Technologia z Formuły 1 może przedłużyć życie silników spalinowych

Ileż to razy słyszeliśmy już, że silniki spalinowe wymrą jutro po południu? Zapewne wiele – ale to jutro wciąż nie nadchodzi. I dzięki firmie Mahle możliwe, że jeszcze trochę to zajmie, przynajmniej jeśli mowa o silnikach benzynowych.

Mahle jest producentem wielu części samochodowych, w tym choćby elementów napędu rozrządu, tłoków, filtrów, elektroniki czy elementów napędu pojazdów elektrycznych. Sama firma szacuje, że elementy jej produkcji znajdują się w blisko połowie aut produkowanych na świecie.

W 2010 r. Mahle ogłosiło, że znalazło sposób na poprawę efektywności pracy silników benzynowych.

Już wtedy idea nie była nowa – przypominała rozwiązanie stosowane przez Hondę w Civicu CVCC (Compound Vortex Controlled Combustion; grafika poniżej) na początku lat 70. Dziś też stosuje się silniki skonstruowane z wykorzystaniem tego pomysłu, aczkolwiek w motoryzacji ich zastosowanie ogranicza się póki co do Formuły 1.

Mahle Jet Ignition (MJI) – podstawowe informacje.

MJI jest też znane pod nazwą TJI – Turbulent Jet Ignition. Tajemnica tego rozwiązania tkwi w dodatkowej, niewielkiej komorze (nazwijmy ją „wstępną”, żeby rozgniewać fanów starych diesli), umieszczonej nad tą właściwą komorą spalania. Umożliwia ona zmianę sposobu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej. W zwykłych, masowo stosowanych rozwiązaniach, zapłon jest punktowy i relatywnie mało efektywny. Dzięki dodatkowej komorze zapłon mieszanki jest de facto dwustopniowy, ale pomimo tego znacznie szybszy (w czym pomagać ma fakt, że mieszanka paliwowo-powietrzna jest homogeniczna, tj. równomiernie wymieszana nawet w skali molekularnej).

Prowadzone są prace nad dwoma systemami MJI: aktywnym i pasywnym. Ten pierwszy wymaga do pracy dwóch wtryskiwaczy na cylinder, z czego jeden – niskoprzepływowy – to wtrysk bezpośredni do wspomnianej komory wstępnej. Drugi może być elementem wtrysku pośredniego (w praktyce: wielopunktowego) lub bezpośredniego, a jego zadaniem będzie zaopatrywanie w benzynę głównej komory spalania.

W systemie pasywnym cała sprawa jest nieco prostsza. Wystarczą tu tylko pojedyncze wtryskiwacze pośrednie lub bezpośrednie, obsługujące główną komorę spalania. Nad komorą wstępną znajdują się więc wyłącznie świece zapłonowe. To właśnie ten system najbardziej przypomina CVCC Hondy, i to właśnie ten system stosuje się obecnie w Formule 1.

Jak to działa?

Zacznijmy od systemu aktywnego. W jego przypadku ok. 95 proc. mieszanki paliwowo-powietrznej trafia do głównej komory spalania. W chwili gdy ma miejsce suw sprężania, do komory wstępnej wtryskiwane jest pozostałe 5 proc. mieszanki, po czym natychmiastowo następuje zapłon dzięki umieszczonej tam świecy zapłonowej. Opary częściowo spalonej mieszanki przedostają się przez niewielkie otwory do głównej komory spalania, powodując zapłon głównej porcji mieszaniny powietrza i benzyny. Proces ten, oprócz tego że ma zachodzić szybciej, to ma też być bardziej równomierny niż w tradycyjnych rozwiązaniach. W systemie aktywnym zapłon ma być przy okazji możliwy przy znacznie większym udziale powietrza w stosunku do paliwa (tj. przy ubogiej mieszance) w momencie, gdy nie jest potrzebna duża moc. Możliwe jest tutaj osiągnięcie współczynnika składu mieszanki λ równego 2 (podczas gdy λ równa 1 oznacza mieszankę stechiometryczną, tj. taką, gdzie tlenu jest dokładnie tyle, ile potrzeba do spalenia paliwa).

W systemie pasywnym proces również zaczyna się od dostarczenia mieszanki do głównej komory spalania – tyle tylko, że trafia tu od razu jej całość, a nie – jak wyżej – 95 proc. Jak zatem część tejże mieszanki trafia do komory wstępnej? W najprostszy możliwy sposób – gdy tłok wędruje w górę, to po prostu „wpycha” część mieszaniny wyżej. Reszta przebiega już podobnie: zapłon w komorze wstępnej i, co za tym idzie, przeniesienie tegoż zapłonu do komory głównej. Tutaj przy pełnym obciążeniu osiągnąć można λ = 1, podczas gdy w typowych silnikach i przy takich warunkach zwykle stosuje się nieco wzbogaconą mieszankę (λ ≈ 0,9).

Kilka zalet, kilka wad – ale te pierwsze przeważają.

Oba rozwiązania mają według Mahle zapewniać niższe zużycie paliwa (do 10 proc.) i zmniejszenie emisji szkodliwych związków. Przy czym w przypadku tych ostatnich, chodzi przede wszystkim o tlenki azotu – w tym przypadku poprawa jest podobno kolosalna, a emisja NOx w trybie ultra-ubogiej mieszanki (tj. w systemie aktywnym przy niskim obciążeniu) zredukowana nawet o 99 proc.

Nieco gorzej wygląda sprawa w przypadku węglowodorów. Ich emisja będzie co prawda niższa niż w typowym silniku z wtryskiem bezpośrednim, ale zarazem wyższa niż w jednostkach z wtryskiem wielopunktowym. Otwartą kwestią pozostaje pytanie, czy konieczne zatem będzie używanie filtrów cząstek stałych (GPF) – o ile bowiem silniki korzystające z wielopunktu go przy obecnych normach po prostu nie potrzebują, to te korzystające z wtrysku bezpośredniego już na ogół tak (jednym z nielicznych wyjątków są Mazdy z benzynowymi silnikami SkyActiv).

Pasywny system co prawda nie będzie aż tak skuteczny w zakresie oszczędności paliwa (brak możliwości pracy na ultra-ubogiej mieszance), ale będzie umożliwiał pracę w cyklu Millera. Oba systemy umożliwią redukcję występowania spalania stukowego i zwiększenie stopnia sprężania.

Poza tym Mahle chwali się, że integracja TJI w dowolnym silniku ma być relatywnie prosta. To też kwestia do dyskusji, ponieważ wymaga to nie tylko zmodyfikowanego układu wtryskowego i zapłonowego, ale też innych tłoków czy zaworów. No i oczywiście głowic. To trochę sporo jak na relatywnie prostą przeróbkę. Z drugiej strony mam wrażenie, że ludzie we własnym zakresie robią czasem bardziej skomplikowane rzeczy. Nowe rozwiązanie będzie można stosować w samochodach hybrydowych, ale nie wspomniano nic na temat współpracy z instalacjami LPG.

Póki co Niemcy chcą zainteresować swoim rozwiązaniem producentów samochodów.

Na jakim są etapie – nie wiadomo. Ale jeśli MJI/TJI miałoby wejść do masowej produkcji, to lepiej żeby się z tym pospieszyli – w innym wypadku coraz bardziej restrykcyjne limity emisji CO2 szybko wybiją silniki spalinowe. Przynajmniej w Unii Europejskiej.