16 grudnia 2017


Jak utrzymują ekolodzy, motoryzacja jest po przemyśle największym trucicielem atmosfery. Wynika to z lawinowego wzrostu zużycia paliw węglowodorowych i proporcjonalnego przyrostu toksycznych zanieczyszczeń w powietrzu. Likwidacji energochłonnego przemysłu nikt nie zaproponuje, jest to bowiem struktura zbyt znacząca i potężna, chętnie natomiast, dla spokoju sumienia, obciąży się kosztami przejścia na jakąś bardziej ekologiczną technologię miliard użytkowników samochodów. Są zbyt rozproszeni, by dać skuteczny odpór.

Zbigniew Staniec

Ostatnio problem nabrał nowego pędu po dynamicznym wejściu motoryzacji na zapóźnione dotychczas rynki krajów „wschodzących”, obejmujących w samych Chinach i Indiach 2/5 populacji. Ten stan rzeczy wywołuje częstokroć panikarskie reakcje ludzi uważających się za uprawnionych do wprowadzania swoich, autorskich sposobów „walki ze złem”. Nie zawsze przemyślanych, niestety.
Postulat pozarynkowych metod rugowania silników spalinowych z samochodów i złożenie silnika, jako ofiary, na ołtarzu całopalnym „naukowej religii”, jaką staje się hasłowo traktowana ekologia, wymusza na przemyśle silnikowym podejmowanie działań usprawniających silnik energetycznie, co czasem kończy się blamażem, jak w wypadku 40-krotnego przekroczenia norm NOx-ów w Volkswagenie.
Choć wymóg globalnego ograniczenia emisji szkodliwych substancji jest absolutnie słuszny, to metoda jego realizacji jest karkołomna. Zastosowanie energii elektrycznej czy wodoru do napędu samochodów jedynie zmienia miejsce ekspozycji tych zanieczyszczeń – z dróg do elektrowni lub wytwórni wodoru, nie zmniejszając emisji CO2. Bo większość prądu pochodzi z paliw.
Trzeba jednak przyznać, że na złą opinię silnik tłokowy zasłużył sobie z własnej winy, jest bowiem nieefektywny i paliwożerny. Wystarczy wspomnieć, że jego deklarowana sprawność, niewiele przekraczająca 30%, jest osiągalna jedynie w warunkach optymalnych i w zakresie obrotów maksymalnego momentu obrotowego, by docenić głębię problemu. Ponad 2/3 pary idzie w gwizdek!

wedrujaca komora spalania
Rys. 1    Porównanie efektów pracy silników - klasycznego i z „wks”

Są oczywiście „silniki” turbodoładowane, podnoszące sprawność w pobliże 50%, ale to już nie silniki tłokowe, lecz agregaty silnika tłokowego i co najmniej dwóch silników turbinowych pracujących na tym samym czynniku. No i ta obligatoryjna kataliza spalin w turbo-dieslach i ostatnio turbo-benzynach...
W następnych akapitach chciałbym wyjaśnić, jakie są przyczyny katastrofalnie niskiej sprawności silnika tłokowego oraz przedstawić, co już udało mi się zrobić, żeby tę sprawność zdecydowanie podnieść.

02 s
Rys. 2    Odległość między tłokami w punktach:
1 - GMP tłoka dolnego
2 - największego zbliżenia tłoków
3 - zatrzymania tłoka górnego

Obecny stan techniki
Tłokowy silnik spalinowy powstał jako twórcze przekształcenie tłokowego silnika parowego Jamesa Watta, poprzez wbudowanie komory spalania do cylindra silnika, oraz stworzenie systemów dostarczania paliwa do komory spalania i jego zapłonu. Skutkiem innowacji było uniknięcie olbrzymich strat energii w procesie tworzenia pary i jej dostarczania nad tłok. Na paradoks zakrawa jednak fakt, że silnik parowy wykorzystuje energię dostarczonego nad tłok ciśnienia w ponad 50%, o wiele skuteczniej więc niż wolnossący, a nawet turbodoładowany silnik spalinowy. Smutnym jest, że tej prostej konstatacji nie dostrzegły pokolenia silnikowców, bo zmusiła by ich ona do przemyślenia problemu.

Jeśli prześledzimy proces rozwoju i usprawniania silnika tłokowego od jego zaistnienia, to dostrzeżemy, że znaczących modyfikacji, a nawet zupełnie nowych rozwiązań doczekały jedynie tzw. układy peryferyjne, czyli realizujące rozrząd, dostarczanie paliwa, tworzenia mieszanki i jej zapłonu, podczas gdy podstawowy układ silnika, tzw. układ tłokowo-korbowy, pozostał niezmieniony od czasów silnika parowego, poza modyfikacjami obejmującymi postęp materiałowy i technologiczny. Po prostu – skamielina techniczna. I co gorsza, równie skamieniały jest opis funkcjonalno-sprawnościowy silnika tłokowego, gdzie przyjęto dogmat o wyłącznie termodynamicznej jego naturze, a wszelkie odstępstwa od antycznych wykładni, głęboko zakorzenionych w teorii i praktyce, tępi się bez umiarkowania.

03.rys
Rys. 3    Przebieg ruchu tłoka G dla różnych typów silników

Czynią to specjaliści branżowi, uczeni „silnikowcy”, którzy dziwnie nie dostrzegają, że maksymalna energia ciśnienia spalin w okolicach GMP działając na korbę o „zerowej długości” nie generuje ani odrobiny pracy momentu obrotowego na wyjściu, a w ok. 60-90° OWK na korbę o maksymalnej długości oddziałuje już zaledwie ok. 17-6 % ciśnienia maksymalnego, więc praca momentu jest również niewielka. Powoduje to, że energia ciśnienia zamienia się jedynie w jednej trzeciej w moment obrotowy, a w dwóch trzecich – w niszczące momenty gnące wału i elementów układu tłokowo-korbowego. Mianem „silnika cieplnego” można więc określić silnik idealny, jakim jest jego obieg teoretyczny, gdzie ciepło dostarczone do wypełniającego cylinder gazu doskonałego wykonuje pracę objętościową, przesuwając tłok.

04.rys
Rys. 4
a) Przebieg zmian objętości między tłokami w silniku z „WKS”
1 - ruch tłoka D; 2 - ruch tłoka G - odwzorowuje zmiany objętości silnika klasycznego; 3 - ruch tłoka G  - korekta (-) zmian objętości; 4 - ruch tłoka G -  korekta (+) zmian objętości
b) Uwidocznienie przebiegu zmian objętości na wykresie silnika klasycznego
1 - ruch tłoka D; 2 - położenie dna głowicy; 3 - zmiana ∆V przed GMP=PNZ; 4 - zmiana ∆V po GMP=PNZ

Gdy gaz ochłodzimy, tłok wróci do pozycji wyjściowej. W praktyce silnik ma układ tłokowo-korbowy, zamieniający ruch posuwisto-zwrotny tłoka na ruch obrotowy wału korbowego, oraz ustalający warunki zmian ciśnienia i temperatury w komorze spalania, umożliwiające prawidłowy przebieg przemiany. Uznanie parametru ciepła za jedyny wiążący jest już nie uproszczeniem, lecz uprostaczeniem w silniku, który dokonuje szeregu przekształceń energii na drodze od potencjalnej energii chemicznej, zawartej w paliwie, poprzez cieplną spalin, energię ciśnienia ogrzanych gazów, aż do zewnętrznej energii mechanicznej, w postaci pracy momentu obrotowego na wyjściu z silnika.

05 rys
Rys. 5    Schemat silnika i jego skrócony opis z jednego z patentów

Tłokowy silnik spalinowy, w którego każdym, zamocowanym w kadłubie cylindrze umieszczone są suwliwie i przeciwsobnie dwa tłoki: napędzający i napędzany.
Tłok napędzający (4) współpracuje z czopem korbowym wału korbowego (1) poprzez sworzeń tłokowy (6) i korbowód (7). Tłok napędzany (5) współpracuje z czopem głównym wału korbowego (1) poprzez mechanizm napędowy.
W skład mechanizmu napędowego wschodzą współpracujące odpowiednio: sworzeń tłokowy (16), tłokowód (15), dźwignia napędowa (12), cięgno (11), wahacz trójramienny (9) z rolkami (7) tocznymi, krzywki A (3) i B (6). wałki (1) i (5). koła zębate (2) i (4) oraz sworznie (8). (10) i (13) łączące elementy mechanizmu. Posiadająca aktualnie dodatni wznios krzywka wywiera nacisk na współpracującą z nią rolkę, powodując wychylenie ramion wahacza trojramiennego i ruch powiązanego z nim cięgna, podczas gdy druga rolka styka się z bieżnią krzywki o wzniosie aktualnie ujemnym.
Układ pozwala ograniczyć niedokładności w ruchu tłoka napędzanego do wartości niezbędnych luzów technologicznych.    (3 zastrzeżenia)

Obecny opis silnika usprawiedliwia tak niską, ok. 33% sprawność silnika rzekomymi stratami ciepła na wylocie, w sytuacji, gdy straty ciśnienia użytecznego są w tej fazie już nieznaczące. Gdy termodynamika i pneumatyka kłócą się w ocenie tego samego zjawiska fizycznego należy szukać przyczyn rozdźwięku w logicznych rozważaniach, a nie maskować je sloganami. Ja dostrzegłem tę przyczynę w ignorowaniu znaczenia układu tłokowo-korbowego w opisie energetycznym silnika. Co najdziwniejsze, o jego znaczeniu wiedzą ludzie techniki z innych jej dziedzin, wszyscy, poza „ortodoksyjnymi silnikowcami”. Bo przekładnię korbowodową stosuje się przecież w wielu dziedzinach techniki, np. w prasach korbowych i nożycach gilotynowych układ wykonuje pracę użyteczną jedynie w zakresie 5-15° OWK przed DMP, wykorzystując maksymalną siłę promieniową, a my, jeszcze jako małe dzieci, nauczyliśmy się metodą prób i błędów, że na klamkę i drzwi uchylne należy działać siłą styczną, a nie promieniową, by nie zostać uznanymi za skrajnie głupich odźwiernych. Każdy, kto pozytywnie zaliczył kurs podstawowy z fizyki potwierdzi, że gdyby przykładał siłę do ramienia korby w kołowrocie studni babuni, tak jak to jest w silniku, natoczyłby więcej potu niż naczerpał wody. Czyżby nauk silnikowych nie obowiązywały prawa fizyki, a nawet zdrowy rozsądek? Uważam, że obowiązują, więc podjąłem prace nad budową silnika pracującego według innych od dotychczasowych zasad i według innego obiegu energii, skoro obowiązujące obecnie obiegi nie dopuszczają ponoć proponowanych modyfikacji.

zdjecie silnika

Wyciągając wnioski z dokonanych ustaleń przystąpiłem do konstruowania silnika, w którym maksymalna siła gazowa działałaby na korzystnie wychyloną korbę, aby uzyskać najlepszy możliwy efekt energetyczny, zapewniając jednocześnie optymalne warunki do tworzenia mieszanki i jej prawidłowego spalania. Najpierw skonstruowałem silnik czterosuwowy, w którym tłok zbliżał się do głowicy, gdy ramię korby osiągało wychylenie 60° OWK, a kinematyka układu była efektem mojej wyłącznie inwencji.