Silniki o zapłonie samoczynnym są często nazywane silnikami wysokoprężnymi. To powszechne określenie wynika z faktu, że do samozapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej, bez użycia świec zapłonowych, potrzebne jest duże ciśnienie sprężania. Kluczową różnicą między silnikami Diesla a benzynowymi jest właśnie rodzaj zapłonu mieszanki. W przypadku silników benzynowych mówimy o zapłonie iskrowym, inicjowanym przez świece zapłonowe.
Czym jest Stopień Sprężania (ε)?
Stopień sprężania określa, ile razy zmniejszyła się objętość robocza silnika (objętość nad tłokiem) w czasie sprężania czynnika. Inaczej mówiąc, określa on, jak silnie jest sprężany wstępnie czynnik roboczy w cylindrze.
Stopień sprężania oznaczamy grecką literą ε, a wyznaczamy go z poniższego wzoru:
- ε = Vs / Vk
Gdzie:
- ε - stopień sprężania (bezwymiarowy),
- Vs - objętość skokowa cylindra [dm³],
- Vk - objętość komory spalania [dm³].
Mówiąc inaczej, jest to objętość nad tłokiem w Dolnym Martwym Punkcie (DMP) podzielona przez objętość nad tłokiem w Górnym Martwym Punkcie (GMP).
Wartości Stopnia Sprężania
W silnikach benzynowych (o zapłonie iskrowym) stosuje się stopnie sprężania w granicach ε=7÷11, choć w niektórych konstrukcjach mogą być wyższe, np. w jednostkach Toyoty często wynosi 14:1, a w technologii Skyactiv-X Mazdy nawet 16:1.
W silnikach z zapłonem samoczynnym (Diesla) typowe wartości stopnia sprężania mieszczą się w zakresie ε=13÷23.
Teoretycznie, im większy stopień sprężania, tym większa sprawność silnika. Jednak zbyt duży stopień sprężania może spowodować szereg niepożądanych zjawisk, takich jak: spalanie stukowe, spalanie detonacyjne, twarda praca silnika, przedwczesne zużycie silnika czy znaczny wzrost strat mechanicznych. Większe stopnie sprężania stosuje się w silnikach projektowanych do większych prędkości obrotowych.
Modyfikacja Stopnia Sprężania (Tuning)
Zmniejszając objętość komory spalania, zwiększymy stopień sprężania. W praktyce taki zabieg stosuje się do podnoszenia mocy silnika (tuning). Należy jednak pamiętać, że w wielu przypadkach zwiększenie samego stopnia sprężania nie zawsze powoduje liniowy wzrost mocy w całym zakresie obrotów, a jedynie zwiększa moc w okolicach maksymalnych prędkości obrotowych silnika.
Jeśli użyteczny zakres obrotów silnika wynosi od 1500 obr/min do 6000 obr/min, to po podniesieniu stopnia sprężania wzrośnie moc od powiedzmy 3500 obr/min, natomiast poniżej tej prędkości moc może się zmniejszyć. Praca silnika poniżej tej prędkości stanie się "twarda" i głośna.
Ciśnienie Sprężania - Kluczowy Parametr Diagnostyczny
Ciśnienie sprężania, nazywane potocznie kompresją, jest parametrem, który może określić zużycie silnika. Jest to ciśnienie panujące w cylindrze silnika po zakończeniu suwu sprężania, czyli kiedy tłok znajduje się w Górnym Martwym Punkcie (GMP).
Na jego wartość wpływa kilka różnych czynników, w tym stopień napełnienia, czyli ilość ładunku dostarczonego do cylindra podczas suwu ssania.
Obliczanie i Typowe Wartości Ciśnienia Sprężania
Jeśli nie znamy znamionowego ciśnienia sprężania dla danego silnika, możemy obliczyć jego przybliżoną wartość na podstawie stopnia sprężenia, mnożąc go przez odpowiedni współczynnik:
- Dla silników benzynowych: współczynnik 1,25.
- Dla silników Diesla (o zapłonie samoczynnym): współczynnik 2,1.
Na przykład, dla silnika benzynowego o stopniu sprężania 11:1, ciśnienie sprężania będzie wynosić 1,25 x 11 = 13,75 bara.
Nominalne ciśnienie sprężania w barach dla Diesla powinno wynosić 0,21 x stopień sprężania wg instrukcji x 10. Zwykle w silnikach Diesla minimalne ciśnienie wynosi około 30 bar; poniżej tej wartości silniki z trudem zapalają.
Dlaczego Pomiar Kompresji Jest Niezbędny?
Podstawowym parametrem pracy w silniku Diesla jest ciśnienie i temperatura - jedno z drugim ściśle związane. Ten właśnie parametr powoduje, że pierwszym elementem, jaki powinno się sprawdzić w przypadku problemów z uruchomieniem silnika, jest ciśnienie sprężania.
Problem z ciężkim paleniem na zimnym silniku, gdy "kręci dobrze, tylko jak już zapali, to nie reaguje na gaz i gaśnie", może być bezpośrednio związany z niskim ciśnieniem sprężania. Brak manometru do pomiaru ciśnienia w cylindrach nie uzasadnia dalszych prób i zakupu części "na ślepo". Manometr do Diesla z odpowiednimi końcówkami można pożyczyć od mechanika samochodowego. Ten pomiar to pół godziny pracy, która pozwala wykluczyć lub potwierdzić podstawowy parametr trudności w uruchomieniu silnika Diesla.
Jak używać testera kompresji w silnikach Diesla
Wpływ Uszczelki Pod Głowicą na Ciśnienie Sprężania
Niewłaściwa ilość lub uszkodzona uszczelka pod głowicą może drastycznie obniżyć ciśnienie sprężania, prowadząc do problemów z uruchomieniem i pracą silnika. KATEGORYCZNIE trzeba zapobiec syczeniu spod głowicy, jest to PRIORYTET! Uszczelka pod głowicą nie może być uszczelniana silikonem, jak sugerują niektóre praktyki.
Ilość zakładanych uszczelek pod głowicę dobiera się do "wysokości wystawania tłoka ponad krawędź cylindra". Tak zazwyczaj dobiera się uszczelki w silnikach Diesla, aby zapewnić prawidłowe ciśnienie sprężania i szczelność komory spalania. Głowica musi być również prawidłowo splanowana i nie może być skrzywiona.
John Deere Lanz 300 - Przykład Pomiaru Ciśnienia
W dyskusji dotyczącej ciśnienia sprężania w 4-cylindrowym silniku Diesla John Deere Lanz 300 ustalono, że prawidłowy zakres ciśnienia sprężania dla większości silników Diesla wynosi około 25-32 barów. Pomiar wykonany na zimnym silniku wykazał wynik 18 barów na każdym tłoku.
Jest to wartość poniżej standardowego zakresu, lecz nadal mieści się w dolnych granicach przyzwoitości, co potwierdza fakt, że silnik odpala po zagrzaniu świec żarowych bez użycia samostartu. Silnik ten posiada wtrysk pośredni z komorą wstępną.
Wskazano, że kluczowe jest sprawdzenie stanu wtryskiwaczy (końcówki, ciśnienie otwarcia) oraz dawki paliwa na pompie wtryskowej. Należy pamiętać, że po rozgrzaniu silnika lub po dłuższym czasie pracy ciśnienie sprężania może ulec poprawie. Zawsze należy również wziąć pod uwagę wiarygodność użytego manometru.
Rola Układu Wtryskowego i Popychaczy w Działaniu Silnika
Po wykluczeniu problemów z ciśnieniem sprężania, należy systematycznie sprawdzić układ wtryskowy. Najpierw pod kątem zapowietrzenia i wycieków w przewodach i naczyniu filtra. Następnie wtryski, pompę, a na końcu zapłon (choć w Dieslu to bardziej kwestia synchronizacji).
Problem ze stukającym popychaczem, np. w ciągniku C360, występujący na wolnych obrotach, może wskazywać na zużycie lub zacinanie się popychacza. Jeżeli popychacz jest wytarty i nie obraca się prawidłowo, może to prowadzić do stukania i dalszych problemów. Stan wałka rozrządu, jego krzywek i rolek popychacza, powinien być zawsze sprawdzony pod kątem rys i oznak zużycia.
Regulator obrotów silnika działa w ten sposób, że przy niskich obrotach względem zadanych, układ dźwigniowy przestawia listwę sekcji w stronę większej dawki paliwa. Po osiągnięciu żądanych obrotów, siła odśrodkowa jest równa sprężynom ściągającym i następuje płynne zmniejszenie dawki. Regulator zmienia wielkość wtrysku paliwa i zabezpiecza silnik przed nadmiernym rozbieganiem się.
Ważne jest również odpowiednie osadzenie wtryskiwacza; jego końcówka powinna wystawać z głowicy w stronę tłoka, a nie być równa z nią, co może wpływać na prawidłowe rozpylenie paliwa i proces spalania.