MAN-M/System M

Był to dość udana próba usunięcia wielu wad tradycyjnych silników dieslowskich. Meurer uwzględnił zjawiska towarzyszące reakcji spalania, w celu stworzenia dużo bardziej efektywnego silnika wysokoprężnego. Pokrótce postaram się opisać ten system.

Zjawiska towarzyszące spalaniu

W silnikach ZS ważne jest odpowiednie wymieszanie paliwa i powietrza w komorze spalania. Odpowiednie rozproszenie kropel paliwa w cylindrze, zawirowania w celu uzyskania optymalnej mieszanki, czy inne tego typu rozwiązania mające za zadanie polepszenie jakości procesu spalania. Wszelkie wady w procesie spalania przypisywano złemu wymieszaniu i niedostatecznemu „oblepieniu” odpowiednio małych kropel przez powietrze i ich odparowaniu. Istotnie takie podejście przynosi efekty i poprawia pracę silnika. Jednak na spalanie mają wpływ także inne zjawiska, które odgrywają dość poczesną rolę.

Zjawiska chemiczne reakcji spalania

W paliwa dla silników ZS to przede wszystkim węglowodory. A zatem często występują wiązania C-H oraz C-C. Gdy (dość) chłodne paliwo miesza się z gorącym powietrzem, dochodzi do rozpadu cząstek, co ułatwia samozapłon. Jednak tak nagła reakcja ma swoje swoje wady. Uwolniony wówczas zostaje reaktywny wodór, ponadto powstają reszty bogate w węgiel, niezbyt skłonne do utlenienia. W takiej sytuacji sprawę załatwiłby katalizator (para wodna), jednak z pewnych względów w cylindrze nie ma to miejsca. W sumie przebieg tej reakcji dobrze obrazuje sposób pracy tradycyjnego diesla – po zapłonie gwałtowny wzrost ciśnienia oraz hałas (reakcja wodoru), później silny spadek ciśnienia i emisja sadzy (niedopalone reszty węglowe). Warto zauważyć, że im wyższa temperatura tym opisane wyżej reakcje przechodzą szybciej. Proces przebiega lawinowo i nie sposób go zatrzymać, efektem jest całkowity rozpad cząstek.

System M

Uznano, że należy zapobiec wystąpieniu tej reakcji. Aby nie dopuścić do niekorzystnej sytuacji całkowitego rozpadu cząstek paliwa, konieczna jest zmiana sposobu tworzenia się mieszanki. System ten opierał się na trzech założeniach:

1. Główna część dawki powinna odparować poprzez ogrzewanie przy niedostatecznej ilości tlenu (nieprzekroczona dolna granica wybuchowości). Ważnym jest aby nie doszło do przegrzania paliwa. Odparowane paliwo łatwo miesza się z powietrzem, ponadto takie opary mają wyższą temperaturę samozapłonu niż mgła paliwa podgrzana przez gorące powietrze (czyli mieszanka uzyskana w sposób klasyczny).
   
2. Odparowane i (zbytnio) nie objęte rozpadem paliwo, ma mieszać się z powietrzem stopniowo i na miarę możliwości w ilościach stechiometrycznych. Nie wolno dopuścić do samozapłonu zasadniczej części dawki paliwa.
   
3. Zapłon dawki opisanej w pkt. 1 i 2 następuje od płomienia. Ma on mieć źródło we wstrzykniętej osobno minimalnej dawce paliwa objętej samozapłonem (wg. schematu typowego dla klasycznego silnika wysokoprężnego).
   

Do praktycznej realizacji użyto 2-otworowego wtryskiwacza (osobno dawka główna i zapalająca, odpowiednio 95 i 5 [%] objętości paliwa) skierowanego do kulistej komory wewnątrz tłoka (w tłoku była wnęka w kształcie kuli ściętej od góry, oraz dodatkowa wnęka pod wtryskiwaczem na obrzeżu kulistej powierzchni). Paliwo rozlewało się cienką warstewką po powierzchni kulistej, ulegało odparowaniu i tylko nieznacznemu rozpadowi (chłodzenie tłoka olejem natryskiwanym od dołu). Samozapłon następuje od żarzących się niedopalonych reszt węglowych (sadzy), pochodzących od dawki zapalającej.
W efekcie otrzymano silnik cechujący się cichą pracą (zwłaszcza jak na klasycznego diesla), małą skłonnością do dymienia, bardzo niską wrażliwością na liczbę cetanową paliwa. Ponadto spalanie przebiega łagodnie, ciśnienie maksymalne jest niższe niż w klasycznym silniku tego typu (co korzystnie wpływa trwałość - spadek obciążenia mechanicznego).

Dalszy rozwój

Następne ogniwo ewolucji tego systemu nosiło nazwę HM. Lepsze parametry pracy (mniejsze lambda, lepsze napełnianie, nieco niższe zużycie paliwa) osiągnięto dzięki silniejszym zawirowaniom powietrza w cylindrze (nie zawsze przynosi to efekty, tutaj jednak sprawa ma się inaczej) – wewnątrz kulistej komory dochodzi do rozwarstwiania się powietrza i par paliwa wskutek intensywnego ruchu wirowego. Skutkuje to lepszym wymieszaniem i korzystniejszymi parametrami pracy.
Finalnym zwieńczeniem osiągnięć tego systemu była odmiana FM, oprócz cech wyżej wymienionych, dodatkowo zainstalowano zapłon iskrowy. (Konstrukcja była zatem niejako mieszana: ZS i ZI w jednym) Był to już właściwie silnik wielopaliwowy.

Cummins PT

Nieco poza konkursem – w/w system zasilania i wtryskiwacz. O aparaturze i systemie jako całości może kiedy indziej. Na razie opis wtryskiwacza. Konstrukcja odmienna od typowych, pracowała w sposób przypominający (przynajmniej mnie) opisany wyżej system M. Masywna iglica wtryskiwacza unosiła się początkowo do góry, odsłaniając jednocześnie dyszę paliwa. Paliwo było rozpylane pod iglicą wewnątrz wtryskiwacza (w tzw. komorze zmieszania). Do wspomnianej komory trafia powietrze z cylindra, nawet wcześniej niż samo paliwo (ruch iglicy ku górze nie dopuszcza paliwa do cylindra). W komorze zmieszania paliwo ogrzewa się i częściowo odparowuje. Ruch iglicy ku dołowi wstrzykuje mieszankę do cylindra. Samozapłon następuje niemal natychmiast.
Widać pewne podobieństwo obu systemów (ogrzewanie mieszanki i jej parowanie przed zapłonem zorganizowane w szczególny sposób).
Oba rozwiązania od dawna nie są już stosowane, jednak uzmysławiają jak ważne są detale i pozornie nieistotne procesy.