Silniki spalinowe - nowe rozwiązania technologiczne

Postęp technologiczny w dziedzinie silników spalinowych

Postęp technologiczny zakłada nie tylko powstawanie nowych metod radzenia sobie z zaistniałymi problemami, ale także ciągłe doskonalenie już istniejących rozwiązań. Reguła ta nie omija maszyn budowlanych.

Jedną z dziedzin, w której konstruktorzy i inżynierowie dążą do stałego polepszania osiągów przy równoczesnym obniżaniu wydatku zasobów potrzebnych do uzyskania tych wyników, są silniki spalinowe.

Silnik spalinowy - jak działa?

Pierwszy proces (ssanie) powoduje opuszczenie tłoka w dół cylindra, co skutkuje wytworzeniem podciśnienia w komorze spalania. Otwierający się wtedy zawór ssący zasysa czyste powietrze (w przypadku silnika wysokoprężnego) do komory spalania w wyniku ruchu tłoka. 

W drugim etapie (sprężanie) w silniku diesla następuje sprężenie powietrza i zapłon poprzedzony wtryskiem paliwa, tutaj następuje on samoistnie na skutek podwyższonej temperatury i ciśnienia spowodowanych sprężeniem. 

Cykl pracy, który zachodzi potem, wywołuje gwałtowny ruch tłoka w dół, generując siłę napędową. Siła ta jest przekazywana poprzez korbowód na wał korbowy, który zamienia ruch posuwisto-zwrotny tłoka na ruch obrotowy.

Ruch obrotowy wału korbowego jest wykorzystywany do napędzania innych elementów. W przypadku maszyn budowlanych są to najczęściej pompy hydrauliczne oraz skrzynie biegów.

Ostatnią fazą jest wydech - tłok porusza się znów w górę, wypychając tym samym spaliny powstałe po spaleniu mieszanki paliwowo-powietrznej. Te ostatnie są wyprowadzane z cylindra do układu wydechowego i emitowane na zewnątrz.

Trudny teren i specyficzna rola sprzętu budowlanego wymagają generowania pokaźnego zasobu energii do obsługi jego zasadniczych funkcji, a rygorystyczne i stale rosnące normy dotyczące emisji spalin wymuszają rozwój coraz to nowszych osiągnięć technologicznych, które poprawiają parametry w tym zakresie. 

Typy technologii - Common Rail, SCR, EGR, rozwiązania hybrydowe i napędy elektryczne   

Silniki spalinowe podlegają stałemu doskonaleniu myśli technicznej, która ma na celu podnieść efektywność i zmniejszyć emisję spalin. Wysiłki podjęte w tej materii doprowadziły do powstania wielu nowoczesnych rozwiązań konstrukcyjnych, stosowanych obecnie w maszynach budowlanych. Kilka z tych technologii zostanie przybliżonych w tym tym tekście.   

Common Rail 

Na pierwszy rzut przybliżymy technologię z dziedziny wtrysku paliwa w silnikach spalinowych. Bezpośredni wtrysk paliwa to technologia stosowana w silnikach spalinowych, w której olej napędowy jest dopuszczony bezpośrednio do komory spalania. Jest to alternatywa dla tradycyjnego wtrysku pośredniego, w którym olej napędowy jest podawany do kolektora ssącego.

W przypadku bezpośredniego wtrysku - wtryskiwacz jest umieszczony w głowicy cylindra. Jest to bardziej precyzyjna metoda dostarczania paliwa, ponieważ wprowadzana jest prosto do komory spalania, co pozwala na lepszą kontrolę nad mieszanką paliwowo-powietrzną. Poniżej przybliżamy na czym polega technologia Common Rail, wykorzystująca podobne rozwiązania. 

Początki tej techniki konstrukcyjnej sięgają lat 70. XX wieku i firmy Fiat. Po wprowadzeniu jej na rynek w latach 90, została zaadoptowana przez innych producentów i wyszła poza kategorię samochodów osobowych, gdzie pierwotnie miała premierę, znajdując zastosowanie również w silnikach do maszyn budowlanych. 

Common Rail, jak już wspomnieliśmy, odnosi się do systemu wtrysku paliwa. W erze sprzed powstania tej technologii, tradycyjne silniki były wyposażone tylko w pompę paliwową podłączoną do zbiornika z nośnikiem energii. Ta dostarczała płyn do wtryskiwaczy, a jego ciśnienie było zależne od pracy tejże pompy.

W przypadku silnika z technologią Common Rail, olej napędowy jest przechowywany w specjalnej szynie paliwowej pod wysokim stałym ciśnieniem, do której podłączone są wtryskiwacze.

Elektroniczne sterowanie pozwala na dokładne dostosowanie czasu i ilości cieczy, która jest wstrzykiwana przez wtryskiwacz, otrzymujący odpowiedni sygnał elektroniczny, dozujący olej bezpośrednio do komory spalania. 

Dzięki precyzji i elastyczności w kontroli wtrysku, silnik spalinowy może osiągnąć lepszą wydajność i redukcję emisji oraz lepiej dopasować parametry wtrysku do warunków jazdy. Przekłada się to bezpośrednio na wzrost mocy, oszczędność i mniejszą emisję szkodliwych substancji.

Wielu producentów maszyn budowlanych m.in. Caterpillar, Komatsu, Volvo, czy Hitachi, stara się implementować zaawansowane technologie w celu zwiększenia wydajności przy spełnieniu rosnących wymogów redukcji spalania.

SCR - Selektywna redukcja katalityczna

Selective Catalyst Reduction to zaawansowany system redukcji tlenków azotu w silnikach spalinowych. Działa poprzez zastosowanie specjalnego katalizatora i mieszanki chemicznej (AdBlue), którą przechowuje się w zbiorniku, w postaci roztworu wodnego. 

Poprzez skierowanie płynu pod wysokim ciśnieniem w strumień spalin, zachodzą reakcje chemiczne mające na celu przekształcenie szkodliwych substancji NOx na azot (N2), czy wodę (H2O). 

System SCR umiejscowiony jest zazwyczaj w układzie wydechowym maszyny zaraz za silnikiem spalinowym, blisko miejsca, gdzie gazy wylotowe opuszczają ten układ. W przypadku niektórych rodzajów maszyn budowlanych elementy SCR mogą być umieszczone w specjalnych obudowach wewnątrz układu wydechowego.

Technologia SCR jest jednym z najskuteczniejszych reduktorów emisji tlenków azotu, szacunkowo osiąga blisko 90% skuteczności w redukcji emisji szkodliwych substancji.    

EGR - Exhaust Gas Recirculation

Układy recyrkulacji spalin - podobnie, jak poprzednio, mamy do czynienia z technologią służącą do redukcji emisji tlenków azotu. Działanie EGR polega na przekierowaniu części spalin z układu wydechowego z powrotem do komory spalania silnika. 

Tam poprzez obecność spalin dochodzi do zmniejszenia temperatury płomienia i w ten sposób ogranicza się tworzenie tlenków azotu w wysokich temperaturach. Technologia ta wykazuje jednak mniejszą skuteczność w stosunku do SCR i podatność na występowanie potencjalnych awarii układu recyrkulacyjnego w skutek osadzania się sadzy. 

Rozwiązania hybrydowe i napędy elektryczne

Wciąż pojawiające się nowe wytyczne, mające ograniczać zużycie tradycyjnych surowców energetycznych, wywierają wpływ na rozwój technologii hybrydowych, które stają się coraz wyraźniej widoczne wśród maszyn budowlanych. 

Napędy spalinowo-elektryczne zaczynają zyskiwać na popularności wśród wiodących producentów sprzętu budowlanego. Tego typu napędy łączą silnik spalinowy z jednostką elektryczną. 

Ten pierwszy jest wykorzystywany w napędzie maszyny podczas pracy z większymi obciążeniami, a silnik elektryczny wspomaga go w czasie lżejszego wysiłku lub w trybie oszczędzania energii.

Innym zastosowaniem jednostki elektrycznej może być funkcja generatora, który odzyskuje energię w czasie hamowania lub spowalniania i magazynuje ją w bateriach. Daje to możliwość redukcji emisji spalin, poprawia wydajność i zmniejsza zużycie paliwa.

Całościowe napędy elektryczne w maszynach budowlanych wykorzystują silniki elektryczne jako główne źródło napędu. Silniki elektryczne są zasilane z baterii lub innych źródeł energii elektrycznej, takich jak generatory prądotwórcze lub zewnętrzne źródła zasilania. Przykłady takich maszyn znajdujemy w ofercie niektórych firm, jak Volvo, Caterpillar, Hitachi, Komatsu, czy JCB.

Końcowy bilans

Na koniec trzeba wspomnieć również o ograniczeniach wymienionych w tekście rozwiązań technologicznych i potencjalnych problemach, które mogą powodować. W przypadku Common Rail wskazuje się na skomplikowaną strukturę i zaawansowaną elektronikę kontrolującą ciśnienie, które w razie awarii generują dużo większy koszt naprawy. 

Biorąc pod lupę oba systemy redukcji emisji tlenku azotu, to często wskazuje się na zapychanie sadzą takich elementów, jak np. katalizator SCR, podobne problemy może powodować również zawór EGR układu recyrkulacji spalin. Ważne jest również pamiętanie, aby regularnie uzupełniać płyn AdBlue w SCR.

Inwestycje w konstrukcje o napędach hybrydowych i elektrycznych wiążą się z większym kosztem początkowym w stosunku do tradycyjnych dieslowskich odpowiedników. Dodatkowo, z powodu raczej “egzotycznego” charakteru tych maszyn, mogą wystąpić trudności z serwisem sprzętu, który uległ awarii. 

Konieczność ładowania baterii w przypadku napędów elektrycznych wymaga dostępu do infrastruktury ładowania, co skutkuje dodatkowym wydatkiem pieniędzy na zakup takiego generatora.

Napędy hybrydowe, z racji występowania w nich uzupełniającego systemu elektrycznego i baterii są w stanie zwiększyć masę pojazdu.  

Podsumowanie i serwis silników spalinowych Wibako

Przybliżone w tekście rozwiązania technologiczne posiadają niewątpliwe zalety, ale oczywiście i swoje wady. Rozwój poszczególnych systemów zależny jest od ciągłej potrzeby dostosowania sprzętu do nowych wymagań eksploatacyjnych i rosnących norm redukcji emisji spalin. 

W Wibako posiadamy szerokie doświadczenie w remontach silników spalinowych. Wykonujemy kapitalne remonty tych podzespołów, oferując naszym klientom weryfikację, wymianę lub regenerację poszczególnych części, montaż i składanie w całość.

Końcową fazą remontu są zawsze wyczerpujące testy jednostki, aby upewnić się, że wdrożone prace odniosły pożądany skutek i przywróciły silnik spalinowy do sprawności. 

Zachęcamy do zapoznania się ze szczegółami oferty remontowej. W przypadku poszukiwania konkretnych części do silnika spalinowego lub kompletnej jednostki polecamy nasz katalog części.