Ekologia i nowoczesność, czyli nowy silnik zespołu z PW

Wykorzystuje paliwa gazowe, które nie były dotychczas spalane w silnikach tłokowych. Wyróżnia go wyjątkowo wysoka sprawność, a więc niska emisyjność CO2. Oto silnik, nad którym pracują naukowcy z Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej oraz partnerzy przemysłowi.

Nasi badacze od ponad 20 lat konstruują, wykonują i badają kolejne prototypy o niekonwencjonalnym układzie kinematycznym, nazywane rewolwerowymi.

– Dzięki zastosowanym w nich rozwiązaniom uzyskujemy stosunkowo prosty pod względem konstrukcji system zmiennego stopnia sprężania oraz pseudoadiabatyczne komory spalania – wyjaśnia dr inż. Paweł Mazuro z Wydziału MEiL PW. – Podnosi to sprawność silnika oraz umożliwia spalanie paliw o bardzo niskiej wartości opałowej bądź zmiennym składzie fizyko-chemicznym. Silniki testowane są zarówno na paliwach płynnych, jak i gazowych.

Najnowszy projekt – PAMAR 5 – to już piąta generacja silnika, rozwijana przez dr. inż. Pawła Mazuro i jego zespół. Tym razem naukowcy z PW rozwijają swoje pomysły w ramach projektu „Badania wysokosprawnego silnika wykorzystującego technologię HCCI do zastosowań w energetyce rozproszonej”, finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.

Politechnika Warszawska jest członkiem konsorcjum, odpowiedzialnym za część projektowo-konstrukcyjną oraz badawczą. Lider – firma Pimet – zajmuje się wytwarzaniem części silnikowych, a firma Horus Energia przeprowadza wnikliwe analizy rynku paliw alternatywnych.

Dobrze wykorzystać odpady

PAMAR-5 to najbardziej zaawansowana z dotychczasowych konstrukcji dr. Mazuro i jego zespołu. Zastosowano tu systemy zmiennych faz rozrządu, zmiennego stopnia sprężania, zmiennego kąta przesunięcia fazowego oraz system regulujący dawkę paliwa gazowego o niskiej wartości opałowej.

 – To daje możliwość bardzo szerokiej optymalizacji pracy silnika i dostosowana jego pracy do paliwa gazowego o zmiennych własnościach – tłumaczy dr Mazuro. – To odróżnia PAMAR 5 od silników dostępnych na rynku. Wymienione systemy są przedmiotem badań producentów silników na całym świecie, jednak w klasycznych konstrukcjach są bardzo trudne do zaimplementowania. W silnikach rewolwerowych, ze względu na ich osiową budowę  jest inaczej.

Nowy silnik będzie mógł pracować na gazach, których spalanie jest w klasycznych silnikach bardzo trudne – to na przykład gazy pochodzące ze zgazowania odpadów biomasowych lub gazyfikacji innych odpadów, np. opon. Dzięki temu zwiększy się stopień ponownego wykorzystania odpadów i wzrośnie udział odnawialnych źródeł energii (OZE) w krajowym bilansie energetycznym.

Nasi naukowcy wychodzą naprzeciw oczekiwaniom sektora energetyki rozproszonej.

To podejście nowatorskie nie tylko w Polsce, ale i na świecie. Choć koncepcja silników rewolwerowych jest znana od początku XX wieku, to tego typu konstrukcje są niesłusznie uznawane za wadliwe. Nieliczne ośrodki badające różne rodzaje silników rewolwerowych nie skupiają się na wykorzystaniu w energetyce, lecz na lotnictwie lub jako moduł typu range extender.

Klucz do sukcesu

PAMAR-5 ma moc od 300kW do 1 MW, w zależności od użytego paliwa. To silnik sześciocylindrowy. Jego cechą charakterystyczną jest równoległość osi cylindrów do osi wału. Ruch posuwisto-zwrotny tłoków jest tu zamieniany na ruch obrotowy dzięki zastosowaniu specjalnej tarczy, wykonującej ruch kolebiący (ang. wobble plate) i blokowanej przekładnią zębatą.

– Pełna osiowa symetria w silniku dotyczy układu kinematycznego, układu dolotowego, wylotowego, zasilania i chłodzenia silnika – wyjaśnia dr Mazuro. – Dotychczasowe badania pokazują, że może się ona okazać kluczowa, jeśli chodzi o możliwość optymalizacji i opanowania trybu HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) w silnikach wielocylindrowych.

Do silników HCCI (czyli silników spalania mieszanki jednorodnej) należy przyszłość. To odpowiedź na wyzwanie połączenia wysokiej sprawności i drastycznej redukcji emisji NOx.

Dodatkowo powtarzalność obwodowa geometrii silnika rewolwerowego i charakter jego pracy sprawiają, że może nastąpić całkowite i samoczynne wyrównoważenie silnika oraz znaczne zmniejszenie poziomu drgań. Wszystkie szczegóły techniczne, które dają zespołowi z PW przewagę nad konkurencją zostały opisane w artykule „The Potential of Wobble Plate Opposed Piston Axial Engines for Increased Efficiency”, który niedawno ukazał się w prestiżowym czasopiśmie„Energies”. Artykuł dostępny jest bezpłatnie w Internecie.

Zero, które wiele znaczy

W PAMAR 5 zastosowano przeciwbieżny układ tłoków i wzdłużne płukanie cylindrów (łatwe do zastosowania w silnikach rewolwerowych, skomplikowane w silnikach z klasycznym wałem korbowym).

Układ taki powoduje wzrost sprawności objętościowej i lepsze wykorzystanie pojemności skokowej silnika. W połączeniu z systemami zmienności pozwala też na kontrolę poziomu recyrkulacji spalin oraz uzyskanie uwarstwienia ładunku, trudno osiągalnego w zwykłym silniku.

Sprawność całkowita silnika PAMAR 3 badanego w 2009 roku wynosiła 44%, co wyróżnia się na tle jednostek podobnej klasy produkowanych w tym czasie (39–41%). Zgodnie z przewidywaniami silnik PAMAR 5 będzie pod tym względem również z powodzeniem konkurował z silnikami dostępnymi na rynku. Należy przy tym zaznaczyć, że silnik typu rewolwerowego, projektowany do zespołów prądotwórczych, będzie charakteryzował się (dzięki zastosowaniu ultraczystej technologii spalania HCCI) znacznie obniżoną emisyjnością tlenków azotu.

W ramach projektu z firmami Pimet i Horus Energia zespół dr. Mazuro buduje stanowisko badawcze dla bogato opomiarowanego silnika, o dużym zakresie regulacji. Umożliwi to określenie zakresu parametrów docelowego (znacznie uproszczonego) silnika, przeznaczonego do produkcji małoseryjnej.

Plany na przyszłość

Silnik polskiej produkcji byłby dla naszego kraju ogromnym sukcesem. Do tej pory byliśmy zdani na jednostki napędowe produkowane za granicą lub wytwarzane w Polsce na zagranicznej licencji. Zastosowanie silników typu PAMAR nie musi ograniczać się jedynie do energetyki rozproszonej. Ich wielopaliwowość jest cechą pożądaną choćby w pojazdach wojskowych. Zespół prezentował wyniki swojej pracy między innymi na spotkaniu z członkami Polskiej Grupy Zbrojeniowej. Wojskowi potwierdzili, że silnik ma ogromny potencjał i mógłby znaleźć zastosowanie w pojazdach gąsienicowych. Na prototypie PAMAR 4 są już prowadzone badania pod tym kątem.

Innym kierunkiem rozwoju mogą być silniki do napędu dronów. Bezzałogowe statki powietrzne zyskują coraz więcej zainteresowania i są przedmiotem badań na całym świecie. Silniki rewolwerowe mogłyby się nadać do napędu komunikacyjnych dronów przyszłości. Ich zaletą w przypadku zastosowań lotniczych jest ich mała powierzchnia czołowa oraz duża gęstość mocy. Zostało to potwierdzone podczas budowy silnika PAMAR 3, który powstał w ramach projektu „Konstrukcja 5-cylindrowego wysokoprężnego bezkorbowego silnika lotniczego o pojemności 3000 cm3 i o osiach cylindrów równoległych do osi wału silnika” realizowanego w latach 2007–2009.

Nasi naukowcy są otwarci na zapytania skierowane z różnych branż przemysłu. Dalszy kierunek rozwoju będzie określony niedługo po zakończeniu obecnego projektu. Na początku przyszłego roku powinna zapaść decyzja, aby jak najszybciej rozpocząć prace nad silnikiem komercyjnym.

– Wdrożenie silnika do produkcji małoseryjnej byłoby wymarzonym zwieńczeniem ponad dwudziestu lat pracy –mówi dr Mazuro.

Projekt „Badania wysokosprawnego silnika wykorzystującego technologię HCCI do zastosowań w energetyce rozproszonej” finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach Programu Badań Stosowanych w ścieżce B zgodnie z umową nr PBS3/B4/16/2015

Konsorcjum: Pimet (lider), Politechnika Warszawska, Horus Energia

Kierownik projektu: dr inż. Paweł Mazuro

Zespół z PW: doktoranci i studenci Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa PW

Czas realizacji projektu: 1.01.2016-31.12.2020