Rozruch silnika z turbosprężarką jak powinien przebiegać

Łatwy rozruch silnika wysokoprężnego w niskich temperaturach otoczenia jest czynnikiem wpływającym w dużym stopniu na jego niezawodność eksploatacyjną, która obok ekonomiczności pracy i toksyczności spalin jest jednym z głównych kryteriów oceny przydatności silnika.

Na właściwości rozruchowe silników wysokoprężnych wpływają następujące czynniki:

- dawka rozruchowa paliwa,
- prędkość obrotowa niezbędna do uzyskania rozruchu,
- minimalny czas obracania silnika rozrusznikiem,
- jakość oleju silnikowego,
- stan instalacji rozruchowej i naładowania akumulatora,
- stopień sprężania,
- bezwładność wirnika turbosprężarki,
- przełożenie rozrusznik-koło zamachowe.

Doładowanie dynamiczne, mechaniczne i Comprex

Użycie doładowania bezsprężarkowego (dynamicznego) nie przyczynia się do żadnych skutków w zakresie prędkości obrotowych odpowiadających rozruchowi silnika, układ bowiem dolotowy silnika jest dostosowany do wywołania zjawisk falowych przy prędkościach obrotowych w obszarze momentu obrotowego do mocy znamionowej. Dlatego też, silnik doładowany w trakcie rozruchu zachowuje się identycznie jak silnik wolnossący. Doładowanie mechaniczne także nie powoduje znaczących zmian w pracy silnika przy prędkości obrotowej rozruchu i nie powoduje niepożądanych skutków. Sprężarka podaje co prawda nieco więcej powietrza do silnika, ale można to skorygować większą dawką paliwa i rozruch nastąpi szybciej. Dzięki temu negatywne skutki rozruchu, tzn. zwiększoną emisję składników toksycznych do atmosfery, można zmniejszyć. Podobnie jest w przypadku doładowania typu Comprex, które łączy w sobie cechy obydwu sposobów doładowania.

Turbodoładowanie

Najbardziej rozpowszechnionym obecnie sposobem doładowania jest doładowanie za pomocą turbosprężarki. W rozwiązaniu tym wykorzystuje się bezużyteczną energię pochodzącą od spalin do napędu turbiny połączonej wałkiem ze sprężarką. Mimo wysokiego poziomu zaawansowania konstrukcyjnego silników oraz turbosprężarek, doładowanie to cechuje się pogorszeniem właściwości rozruchowych silnika w wyniku zwiększenia oporów przepływu powietrza w układzie dolotowym. Opory te są zwiększone z tego powodu, że dopływające powietrze musi przepłynąć przez wirnik sprężarki, który jest nieruchomy, bo silnik początkowo nie wytwarza spalin napędzających turbinę. Jednocześnie na pogorszenie właściwości rozruchowych silnika wpływa zmniejszenie stopnia sprężania w silnikach turbodoładowanych, niezbędne do uzyskania przez te silniki dużej sprawności w zakresie średnich i dużych obciążeń. Kiedy jest uszkodzona turbina nie zachodzi już konieczność wymiany nową bardzo drogą można ją profesjonalnie regenerować w naszym Turbo Serwisie w Stalowej Woli.

Wpływ turbodoładowania wyrażający się bezwładnością wirnika turbosprężarki z zachowaniem wszystkich pozostałych czynników jako stałych można prześledzić na przykładzie silnika ciągnikowego Zetor 7501 w wersji wolnossącej i Zetor 8002 w wersji turbodoładowanej (wymiary główne silników są identyczne). Graniczna temperatura silnika doładowanego 8002 wynosiła - 6◦C przy 75-sekundowym czasie rozruchu, z kolei dla silnika wolnossącego w tych samych warunkach -9,5◦C a więc korzystniej o 36,8%. W temperaturze -6◦C silnik bez doładowania uzyskiwał rozruch już po 15 sekundach. W wielu przypadkach by zminimalizować niekorzystne skutki doładowania, stosuje się różne zabiegi regulacyjne jak np. zmniejszenie kąta wyprzedzenia wtrysku dla GMP. Skuteczność takich rozwiązań została jednak okupiona większym emitowaniem zanieczyszczeń i produktów niezupełnego i niecałkowitego spalania w trakcie rozruchu. Badania wpływu na właściwości rozruchowe płynów ułatwiających rozruch przeprowadzono jedynie dla silnika bez doładowania. Zaobserwowano zadowalającą skuteczność płynu, lecz jego działanie ma też niekorzystne skutki eksploatacyjne, m.in. znacznie szybciej zużywają się wkłady łożysk korbowodowych. Dzieje się tak z powodu gwałtownego przyrostu ciśnienia w cylindrze w wyniku wybuchu mieszaniny palnej i płynu rozruchowego, co doraźnie zapewnia skuteczny rozruch, lecz w eksploatacji jest zjawiskiem niepożądanym. Podsumowując, rozruch turbodoładowanych silników wysokoprężnych powoduje pewne problemy. Jest to spowodowane przede wszystkim zwiększonymi oporami w układzie dolotowym, jakie stwarza wirnik sprężarki, który z racji swojej bezwładności nie obraca się, nie dopuszczając powietrza do silnika w chwili rozpoczynania rozruchu Drugim powodem pogorszenia właściwości rozruchowych jest obniżony stopnień sprężania w silnikach doładowanych, mające na celu poprawę sprawności silnika w obszarze średnich i dużych prędkości obrotowych, bez przekraczania dopuszczalnych naprężeń cieplnych i mechanicznych. Problemy te można rozwiązać za pomocą zabiegów regulacyjnych lub też stosując urządzenia ułatwiające rozruch, a uzyskiwane temperatury rozruchu pozwalają na eksploatację silników w naszej strefie klimatycznej.

Turbodoładowanie silnika systemu Hyperbar (turbosprężarki sklep) może zapewnić jego rozruch nawet w temperaturze -50◦C. Uruchomienie silnika „turbinowego” w małym stopniu utrudnia obniżona temperatura otoczenia. Po jego uruchomieniu do kolektora dolotowego jest doprowadzone powietrze sprężone i częściowo podgrzane w sprężarce, co zapewnia udany rozruch silnika.

Recyrkulacja i toksyczność spalin, a turbosprężarka

Rozwój współczesnych silników jak już nam wiadomo, jest kierunkowany przez dwa czynniki: ochroną środowiska naturalnego i oszczędnością paliw płynnych. Czynniki te wpływają w sposób zasadniczy na konstrukcję silników wysokoprężnych a także ich właściwości eksploatacyjne. Powszechnie znanym sposobem poprawy właściwości roboczych silników jest obniżenie toksyczności gazów spalinowych jest ich doładowanie. W najnowszej generacji szybkoobrotowych silników wysokoprężnych, które spełniają wszystkie bardzo rygorystyczne wymagania, stosuje się silniki o wtrysku bezpośrednim, turbodoładowane z chłodzeniem powietrza doładowującego (TDI). Zastosowanie wtrysku bezpośredniego pozwala na spełnienie obydwu kryteriów, gdyż jest to najbardziej ekonomiczny sposób spalania, a co za tym idzie silnik wydziela najmniejszą ilość spalin na jednostkę wyprodukowanej mocy i tym samym mniej szkodliwych składników jest wydalanych do atmosfery. Turbodoładowanie przez zwiększenie masy powietrza dostarczanego do silnika przy znacznej jego turbulencji pozwala na lepsze przygotowanie mieszaniny palnej paliwa z powietrzem a tym samym lepszy przebieg spalania. Dodatkowe schłodzenie powietrza doładowującego poprawia napełnienie cylindra i tym samym stwarza lepsze warunki przygotowania mieszaniny palnej. W silnikach tych istnieją bardzo korzystne warunki do tworzenia się tlenków azotu w efekcie występowania wysokich temperatur oraz dość znacznego nadmiaru powietrza. W związku z tym, że doładowaniu będzie zawsze towarzyszyć nadmiar powietrza, pozostaje jako jedyna droga obniżenie maksymalnych temperatur spalania. Można to wykonać doprowadzając ze świeżym ładunkiem pewną ilość substancji o większej pojemności cieplnej niż mieszanka paliwowo-powietrzna (spaliny). W układach recyrkulacji spalin tę zwiększoną pojemność cieplną wykorzystuje się do obniżenia maksymalnych temperatur spalania, a więc do obniżenia emisji NOx. Wprowadzenie pewnej ilości spalin powoduje znaczne rozcieńczenie ładunku zawartego w cylindrze, wydłużenie czasu spalania oraz wzrost emisji węglowodorów, tlenku węgla i cząstek stałych w wyniku zwiększenia się strefy wygaszania płomienia na ściankach komory spalania. Następuje też niewielkie zwiększenie jednostkowego zużycia paliwa. W aktualnie używanych silnikach wysokoprężnych zasadniczym problemem jest obecność tlenków azotu w spalinach. Są to składniki bardzo toksyczne, których obecność wynika z działania wielu czynników towarzyszących tworzeniu mieszaniny palnej i spalaniu. Doładowanie typu Comprex już w swoim założeniu pozwala na dość łatwe zrealizowanie recyrkulacji spalin (dzięki bezpośredniej ich styczności z powietrzem doładowującym), a tym samym na zmniejszenie zawartości NOx w spalinach przez obniżenie maksymalnej temperatury spalania. Również w nowoczesnych silnikach o zapłonie iskrowym i wtrysku bezpośrednim występują podobne problemy z tlenkami azotu, jak w silnikach wysokoprężnych (z racji dużego współczynnika nadmiaru powietrza), dlatego niezbędna jest recyrkulacja spalin.

Ekonomiczność pracy silnika z turbo

Ogólnie przyjęto, że wskaźnikiem ekonomiczności pracy silnika jest jego jednostkowe zużycie paliwa, ponieważ mówi o tym, ile energii chemicznej zawartej w paliwie trzeba zużyć do wyprodukowania jednostki mocy przez silnik. W silniku doładowanym, z chłodzeniem powietrza doładowującego, obszar najmniejszego zużycia paliwa jest największy i położony bardzo korzystnie, bo w rejonie małych i średnich prędkości obrotowych. Obszar minimalnego jednostkowego zużycia paliwa zajmuje około 25% pola pracy silnika i obejmuje zakres najczęściej wykorzystywanych obciążeń oraz prędkości obrotowych. Takie usytuowanie warstw stałego jednostkowego zużycia paliwa wpływa bardzo korzystnie na eksploatacyjne zużycie paliwa samochodu napędzanego tym silnikiem. Wszelkiego rodzaju dane pokazują, że poza doładowaniem mechanicznym, wszystkie pozostałe omówione rodzaje doładowań wpływają korzystnie na wskaźniki ekonomiczne silników doładowanych. Szczególnie korzystny wpływ ma doładowanie kombinowane z chłodzeniem powietrza doładowującego. Dla przykładu, zużycie paliwa na 100km dla tego samego pojazdu w wersji z silnikiem turbodoładowanym i z doładowaniem kombinowanym, wynosi 14% na korzyść jednostki napędowej z doładowaniem kombinowanym. Przyrównując parametry silnika doładowanego mechanicznie i za pomocą turbosprężarki, można dojść do wniosku, że doładowanie mechaniczne znacznie zmniejsza sprawność w postaci wartości sprężu.

Właściwości dynamiczne turbiny

Elastyczność silnika trakcyjnego wyraża jego zdolność do przystosowania się do nagłej zmiennych obciążeń oraz prędkości obrotowych. Określa ona zdolność silnika do przyspieszania pod obciążeniem. Znacznie korzystniejsze są właściwości dynamiczne samochodu i silnika z doładowaniem typu Comprex. Przebiegi rozpędzania silnika turbodoładowanego i silnika z doładowaniem Comprex napędzających ten sam samochód (16-tonowy Saurer 5 DF) różnią się od siebie w sposób zasadniczy. W przypadku doładowania Comprex nie występuje charakterystyczne „falowanie” prędkości związane z cechami organicznymi doładowania. Wspomniany wyżej silnik Comprex ma znacznie lepsze właściwości dynamiczne, gdyż np. pojazd z tym silnikiem prędkość 30 km/h uzyskuje po 18 s, podczas gdy z silnikiem turbodoładowanym po 37 s, co daje średnio przyspieszenie odpowiednio 0,462 m/s2 i 0,225 m/s2. W porównaniu z turbodoładowaniem, korzystnie kształtują się właściwości dynamiczne silników z doładowaniem kombinowanym, w których luki turbodoładowania wypełnia doładowanie dynamiczne. Ponieważ silniki te są w pewnym zakresie prędkości obrotowych silnikami o prawie stałej mocy lub stałym momencie, ilość niezbędnych przełączeń skrzynki biegów zmniejsza się o 24%, co znacznie ułatwia pracę kierowcy. W efekcie przeprowadzonych badań statystycznych większych próbek poszczególnych rodzajów silników stwierdzono, że opinie o dużej elastyczności silników o zapłonie iskrowym i małej silników o zapłonie samoczynnym nie mają racji bytu. Średnia wartość elastyczności całkowitej silników o zapłonie iskrowym (obliczona dla 206 silników), wynosząca 2,072, jest mniejsza o 6% od średniej elastyczności silników o zapłonie samoczynnym (obliczonej dla 84 silników) i aż o 46% od elastyczności nowoczesnych silników wysokoprężnych TDI. Jeszcze gorzej wygląda porównanie nowoczesnych silników o wtrysku wielopunktowym, których elastyczność jest mniejsza o 76% od elastyczności silników TDI.

Szczególnie nowoczesne silniki benzynowe o wtrysku bezpośrednim borykają się z dość niskim momentem obrotowym. Wynika to z niedopracowania techniki i technologii, jednak wydaje się że jest to rozwiązanie perspektywiczne. Dotychczas przywiązywano szczególną wagę do zmniejszania toksyczności spalin, stąd poszukiwania nowych systemów zasilania silnika powietrzem i paliwem, a do problemu elastyczności przykładano mniejszą wagę. Wydaje się, że problem ten zostanie z powodzeniem rozwiązany w silnikach benzynowych, z jednoczesnym zachowaniem dotychczasowych osiągnięć w dziedzinie ochrony środowiska.