami jest znacznie niższa emisja składników toksycznych niż dla mazutu, a także nieco niższa emisja CO2 i niższa cena. Skroplony gaz ziemny jest niestety bardzo kłopotliwy w przechowywaniu (wrze już w temperaturze -162°C), ale za to przy jego spalaniu nie powstają tlenki siarki, których emisja podlega coraz bardziej rygorystycznej kontroli w Unii Europejskiej i na otaczających ją wodach. Paliwa gazowe coraz częściej wykorzystywane są do napędu silników głównie ze względu na swoją niską cenę. Oprócz gazu ziemnego i LPG, do zasilania silników tłokowych nadają się też gaz koksowniczy, gaz drzewny i biogaz.
Jednym z najważniejszych wyzwań dla konstruktorów silników jest obniżenie emisji toksycznych składników spalin. Problem emisji siarki i ołowiu przez samochody rozwiązany został poprzez zastosowanie benzyny bezołowiowej i oleju napędowego o niskiej zawartości siarki. Z tlenkiem węgla poradzono sobie wprowadzając katalizatory. Emisja pyłu z silników diesla jest większym problemem, ale w nowych silnikach, dzięki lepszej kontroli procesu spalania oraz filtrom cząstek stałych, emisja cząstek stałych jest minimalna. Najtrudniej wyeliminować tlenki azotu. Tworzą się one z azotu zawartego w powietrzu pod wpływem wysokiej temperatury w cylindrze. Problem próbuje się rozwiązać poprzez zastosowanie recyrkulacji spalin, wtrysk mocznika do spalin (AdBlue), oraz zastosowanie katalizatorów trójfunkcyjnych, ale każde z tych rozwiązań ma swoje wady lub ograniczenia. Zdarza się, że użytkownicy samochodów sami demontują np. filtr cząstek stałych, aby obniżyć swoje koszty eksploatacji samochodu.
Współczesne silniki spalinowe łączą w sobie małe wymiary, dużą moc i dość wysoką sprawność w szerokim zakresie obciążeń. Nie da się już w sposób znaczący podnieść ich efektywności, dlatego należy raczej myśleć o innych sposobach na zmniejszenie zużycia paliw kopalnych w transporcie. Jedną z metod może być elektryfikacja transportu. Transportowanie towarów koleją elektryczną jest nie tylko bardziej ekologiczne, ale też tańsze, niż korzystanie ze spalinowych lokomotyw i ciężarówek. W miastach transport publiczny sprawdza się lepiej od indywidualnego, i pozwala na znaczne zmniejszenie zużycia ropy, a w przypadku transportu elektrycznego, na całkowitą jej eliminację. Tam, gdzie korzystanie z paliw ciekłych to konieczność, trzeba zastosować rozwiązania pozwalające zmniejszyć ich zużycie, co przyczyni się nie tylko do zmniejszenia emisji zanieczyszczeń, ale też do olbrzymich oszczędności finansowych.
Autor: Bernard Swoczyna
