Rozdział 4 - Emisja zanieczyszczeń a silnik parowy

Tak więc silnik parowy wywołał na nowo zainteresowanie przemysłu motoryzacyjnego, gdy obawy o stan środowiska, a ściślej jakość powietrza w miastach, stały się znaczącym argumentem.

Powód powrotu zainteresowania silnikiem parowym jest prosty. Proces spalania w silniku parowym jest zewnętrzny oraz stały, co sprawia, że jest bliższy osiągnięciu idealnego spalania w temperaturze 1700 K, co skutkuje znacznie mniejszą emisją NOx, HC i cząstek stałych (zawiesin).

Tymczasem, w silniku spalinowym o spalaniu wewnętrznym, proces spalania odbywa się w obrębie cylindra i jest cykliczny. Tutaj też, wybuchowa mieszanka paliwa i powietrza podlega powtarzalnemu zapalaniu, a następnie szybkiemu chłodzeniu i wylotowi w czasie 50 ms lub mniej. Gazy spalane są początkowo w cylindrze, w temperaturze ok. 3000 K, tj. w warunkach powodujących powstawanie tlenków azotu.
Po początkowym wybuchu, gorące gazy spalinowe ochładzają się na ściankach cylindra do temperatury ok. 500 K, co z kolei wywołuje powstawanie tlenku węgla i nie spalonych węglowodorów. W końcu, krótki czas całości wewnętrznego cyklu spalania utrudnia pełne spalanie, co skutkuje emisją sadzy lub cząstek stałych - problem ten dotyczy w szczególności silników wysokoprężnych.

To właśnie konieczność redukcji emisji zmusiła producentów silników spalinowych do modyfikacji swych wyrobów i instalacji systemów umożliwiających sprostanie nowym zaostrzonym normom emisji. Modyfikacje te to stopniowe wprowadzanie katalizatorów, układów wtrysku paliwa oraz zapłonu elektronicznego.

Jednakże sprostanie obecnym wyzwaniom przez silnik spalinowy, w szczególności jako źródło energii dla pojazdów samochodowych, staje się coraz trudniejsze wskutek corocznego zaostrzania norm dopuszczalnej emisji.

Poniższe tabele pokazują skalę problemu. Aby spełnić nowe wymagania, emisja spalin z nowych samochodów, sprzedanych w roku 2005, musi wynosić w granicach połowy tej dla pojazdów sprzedanych od roku 2000.

Wartości graniczne emisji dla silników z zapłonem iskrowym w UE

Standardy	Wprowadzenie	CO g/km	HC g/km	NOx g/km	HC+NOx g/km
UE stopień I	1992	2.72	-	-	0.97
UE stopień II	1996	2.2	-	-	0.5
UE stopień III	2000	2.3	0.2	0.15	-
UE stopień IV	2005	1.0	0.1	0.08	-

Wartości graniczne emisji dla silników wysokoprężnych w samochodach osobowych i dostawczych

Standardy	Wprowadzenie	CO g/km	HOx g/km	PM g/km	HC+NOx g/km
Euro I	1992	2.72	-	0.2	1.75
Euro II	1996	1.0	-	0.15	1.00
Euro III	2000	0.5	0.5	0.05	0.5
Euro IV	2005	0.4	0.25	0.025	0.3

Wartość graniczne od roku 2007 zostaną jeszcze obniżone.

Gdy dodać do siebie elektronikę, systemy wtrysku, katalizatory i filtry, koszt układów zmniejszających emisję (w roku 2003) wynosi już praktycznie połowę kosztu nowego silnika. Inżynierowie przemysłu motoryzacyjnego doprowadzili technologię spalania i oczyszczania gazów spalinowych praktycznie na szczyt jej możliwości. Jest wyjątkowo trudno określić, kiedy można się spodziewać następnych usprawnień zmniejszających emisję. Te kosztowne układy stanowią w efekcie "szczudła" wspierające postać napędu, który najprawdopodobniej osiągnął już kres swych możliwości technicznych. Z tego też względu widać rosnące zainteresowanie bardziej radykalnymi rozwiązaniami.

Pojazdy elektryczne, napędzane przez silniki Diesla, jak Honda Insight, to jedno z takich rozwiązań. Silnik wysokoprężny zastosowany w tej hybrydzie pracuje ze stałą prędkością, co umożliwia optymalizację procesu spalania, a to ułatwia sprostanie zaostrzonym normom emisji. Złożoność, gabaryty oraz koszty wytwarzania zespołu napędowego będącego połączeniem silnika wysokoprężnego, prądnicy i silnika elektrycznego spowodowały inne spojrzenie na rozwiązania alternatywne, jak np. silniki parowe, odrzucone z tych samych przyczyn kilka dekad temu.

Dużo niższe poziomy emisji silnika parowego stanową punkt wyjściowy argumentacji za taką postacią jednostki napędowej. Innym istotnym czynnikiem są koszty wytwarzania. Ponieważ koszt wytworzenia silnika spalinowego wzrósł o koszt układów zmniejszania emisji, stąd też różnica w kosztach pomiędzy nim a silnikiem parowym, nie wymagającym takich układów, uległa wyraźnej redukcji. Są to dwa bardzo ważne elementy wspierające ideę ponownego rozważenia silnika parowego jako kandydata na jednostkę napędową małej i średniej mocy.

Gdy do tych argumentów dodać fakt, że nowe materiały, technologie i innowacje techniczne umożliwiają dziś zbudowanie wysokoobrotowego silnika o gęstościach mocy podobnych do silnika spalinowego, idea wydaje się być jeszcze bardziej interesująca. I w końcu, gdy dzięki masowej produkcji obniżone zostaną koszty wytwarzania, silnik parowy może stać się bardzo mocnym kandydatem do konkurowania na rynku głównych jednostek napędowych w XXI wieku.

>> Badania nad silnikiem parowym do napędu pojazdów samochodowych od lat 30-tych (Rozdział 5)