Elastyczność silnika spalinowego

Dziś wpis o elastyczności silnika spalinowego. Otóż stosunkowo często można spotkać się ze stwierdzeniem że dany silnik charakteryzuje się dobrą, bądź też słabą elastycznością. Czym jest jednak elastyczność silnika? Jeśli idzie o potoczne rozumienie elastyczności, mam wrażenie że dla wielu kierowców silnik o dobrej elastyczności to taki, który zapewnia wysoki moment obrotowy już przy niskiej prędkości obrotowej, a tym samym taki który nie wymaga utrzymywania wysokiej prędkości obrotowej aby pojazd dynamicznie jechał. Jestem też zdania że dla typowego kierowcy silnik który przy niskiej i średniej prędkości obrotowej generuje jedynie niski moment obrotowy (czyli silnik który wymaga utrzymywania wysokiej prędkości obrotowej aby pojazd dynamicznie jechał), to silnik o słabej elastyczności.

 

To co zaprezentowałem powyżej to potocznie rozumienie elastyczności silnika, które jednak niekoniecznie ma istotny związek z naukową definicją elastyczności. Otóż zgodnie z posiadanymi przeze mnie mądrymi książkami, elastyczność silnika to skłonność silnika do samoczynnego dostosowania się do zmieniających się warunków ruchu (czyli samoczynne dostosowywanie się silnika do zmieniającego się obciążenia). Elastyczność tłokowego silnika spalinowego związana jest z tym, że silnik osiąga swoją maksymalną moc przy wyższej prędkości obrotowej, względem prędkości obrotowej przy której występuje maksymalny moment obrotowy. Przykładowo, silnik benzynowy o pojemności 1,6 litra, stosowany do napędu samochodu Citroen BX, osiąga maksymalny moment obrotowy (128 Nm) przy 3000 obr./min, natomiast maksymalną moc (90 KM) przy 6400 obr./min

 

Spójrzmy teraz na poniższy wykres, który to przedstawia zależność mocy i momentu obrotowego od prędkości obrotowej silnika:

wykres_moc_moment_kolor_m

Na powyższym wykresie, krzywa koloru czerwonego oznacza moc, natomiast krzywa koloru niebieskiego moment obrotowy. Oś odciętych (pozioma) przedstawia prędkość obrotową silnika, natomiast oś rzędnych (pionowa) przedstawia jego moc (dla krzywej mocy) i moment obrotowy (dla krzywej momentu). Kropka koloru fioletowego to moc maksymalna silnika. Kropka koloru zielonego to maksymalny moment obrotowy generowany przez silnik. Kropka koloru żółtego to moment obrotowy generowany przez silnik przy obrotach mocy maksymalnej.

 

Jak widać na wykresie, przy obrotach mocy maksymalnej, silnik generuje mniejszy moment obrotowy, względem maksymalnego momentu obrotowego. Stąd też jeśli silnik pracuje na obrotach mocy maksymalnej, to w tym przypadku spadek prędkości obrotowej silnika, spowoduje wzrost momentu obrotowego. Tym samym może nastąpić sytuacja zbliżona do takiej opisanej poniżej:

Samochód porusza się po płaskiej drodze, a jego silnik pracuje na obrotach mocy maksymalnej. Moment obrotowy generowany przez silnik jest wystarczający, aby samochód był w stanie utrzymać swoją prędkość- samochód porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym. Po pewnym czasie pojawia się wzniesienie, a aby wjechać na wzniesienie, trzeba więcej momentu obrotowego, niż aby poruszać się po płaskiej drodze. Podczas wjeżdżania na wzniesienie okazuje się że moment obrotowy generowany przez silnik (pracujący na obrotach mocy maksymalnej) jest zbyt mały, stąd też zaczyna spadać prędkość samochodu. Wraz ze spadkiem prędkości samochodu, zaczyna spadać prędkość obrotowa silnika, stąd też wzrasta moment obrotowy generowany przez silnik. Wzrost momentu obrotowego jest wystarczający, aby prędkość samochodu przestała spadać, czyli samochód może wjechać na wzniesienie mimo braku zmiany biegu na niższy.

 

Powyższa sytuacja to właśnie samoczynne dostosowanie się silnika do zmieniających się warunków ruchu. Ot, moment obrotowy generowany przez silnik wzrósł, choć kierowca nie podjął żadnego działania.

 

Zgodnie z posiadanymi przeze mnie mądrymi książkami, rozróżniamy elastyczność momentu obrotowego, elastyczność prędkości obrotowej i elastyczność całkowitą silnika. Najpierw wzór na elastyczność momentu obrotowego:

elast_moment

Zgodnie z powyższym wzorem, aby obliczyć elastyczność momentu obrotowego, należy podzielić maksymalny moment obrotowy (licznik) przez moment obrotowy generowany przy obrotach mocy maksymalnej (mianownik). Zgodnie z książką Silniki spalinowe (autor: Jan Kijewski) elastyczność momentu obrotowego wynosi około 1,10-1,30 w przypadku silników benzynowych i 1,05-1,15 w przypadku silników Diesla.

 

Teraz czas na elastyczność prędkości obrotowej silnika:

elast_pred

Według powyższego wzoru, aby obliczyć elastyczność prędkości obrotowej silnika, należy podzielić prędkość obrotową silnika przy której silnik osiąga moc maksymalną (licznik) przez prędkość obrotową silnika przy której silnik osiąga maksymalny moment obrotowy (mianownik). Zgodnie z książką Silniki spalinowe, elastyczność prędkości obrotowej silnika zazwyczaj wynosi od 1,3 do 2,0.

 

Jak wspominałem, istnieje jeszcze elastyczność całkowita silnika:

elast_calkow

Zgodnie ze wzorem zamieszczonym powyżej, aby obliczyć elastyczność całkowitą silnika, należy pomnożyć elastyczność momentu obrotowego przez elastyczność prędkości obrotowej. Autor Silników spalinowych daje do zrozumienia że elastyczność całkowita silnika zazwyczaj wynosi od 1,5 do 2,5.

Elastyczność silnika spalinowego

Diesel musi dymić?

Dymienie silnika pochodzi więc przeważnie z wadliwego działania poszczególnych części. Winić za to należy kierowcę lub warsztat, który zajmuje się utrzymaniem w porządku silników i dokonuje napraw bieżących. Jak widzimy z przytoczonych wyżej przyczyn dymienia, można ich we wszystkich tych przypadkach uniknąć przez doprowadzenie do należytego stanu działania poszczególnych części. Zadymienie ulic przez takie samochody jest plagą. Nieprawdą jest na co niektórzy się już zgodzili i przyjęli jako zło konieczne, mianowicie, że silnik Diesel’a musi dymić. Gdyby wszyscy kierowcy w porę usuwali przyczyny dymienia, lub o ile sami nie znają działania silnika Diesel’a, zwrócili się z tym do odpowiednich warsztatów, to napewno sprawa ta uległa by poprawie.

 

Źródło cytatu: książka Szybkoobrotowe samochodowe silniki Diesel’a. Dla kierowców samochodowych. Autor książki: Alfred Frąszczak. Wydawnictwo wileńskiego oddziału „Autotrestas”. Rok wydania: 1941.

Diesel musi dymić?

Moment obrotowy silnika Diesla

Często spotykam się z tezą zgodnie z którą silnik Diesla ma większy moment obrotowy od silnika benzynowego. Czy ta teza jest jednak prawdziwa? Cóż, aby porównanie było uczciwe pod względem technicznym, należy w mojej ocenie porównać wolnossący silnik Diesla do wolnossącego silnika benzynowego, ewentualnie turbodoładowany silnik Diesla do turbodoładowanego silnika benzynowego. Porównanie wolnossącego silnika benzynowego do wolnossącego Diesla jest w mojej ocenie nieuczciwe pod względem technicznym, bowiem przy takim porównaniu różnica w momencie obrotowym może wynikać nie z Dieslowatości silnika wysokoprężnego, a z obecności turbodoładowania. Podobnie za nieuczciwe pod względem technicznym uważam porównanie wolnossącego silnika wysokoprężnego do turbodoładowego silnika benzynowego. Porównajmy więc dwa silniki wolnossące o takiej samej pojemności, jeden benzynowy, drugi wysokoprężny, oba montowane w samochodzie Peugeot 405.

– wolnossący ośmiozaworowy czterocylindrowy rzędowy silnik benzynowy o pojemności 1,9 litra (1905 centymetrów sześciennych) z elektronicznym wtryskiem paliwa ma maksymalną moc 127 KM przy 5500 obr/min i maksymalny moment obrotowy 175 Nm przy 4500 obr/min

– wolnossący ośmiozaworowy czterocylindrowy rzędowy silnik Diesla o pojemności 1,9 litra (1905 centymetrów sześciennych) ma maksymalną moc 71 KM przy 4600 obr/min i maksymalny moment obrotowy 119 Nm przy 2000 obr/min

 

Widać że silnik benzynowy osiąga nie tylko wyraźnie większą maksymalną moc, ale również wyraźnie większy maksymalny moment obrotowy. Jednak widać również że silnik benzynowy osiąga swój maksymalny moment obrotowy przy większych obrotach niż obroty przy jakich maksymalny moment obrotowy osiąga silnik Diesla. Czy to oznacza że wolnossący Diesel ma przy niskich obrotach większy moment obrotowy od wolnossącego silnika benzynowego pracującego na równie małych obrotach? Otóż nie. Jak porównać wolnossący silnik benzynowy do wolnossącego silnika Diesla, przy założeniu że oba silniki mają podobną pojemność i są na podobnym poziomie zaawansowania technicznego, silnik benzynowy będzie miał większy moment obrotowy już nieznacznie powyżej obrotów biegu jałowego, przy czym im wyższe będą obroty obu silników, tym przewaga momentu obrotowego silnika benzynowego będzie większa. Wyjątek mogą stanowić niektóre silniki benzynowe o sportowej (wysokoobrotowej) charakterystyce, nie osiągające dużego momentu obrotowego przy niskiej i średniej prędkości obrotowego. Skąd więc wzięło się przekonanie o większym momencie obrotowym silnika Diesla? Według mnie wzięło się z tego że turbodoładowanie wcześniej zaczęto na bardzo dużą skalę stosować w silnikach Diesla, niż w silnikach benzynowych. Jeszcze nie tak dawno temu samochodowy silnik Diesla miał prawie zawsze turbosprężarką, a samochodowy silnik benzynowy był prawie zawsze silnikiem benzynowym. Dokonajmy więc porównania turbobenzyny do turbodiesla, przy założeniu że silniki będą miały taką samą pojemność i będą na podobnym poziomie zaawansowania technicznego. Do porównania ponownie posłużą silniki montowane w Peugeocie 405.

– wolnossący ośmiozaworowy czterocylindrowy rzędowy silnik benzynowy o pojemności 1,9 litra (1905 centymetrów sześciennych) z elektronicznym wtryskiem paliwa ma maksymalną moc 127 KM przy 5500 obr/min i maksymalny moment obrotowy 175 Nm przy 4500 obr/min

– turbodoładowany ośmiozaworowy czterocylindrowy rzędowy silnik Diesla o pojemności 1,9 litra (1905 centymetrów sześciennych) ma maksymalną moc 92 KM przy 4000 obr/min i maksymalny moment obrotowy 196 Nm przy 2250 obr/min. Silnik bez chłodnicy międzystopniowej (intercoolera)

 

Jak widać, nie dość że turbodoładowany Diesel ma większy maksymalny moment obrotowy, to jeszcze osiąga go przy niższych obrotach w porównaniu do obrotów przy jakich silnik benzynowy osiąga swój maksymalny moment obrotowy. Przy czym o ile porównanie turbodiesla do wolnossącej benzyny ma w mojej ocenie mały sens techniczny, to ma spory sens praktyczny, bowiem jak już wspomniałem, był okres czasu kiedy silniki benzynowe były zazwyczaj wolnossące, a silniki Diesla były zazwyczaj turbodoładowane, tym samym osoba nabywająca samochód często miała i ma wybór pomiędzy samochodem z wolnossącym silnikiem benzynowym, a samochodem z turbodoładowanym silnikiem Diesla. Teraz porównajmy tubobenzynę do turbodiesla. Ponownie silniki o podobnej pojemności i na podobnym poziomie zaawansowania technicznego montowane w Peugeocie, tym razem w Peugeocie 406.

– turbodoładowany ośmiozaworowy czterocylindrowy rzędowy silnik benzynowy o pojemności 2 litrów (1998 centymetrów sześciennych) z elektronicznym wtryskiem paliwa ma maksymalną moc 147 KM przy 5300 obr/min i maksymalny moment obrotowy 235 Nm przy 2500 obr/min. Silnik bez chłodnicy międzystopniowej (intercoolera)

– turbodoładowany ośmiozaworowy czterocylindrowy rzędowy silnik Diesla o pojemności 2 litrów (1997 centymetrów sześciennych) ma maksymalną moc 90 KM przy 4000 obr/min i maksymalny moment obrotowy 205 Nm przy 1900 obr/min. Silnik bez chłodnicy międzystopniowej (intercoolera)

– turbodoładowany ośmiozaworowy czterocylindrowy rzędowy silnik Diesla o pojemności 2 litrów (1997 centymetrów sześciennych) ma maksymalną moc 109 KM przy 4000 obr/min i maksymalny moment obrotowy 250 Nm przy 1750 obr/min. Silnik z chłodnicą międzystopniową (intercoolerem)

 

Przedstawiona turbobenzyna wypada porównywalnie pod względem momentu obrotowego do przedstawionych turbodiesli, przy czym turbodoładowana benzyna osiąga swój maksymalny moment obrotowy przy wyższych obrotach od obrotów przy jakich swój maksymalny moment obrotowy osiągają turbodoładowana Diesle. Co do momentu obrotowego generowanego przez turbodiesle i turbobenzyny przy niskich obrotach, turbodiesle zazwyczaj uważane są za silniki generujące dość duży moment obrotowy przy niskich obrotach, podczas gdy w przypadku turbobenzyn istnieją zarówno silniki o sportowej (wysokoobrotowej) charakterystyce, nie osiągające dużego momentu obrotowego przy niskich obrotach, jak i silniki osiągające dość duży moment obrotowy przy niskiej prędkości obrotowej.

Dodam że według mnie przekonanie o tym że silnik Diesla ma większy moment obrotowy od silnika benzynowego wzięło się nie tylko z porównywania turbodiesli do wolnossących benzyn, ale również z tego że w niektórych samochodach najmniejszy dostępny silnik benzynowy miał mniejszą pojemność od najmniejszego dostępnego silnika Diesla. Przykładowo w Peugeocie 405 nie było dostępnego silnika Diesla o mniejszej pojemności niż 1,7 litra, podczas gdy najmniejszy silnik benzynowy miał pojemność 1,4 litra. Tym samym pewnie istnieli ludzie porównujący moment obrotowy niewielkiego silnika benzynowego do momentu obrotowego dość dużego silnika Diesla. Porównajmy więc wolnossący silnik benzynowy o małej pojemności, do wolnossącego silnika Diesla o dość dużej pojemności, przy założeniu że oba silniki stoją na podobnym poziomie rozwoju technicznego. Za przykład posłużą silniki montowane w Peugeocie 405.

– wolnossący ośmiozaworowy czterocylindrowy rzędowy silnik benzynowy o pojemności 1,4 litra (1360 centymetrów sześciennych) z gaźnikiem ma maksymalną moc 76 KM przy 5800 obr/min i maksymalny moment obrotowy 115 Nm przy 3600 obr/min

– wolnossący ośmiozaworowy czterocylindrowy rzędowy silnik Diesla o pojemności 1,9 litra (1905 centymetrów sześciennych) ma maksymalną moc 71 KM przy 4600 obr/min i maksymalny moment obrotowy 119 Nm przy 2000 obr/min

 

Przedstawiony dość duży wolnossący silnik Diesla ma nieznacznie większy maksymalny moment obrotowy od przedstawionego niewielkiego wolnossącego silnika benzynowego. Dodatkowo przedstawiony silnik Diesla osiąga maksymalny moment obrotowy przy mniejszych obrotach od obrotów przy jakich swój maksymalny moment obrotowy osiąga przedstawiony silnik benzynowy. Można tym samym przyjąć że jeśli oba silniki będą pracowały na niskich obrotach, to przedstawiony dość duży silnik wysokoprężny powinien mieć większy moment obrotowy od przedstawionego stosunkowo niewielkiego silnika benzynowego

Moja konkluzja tych porównań jest taka że silnik Diesla może mieć wyraźnie większy maksymalny moment obrotowy od silnika benzynowego, ale przy porównaniu w mojej ocenie nieuczciwym pod względem technicznym. Przykładowo przy porównaniu turbodiesla do wolnossącej benzyny, lub przy porównaniu silnika Diesla o dużej pojemności do silnika benzynowego o małej pojemności. Jednak jeśli zrobić uczciwe pod względem technicznym porównanie wolnossącego Diesla do wolnossącej benzyny, lub turdbodiesla do turbobenzyny, przy założeniu że silniki mają podobną pojemność i są na podobnym poziomie rozwoju technicznego, to silnik Diesla nie będzie mieć większego maksymalnego momentu obrotowego od silnika benzynowego, a może i wystąpić sytuacja w której silnik Diesla będzie miał mniejszy maksymalny moment obrotowy od silnika benzynowego.

Moment obrotowy silnika Diesla