Współcześnie nanotechnologia umożliwia tworzenie struktur o kontrolowanych właściwościach fizycznych i chemicznych. W przypadku tłokowych silników spalinowych ten fakt może przyczynić się do zwiększania ich trwałości i efektywności energetycznej. Z dr. hab. inż. Piotrem Wróblewskim, prof. WAT, z Wydziału Mechatroniki, Uzbrojenia i Lotnictwa WAT o zaletach i nowych możliwościach stosowania silników spalinowych rozmawia Marcin Wrzos.
Czy silniki spalinowe mają jeszcze przyszłość?
To pytanie jest obecnie przedmiotem licznych dyskusji w ramach konferencji krajowych i międzynarodowych w kontekście globalnych wysiłków na rzecz ochrony środowiska i walki ze zmianami klimatycznymi. Odpowiedź na nie zależy od wielu czynników, w tym postępu technologicznego, regulacji prawnych oraz zmian w preferencjach konsumentów. Tłokowe silniki spalinowe wciąż mają istotne zastosowania w obszarach, gdzie alternatywne źródła energii nie są jeszcze w stanie sprostać wymaganiom funkcjonalnym. Przykłady to transport drogowy pojazdów ciężarowych i maszyn roboczych oraz regiony bez rozwiniętej infrastruktury, na przykład do ładowania magazynu energii pojazdów elektrycznych.
Innym przykładem jest transport lotniczy.
Tak, w lotnictwie wysokie wymagania dotyczące zapotrzebowania na energię silników napędowych i wytrzymałość konstrukcji układu napędowego sprawiają, że elektryczne napędy lotnicze są wciąż w fazie bardzo wczesnego rozwoju. W Polsce prowadzone są badania i wytwarzane są prototypy elektrycznych i hybrydowych lotniczych układów napędowych. Jednakże z uwagi na bezpieczeństwo lotu, wykluczenie w tym układzie napędowym silnika spalinowego jest niemożliwe. Głównym powodem ograniczonej możliwości zastosowania silników elektrycznych jest stosunkowo duża masa ich źródła zasilania w odniesieniu do całkowitej masy statku powietrznego. Na podstawie współcześnie prowadzonych badań symulacyjnych i eksperymentalnych w tym zakresie można z dużym prawdopodobieństwem przyjąć, że silniki elektryczne ze względu na dużą masę źródła zasilania będą wykorzystywane wyłącznie w fazie startu i lądowania statku powietrznego.
Jakie są tego powody?
Ma to związek z ograniczonym czasem pracy takiego silnika przy stosunkowo małej masie źródła zasilania. W transporcie drogowym ciężkim, pojazdy ciężarowe oraz maszyny budowlane i rolnicze nadal są napędzane tłokowymi silnikami spalinowymi, ze względu na duże zapotrzebowanie na moc i moment obrotowy układu napędowego. W tym przypadku całkowicie elektryczny układ napędowy jest zbyt mało efektywny i zbyt energochłonny.
Warto również zwrócić uwagę na technologie hybrydowe układów napędowych w transporcie pojazdów samochodowych, które łączą silniki spalinowe z elektrycznymi. Takie zestawienie silników pozwala ograniczyć wady obu systemów napędowych i przynajmniej częściowo ograniczyć emisję toksycznych spalin w odniesieniu do samego silnika spalinowego. Mimo tej zalety wprowadzenie układów hybrydowych w pojazdach samochodowych wiąże się ze wzrostem ich kosztów produkcji i eksploatacji, nie wspominając o kosztach dodatkowych związanych z ich recyklingiem.
Przed jakimi wyzwaniami stoją współczesne tłokowe silniki spalinowe?
Są to coraz bardziej rygorystyczne przepisy dotyczące emisji spalin oraz rosnące zobowiązania międzynarodowe w zakresie redukcji emisji gazów cieplarnianych. Wiele krajów planuje wprowadzenie zakazów sprzedaży nowych pojazdów z silnikami spalinowymi w ciągu najbliższych kilkudziesięciu lat. Technologia napędów elektrycznych szybko się rozwija. Źródła zasilania silników elektrycznych są coraz bardziej efektywne i tańsze, co z kolei ma wpływ na wzrost atrakcyjności samochodów elektrycznych wśród konsumentów. Rozwój infrastruktury ładowania źródeł zasilania również przyspiesza, co dodatkowo zwiększa ich dostępność. Zmieniające się postawy społeczne i rosnąca świadomość ekologiczna prowadzą do większego zainteresowania pojazdami przyjaznymi dla środowiska. Pomimo współczesnych trendów, związanych z ograniczaniem emisji substancji szkodliwych do środowiska (głównie przez pojazdy samochodowe) wiele współczesnych badań wskazuje, że badając sumaryczną emisję od początku produkcji do utylizacji bądź recyklingu pojazdów elektrycznych ich emisja może być znacznie większa od pojazdów wykorzystujących silniki spalinowe.
Jakie są ich największe zalety?
Tłokowe silniki spalinowe mimo zwiększonej emisji w okresie ich użytkowania nadal stanowią dobre źródło napędu dla pojazdów samochodowych. Uzyskiwany dzięki nim, zadowalający zasięg samochodów oraz coraz niższa emisja substancji toksycznych będących produktami spalania sprawiają, że nadal są one bardzo atrakcyjne dla użytkowników. Dlatego należy prowadzić badania w kierunku nie tylko dalszej poprawy sprawności cieplnej silników spalinowych oraz możliwości redukcji substancji toksycznych spalin, ale także zmierzać do poprawy sprawności mechanicznej przy równoczesnym zwiększaniu trwałości wybranych mechanizmów par kinematycznych złożenia głównego silnika. Warto także prowadzić badania w kierunku zastosowania nowych środków smarnych i powłok w silnikach o spalaniu wewnętrznym zasilanych paliwami alternatywnymi. Ich specyficzne warunki spalania mieszanki paliwo-powietrznej sprawiają, że zachowanie trwałości głównych mechanizmów silnika spalinowego jest coraz bardziej ograniczone.
Jak ważne są powłoki przeciwzużyciowe dla zwiększenia efektywności działania silnika spalinowego?
Redukcja strat tarcia w silnikach spalinowych jest znaczącym problemem, który wpływa na efektywność energetyczną i ich trwałość. Poprzez zastosowanie odpowiednich powłok możliwe jest znaczne zmniejszenie tych strat, co przekłada się na efektywność energetyczną i koszty eksploatacji. Powłoki przeciwzużyciowe zabezpieczają elementy mechaniczne silnika spalinowego przed przedwczesnym zużyciem, co przekłada się na ich większą trwałość i niezawodność. Mniejsza ilość zużytego paliwa i większa trwałość podzespołów przyczyniają się do zmniejszenia emisji zanieczyszczeń emitowanych do środowiska, co jest szczególnie ważne w kontekście globalnych działań na rzecz ochrony klimatu. Moje badania wprowadzają nowe podejścia do analizy powłok, uwzględniając właściwości hydrofilowe i hydrofobowe, co wcześniej było rzadko brane pod uwagę. Dzięki temu możliwe jest lepsze zrozumienie i optymalizacja warunków smarowania i tarcia w silnikach spalinowych.
Badania nad zjawiskami hydrofobowości i hydrofilowości powłok wielowarstwowych oraz nanocieczy hybrydowych mają ogromne znaczenie zarówno z perspektywy ekonomicznej, jak i ekologicznej, ponieważ zmniejszenie strat tarcia i zredukowanie zużycia powłok prowadzi do mniejszego zużycia paliwa i emisji substancji toksycznych.
Czym są zjawiska hydrofobowości i hydrofilowości?
Dotyczą one zdolności materiałów do wchodzenia w interakcje z wodą lub innymi cieczami, jak olej silnikowy i są określane przez kąt zwilżania, czyli kąt, pod jakim kropla cieczy styka się z powierzchnią materiału. Hydrofilowość oznacza zdolność materiału do przyciągania i absorbowania cieczy. Powierzchnie hydrofilowe mają niskie kąty zwilżania, co oznacza, że ciecz rozprzestrzenia się szeroko na powierzchni, tworząc cienką warstwę. Powierzchnie hydrofilowe sprzyjają tworzeniu stabilnego, równomiernego filmu olejowego, nawet przy cienkich warstwach smaru. To jest szczególnie korzystne w warunkach wysokich obciążeń i niskich prędkości obrotowych, gdzie istnieje ryzyko wystąpienia tarcia mieszanego lub granicznego. Dzięki temu zmniejsza się ryzyko przyspieszonego zużycia powierzchni ślizgowych pierścieni tłokowych i gładzi cylindra.
Z kolei hydrofobowość oznacza zdolność materiału do odpychania cieczy. Powierzchnie hydrofobowe mają wysokie kąty zwilżania, co powoduje, że krople cieczy formują się w kuliste kształty i nie rozprzestrzeniają się po powierzchni. W przypadku filmu olejowego, powierzchnie hydrofobowe sprzyjają utrzymaniu jego grubszej formy przy wyższych prędkościach obrotowych, co jest korzystne, ponieważ zmniejsza się tarcie płynne i wewnętrzne opory ruchu środka smarnego. Hydrofobowość jest szczególnie przydatna przy wysokich prędkościach, gdy istotne jest utrzymanie odpowiedniego smarowania i minimalizacja strat tarcia w silniku. Dzięki odpowiedniemu zastosowaniu tych właściwości, można zmniejszyć straty tarcia oraz poprawić trwałość i niezawodność głównych zespołów silników spalinowych.
Czy badania to potwierdzają?
W moich dwóch artykułach opublikowanych w czasopiśmie „Energy” skupiłem się na analizie właściwości nanopowłok wielowarstwowych o różnych charakterystykach hydrofilowych i hydrofobowych oraz ich wpływie na straty tarcia w tłokowych silnikach spalinowych.
Pierwszy artykuł „Reduction of friction energy in a piston combustion engine for hydrophobic and hydrophilic multilayer nanocoatings surrounded by soot” przedstawia nowatorskie podejście do powłok wielowarstwowych nałożonych na elementy tłokowych silników spalinowych, które uwzględnia ich właściwości hydrofilowe i hydrofobowe. Wcześniejsze badania koncentrowały się głównie na topografii powierzchni, twardości oraz lepkości dynamicznej oleju, pomijając istotny wpływ właściwości hydrofilowych i hydrofobowych na straty tarcia. Wyniki moich badań wykazały, że powłoki hydrofilowe, doskonale sprawdzają się w warunkach tarcia mieszanego i suchego, wykazując najniższe zużycie. Z kolei powłoki hydrofobowe, charakteryzują się dobrymi właściwościami tribologicznymi oraz mają większą skłonność do odpychania cieczy, co jest korzystne w warunkach wysokiego ciśnienia hydrodynamicznego.
Drugi artykuł „Investigation of energy losses of the internal combustion engine taking into account the correlation of the hydrophobic and hydrophilic” kontynuuje ten temat, badając wpływ właściwości hydrofilowych i hydrofobowych wielowarstwowych powłok na moment oporu ruchu silnika. Jest to pierwsza taka próba oceny skali wpływu tych właściwości na straty tarcia w silniku spalinowym. Badania przeprowadziłem zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i na hamowni silnikowej, co zapewnia pełną wiarygodność wyników. Potwierdziły one, że wzmocnienie właściwości hydrofilowych i hydrofobowych powłok może być użyteczne w dalszym zmniejszaniu strat tarcia, a co za tym idzie, zmniejszaniu zużycia paliwa dzięki poprawie mechanicznej sprawności tłokowego silnika spalinowego. Powłoki hydrofilowe, redukują moment oporu silnika w zakresie prędkości obrotowych od 800 do 2600 rpm (ang. revolutions per minute), natomiast powłoki hydrofobowe, są bardziej efektywne przy wyższych prędkościach obrotowych, powyżej 2000 rpm.
Badania koncentrowały się na silnikach samolotowych? Czy ich wyniki można zastosować również do samochodów?
Powłoki hydrofilowe i hydrofobowe, które poprawiają warunki smarowania i redukują tarcie w silnikach samolotowych, będą działały w podobny sposób w silnikach samochodowych. Tłokowe silniki spalinowe pod względem konstrukcyjnym mechanizmu głównego nie różnią się zasadniczo od siebie, a więc zjawiska tworzenia filmu olejowego przebiegają bardzo podobnie. Różnica między różnymi silnikami wpływającymi na parametry filmu olejowego wynika głównie z geometrii mechanizmów głównych silnika, przebiegu procesu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej, zastosowanych środków smarnych, powłok przeciwzużyciowych, materiałów bazowych i zakresu prędkości obrotowej wału korbowego. Mimo różnych wariantów konstrukcyjnych sam mechanizm tworzenia filmu olejowego jest bardzo podobny, a wpływ parametrów kluczowych na rozkład i grubość filmu olejowego można ustalić na podstawie badań symulacyjnych.
Współczesna nauka ma dziś coraz bardziej międzynarodowy charakter. Czy aby odnosić sukcesy trzeba współpracować z naukowcami z innych ośrodków badawczych?
Współpraca międzynarodowa przynosi wiele korzyści, które są niezbędne do przeprowadzania zaawansowanych badań i osiągania przełomowych wyników. Przede wszystkim umożliwia dostęp do szerokich zasobów i infrastruktury badawczej, często niedostępnej w pojedynczym kraju. Różne ośrodki badawcze dysponują specjalistycznym sprzętem, unikalnymi laboratoriami i wiedzą ekspercką. Współpraca z nimi znacząco przyspiesza proces badawczy i podnosi jakość badań. Ponadto, współpraca z naukowcami z różnych krajów pozwala na wymianę wiedzy i doświadczeń, co jest kluczowe dla rozwoju innowacyjnych rozwiązań. Każdy zespół badawczy wnosi do projektu swoje unikalne perspektywy i podejścia, a to przekłada się na powstawanie nowych pomysłów i metodologii. Dzięki temu badania stają się bardziej kompleksowe i interdyscyplinarne, a to zwiększa szanse na osiągnięcie przełomowych odkryć.
Osiąganie sukcesów we współczesnej nauce wymaga współpracy międzynarodowej. Ułatwia ona dostęp do zasobów, wymianę wiedzy, dodatkowe źródła finansowania, możliwość publikacji w prestiżowych czasopismach oraz zwiększa mobilność naukowców. Wszystkie te elementy są kluczowe dla prowadzenia zaawansowanych badań naukowych i osiągania przełomowych wyników.
Ważna jest również współpraca z ośrodkami przemysłowymi.
Jest to kluczowy element w procesie badań i rozwoju nowych technologii, takich jak nowe materiały i środki smarne. Ośrodki przemysłowe i naukowe mogą czerpać korzyści ze współpracy. Przemysł zyskuje dostęp do najnowszych odkryć i innowacji, co pozwala na wdrażanie nowoczesnych technologii i poprawę konkurencyjności. Z kolei naukowcy mają możliwość testowania swoich teorii i wynalazków w praktycznych warunkach. Przemysł często finansuje badania naukowe, co pozwala na prowadzenie bardziej zaawansowanych i kosztownych projektów. Firmy mogą inwestować w rozwój nowych technologii, które następnie wdrażają w swoich produktach. Takie partnerstwo umożliwia również naukowcom dostęp do zaawansowanego sprzętu i zasobów, które mogą być nieosiągalne w typowych warunkach akademickich. Tak też było w przypadku większości moich bardzo zaawansowanych badań, głównie na etapie tworzenia nowych materiałów lub podzespołów do badań. Jednym z głównych celów mojej współpracy między przemysłem a nauką był transfer technologii.
Wyniki badań naukowych, takich jak te dotyczące powłok redukujących tarcie, mogą być szybko wdrażane w procesach produkcyjnych. Przemysł często korzysta z badań naukowych do rozwoju nowych produktów. Na przykład wyniki badań nad powłokami hydrofilowymi i hydrofobowymi mogą być wykorzystane do tworzenia bardziej trwałych i ekonomicznych silników, zarówno w lotnictwie, jak i przemyśle samochodowym.
Czy współpraca z przemysłem przekłada się na wdrażanie opracowanych rozwiązań?
Niektóre z moich prac badawczych poświęconych głównie zmniejszeniu strat tarcia w silnikach spalinowych poprzez wprowadzanie różnorodnych powłok i środków smarnych zostały wykorzystane w przemyśle. Zaprojektowałem kilka podzespołów tłokowych silników spalinowych przeznaczonych do napędu ultralekkich statków powietrznych oraz byłem projektantem zespołu napędu hybrydowego przeznaczonego do statków powietrznych. Większość badań dotyczących zastosowania różnych kombinacji powłok zostało wprowadzone przez przedsiębiorstwa zajmujące się produkcją pierścieni tłokowych i innych podzespołów silnikowych oraz narzędzi skrawających. Prace na temat badań i oceny skutków zwilżalności powłok na parametry filmu olejowego zostały docenione i nagrodzone przez kilka ośrodków badawczych na świecie, m.in. Automotive and Tractors Engineering Department, Faculty of Engineering czy Minia University.
Marcin Wrzos
fot. Katarzyna Puciłowska
***
Dr hab. inż. Piotr Wróblewski, prof. WAT pracuje w charakterze profesora uczelni w Instytucie Techniki Lotniczej na Wydziale Mechatroniki, Uzbrojenia i Lotnictwa WAT. W 2018 r. uzyskał stopień doktora nauk technicznych w na Politechnice Poznańskiej na Wydziale Maszyn Roboczych i Transportu w Instytucie Silników Spalinowych i Transportu. Uchwałą Rady Dyscypliny Naukowej Inżynieria Mechaniczna Wojskowej Akademii Technicznej im. Jarosława Dąbrowskiego 20 grudnia 2023 roku uzyskał stopień naukowy doktora habilitowanego w dziedzinie nauk inżynieryjno-technicznych w dyscyplinie inżynieria mechaniczna.
Piotr Wróblewski jest autorem ponad 60 publikacji w renomowanych czasopismach naukowych oraz 340 artykułów techniczno-naukowych. Uczestniczył w 14 projektach naukowo-technologicznych dotyczących nowych rozwiązań technologicznych i konstrukcyjnych, które zostały wdrożone w przemyśle. W ramach swojej działalności naukowej zrealizował 3 autorskie projekty zakończone wdrożeniami technologicznymi. Jest autorem ponad 17 ekspertyz naukowych dla przemysłu, głównie w obszarze technologii maszyn i silników spalinowych. Wypromował ponad 100 inżynierów i magistrów oraz jest promotorem kilku rozpraw doktorskich.
W 2023 roku znalazł się w prestiżowym gronie najczęściej cytowanych naukowców na świecie według rankingu World’s Top 2% Scientists.