EcoBoost silnikiem roku

Fot. Ford

EcoBoost silnikiem roku

Trzycylindrowy silnik opracowany przez Forda – 1.0 EcoBoost, debiutujący na rynku pod maską kompaktowego Focusa, otrzymał prestiżowy tytuł International Engine of the Year 2012.

Ford po raz pierwszy zwyciężył w organizowanym od 13 lat konkursie International Engine of the Year. W całej historii plebiscytu jeszcze żaden silnik nie zdobył tylu punktów, co fordowski 1.0-litrowy EcoBoost.

Motor używa turbosprężarki o małym momencie bezwładności, co przyspiesza reakcję na wciśnięcie pedału gazu nawet przy niskich obrotach, dzięki czemu turbosprężarka może dodawać silnikowi mocy w całym zakresie jego prędkości obrotowych, sama obracając się z prędkościami dochodzącymi do 248 000 obr/min. Nowy motor osiąga moc 100 KM, zapewniając równocześnie najniższe w swojej klasie zużycie paliwa, wynoszące 4,8 l/100 km i najniższą emisję CO2, wynoszącą 109 g/km.

Najważniejsze innowacyjne rozwiązania zastosowane w tej jednostce napędowej to:

• kolektor wylotowy zintegrowany z odlewem głowicy silnika, co pozwala obniżyć temperaturę gazów wylotowych optymalizując skład mieszanki w szerszym zakresie prędkości obrotowych
• unikalny kształt żeliwnego bloku, umożliwiający szybsze rozgrzewanie silnika niż w przypadku konwencjonalnych bloków, wykonanych z aluminium. W rezultacie ilość energii potrzebnej do osiągnięcia przez silnik temperatury roboczej obniżono o 50%, co z kolei przekłada się na niższe zużycie paliwa
• dwa paski zębate pracujące w kąpieli olejowej wyciszają silnik i podnoszą jego sprawność
• zmiana konfiguracji silnika z celowym zachowaniem braku wyrównoważenia koła zamachowego i koła pasowego, zamiast dodawania osobnych wałków wyrównoważających, wymagających dodatkowej energii do napędu.

Hałasy w układzie napędowym

Gdy klient zgłasza w warsztacie, iż w pewnym zakresie prędkości jazdy lub obrotów silnika w układzie napędowym jego samochodu zaczęły się od pewnego czasu pojawiać niepokojące metaliczne dźwięki, problemu tego nie należy bagatelizować. Jeśli zaś jazda próbna potwierdza istnienie tego zjawiska, to niekoniecznie jego przyczyn należy szukać w usterkach skomplikowanych i trudnych do demontażu zespołów, takich jak skrzynia biegów, przekładnia główna lub dwumasowe koło zamachowe. Najpierw warto zawsze sprawdzić najprostsze ewentualności.

Na przykład w modelach Opla: Astra H, Corsa D, Merita, Signum, Vectra C i Zara B wyprodukowanych w roku 2004 i później pojawia się niekiedy metaliczny hałas, dochodzący z przedniej prawej strony układu napędowego przy obrotach silnika pomiędzy 2000/min – 2500/min (czasami też powyżej 4000/min). Jego powodem jest niedostateczne smarowanie wielowypustowego połączenia półosi i powodowany brakiem smaru luz między zębami wielowypustów (prawidłowa warstwa smaru działa w tym układzie również jako element dystansowy).

Problem ten sprawił, iż producent tych samochodów zmodyfikował już smar używany w fabrycznym montażu. W pojazdach wyprodukowanych przed tą modyfikacją zmianę tę należy przeprowadzić w serwisie lub warsztacie. W tym celu konieczne jest wymontowanie półosi i rozdzielenie wspomnianego połączenia wielowypustowego, a następnie staranne wyczyszczenie wszystkich jego zębów i zastosowanie zalecanego przez firmę Opel smaru Mobil XHP 222.

Wielowypust wymagający ewentualnej wymiany smaru na Mobil XHP 222

Miejsce zabudowy dodatkowego tłumika drgań w niektórych modelach Opla

Po tym zabiegu hałasy powinny zniknąć. Jeśli jednak występują nadal, należy szukać innej ich przyczyny, począwszy od tego samego połączenia półosi, które w wyniku długotrwałej eksploatacji z niewłaściwym smarem mogło ulec przyspieszonemu ciernemu zużyciu.

Dodatkowy tłumik drgań jest łatwym w montażu elementem metalowo-gumowym

W modelach Opel Astra H i Zara B (rok produkcji od 2005 wzwyż) przyczyną alternatywną może być brak tłumika drgań (nr OE 24459603). Usterka ta pojawia się wprawdzie w zakresie obrotów pomiędzy 1700/min – 1900/min, a więc bardzo bliskim wspomnianego poprzednio. Towarzyszy jej niższy, buczący dźwięk, dochodzący jednak również z układu napędowego. Jest on wywoływany przez zjawisko rezonansu akustycznego części statycznych tegoż układu z poruszającymi się z określoną częstotliwością. Również ta usterka została zauważona już w trakcie eksploatacji wymienionych modeli. Z tego powodu producent wprowadził do konstrukcji pojazdu ów dodatkowy tłumik, lecz wcześniejsze egzemplarze produkcyjnej serii wymagają zastosowania tej modyfikacji w warsztacie. Jeśli więc pojawiają się problemy z opisanym rodzajem hałasu, należy przede wszystkim sprawdzić, czy podany tłumik jest fabrycznie zamontowany na osi przedniej, a jeśli nie, to należy go zamontować. Nie można jednak wykluczyć i takiej możliwości, iż pomimo zastosowania tej modyfikacji – hałas w układzie napędowym nadal występuje. Trzeba wówczas jego przyczyny szukać głębiej, lecz decyzja o wymianie DKZ powinna być podjęta dopiero po wszystkich niezbędnych badaniach, opisanych na stronach internetowych Grupy Schaeffler, a także we wcześniejszych odcinkach niniejszego cyklu.

Technologie napawania

Napawanie wykorzystywane jest najczęściej do regeneracji zużytych części poprzez ich pokrycie odpowiednią pod względem składu i grubości warstwą metalu. Bywa też stosowane dla uszlachetniania części nowych.

Zasadnicza różnica pomiędzy napawaniem i natryskiwaniem (omówionym w AUTONAPRAWIE 3/2011 i 7-8/2011) polega na tym, że podczas napawania następuje nadtopienie podłoża, z którym nowa warstwa łączy się kohezyjnie, zaś  podczas natryskiwania podłoże nie ulega nadtopieniu, więc nowa warstwa wiąże się z nim w sposób mechaniczno-adhezyjny. 

Z powodu nadtopienia podłoża nanoszona warstwa jest mieszaniną materiału dodatkowego i rodzimego. Gdy są to metale o identycznym lub bardzo zbliżonym składzie chemicznym, ich mieszanie nie odgrywa niemal żadnej roli. Im bardziej jednak podłoże i napoina różnią się składem, tym wpływ ich wymieszania na właściwości nowej warstwy staje się bardziej znaczący. Wymieszanie określa się procentową zawartością składników podłoża w powłoce. Jeśli wymagane jest naniesienie warstwy całkowicie wolnej od składników podłoża w praktyce najczęściej wykonuje się struktury wielowarstwowe, przyjmując, że przy odpowiednio dobranych parametrach procesu już trzecia warstwa praktycznie nie zawiera składników podłoża.

Przekrój próbki z pojedynczą napoiną (stal na stali)

Przy napawaniu nie jest konieczne nadawanie energii kinetycznej kroplom stopionego materiału dodatkowego, toteż do realizacji tego procesu nie są potrzebne urządzenia o specjalnej konstrukcji. Najczęściej wystarcza użycie klasycznego sprzętu spawalniczego. Sprzęt przeznaczony wyłącznie do napawania pojawił się dopiero niedawno.

Napawanie regeneracyjne

Pierwsze próby napawania miały miejsce u zarania „ery spawalnictwa”, czyli pod koniec XIX wieku. Podobno demonstrował je prekursor spawania łukowego – rosyjski wynalazca Nikołaj Benardos już w 1881 r. Używał do tego elektrody grafitowej, łuk jarzył się między nią, a napawanym przedmiotem, a materiał dodatkowy w postaci drutu podawany był ręcznie do strefy stapiania. Benardos w swych pierwszych patentach (z 06.07.1885 r.), dotyczących „Metody obróbki metalu za pomocą bezpośrednio użytego prądu elektrycznego”, wspomina o użyciu materiału dodatkowego o tym samym składzie, co materiał rodzimy do naprawy odlewów i odtwarzania geometrii zużytych części maszyn. Z perspektywy obecnej wiedzy metalurgicznej można przyjąć, iż utwardzone wskutek silnego nawęglenia stopiwo, powstające w tej metodzie, lepiej nadawało się do napawania, niż do spawania.

Inny rosyjski wynalazca - Nikołaj Sławianow, stosował napawanie łukowe do naprawy wadliwych odlewów. W 1890 r. opatentował udoskonaloną metodę, w której zamiast elektrody grafitowej zastosował pręt wykonany z metalowego materiału dodatkowego. W ciągu trzech lat w fabryce w Permie, gdzie pracował, przeprowadzono tą metodą ponad 1600 napraw odlewów.

Obie te historyczne metody napawania nie są od dawna stosowane, gdyż zastąpiły je technologie nowsze, bardziej wydajne i skuteczne.

Napawanie łukowe elektrodami otulonymi

Opatentowane przez Kjellberga w 1908 r. elektrody otulone nadawały się równie dobrze do spawania i do napawania. Tanie źródła zasilania, nieskomplikowane uchwyty oraz wielka różnorodność dostępnych elektrod czyniły tę metodę bardzo atrakcyjną. W praktyce początkowo do nanoszenia warstw stosowano elektrody o składzie takim samym, jak materiał rodzimy, z czasem w celach regeneracyjnych zaczęto stosować elektrody o zmodyfikowanym składzie. Wymagało to sporej wiedzy metalurgicznej, gdyż im bardziej różnią się od siebie stopiwo i materiał rodzimy, tym większe jest ryzyko powstania w strefie przetopienia (wymieszania) niekorzystnych struktur mogących zniweczyć pozytywne skutki napawania, np. przez nadmierną twardość i łatwość pękania (czasem nawet w wyniku skurczu cieplnego podczas samego procesu). Elektrody otulone są nadal stosowane do drobnych napraw odlewów staliwnych i zużytych części stalowych, choć ich zastosowanie jest zasadne tylko przy niewielkim zakresie prac wykonywanych w warunkach polowych. Uzyskiwany współczynnik wymieszania wynosi wówczas od 10 do 40%, a minimalna grubość pojedynczej warstwy ok. 1 mm.

Napawanie w osłonach gazowych

Do tego rodzaju napawania są stosowane metody GTA i GMA. W pierwszej z nich, czyli napawaniu z wykorzystaniem elektrody nietopliwej i osłony z gazów obojętnych (hel, argon i ich mieszanki) zaletą jest możliwość wykonywania wysokiej jakości napoin na elementach wykonanych ze stopów aluminium, tytanu i magnezu oraz niski współczynnik wymieszania, nie przekraczający 10%. Główną wadą pozostaje niewielka wydajność ręcznie wykonywanego procesu (zwykle 2-3 kg/h) i konieczność zatrudniania wysoko kwalifikowanych spawaczy. 

W zmechanizowanej, a nierzadko zautomatyzowanej metodzie GMA elektrodą jest stapiający się materiał dodatkowy w postaci drutu, a osłonę gazową stanowią mieszanki gazów obojętnych (napawanie metali nieżelaznych lub gazów aktywnych (napawanie stali). Zaletą jest duża wydajność (10 kg/h i więcej), dostępność urządzeń zautomatyzowanych i wysoka jakość napoin.

Napawanie łukiem krytym

Przypomina ono metodę GMA z tą różnicą, że jeziorko ciekłego metalu i otoczenie spoiny jest chronione przez granulowany i częściowo stopiony topnik. Skutkuje to nie tylko niewielkim utlenieniem napoiny, ale i znacznym wzrostem wydajności stapiania, gdyż straty ciepła łuku są niemal trzykrotnie mniejsze, niż np. przy napawaniu elektrodami otulonymi. Istnieje możliwość szybkiego stapiania dużej ilości stopiwa, nawet ponad 40 kg/h, a to oznacza wytwarzanie albo warstw o dużej grubości, albo cienkich powłok z bardzo dużą wydajnością. Minimalny współczynnik wymieszania wynosi jednak aż 30%.

Do tego rodzaju napawania można stosować urządzenia wielogłowicowe, lub materiał dodatkowy w postaci taśmy, dzięki czemu szerokość wykonywanej napoiny może być kilka, a nawet kilkanaście razy większa, niż w przypadku napawania pojedynczym drutem elektrodowym. Pierwsze informacje o wieloelektrodowym napawaniu pod topnikiem zaczęły pojawiać się w literaturze fachowej na samym początku lat 50 ubiegłego stulecia. 

Napawanie elektrożużlowe

Metoda ta wywodzi się z napawania łukiem krytym. Zasadnicza różnica polega na tym, że po łukowym stopieniu pewnej ilości materiału rodzimego, dodatkowego i topnika dalsze topienie odbywa się już bez udziału łuku, wskutek oporowego grzania ciekłej warstwy topnika. Jest to najwydajniejsza technologia napawania – możliwe jest stapianie nawet 2000 kg/h. Metodę wynaleziono w Instytucie Spawania Elektrycznego E.O. Patona w Kijowie w 1951 r. Już pierwsze próby napawania elementów konstrukcji wielkich pieców obniżyły całkowity koszt ich remontu o 15%. W przypadku złożonych konstrukcji grubościennych, efekty ekonomiczne były jeszcze bardziej zachęcające. Napawanie elektrożużlowe jest zasadne w przypadku regeneracji elementów o znacznej grubości przy dużej grubości nanoszonych warstw.

Napawanie plazmowe

Urządzenia do napawania plazmowego konstrukcyjnie przypominają sprzęt używany w metodzie GTA. Tu również występuje nietopliwa elektroda i otaczająca ją dysza doprowadzająca gaz. Konstrukcja dyszy jest jednak znacznie masywniejsza, a jej kształt wraz z oddziaływaniem ciepła łuku powoduje to przekształcenie przepływającego gazu w plazmę o temperaturze ok. 20 tyś K. 

W pierwszej połowie lat 60. ub. wieku ruszyła produkcja urządzeń do plazmowego napawania i natryskiwania. Początkowo, w celu uzyskania napoin za pomocą strumienia plazmowego, topiono materiał dodatkowy w postaci drutu lub pręta, później zaczęto stosować metale sproszkowane, transportowane przez strumień gazu. W Polsce pierwszy rozpoczął produkcję plazmotronów Instytut Badań Jądrowych w Świerku, a prototyp plazmotronu do zautomatyzowanego napawania skonstruowano w Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach w 1973 r.

Różnice między warstwami natryskiwanymi (z lewej), napawanymi jedno i wielowarstwowymi (z prawej). 1. materiał rodzimy, 2. strefa przetopienia (wymieszany materiał warstwy zewnętrznej i podłoża), 2a. strefa przetopienia (wymieszany materiał warstwy 2. i 3.), 3. warstwa zewnętrzna

Napawanie plazmowe

Spośród omówionych urządzeń plazmowe są zdecydowanie najdroższe, najbardziej skomplikowane i wymagają najwyższej kultury obsługi. Są też, w odróżnieniu od pozostałych, konstruowane specjalnie do napawania. Wysoka temperatura plazmy umożliwia topienie dowolnych materiałów dodatkowych. Duża precyzja dozowania ciepła ułatwia nanoszenie warstw o bardzo małej grubości, rzędu 0,25 mm, napawanie przedmiotów cienkościennych (o grubości ścianki od 2 mm) i elementów cylindrycznych o średnicy od 20 mm. Maksymalna wydajność stapiania dochodzi do 20 kg/h, a współczynnik wymieszania oscyluje wokół 10%.

Napawanie płomieniowe

Zastosowanie palników, w których materiał dodatkowy jest stapiany ciepłem płomienia, rozwijało się równolegle do napawania łukowego i jego pierwsze zastosowania miały miejsce na początku XX wieku. Jako materiał dodatkowy stosowano pręty, druty i pałeczki, później upowszechniło się zastosowanie proszków. Ta postać materiału dodatkowego wymagała stosowania specjalnych dozowników i doprowadziła do powstania wyspecjalizowanych palników do napawania (czasem bywają to przystawki do palników uniwersalnych). Proszek jest zwykle doprowadzany do strefy stapiania grawitacyjnie lub transportowany strumieniem gazu. Jako paliwo bywa stosowany acetylen, propan-butan lub gaz ziemny. Wydajność stapiania zwykle nie przekracza 5 kg/h, a grubość pojedynczych warstw wynosi od 0,02 do 3,5 mm.

Schemat jednej z konfiguracji palnika do napawania płomieniowego proszkami

Palnik do napawania proszkami z kompletem końcówek

Napawanie płomieniowe wałka

Napawanie płomieniowe – z lewej: frezu, z prawej: formy odlewniczej

Napawanie uszlachetniające

Nanoszenie warstw o składzie wyraźnie różnym od podłoża pozwala na poprawę walorów eksploatacyjnych pokrywanych przedmiotów. Także regeneracja z użyciem takich materiałów umożliwia nie tylko przywrócenie stanu pierwotnego, lecz także poprawę oryginalnych właściwości. Dlatego obecnie coraz rzadziej stosuje się napawanie materiałem o składzie zbliżonym do rodzimego, z wyjątkiem napraw odlewów z metali lekkich. Ograniczenia zastosowań metod uszlachetniających wiążą się z ryzykiem niepożądanego tworzenia się kruchych stref pośrednich przy braku możliwości wprowadzania warstw oddzielających.

Napawanie uszlachetniające najczęściej zwiększa odporność przedmiotów na ścieranie w kontakcie ciernym z innymi materiałami oraz ich odporność na korozję. 

Do napawania uszlachetniającego można stosować takie same technologie, jak przy napawaniu regeneracyjnym. Ograniczenie stanowi tylko dostępność odpowiednich materiałów dodatkowych, często wieloskładnikowych. Ich aplikacja wymusza niekiedy użycie drutów z rdzeniem proszkowym, specjalnych elektrod rurkowych lub odlewanych pałeczek. Szerokie zastosowanie znajdują jedno- i wieloskładnikowe proszki o granulacji 0,03 – 0,3 mm. 

Cząsteczki proszku - z lewej: NiAl, z prawej: NiCr i W2C

Napawanie uszlachetniające zrodziło się z potrzeby tworzenia części maszyn o zwiększonej trwałości, a więc o podwyższonej twardości powierzchni.  Jako pierwsi zastosowali je Amerykanie, bracia W. i S. Stoocy w 1921 r. do napraw sprzętu wiertniczego, a dokładniej tzw. koronek wierteł. Mniej więcej w tym samym czasie i też w USA (1922 r. E. Haynes) zaczęto napawać metodą płomieniową zawory silników spalinowych używając stellitu jako materiału dodatkowego. Wcześniej w Europie wykorzystywano do tego stal austenityczną. 

Przykładowe napawania: krzywki (u góry po lewej), zębów koła (u góry po prawej) i wałka

Do napawania łukowego elektrodą topliwą bywają stosowane samoosłonowe druty z rdzeniami proszkowymi (proszek pełni funkcje analogiczne do otuliny elektrodowej i może dodatkowo zawierać składniki stopu/mieszaniny tworzące napoinę). Wydajność stapiania wynosi do 30 kg/h, a zakres osiągalnych współczynników wymieszania jest rekordowo szeroki – od 5 do 40%.

Materiały do napawania uszlachetniającego

Warstwy o składzie innym, niż podłoże tworzy się z różnorodnych materiałów. Są to m.in. stale różnych gatunków oraz stopy żelazne (zwykle rodzaje żeliwa). Nanoszone są też warstwy z martenzytycznych stali szybkotnących i nierdzewnych, austenitycznych stali chromowo-niklowych i manganowych (Hadfielda). Często używanym stopem jest żeliwo chromowe, zawierające do 30% Cr i do 5% C.

Do najpowszechniej stosowanych należą wspomniane już stellity, czyli twarde i odporne na ścieranie stopy kobaltu i chromu, często z dodatkiem wolframu. Stopy na osnowie niklu [Ni-Cr, Ni-Cr-Fe, Ni-Cr-Fe-Si-B (colmonloy), Ni-Mo-Cr-W (hastelloy)] są żaroodporne i odporne na korozję w wielu środowiskach. Wysoką odporność na ścieranie mają węgliki wolframu (WC, W2C) w osnowie żelaza. 

Spośród metali nieżelaznych bywają napawane monele (stopy Ni-Cu) oraz różnorodne stopy miedzi – mosiądze (Cu-Zn), brązy (Cu-Sn, Cu-Si, Cu-Al.), które są odporne na korozję i zużycie adhezyjne. Używa się ich na warstwy uszczelniające dopasowywane metodą docierania.

Najbardziej uniwersalną postacią materiału dodatkowego są proszki, które można uzyskiwać z wszystkich materiałów. Proszki, także gruboziarniste, mogą stanowić rdzeń elektrod proszkowych i drutów proszkowych. Wiele materiałów można przygotować w postaci odlewanych pałeczek i ciągnionych prętów. Takie same pałeczki mogą być stosowane do napawania płomieniowego i GTA. Stale mogą być także dostarczane w postaci drutów oraz klasycznych elektrod otulonych.

Zestaw Common Rail ZCR-4C dla pojazdów ciężarowych

Zestaw Common Rail ZCR-4C to nowy produkt firmy DeltaTech Electronics. Przyrząd służy do sterowania wtryskiwaczami elektromagnetycznymi i piezoelektrycznymi stosowanymi w układach wtryskowych common rail samochodów ciężarowych.

ZCR-4C potrafi jednocześnie wysterować cztery wtryskiwacze, wykorzystując takie same sygnały jak impulsy przekazywane przez sterownik silnika samochodu. Urządzenie pozwala przeprowadzić dokładny pomiar wysokiego ciśnienia na szynie zasilającej i skonfigurować dowolny czujnik ciśnienia systemów common rail. Korzystając z zestawu ZCR-4C da się regulować wysokie ciśnienie w układach common rail za pomocą dwóch kanałów sterujących zaworami wysokiego ciśnienia. Przyrząd obsługuje też funkcje stabilizacji żądanego ciśnienia w układzie.

CNG

Kolejne normy emisji Euro to coraz trudniejsze wyzwania dla konstruktorów silników, a równocześnie gaz ziemny jako paliwo motoryzacyjne pozwala je spełniać już dziś, bez dodatkowych rozwiązań technicznych.

Samochody zasilane benzyną lub olejem napędowym wprowadzają do atmosfery w aglomeracjach miejskich 99% ogólnej emisji tlenku węgla, 96% sadzy, 76% tlenków azotu i są głównym źródłem tak niebezpiecznych związków, jak benzen, dwutlenek siarki i dwutlenek węgla. Z tego powodu w wielu miastach wyłącza się coraz większe strefy z ruchu drogowego, a czasem zakazuje się okresowo ruchu pojazdów, by pojawiający się smog nie zagrażał zdrowiu i życiu mieszkańców.

Samochodów ciągle jednak przybywa. Obecnie jeździ ich na świecie ok. 630 milionów, z czego 1/3 w USA. Nasycenie pojazdami w Europie jest również bardzo duże i podobne są skutki zanieczyszczania powietrza spalinami. Wejście Polski do Unii Europejskiej sprawia, iż także nasz krajowy tabor samochodowy powinien spełniać coraz bardziej rygorystyczne normy dotyczące zawartości związków toksycznych w spalinach.

System szybkiego tankowania

Niezależne badania dowodzą natomiast, że suma zanieczyszczeń emitowanych przez silniki zasilane sprężonym gazem ziemnym jest kilkakrotnie niższa w porównaniu z emisją silników wysokoprężnych.

Dzięki temu CNG (compressed natural gas), jako jedyne paliwo tradycyjne spełnia już teraz wszystkie obecne i przyszłe normy emisji zanieczyszczeń przewidziane przez Unię Europejską. Stosując sprężony gaz ziemny, zmniejsza się również poziom hałasu emitowanego przez pojazd o 2 do 4 dB. W praktyce oznacza to, że z odległości 7 m od przejeżdżającego pojazdu hałas przy napędzie gazowym jest mniejszy o ok. 40% od powodowanego przez silnik wysokoprężny o porównywalnej mocy.

Gaz ziemny składa się w większości z metanu (nawet do 98%), co czyni go paliwem ekologicznym. W przeliczeniu na jednostkę energetyczną powstającą w wyniku spalania porównywanych paliw gaz ziemny zawiera mniej węgla niż jakiekolwiek paliwo kopalne (benzyna czy olej napędowy). Dlatego jego spalaniu towarzyszy mniejsza emisja zarówno CO lub niedopalonych węglowodorów, jak i CO2.

Po zastosowaniu zasilania gazowego w pojazdach benzynowych uzyskuje się obniżenie emisji: CO o 60-80%, NMHC (non-methane-hydrocarbons – węglowodorów niemetanowych) o ok. 85%, NOX o 50-80% i CO2 o ok. 20%.

W porównaniu z silnikami Diesla zasilanie gazowe obniża emisję: CO o 70-90%, NMHC o 40-60% i PM (cząstek stałych) aż o 99%. Jedynie emisja NOX wymaga obecnie skorygowania za pomocą odpowiednich katalizatorów.

Istotny jest tu również aspekt ekonomiczny. Dzięki stosowaniu CNG koszt zakupu paliwa przez użytkownika pojazdu obniża się o około 60-70%, a sumaryczne koszty eksploatacji silnika zmniejszają się dwukrotnie, o ponad 20% wydłuża się jego żywotność. Po stronie dostawcy gazu szerokie udostępnienie tego paliwa wymaga nakładów inwestycyjnych na budowę stacji sprężania i dystrybucji gazu, którego sieć dla przemysłu i gospodarstw domowych jest już w naszym kraju dość dobrze rozwinięta.

Stacje CNG w Polsce

Geometria kół

W czasie moich studiów powszechną zazdrość budził parkujący przed politechniką ford scorpio z napisem na tylnej szybie: ABS - serienmässig, czyli ABS montowany seryjnie. Dziś to przecież normalka.

Podobnie będzie wkrótce z systemami stabilizacji toru jazdy ESC (electronic stability control system) lub ESP (electronic stability program), które obecnie stały się w Europie obowiązkowym wyposażeniem nowych samochodów. Ich dalsze upowszechnianie się (rysunek nr 1) spowoduje radykalne zmiany w procedurach pomiaru i regulacji geometrii ustawienia kół.

Poza tym samochody wyposażone w przekładnię kierowniczą ze wspomaganiem elektrycznym nie mają mechanicznie określonego położenia neutralnego. Przy wspomaganiu hydraulicznym (np. w niektórych volkswagenach) do regulacji geometrii wystarczało zablokować listwę zębatą specjalną śrubą w położeniu środkowym, by mieć pewność, iż zawory wspomagania są zamknięte, a jeśli cały układ będzie „ściągał” w którąś stronę, to przyczyn trzeba szukać w niewłaściwej zbieżności bądź w usterkach zawieszeń, zwrotnic lub kół. W przypadku wspomagania elektrycznego położenie środkowe musi być zdefiniowane elektronicznie poprzez jego wprowadzenie do jednostki sterującej za pomocą uniwersalnego lub fabrycznego testera diagnostycznego, podłączonego do gniazda OBD w samochodzie.

Rysunek 1.

Głównym elementem zapewniającym współdziałanie mechanicznie ustawionej geometrii z elektroniką sterującą wspomaganiem kierownicy jest czujnik kąta skrętu kierownicy SAS (steering angle sensor). Jego sygnał powinien mieć wartość równą w przybliżeniu 0' (zwykle z tolerancją +/– 5', by minimalne ruchy kierownicy nie uruchamiały jej wspomagania), jeśli:

• koła ustawione są do jazdy na wprost;
• przeprowadzona została regulacja geometrii kół i wyznaczono kąt znoszenia zgodnie z tolerancją podaną przez producenta pojazdu lub (przy braku tej informacji) w granicach +/- 5’ (minut kątowych);
• koło kierownicy znajduje się w pozycji neutralnej.

Rysunek nr 2 (po prawej) przedstawia nieprawidłowe ustawienie kół zarówno tylnej, jak i przedniej osi. Odchylenie toru jazdy (kąt znoszenia) znacznie przekracza wartości wynikające z tolerancji. Rysunek nr 3 to wydruk pomiarów rzeczywistego pojazdu, dla którego kąt znoszenia wynosi 0-05’ (koła są tu ustawione trochę inaczej niż na ilustracji nr 2).

Po wykonaniu pomiaru pierwotnego następuje regulacja kątów tylnej osi. Skutek tej czynności ilustruje rysunek nr 4. Jak widać, tor jazdy ma już odchylenie zerowe, choć kąty przedniej osi są niewłaściwe. Wynik ich regulacji widoczny jest na rysunku nr 5, a wydruk (rysunek nr 6) przedstawia geometrię wszystkich kół w sposób kompleksowy.

Uzyskany stan pozwala przystąpić do kalibracji (zwanej też resetowaniem) czujnika kąta skrętu kierownicy. Wymaga to połączenia testera lub specjalnej przystawki do urządzenia kontrolującego geometrię z gniazdem diagnostycznym pojazdu. Wspomniane urządzenia diagnostyczne zaraz po podłączeniu do samochodu informują, czy procedura ta jest w nim konieczna.

Rysunek nr 7 dowodzi, że po prawidłowym wykonaniu samych regulacji mechanicznych ten konkretny samochód ma wyraźną tendencję do ściągania w prawo, gdyż czujnik kąta skrętu przy jeździe na wprost aktywuje w tę stronę system wspomagania, z powodu odchyłki o wartość prawie 36'.

Przeprowadzenie kalibracji (rysunek nr 8) wymaga niekiedy, choć nie zawsze, odłączenia akumulatora na 10-15 sekund, po których tester lub przystawka CodeLink wyzeruje wartość kąta kierownicy. Dzięki temu zachowanie pojazdu stanie się zgodne z ustawieniem jego geometrii. Przy tej okazji są sprawdzane i listowane inne kody błędów zapisane w sterowniku. Jeśli mają one związek z opisaną procedurą, zostaną też zresetowane.

Oczywistym warunkiem dostępności takich procedur dla konkretnych modeli i wersji jest przekazanie przez ich wytwórców odpowiednich danych producentom urządzeń diagnostycznych. Wiadomo jednak, że samochody wyposażone w system ESC muszą mieć techniczną możliwość kalibracji czujnika SAS. W przypadku niektórych marek (np. SAAB) nadaje się do tego wyłącznie tester fabryczny (cena ok. 30 tysięcy złotych dla jednej tylko marki!), dla większości przydatny jest również tester uniwersalny lub przystawka CodeLink. Ma ona w tym zakresie zastosowania najbardziej uniwersalne i zawsze aktualną bazę danych, a kosztuje pół ceny taniego testera (ok. 3,5-5 tys. zł). Musi jednak współpracować z urządzeniem do kontroli geometrii. Przystawka CodeLink ma jeszcze i inne zalety:

• podczas kalibracji SAS na ekranie urządzenia do geometrii wyświetlane są instrukcje wykonywania kolejnych czynności;
• komunikacja z urządzeniem do geometrii może odbywać się bezprzewodowo;
• podczas kalibracji SAS są resetowane do ustawień fabrycznych także pozostałe związane z nim czujniki (np. momentu obrotowego na wale kierownicy);
• za każdym razem jest drukowany raport z przebiegu kalibracji.

Rysunek 3. i rysunek 4.

Wydaje się, że nazywanie regulacji geometrii ustawienia kół procedurą mechatroniczną jest w odniesieniu do współczesnych samochodów już w pełni uzasadnione. Można tu bowiem wyróżnić zarówno etap mechaniczny (pomiar i regulacja kątów kół), jak i elektroniczny (kalibracja SAS oraz kasowanie kodów błędów systemów z nim związanych), przy czym oba są ze sobą nierozłącznie związane.

Nasuwają się przy tej okazji nieprzyjemne pytania i proste odpowiedzi. Czy nasz krajowy system dopuszczania pojazdów do ruchu jest gotów do badań samochodów z ESC? Oczywiście nie. Czy osiągnie tę gotowość chociaż za trzy lata, kiedy obligatoryjnie wyposażone w ten system pojazdy zaczną trafiać na obowiązkowe przeglądy rejestracyjne? Czy w ministerstwie transportu o tym ktoś myśli? Nic na to nie wskazuje. Zaskakuje nas ta Unia jak przysłowiowa już zima.

Rysunek 5.

Rysunek 6.

Rysunek 7.

Dobór przewodów zapłonowych

Przewody wysokiego napięcia mają ogromny wpływ na działanie całego układu zapłonowego, dlatego jako części zamienne muszą w pełni odpowiadać cechom produktów użytych do pierwszego montażu.

Pod względem technicznym przewody zapłonowe zaliczane są do różnych grup klasyfikacyjnych – oddzielnie ze względu na rodzaj zastosowanego w nich rdzenia i osobno według materiału użytego do ich izolacji. Rdzenie mogą być  miedziane, węglowe oraz ferromagnetyczne, izolacje natomiast – silikonowe lub elastomerowe. Daje to w sumie dość znaczny wybór możliwych kombinacji, lecz trudno którąkolwiek z nich uznać za uniwersalną bądź obiektywnie najlepszą. O zastosowaniu danego rodzaju rdzenia i izolacji w konkretnym modelu pojazdu decydować powinien w głównej mierze wybór dokonany przez jego producenta w trakcie konstruowania całego układu zapłonowego. Dlatego firma Janmor jako wytwórca przewodów zapłonowych ma w swej ofercie różne ich konstrukcje, by zaspokoić w ten sposób potrzeby użytkowników maksymalnej liczby samochodowych marek i modeli.

Specyfika głównych rodzajów rdzeni

Przewody z rdzeniami miedzianym są rozwiązaniem najstarszym, co jednak nie znaczy, że przestarzałym. Renomowani producenci niemieccy (Mercedes, BMW, Audi) wciąż stosują je z powodzeniem. Charakteryzują się one bowiem wysoką przewodnością, a ich główna niegdyś wada, czyli emisja zakłóceń radiowych, już dawno została wyeliminowana poprzez zastosowanie oporników (1,2–5 kΩ) umieszczanych w osłonach metalowych końcówek (terminali).

Przewody z rdzeniami oporowymi wykonanymi z węgla w postaci sproszkowanego grafitu też stosowane są nadal bardzo często w fabrycznym wyposażeniu samochodów. Ich oporność rozłożona jest równomiernie na całej długości rdzenia i wynosi zazwyczaj 9–22 kΩ/m. Zapewnia to dobre tłumienie zarówno zakłóceń częstotliwości radiowych, jak i interferencji elektromagnetycznych.

Przewody zapłonowe w izolacji silikonowej, z lewej: z rdzeniem miedzianym (lub węglowym), z prawej: konstrukcja typu wire wound

Najnowszą konstrukcją są przewody ferromagnetyczne, znane pod międzynarodową nazwą wire wound. Ich budowa zapewnia minimalny opór (5,6 kΩ/m) dla przepływającego przez nie prądu dzięki wykorzystaniu jako przewodnika drutu ze stali nierdzewnej, powleczonego dodatkowo półprzewodzącym lateksem. Wewnątrz jego spiralnych zwojów znajduje się ferromagnetyczny rdzeń zbrojony włóknem szklanym i kevlarem. Zapewnia to maksymalną jakość iskry i bardzo dobry poziom tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych przy niemal zerowych stratach energii.

Właściwości materiałów izolacyjnych

Pod tym względem firma Janmor zdecydowanie poleca przewody w izolacjach silikonowych, gdyż silikon ma obiektywnie lepsze właściwości izolacyjne niż stosowane alternatywnie elastomery typu EPDM. Jest też bardziej odporny na procesy starzenia, drgania, wysokie temperatury, działanie olejów i smarów. Dlatego zaleca się go szczególnie do aut wyposażonych w instalację LPG/CNG. Z kolei kryteria jakościowo-cenowe sprawiają, iż w swojej ofercie mamy dwie równoległe linie produktów: wyższą Proline oraz tańszą Ecoline. W pierwszej przewody w izolacjach i osłonach silikonowych mają, zależnie od wymogów producenta pojazdu, rdzenie miedziane lub ferromagnetyczne. Linia Ecoline obejmuje natomiast tańsze przewody z rdzeniem miedzianym lub węglowym w izolacjach EPDM.

Właściwości zastosowanych materiałów izolacyjnych dotyczą też obowiązujące globalnie klasy termoodpornościowe przewodów zapłonowych. Przynależność do określonej klasy wynika głównie z rodzaju użytych surowców, na przykład izolacje wykonane z EPDM decydują o przynależności przewodu do klasy D (–30°C ÷ +180°C), a najlepsze pod tym względem izolacje silikonowe zaliczane są do klasy F, co oznacza odporność na temperatury rzędu +250°C. Margines bezpieczeństwa w stosunku do warunków panujących w komorach silników jest tutaj spory, lecz jeszcze bardziej liczy się właściwe dla klasy F zachowanie elastyczności izolacji podczas mrozów do –50°C.

Trwałość przewodów zapłonowych

Zużycie tych produktów polega głównie na postępującej degradacji materiału izolatora. Jej konsekwencją są tzw. przebicia, czyli przeskoki iskier z bocznych powierzchni kabla do znajdujących się w pobliżu metalowych części pojazdu. Przyczyny tej degradacji (szybszej przy izolacjach polimerowych niż silikonowych) nie leżą jednak wyłącznie w samych właściwościach tych tworzyw.

Najczęściej proces ten wywołuje oddziaływanie wysokiej temperatury na izolator przewodu z zewnątrz (bliskość gorącego silnika), a także od wewnątrz, ponieważ prąd płynący przewodami powoduje ich rozgrzewanie. Natężenie tegoż prądu zależy z kolei od stanu świecy zapłonowej, gdyż potrzebuje ona, jeśli jest wypalona lub nadmiernie zużyta, znacznie większego prądu do przeskoku iskry. Dlatego świece zapłonowe należy wymieniać zgodnie z zaleceniami producenta pojazdu, a przy co trzeciej ich wymianie montować też nowe przewody zapłonowe. To znaczy, iż każdej wymianie przewodów musi towarzyszyć wymiana świec. Przewody należy wymieniać zawsze w kompletnych wiązkach, by ich zużycie było równomierne.