Jak uniknąć stuku w silnikach?

Jakość paliwa ma ogromne znaczenie dla prawidłowego spalania. Spalanie stukowe, zwane też „stukiem” to zjawisko nieprawidłowego spalania paliw w silnikach tłokowych o zapłonie iskrowym. W poszukiwaniu rozwiązań tego problemu uczestniczą badacze z Politechniki Warszawskiej.

Wymiana wiedzy i doświadczeń

Z problemem spalania stukowego w silnikach gazowych dużej mocy chcą zmierzyć się młodzi badacze z Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa PW. Kierownikiem projektu „Zapobieganie spalaniu stukowemu oraz zwiększenie niezawodności i sprawności silników gazowych dużej mocy” z ramienia Politechniki Warszawskiej jest dr inż. Łukasz Jan Kapusta z Zakładu Silników Lotniczych. Projekt jest finansowany z programu Horyzont 2020, rozpoczął się w grudniu 2015 roku, a jego realizacja zaplanowana jest na cztery lata.

Horyzont 2020 jest największym w historii programem finansowania badań naukowych i innowacji w Unii Europejskiej. Jego budżet na lata 2014-2020 wynosi prawie 80 mld euro. Głównym założeniem Horyzontu jest stworzenie spójnego systemu finansowania innowacji: od koncepcji naukowej, poprzez etap badań, aż po wdrożenie nowych rozwiązań, produktów czy technologii.

Dziewięciu młodych pracowników naukowych z Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa będzie miało dzięki temu okazję wyjechać na staże do firm Wärtsilä Finland Oy oraz AVL List GmbH z Austrii. Wärtsilä jest największym producentem silników stacjonarnych i morskich na świecie, a ważną częścią jej działalności są silniki gazowe. Firma AVL jest natomiast czołowym wytwórcą aparatury badawczej do laboratoriów silnikowych oraz dostawcą zaawansowanego programu numerycznego do symulacji procesów spalania w silnikach AVL Fire. Pracownicy obu firm przyjadą z kolei do laboratoriów Politechniki.

Czym jest spalanie stukowe?

Młodzi badacze z PW pochylą się nad problemem spalania stukowego. Określenie to pochodzi od wrażenia akustycznego, które wynika z silnych oscylacji ciśnienia występujących w komorze spalania podczas tego rodzaju niepożądanego procesu. Zjawisko spalania stukowego dotyczy jednak nie tylko silników stosowanych w pojazdach, ale również stacjonarnych silników gazowych dużej mocy używanych do produkcji energii elektrycznej.

Wysokie oscylacje ciśnienia występujące podczas spalania stukowego skutkują również dużymi obciążeniami układu korbowego. Długotrwałe występowanie tego typu zjawiska prowadzi do całkowitego zniszczenia silnika.

Trudno znaleźć jedno rozwiązanie na wyeliminowanie spalania stukowego, ponieważ nie ma też jednej przyczyny jego zachodzenia. Mają na nie wpływ: rodzaj zastosowanego paliwa, parametry pracy silnika oraz parametry geometryczne komory spalania silnika. Z punktu widzenia użytkownika podstawowym rozwiązaniem tego problemu jest stosowanie odpowiedniego paliwa do konkretnego rodzaju silnika, zgodnie z zaleceniami producenta.

Zjawisko stuku jest jednak prawdziwym wyzwaniem na etapie konstruowania silnika. – Z jednej strony chcielibyśmy stosować paliwa odpadowe lub alternatywne (o dużej zawartości wodoru) z drugiej zaś zwiększać sprawność silników – mówi dr Łukasz Jan Kapusta. – Te wymagania nie idą ze sobą w parze i żeby je pogodzić, to właśnie na etapie projektowania musi być wykonana największa praca.

Tworzymy nowe rozwiązania

Spalania stukowego nie da się całkowicie wyeliminować, ale naukowcy chcą zminimalizować ryzyko jego wystąpienia. W ramach projektu prowadzone będą badania eksperymentalne – sprawdzanie różnych mieszanin paliwowych, planowane jest projektowanie nowych silników oraz rozwój modeli zapłonu i spalania stukowego w metodach numerycznych.

Wszystkim uczestnikom projektu przyświeca wspólny cel główny: – Poprawa efektywności spalania w silnikach gazowych oraz unikanie zjawiska spalania stukowego – wyjaśnia dr Kapusta.

Naukowców interesują też aspekty: nieudanego startu silnika i wiążące się z tym zagrożenie wybuchem w układzie wydechowym oraz wyznaczenie skłonności wybranych paliw do spalania stukowego. Ostatecznym efektem projektu będzie przede wszystkim wymiana doświadczeń i zacieśnienie współpracy z partnerami przemysłowymi. Ponadto, projekt będzie miał duży wpływ zarówno na stworzenie nowych modeli zapłonu, jak i na konstrukcje i rozwiązania techniczne zastosowane w silnikach, które pojawią się w przyszłości.

Inżynier w biznesie

Program Horyzont 2020 z założenia zakłada współpracę międzysektorową. Mimo że w przemyśle motoryzacyjnym pracują najwyższej klasy specjaliści, pomoc naukowców pozwala im spojrzeć na dane zagadnienia z innej perspektywy.

– W przemyśle brakuje czasu na pogłębioną analizę teoretyczną i pracę stricte naukową, a czasami, żeby pójść dalej, trzeba dowiedzieć się więcej o niuansach rozpatrywanych zjawisk – tłumaczy dr Kapusta. – My przychodzimy tutaj z pomocą.

Młodzi badacze z Politechniki Warszawskiej dzięki takiej wymianie mogą z kolei zobaczyć, w jaki sposób zdobytą na uczelni wiedzę wykorzystać w praktyce – jak przełożyć ją na realne rozwiązania w biznesie.

Monika Bukowska, Biuro ds. Promocji i Informacji

Źródło: PW