Metody zwiększenia mocy silnika spalinowego, benzynowego. Część I - silnik.

Czy to możliwe?

   Zacznijmy od tego że parametry każdego silnika spalinowego w samochodzie osobowym można poprawić. Zawsze są rezerwy mocy, których producent nie wykorzystuje z różnych powodów np: ekonomicznych, ekologicznych czy ze względu na żywotność silnika. W tym artykule opiszę jedynie silniki benzynowe, wolnossące. Silniki diesla opiszę przy innej okazji.

Wnioski płynące z analizy teoretycznego obiegu Otto.

   Wystarczy wstępnie przeanalizować obieg Otto, który jest teoretycznym odpowiednikiem obiegu silnika benzynowego, by zauważyć pewne zależności. Na poniższym wykresie są oznaczone 4 punkty. Punkt 1 jest miejscem gdzie tłok znajduje się w DMP (Dolne Martwe Położenie), jest to koniec suwu ssania a początek suwu sprężania. W punkcie 2 tłok znajduje się w GMP (Górne Martwe Położenie), następuje zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej i nagły wzrost ciśnienia w cylindrze.  Punkt 3 jest miejscem gdzie ciśnienie gazów spalinowych w cylindrze osiąga wartość maksymalną, tłok znajduje się w GMP i rozpoczyna się suw pracy. W punkcie 4 tłok znajduje się ponownie z DMP. Pomiędzy punktami 1 i 2 oraz 3 i 4 są krzywe oznaczone jako "S", są to izentropy. O tym czym jest izentropa i jakie są różnice pomiędzy obiegami teoretycznymi a rzeczywistymi przedstawię w osobnym artykule.

Obszar zakreskowany na wykresie jest pracą teoretyczną obiegu. Zwiększenie pracy teoretycznej bezpośrednio wpływa na poprawę sprawności obiegu, wynika to ze wzoru na sprawnosć teoretyczną silnika.

Zwiększenie pracy teoretycznej (pola zakreskowanego na wykresie) można zrealizować na trzy sposoby:

- zwiększyć objętość skokową Vs

- zwiększyć stopień sprężania ε

- zwiększyć ciśnienie spalania P

   Pierwszy sposób pominę ze względów technicznych. Oczywiście są tzw. "stoker kits", czyli zestawy zwiększające pojemność skokową przez zmianę wykorbienia wału czy wymiarów elementów mechanizmu korbowo-tłokowego. Problem w tym, że tego typu zestawy są produkowane tylko do wybranych silników. Do aut ze zwykłymi silnikami 1.4 czy 1.6 (jak np Golf czy Corolla), takie zestawy nie są dostępne. Zwiększenie objętości skokowej spowoduje poziome wydłużenie pola obiegu (odległości pomiędzy punktami 1 i 2 oraz 4 i 3).

   Drugi sposób (zwiększenie stopnia sprężania) jest bardziej przyziemny i ogólnodostępny. Można go wykonać na dwa sposoby. Stopień sprężania jest stosunkiem objętości maksymalnej cylindra do objętości minimalnej. Na przedstawionym wykresie, objętość maksymalna będzie w punktach 1 i 4, minimalna w punktach 2 i 3:

 

Wartość stopnia sprężania jest liczbą bezwymiarową, więc zapisu typu "11:1" czy "9:1" są błędne, poprawny zapis to po prostu 11 czy 9. Najbardziej rozpowszechnionymi sposobami zwiększenia stopnia sprężania jest maksymalne splanowanie głowicy lub wymiana tłoków na wyższe (doprężające). Obie operacje wiążą się z rozebraniem silnika, jednak bez mechanicznej ingerencji w silnik nie ma możliwości zmiany stopnia sprężania. Należy pamiętać o ograniczeniach konstrukcyjnych podczas planowania lub dobierania tłoków. Zbyt duże zebranie materiału z głowicy lub dobranie za wysokich tłoków może doprowadzić do kolizji tłoka z zaworami i zniszczenia silnika. Zwiększenie stopnia sprężania przez opisane działania powoduje zmniejszenie minimalnej objętości cylindra, więc czerwona prosta na obiegu (pomiędzy punktami 2 i 3) przesunie się w lewo, zwiększając pole pracy teoretycznej. W silnikach benzynowych, ograniczeniem osiągania dużych stopni sprężania jest spalanie detonacyjne mieszanki paliwowo-powietrznej. Podczas sprężania mieszaniny palnej w cylindrze, powstaje na tyle duże ciśnienie i temperatura że dochodzi do samozapłonu mieszanki. Powstaje wówczas wiele ognisk zapłonu, samo spalanie staje się niekontrolowane, powstają gwałtowne przyrosty ciśnień w cylindrach. Spalanie detonacyjne objawia się metalicznym stukiem pochodzącym z silnika i jest to bardzo niekorzystne zjawisko dla mechanizmu korbowo-tłokowego. By uniknąć spalania detonacyjnego przy dużych stopniach sprężania można stosować dodatki uszlachetniające do paliwa, paliwo o wyższej licznie oktanowej (np benzyny 98-mio oktanowe i wyższe) lub zastosować zasilanie gazem LPG. 

   Trzecia metoda, na poprawę sprawności silnika benzynowego, polega na zwiększeniu ciśnienia maksymalnego (w czasie spalania - punkt 3 na obiegu) co spowoduje przesunięcie krzywej oznaczonej numerem 1 (izentropy rozprężania) w górę. Po części, wzrost ciśnienia maksymalnego można uzyskać powiększąjąc stopnień sprężania jednak skuteczniejszą metodą jest doładowanie silnika sprężarką.

Wnioski płynące z analizy wzoru na moc silnika.

   Z metod bardziej dostępnych warto wspomnieć o zwiększeniu prędkości obrotowej silnika. Wzrost prędkosci obrotowej prowadzi do wzrostu mocy silnika co wynika ze wzoru.

   Analizując wzór, można zauważyć że pewien parametr pominęliśmy we wcześniejszych rozważaniach analizując obieg Otto, chodzi o wspomnianą prędkość obrotową. Wraz ze wzrostem prędkości rośnie moc silnika ale też wzrastają opory ruchu w mechanizmie korbowo-tłokowym, opory przepływu mieszanki w kanałach głowicy oraz obciążenia bezwładnościowe mechanizmu korbowo-tłokowego. Problemów przy zwiększaniu prędkości obrotowej jest wiele. Jeżeli jednak zależy nam by silnik pozostał wolnossący, prędkość obrotowa staje się jednym z kluczowych parametrów podlegających zmianie. Oczywiście, niektóre efekty uboczne da się po części wyeliminować. Opory przepływu można zmniejszyć realizując obróbkę kanałów głowicy (szlifowanie, polerowanie), stosując lepsze wałki rozrządu i obróbkę zaworów. Opory ruchu mechanizmu korbowo-tłokowego można zmniejszyć stosując oleje lepszej jakości i mniejszej lepkości (im mniejsza lepkość, tym mniejsze tarcie wiskotyczne ale też mniejsza zdolność oleju do przenoszenia naprężeń stycznych). Co do wytrzymałości mechanizmu korbowo-tłokowego, można to poprawić stosując wzmacniane podzespoły (potocznie zwane "kute") które mogą przenosić znacznie większe naprężenia powstałe w skutek działania sił bezwładności na mechanizm względem fabrycznych podzespołów.

Podsumowanie.

   Jak widać, teoria silników spalinowych ma odzwierciedlenie w rzeczywistości i może dać nam odpowiedzi na wiele pytań. W tej części opisałem zaledwie kilka metod, tych bardziej dostępnych. Analizując wzory i wykresy dotyczące silników spalinowych, można wyznaczyć znacznie więcej parametrów które mają wpływ na moc i sprawność silnika, dzięki czemu możemy starać się je poprawić. W kolejnej części, przedstawię możliwe do przeprowadzenia modyfikacje osprzętu silnika, które bardzo często powinny iść w parze z modyfikacjami samego silnika by dać jak najlepsze rezultaty.