Można śmiało powiedzieć, że w dziedzinie silników spalinowych nie wiele się dzieje. Wystarczy dokładnie przyjrzeć się większości stosowanych obecnie konstrukcji aby dojść do wniosku, że wywodzą się one wprost z konstrukcji sprzed co najmniej półwiecza.
Na konstrukcje współczesnych silników wpłynął głównie rozwój elektroniki. Dawne rozwiązania rozwinięto o wymyślne układy dolotowe, zmienne fazy rozrządu itd. Zasadnicze jednak mechaniczne części silnika nie przeszły żadnych nadzwyczajnych zmian. Mimo wyszukanych rozwiązań elektronicznych na niewiele wyższym poziomie w stosunku do lat minionych pozostała sprawność silnika benzynowego. Nieco większą ewolucję przeszły współczesne silniki o zapłonie samoczynnym, ale i w ich przypadku można było spodziewać się czegoś więcej. Szczególnie jeśli obserwuje się postęp w innych dziedzinach techniki. Takie mniej więcej refleksje nasuwają po lekturze materiałów na temat zupełnie nowej koncepcji silnika. Gun Engine wynaleziony przez Kanadyjczyka polskiego pochodzenia Kazimierza „Stana” Hołubowicza doczekał się nie tylko opracowania teoretycznego, lecz również działającego prototypu.
Kazimierz Hołubowicz jest fizykiem o specjalności elektromechanika kwantowa i z teorią silników spalinowych zetknął się niemal przez przypadek. Podczas rozmowy z synem nie mógł uwierzyć, że w praktyce sprawność większości silników spalinowych wynosi około 20%, aczkolwiek w teorii uznaje się wartości z przedziału od 25 do 40%. Jednakże nawet te najwyższe teoretyczne wartości uznał za śmiesznie niskie w urządzeniu, którego rozwój trwa grubo ponad sto lat. Doszedł do wniosku, że w urządzeniu o tak niskiej sprawności łatwo usunąć błędy i stworzyć silnik na miarę XXI stulecia. W praktyce okazało się to trochę bardziej skomplikowane i dopiero po ośmiu latach mógł wysłać wnioski do biur patentowych.
Silnik Hołubowicza ma wiele części wspólnych z tradycyjnymi silnikami, takich jak zawory, wał korbowy itd. Zasadniczą różnicą jest to, że wykorzystuje on eksplozje par mieszanki paliwowo-powietrznej, które nie zachodzą na powierzchni zasadniczego, przekazującego pracę tłoka, tylko na powierzchni tłoka dodatkowego, który pływa na czymś w rodzaju poduszki powietrznej. Spowalnia to wzrost ciśnienia działającego na tłok zasadniczy, co w efekcie pozwala na nawet dziewięćdziesięciokrotny – zdaniem konstruktora – wzrost wartości momentu obrotowego. W tej konstrukcji moment obrotowy nie zależy od ilości obrotów, co pozwala na rezygnację ze skrzyni biegów. Moc jest wprost proporcjonalna do ilości obrotów. Silnik nie wymaga regulowanego wyprzedzenia zapłonu.
Konstruktor wyeliminował najistotniejsze wady silników spalinowych, takie jak marnowanie ciepła przez układ chłodzenia i nie do końca jeszcze rozprężone spaliny. Wprowadził tzw. chłodzenie wewnętrzne, a ciśnienie spalin zbliżone jest do ciśnienia atmosferycznego.
Gun Engine, który po polsku nazwany został przez konstruktora Kanonierką, w czasie rozruchu pracuje w cyklu czterosuwowym. Po osiągnięciu odpowiedniej prędkości obrotowej samoczynnie przestawia się na dwunastotaktowy cykl pracy, pozwalający na niemal całkowitą przemianę energii paliwa w pracę. Cykl ten obejmuje:
- suw ssania, podczas którego komora spalania napełniana jest mieszanką paliwowo-powietrzną;
- suw sprężania, podczas którego wybuch mieszanki inicjowany jest ciepłem pojawiającym się przy jej sprężaniu;
- podstawowy suw pracy, podobny do silników tradycyjnych;
- do czterech dodatkowych suwów sprężania oraz cztery dodatkowe suwy pracy, podczas których wykorzystywana jest część energii marnowana w silnikach tradycyjnych.
W wynalazku zastąpiono tradycyjną głowicę oscylatorem harmonicznym sterowanym eksplozjami paliwa. Oscylator, czyli wyżej wspomniany dodatkowy tłok na poduszce powietrznej, sterowany jest eksplozjami paliwa i chroni tłok roboczy, eliminując nadmierne naprężenia w układzie korbowym. Chłodzenie wewnętrzne polega na wtrysku wody, dzięki któremu ciepło zachowane jest w powstającej parze i przetworzone na dodatkową pracę. Przetworzenie to daje czterokrotny wzrost sprawności i obniża zużycie paliwa, oraz emisję substancji szkodliwych o 80%. Ponadto woda uniemożliwia syntezę tlenków azotu. Warto przypomnieć, że chłodzenie wewnętrzne na podobnych zasadach stosowano przed laty m.in. w silnikach wyczynowych np. Lancia z bardzo dobrymi efektami. Zmiana regulaminów Federacji Samochodowej przerwała rozwój prac nad tym rozwiązaniem.
Konstruktor sprawdził założenia teoretyczne na przerobionym silniku Suzuki. Przeróbka zakupionego na złomowisku silnika polegała na:
- dodaniu urządzenia przeprowadzającego paliwo ciekłe w stan pary, mieszającego je w odpowiedniej proporcji z powietrzem;
- rezygnacji z chłodnicy na rzecz wtrysku wody;
- dodaniu elementów umożliwiających przemianę ciepła w dodatkową pracę;
- zastąpieniu dotychczasowego spalania spalaniem detonacyjnym– dodaniu urządzenia dopasowującego stopień sprężania do rodzaju paliwa.
W rezultacie najwyższe ciśnienie działa na tłok w chwili, gdy wał znajduje się w pozycji prostopadłej do osi cylindra.
W silniku przerobionym na Gun Engine ciśnienie wzrosło czternastokrotnie. Zmniejszono doprowadzaną ilość paliwa o 90%, a moc silnika wzrosła o 40%, co zaskoczyło nawet konstruktora, podobnie jak wyjątkowo cicha praca silnika. Temperatura spalin nie przekraczała 60 °C.
W trakcie testów wypróbowano wiele rodzajów paliw. Przerobiony silnik na każdym pracował bardzo dobrze, jednak najlepiej na wodorze i paliwach gazowych, które są bardziej podatne na samozapłon. Zastosowana w testach precyzyjna aparatura do pomiaru składu spalin nie wykryła śladów związków azotu i siarki, a głównie obecność wody i dwutlenku węgla.
Przeprowadzone testy pozwoliły na wyciągnięcie wniosków dotyczących ewentualnej produkcji seryjnej takiego silnika. Niska temperatura spalin i większości jego elementów pozwala na wykorzystanie do produkcji mas plastycznych formowanych metodą wtryskową. Pozwala to na znaczną obniżkę kosztów w porównaniu do silników tradycyjnych.
Kazimierz Hołubowicz prezentował swój wynalazek na wielu konferencjach i wystawach po obu stronach oceanu. Jak sam pisze, nie spotkał się z większym zainteresowaniem przemysłu samochodowego. Owszem, miał propozycję sprzedaży patentu wraz z wszelkim prawami, ale podejrzewał, że chodziło o schowanie rozwiązania do przepastnych archiwów koncernów, a nie o jego rozwój i doprowadzenie do produkcji seryjnej.
W tzw. międzyczasie skonstruował kolejny silnik, tyle że korzystający z tzw. energii rozproszonej. Urządzenie posiada wirnik, który jest jedynym elementem ruchomym. Hołubowicz nazwał swój nowy wynalazek Balerina i zapowiedział, że zacznie go rozwijać dopiero po sukcesie Kanonierki, czyli Gun Engine.
Na marginesie warto przypomnieć bardziej tradycyjny francuski silnik o zmiennym stopniu sprężania, opisywany na naszych łamach wcześniej. Prace nad nim trwają i przed rokiem samochód z jednostką MCE 5 stanął na starcie rajdu Lyon Charbonnieres. Za kierownicą zasiadł znany weteran Formuły 1 – Jacques Laffite. Kierowca nie krył zachwytów nad jednostką VCRi, która z pojemności 1,5 l generowała około 200 kW mocy i moment oscylujący wokół 500 Nm. Silnik ten dostosowuje stopień sprężania do warunków jazdy jedynie w sposób mechaniczny, nie stanowiąc tak przełomowego rozwiązania jak Gun Engine. Prace nad nim trwają i są dofinansowywane m.in. przez rząd Francji. Wynalazek Hołubowicza nadal czeka na zainteresowanie.
Ryszard Romanowski
źródło: gun-engine.pl
artykuł pochodzi z wydania 9 (84) wrzesień 2014
