Silnik o zapłonie samoczynnym w większości krajów europejskich uważany jest za czystszą alternatywę

Data publikacji: 15.12.2005
Oryginalny tytuł wiadomości prasowej: Silnik o zapłonie samoczynnym w większości krajów europejskich uważany jest za czystszą alternatywę

15.12.2005
Silnik o zapłonie samoczynnym w większości krajów europejskich uważany jest za czystszą alternatywę

Dwutlenek węgla, gaz cieplarniany powstający w efekcie spalania wszelkiego rodzaju paliw, powszechnie uważany jest za jedno z największych długofalowych zagrożeń dla środowiska naturalnego. Œwiadomy odpowiedzialności w tym zakresie, przemysł motoryzacyjny podejmuje intensywne wysiłki nie tylko w kierunku tworzenia coraz doskonalszych silników i sprawniejszych układów przeniesienia napędu, ale również poszukiwania alternatyw dla paliw kopalnych. Równocześnie coraz więcej ludzi zaczyna uważać silniki o zapłonie samoczynnym za lepsze rozwiązanie niż silniki zasilane benzyną. Jednak z różnych powodów ten rodzaj napędu nadal traktowany jest z rezerwą i sceptycyzmem w niektórych krajach, takich jak Grecja, Szwecja czy Stany Zjednoczone, gdzie jest on konsekwentnie dyskryminowany przez nadmierne opodatkowanie i ograniczenia prawne. W Szwecji, na przykład, czołowi politycy z ugrupowań „zielonych” uważają dwutlenek węgla powstający przy spalaniu paliw kopalnych przez transport drogowy (który według Œwiatowej Rady Biznesu na rzecz Stałego Rozwoju ma 12-procentowy udział w ogólny w tym zakresie) jako największe zagrożenie dla środowiska naturalnego – przyczyniające się do zwiększenia efektu cieplarnianego. Ponadto traktują silnik o zapłonie samoczynnym jako wręcz szkodliwy dla środowiska. W efekcie podatek związany z olejem napędowym jest czterokrotnie wyższy niż w przypadku benzyny – mimo że ta ostatnia powoduje o około 20% większą emisję dwutlenku węgla do atmosfery.

WyraŸnie widać w tym sprzeczność: jeżeli z punku widzenia największego zagrożenia dla środowiska silnik o zapłonie samoczynnym jest o 20% lepszy, dlaczego spotyka się z taką opozycją? W końcu ostatnio rząd Szwedzki uznał, że w przyszłości nowe samochody wyposażone w filtr cząstek stałych mogą być opodatkowane według bardziej preferencyjnych stawek. Podczas gdy w niektórych krajach europejskich udział samochodów napędzanych silnikiem Diesla w pewnych segmentach rynku sięga 90%, w Szwecji nie przekracza on 10%. Wielu Szwedów odnosi się z rezerwą lub wręcz lekką niechęcią do tego typu silników, stosunkowo niski jest też poziom wiedzy o stosowanych w nich nowoczesnych rozwiązaniach. Jednym z argumentów na poparcie wyższego opodatkowania silników o zapłonie samoczynnym jest pogląd, że emitują więcej zanieczyszczeń niż silniki o zapłonie iskrowym. Jednak nie uwzględnia on faktu, że do celów porównawczych użyto silników o zapłonie samoczynnym nie wyposażonych w układy ograniczające zawartość tlenków azotu w spalinach i filtry cząstek stałych.

Wyższa sprawność i niższe zużycie paliwa

Kierowca samochodu napędzanego nowoczesnym silnikiem o zapłonie samoczynnym czerpie satysfakcję ze świadomości, że z każdego litra spalonego paliwa emitowane jest o 20% mniej dwutlenku węgla, niż ma to miejsce w przypadku silnika benzynowego w aucie sąsiada. Kolejnym powodem do satysfakcji jest świadomość, że w jeŸdzie poza miastem Volvo V70 z silnikiem Diesla zużywa około 5 litrów paliwa na 100 km, zaś napędzany silnikiem benzynowym samochód o porównywalnych osiągach potrzebuje aż 8 litrów paliwa na pokonanie takiego samego odcinka.

Gdy rząd brytyjski zweryfikował swoją politykę podatkową i wprowadził stawki uzależnione od ilości emitowanego CO2, gwałtownie wzrosła liczba rejestrowanych samochodów z silnikiem o zapłonie samoczynnym. Także i w Szwecji ankiety pokazują, że nabywcy samochodów są generalnie bardziej pozytywnie nastawieni do tego typu silników, a 40% z nich deklaruje, że rozważyłoby zakup auta tankującego olej napędowy, gdyby stawki podatkowe były porównywalne. W Stanach Zjednoczonych opory są większe, choć z odmiennych przyczyn.

„Z perspektywy nabywcy na rynku amerykańskim, silnik o zapłonie samoczynnym jest mniej atrakcyjny, ponieważ niskie ceny paliw powodują mniejsze korzyści finansowe. Ponadto powszechny jest sceptycyzm wobec tego typu silników.” – zauważa Anders Eugensson
z Volvo Cars, który jako zwierzchnik działu Governmental Affairs współpracuje z różnymi organizacjami i urzędami na całym świecie w porozumieniu z reprezentatywnymi ciałami, takimi jak ACEA w Europie.

„Obowiązujące na terenie Stanów Zjednoczonych wymogi dotyczące paliwa są mniejsze, zaś normy czystości spalin są bardziej surowe, co niemal uniemożliwia zastosowanie oleju napędowego w samochodach osobowych. Kierunek pracom rozwojowym w tym kraju nadają przepisy stanowe i specjalne uregulowania kalifornijskie, co oznacza, że priorytetem są napędy hybrydowe, wykorzystujące energię elektryczną i energię ze spalania benzyny lub gazu.” – kontynuuje Anders Eugensson.

Problem filtra cząstek stałych

Komentując sytuację w Europie, gdzie silnik o zapłonie samoczynnym jest bardziej powszechną i akceptowaną opcją, zarówno z uwagi na ochronę środowiska, jak i ze względów ekonomicznych:

„Ostatnio daje się zauważyć zmiana nastawienia. Szwedzcy politycy oraz urzędnicy do spraw ochrony środowiska zaczynają również dostrzegać potencjał tkwiący w wysokiej sprawności silnika o zapłonie samoczynnym i stosowanych w nim układów oczyszczania spalin.”

Jednak Anders Eugensson podkreśla, że zagrożenia powodowane przez cząstki stałe zmusiły francuskich i brytyjskich polityków do wprowadzenia obowiązku wyposażania tego typu silników w odpowiednie filtry. W Niemczech przyznawane jest 518 euro na montaż takich urządzeń w starszych samochodach.

„Problem filtra cząstek stałych był szeroko dyskutowany w roku 2004.” – zauważa Anders Eugensson. „Ale obecnie obserwujemy istotny postęp w związku z ich praktycznym wprowadzeniem. To przesuwa punkt ciężkości debat politycznych na inne zagrożenia dla środowiska naturalnego.”

Trudne wyzwania dla przemysłu

A jaki jest punkt widzenia Volvo Cars?
„Mamy nadzieję osiągnąć średnią europejską, jeżeli chodzi o udział silników o zapłonie samoczynnym w różnych krajach i populacjach samochodowych. Mamy nadzieję, że dojdzie do sytuacji, że nabywcy będą wybierać na podstawie własnych preferencji, a nie odgórnych uregulowań sterowanych przez polityków. Natomiast w przypadku Stanów Zjednoczonych na razie nie liczymy na diesle.” – podsumowuje Anders Eugensson.

Omawia też rozwiązania alternatywne:
Napęd hybrydowy z silnikiem elektrycznym: „Obiecujący. Można się spodziewać gwałtownego rozwoju.”

Napęd elektryczny: „Obecnie nie liczy się w stawce, dopóki nie pojawi się istotny postęp w konstrukcji akumulatorów.”

Wodór: „Zdecydowana alternatywa, pod warunkiem, że pochodzi z odnawialnych Ÿródeł; jednak zanim technologia ta dojrzeje, minie co najmniej 20 lat.”

Metan: „Połączenie gazu naturalnego i biogazu stanowi bardzo obiecującą alternatywę zanim zostanie wdrożone paliwo wodorowe – szczególnie z punktu widzenia dostaw energii.”

Etanol: „Choć paliwo to jest odnawialne, większe są zagrożenia zdrowotne ze strony produktów spalania.”

Metanol: „Trudny do dystrybucji i nie stanowiący alternatywy, za wyjątkiem ewentualnych zastosowań w ogniwach paliwowych.”

Eter dwumetylowy (DME): „Użyteczny szczególnie w ciężkich pojazdach, ale w dłuższej perspektywie może stanowić opcję dla samochodów osobowych.”

ACEA, ciało reprezentatywne dla europejskiego przemysłu samochodowego, uzgodniło z Komisją Europejską znaczne ograniczenie emisji CO2 w najbliższych latach. Przyszłe przepisy prawdopodobnie wprowadzą także obowiązek wyposażania wszystkich silników o zapłonie samoczynnym w filtry cząstek stałych, a w dalszej przyszłości także w urządzenia wychwytujące NOx.

Potrzeba więcej diesli

Europejski przemysł motoryzacyjny zobowiązał się do zredukowania średniego poziomu emisji CO2 przez nowe samochody, które będą sprzedawane w roku 2008, o 25% w stosunku do poziomu z roku 1995. Oznacza to, że średnio wyniesie on 140 g/km. Dotyczy to europejskich zrzeszeń regionalnych producentów samochodów, a nie poszczególnych wytwórców. „Ilustruje to znaczenie ciała reprezentatywnego dla branży.” – komentuje Niklas Gustavsson, odpowiedzialny za sprawy związane ze zmieniającymi się uregulowaniami w zakresie ochrony środowiska w dziale Governmental Affairs. „W ramach uzgodnień zostaliśmy zobowiązani do zwiększenia udziału silników o zapłonie samoczynnym w rynku, a związane z tym wprowadzenie filtrów cząstek stałych będzie bardzo ważną przesłanką dla decyzji politycznych, które ulżą nabywcom samochodów z tego typu silnikami w Szwecji.”

Zauważa on także, że równolegle coraz surowsze stają się normy dotyczące hałaśliwości. Pod tym względem znaczny postęp odnotowano także w przypadku silnika o zapłonie samoczynnym, zarówno w aspekcie subiektywnie odczuwanego, jak i bezwzględnego poziomu hałasu.

„Wtrysk paliwa został już tak udoskonalony, że charakterystyczny klekot kojarzony z silnikiem o zapłonie samoczynnym został niemal całkowicie wyeliminowany. Nowoczesne silniki tego typu zapewniają również doskonałe własności jezdne – i wymagają rzadszego uzupełniania paliwa.” – mówi Niklas Gustavsson.

Podkreśla przy tym, że wytwarzany przez Volvo Cars doskonały silnik pięciocylindrowy jest produktem szwedzkim, daje wiele miejsc pracy w fabryce silników w Skövde, gdzie w ciągu około roku ruszy również produkcja i montaż znacznej części przeznaczonych do modeli S40 i V50 czterocylindrowych silników o zapłonie samoczynnym, wytwarzanych w kooperacji z francuskim koncernem PSA.

Jan-Erling Rydquist był kierownikiem projektu technicznego w początkowej fazie prac Volvo nad własnym silnikiem D5. Dokładnie zna historię silnika o zapłonie samoczynnym.

Trzydzieści lat przewagi skrócone do trzech

„Rudolf Diesel opracował zasadę działania silnika o zapłonie samoczynnym około 30 lat po tym, jak Nikolaus August Otto wynalazł silnik o zapłonie iskrowym. Jednak obecnie ta różnica, mierzona zaawansowaniem konstrukcyjnym, skróciła się do trzech-czterech lat.” – uważa Jan-Erling Rydquist. „W takich krajach europejskich, jak Grecja, Finlandia i Szwecja, które mają stosunkowo najstarszy tabor samochodowy, oznacza to, że znaczna liczba mających pięć i więcej lat aut z silnikiem o zapłonie iskrowym emituje więcej zanieczyszczeń niż nowoczesne diesle.”

Zauważa on, że skonstruowany przez Volvo silnik D5 od początku był przygotowany do spełniania norm czystości Euro 4, zanim w roku 2005 wyposażono go w filtr cząstek stałych. Podstawowa konstrukcja była nieustannie modernizowana w kierunku poprawy sprawności i przebiegu spalania, poprzez obniżanie stopnia sprężania, optymalizację wtrysku paliwa i wspomaganą kontrolowanym zawirowaniem wymianę ładunku w cylindrze, jak również wydajniejsze turbodoładowanie oraz recyrkulację spalin.

Równocześnie podkreśla, że problemem była emisja zanieczyszczeń stałych, mimo że zanim jeszcze wprowadzono odpowiednie filtry, osiągnęła dość niski poziom. W skład zawartych w spalinach cząstek stałych wchodzi pewna ilości sadzy pochodzącej z niespalonego paliwa – niewielkie cząsteczki, które mogą łączyć się w groŸne dla zdrowia większe grupy. Te właśnie drobiny niespalonego węgla, zawierające dodatkowo niewielkie domieszki wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, stwarzają zagrożenie dla zdrowia. Mają one różną wielkość, a największe obawy budzą te o średnicy poniżej 2 um.

„Rozwiązaniem dla tego problemu jest filtr cząstek stałych.” – mówi Jan-Erling Rydquist. „Silnik o zapłonie samoczynnym nadal ma przewagę w postaci większej sprawności, bez względu na wielkość samochodu. Zaś koszt uzyskania stosunkowo skromnych rezultatów, jeżeli chodzi o globalny poziom emisji pyłów do atmosfery, jest niewspółmiernie wysoki. Samochody z silnikiem o zapłonie samoczynnym mają wyjątkowo mały udział w zapyleniu powietrza, którym oddychamy.”

Domieszki stymulujące

Jan-Erling wyjaśnia, że od kiedy postęp konstrukcyjny zaowocował niemal idealnym procesem spalania, praktycznie wszystkie pochodzące z węglowodorów cząsteczki mogą zostać utlenione. Innymi słowy nowoczesne silniki z wyrafinowanymi rozwiązaniami usprawniającymi proces spalania emitują niezwykle małe ilości cząstek stałych. Filtr cząstek stałych jest oczywiście w pełni włączony w elektroniczny układ sterujący pracą silnika. Wspomaga go między innymi czujnik tlenu (sondę lambda), a także czujniki temperatury i ciśnienia. Ten ostatni mierzy przyrost ciśnienia wstecznego i na tej podstawie określa, kiedy zgromadzona w filtrze sadza wymaga usunięcia za pomocą szybko przebiegającej operacji kontrolowanego wypalania. Jest to realizowane z udziałem układu sterującego pracą silnika co 500 kilometrów lub gdy tylko zajdzie taka potrzeba i przebiega w sposób niezauważalny dla kierowcy. Trwałość filtra cząstek stałych szacowana jest na 240000 km, co dla przeciętnego kierowcy samochodu z silnikiem o zapłonie samoczynnym oznacza ponad dziesięć lat.Firma Volvo Cars wprowadziła w swoich samochodach dwa typy takich urządzeń. W mniejszych silnikach czterocylindrowych modeli S40 i V50 stosowany jest filtr cząstek stałych z substancją czynną (ADPF). Filtr ten zawiera niewielki zbiornik ze specjalną cieczą, która po dodaniu do paliwa stymuluje i ułatwia inicjowanie procesu wypalania sadzy
w filtrze. Ponieważ w tradycyjnym silniku o zapłonie samoczynnym temperatura układu wydechowego jest zbyt niska, by zainicjować proces oczyszczania, środek ten umożliwia jego realizację w niższej temperaturze. Uzupełnianie substancji czynnej należy do normalnych czynności okresowej obsługi technicznej samochodu, stąd kierowca nie musi się o to martwić. W skład tej substancji wchodzą pewne ilości metali, między innymi ceru, które nie ulegają spaleniu i tworzą pewne, proporcjonalnie niewielkie ilości popiołu w stosunku do niespalonych pozostałości oleju napędowego i dodatków uszlachetniających z oleju silnikowego. Gdy ilość popiołów oraz wielkość spadku ciśnienia w filtrze osiągną określony poziom, konieczne jest wymontowanie filtra w celu usunięcia popiołu za pomocą strumienia wody, a następnie osuszenia przez przedmuchanie sprężonym powietrzem. Wykonywane jest to co 120000 km. Stosowany w większych, pięciocylindrowych silnikach Volvo filtr cząstek stałych typu CDPF (katalityczny), ze specjalną powłoką z metalu szlachetnego, w połączeniu z jeszcze bardziej wyrafinowanym układem sterowania pracą silnika, pozwala pozbywać się sadzy bez konieczności uzupełniania substancji czynnej. Eliminuje to potrzebę poważniejszych zabiegów serwisowych w celu oczyszczenia filtra, jak to ma miejsce w rozwiązaniu typu ADPF. W tym przypadku trwałość filtra uzależniona jest ilości wytwarzanych przez silnik popiołów – w postaci produktów ścierania i zużycia – oraz dodatków stosowanych do paliwa i oleju silnikowego. Okres eksploatacji filtra CDPF szacowany jest na nie mniej niż 240000 km.

Żyjąc powietrzem

Jan-Erling Rydquist podkreśla, że zastosowanie filtrów cząstek stałych stawiają wysokie wymagania konstrukcji silnika i oprogramowaniu sterującemu:

„Oba rodzaje filtrów wymagają wyrafinowanych silników, które zużywają niezbyt dużo oleju silnikowego i emitują niewielkie ilości cząstek stałych, jak również wysoce zaawansowanego sterowania, w którym wtrysk paliwa, recyrkulacja spalin i pozostałe funkcje są nieustannie regulowane z wykorzystaniem odpowiednich czujników. W sposób niezauważalny dla kierowcy, w trakcie jazdy zwiększana jest temperatura spalin, inicjując wypalanie zgromadzonej sadzy i proces oczyszczania filtra. Trzeba przyznać, że jest to kosztowne rozwiązanie.”

Dodaje także, że w przyszłości proces spalania można jeszcze usprawnić, dodając kolejne urządzenia wspomagające. Jeżeli, na przykład, możliwe będzie uzyskanie bardziej jednorodnego i kontrolowalnego przebiegu spalania przy stosunkowo niskiej temperaturze (poniżej 1700°C), pozwoli to uzyskać bardzo niski udział tlenków azotu i wręcz znikomy cząstek stałych w spalinach.

„Silnik o zapłonie samoczynnym ma z założenia wysoką sprawność.” – mówi Jan-Erling Rydquist. „Jeżeli podejmowane na całym świecie wysiłki badawcze, mające na celu opracowanie metod kontrolowania zachodzących procesów, zaowocują dalszym postępem w tym zakresie, stosowanie filtrów cząstek stałych może okazać się zbędne…”

„Ponieważ silnik o zapłonie samoczynnym ‘żyje powietrzem’, sprawność spalania jest nierozerwalnie związana z jak najskuteczniejszą wymianą ładunku w cylindrze. Dalszy rozwój turbodoładowania powinien połączyć ograniczanie emisji zanieczyszczeń ze zwiększaniem osiągów. Innymi słowy, w przypadku silnika o zapłonie samoczynnym nie ma sprzeczności w rozwoju obu tych aspektów równocześnie!”

źródło: Biuro Prasowe
Załączniki: