20 października 2017


Jak zbudować silnik dwusuwowy, który pozbawiony byłby wszelkich dotychczasowych jego wad; silnik, który musiałby posiadać wymuszone ciśnieniowe smarowanie, komorę wstępnego sprężania o bardzo niskiej szkodliwej pojemności, musiałby mieć asymetryczne, niezależne od siebie czasy ssania, dolotu i wydechu, ciężarowe napełnianie cylindrów nie mniejsze od ich pojemności itp.? Jak zrobić, żeby podczas przewietrzania komory spalania paliwo nie uciekało do kanału wydechowego, a podczas ssania nie cofało się do kanału ssącego? Poszukiwanie odpowiedzi na te pytania było motywem prac nad nowym silnikiem i siłą sprawczą powstania jego koncepcji.

Jacek Majewski

A oto kilka ciekawostek technicznych jednego z czterech wariantów dwusuwowego czterocylindrowego silnika nowej generacji. Ultralekki i tani w produkcji układ korbowy, smarowany za pomocą pompy oleju, składa się z podwójnie wykorbionego wału, dwóch suwaków zakończonych pozbawionymi płaszcza czterema tłokami, trzech rotorów, działających również jako przeciwwagi, kół zębatych i równoległego wału, pełniącego dodatkowo rolę wałka rozrządu. Konstrukcja jest bardzo prosta i lekka. Dla obsługi czterech cylindrów wystarczają jedynie dwa wykorbienia wału. Lekki wał nie przenosi obciążeń skrętnych, gdyż role transferu momentu obrotowego pełni równoległy do niego wał z kołami zębatymi. Cztery półpanewki wału pełnią funkcję dotychczasowych ośmiu. W odróżnieniu od istniejących rozwiązań, równomiernie obciążone są dolne i górne półpanewki (a nie jedynie górne, jak jest obecnie).

dwusuwowy
Rys. 1  Początkowa wersja silnika z zaworami dolotowymi umieszczonymi w denkach tłoków

Nowe rozwiązanie wału, z racji na geometrię kierunków obciążeń, powoduje dłuższy czas zgodności wektora nacisku suwaka na czop z kierunkiem obrotu wału. Wydłuża to efektywny kąt nacisku na czop z ok. 100° OWK dla tradycyjnego wału, do ok. 150° OWK. Jaki ma to efekt końcowy? Tradycyjny wał czterocylindrowego silnika czterosuwowego, sumarycznie odbiera naciski przez ok. 400° na 720° OWK, czyli na pełen cykl silnika. Nowe rozwiązanie powoduje odbieranie nacisków przez ok. 600° na 360° OWK. Oznacza to tyle, że naciski wzajemnie się nakładają, czyniąc pracę silnika wyjątkowo gładką, równomierną, pozbawioną jakichkolwiek szarpnięć, nawet przy obrotach rzędu 100-200 RPM (aby unikać szarpnięć tradycyjny silnik jest wyposażony w ciężkie koło zamachowe i reżim ustawienia minimum obrotów na poziomie 900 RPM). Stabilny i zwielokrotniony moment obrotowy osiągany jest już przy najniższych obrotach. Mimo iż z samego faktu podwójnej ilości cykli pracy na pełen cykl silnika emituje on co najmniej dwukrotnie wyższą moc i moment obrotowy, to nie tylko nie powoduje to większych obciążeń czopów, panewek czy reszty układu napędowego, ale wręcz przeciwnie. Dzięki wygładzeniu charakterystyki obciążeń przyczynia się do wydłużenia ich żywotności, podczas gdy naciski powierzchniowe pozostają bez zmian. Zmieni się jedynie ich rozkład w czasie. Gdyby przyjrzeć się obiegowi powietrza w systemie dolotowym silnika dwusuwowego, to daje się zauważyć zjawisko pewnego dysonansu czasowego. Zasadniczo jedynym dogodnym momentem do napełnienia cylindra nową dawką czystego powietrza jest czas od zakończenia efektywnego nacisku na czop wału do momentu rozpoczęcia cyklu sprężania. Dobrze byłoby, aby ten krótki czas maksymalnie wykorzystać. Niestety, w silniku dwusuwowym tłok wtedy właśnie przechodzi przez DMP, a jego ruch jest najwolniejszy. Przepływ powietrza nad tłok wymuszony jest jedynie przez różnicę ciśnień. Idealnie byłoby, gdyby oprócz różnicy ciśnień istniał jeszcze jeden czynnik wymuszający i stabilizujący przepływ. To zadanie można powierzyć innemu tłokowi, który w tym momencie osiągałby swoją maksymalną prędkość. Takie przepompowywanie byłoby bardziej efektywne, pozwoliłoby wydłużyć czas potrzebny do napełniania cylindra, wymusiłoby w miarę laminarny przepływ i zmniejszyłoby maksymalne ciśnienie w układzie dolotowym.

fazy dzialania silnika
Rys. 2  Poszczególne fazy działania silnika w rozłożeniu na cylinder 1 i cylinder 2,  w ujęciu: nad tłokiem (komora spalania – 50) / pod tłokiem (komora wstępnego sprężania – 48).

 

1. 2. 3. 4.– Cylindry
9. – Suwaki
14. – Wał korbowy
18. – Zawór wydechowy
19. – Zawór ssący
20.– Zawór dolotowy
21. – Wtryskiwacz
48. – Komora wstępnego sprężania
50.– Komora spalania
52. – Zawór kanału dolotowego
53. – Kanał dolotowy

Takie zjawisko zachodzi w silniku czterosuwowym, gdzie poruszający się w dół tłok stopniowo wciąga powietrze do cylindra. No tak, ale tam mamy komfort czasowy, bo dysponujemy dodatkowym suwem. Jeśli jednak funkcję napełniania cylindra rozdzielimy na dwa różne tłoki z przesunięciem w fazie o ok. 90°, to ten cel zaczyna być całkiem realny. Aby to osiągnąć wystarczy połączyć ze sobą komorę wstępnego sprężania jednego cylindra z komorą spalania innego cylindra. Poruszający się w dół tłok pierwszego cylindra spręża powietrze i we właściwym momencie przepompowuje je do komory spalania drugiego cylindra, którego tłok właśnie przechodzi przez DMP. Idealne rozwiązanie? Nie do końca. Przecież oba cylindry są od siebie sporo oddalone, a dodatkowy kanał spowoduje wzrost szkodliwej pojemności komory wstępnego sprężania. Aby ten problem rozwiązać wystarczy kanał dolotowy zaopatrzyć w dwa zawory. Jeden sterowany podciśnieniowo na wejściu, a drugi, znany z silnika czterosuwowego jako zawór ssący, przy ujściu kanału do komory spalania. W ten sposób kanał dolotowy staje się swoistym magazynem lekko sprężonego powietrza, nie powodując zwiększenia szkodliwej pojemności. Takie rozwiązanie dałoby też możliwość zamontowania końcówki wtryskiwacza poza komorą spalania, na końcu kanału dolotowego. Korzyść z takiego rozwiązania jest taka, że po zakończeniu suwu pracy, zamiast mieszanką paliwowo-powietrzną, cylinder przedmuchiwany jest czystym powietrzem, a wtrysk paliwa następuje dopiero po zamknięciu zaworu wydechowego, tuż przed zamknięciem zaworu ssącego. W ten sposób cylinder napełniany jest prawidłowo i ani kropla paliwa nie jest zmarnowana.
Prace nad dziesiątkami takich i im podobnych „drobiazgów” trwały prawie rok.

tlok zroznicowane srednice
Rys. 3  Tłok o zróżnicowanych średnicach

1a     Górne części cylindrów
1b    Dolne części cylindrów
5a, 6a    Górne części tłoków
5b    Dolne części tłoków
9, 10.    Suwaki
19.    Zawór ssący
34.    Pierścień uszczelniający
35.    Pierścień zgarniający
47.    Tuleja uszczelniacza
48.    Komora wstępnego sprężania
49.    Komora korbowa
50.    Komora spalania
51.    Obudowa silnika
52.    Zawór kanału dolotowego
53.    Kanał dolotowy
59.    Kanał ssący
61.    Dystans wewnątrztłokowy
63.    Obsada tulei
69.    Pierścień uszczelniający
74.    Tuleja prowadząca
76.    Korpus pierścieni

 

W efekcie powstało pięć wariantów silnika, z których jeden ma nawet „autodoładowanie”. Rozwiązanie to polega na zastosowaniu tłoka o dwóch różnych średnicach. To, teoretycznie znane od lat, rozwiązanie nigdy nie doczekało się realizacji, ponieważ aż do teraz nie rozwiązano całej reszty towarzyszących mu drobnych problemów. To jest bardzo proste rozwiązanie. Część tłoka o większej średnicy spręża powietrze, które następnie przepompowuje nad „roboczą” część innego tłoka, o mniejszej średnicy. Przy zastosowaniu takiego rozwiązania otrzymujemy samoistne doładowanie silnika, gdzie wielkość doładowania zależy od różnicy średnic obu części tłoka.