Zbudowany w połowie XX stulecia silnik Wankla był niewątpliwie konstrukcją genialną. Jego zalety, takie jak kompaktowa budowa, niewielka ilość ruchomych części, wysoki współczynnik mocy do masy i wysokie wartości prędkości obrotowej przez lata inspirowały konstruktorów branży samochodowej, motocyklowej i lotniczej. Licencje na budowę tego typu silników nabyły takie marki jak Citroën, Curtiss-Wright, General Motors, Mazda, Mercedes-Benz, Norton, Porsche, Rolls-Royce, Suzuki i Toyota. Powstało wiele pojazdów i statków powietrznych napędzanych silnikiem Wankla. Jednak cały szereg wad konstrukcyjnych i problemów technologicznych skutecznie zniechęcił producentów do dalszego rozwoju napędów z silnikiem Wankla. Coraz bardziej rygorystyczne normy emisji spalin przyczyniły się do wycofania z produkcji ostatniego auta napędzanego wankielkiem, jak pieszczotliwie wyrażają się o nim miłośnicy Mazdy RX-8. Idea silnika rotacyjnego tego typu nie została jednak zupełnie zapomniana.
Wśród wielu przedsięwzięć, stawiających sobie za cel rozwój i produkcję nowej generacji zoptymalizowanych silników rotacyjnych (vide: Współczesne silniki Wankla w wrześniowym wydaniu Projektowania i Konstrukcji Inżynierskich z 2018 roku), rosnące zainteresowanie wzbudza firma Liquid Piston z Bloomfield w stanie Connecticut. Liquid Piston od 18 lat rozwija własną konstrukcję silnika określanego jako inside-out Wankel, a więc Wankla odwróconego na lewą stronę. W praktyce oznacza to, że podczas gdy silnik Wankla ma owalny korpus z wirującym wewnątrz tłokiem o kształcie zbliżonym do trójkąta, silnik Liquid Piston ma korpus o kształcie zbliżonym do trójkąta, z wirującym wewnątrz tłokiem o wydłużonym, owalnym kształcie. Za taką prostą charakterystyką kryje się jednak cały zbiór założeń konstrukcyjnych, które stanowią o wyjątkowości tego projektu.
Porównanie z silnikiem Wankla
W zamyśle konstruktorów Liquid Piston było opracowanie napędu o zaletach silnika Wankla, a zarazem pozbawionego mankamentów typowych dla tego rodzaju jednostek napędowych. Tak więc podobnie jak silnik Wankla, silnik Liquid Piston składa się z dwóch ruchomych elementów – rotora i oscylującego wału. W odróżnieniu od płaskiej i wąskiej komory spalania silnika Wankla, charakteryzującej się niekorzystnym stosunkiem powierzchni do objętości, który sprzyja studzeniu mieszanki paliwowej i utracie efektywności, zastosowanie owalnego rotora w trójkątnej obudowie silnika Liquid Piston pozwala uzyskać niemal sferyczny kształt stacjonarnej komory spalania, co przekłada się na optymalny stosunek powierzchni do objętości, zwiększając efektywność spalania i poprawiając bilans cieplny silnika.
Jednym z problemów konstrukcyjnych silnika Wankla jest konieczność uszczelnienia komory spalania za pomocą uszczelek umiejscowionych na wierzchołkach rotora, poddanych wpływom siły odśrodkowej i rozszerzalności termicznej, a przez to wymagających smarowania i/lub chłodzenia olejem, który trafia do mieszanki paliwowej, co przekłada się na zwiększone zużycie oleju i emisję spalin. W silniku Liquid Piston uszczelnienia umieszczono w stacjonarnym korpusie, co wyeliminowało wpływ siły odśrodkowej oraz inne trudności z smarowaniem/chłodzeniem uszczelek, a w konsekwencji przełożyło się na zużycie oleju porównywalne z czterosuwowym silnikiem tłokowym. Żywotność uszczelnień wzrosła dzięki wyeliminowaniu kontaktu uszczelek z otworami świec zapłonowych.
Porównanie z silnikami tłokowymi
Silnik Liquid Piston, dzięki swej kompaktowej budowie jest znacznie mniejszy i lżejszy od silników tłokowych o podobnej mocy, osiągając stosunek mocy do masy rzędu 4:1 (KM/kg). Ograniczenie liczby komponentów ruchomych do zaledwie dwóch, optymalnie wyważonych części – rotora i wału, pozwala niemal zupełnie wyeliminować wibracje silnika. Z kolei spalanie mieszanki w stacjonarnej komorze spalania w warunkach przedłużonej ekspansji skutecznie wycisza silnik i eliminuje potrzebę stosowania tłumika wydechu. Silnik Liquid Piston może pracować na benzynie, oleju napędowym, LPG czy na paliwie lotniczym JP-8. W porównaniu do silników benzynowych cechuje się 20% mniejszym zużyciem paliwa. W porównaniu do tłokowych silników wysokoprężnych spalanie jest mniejsze nawet o połowę. Konstrukcja silnika Liquid Piston jest skalowalna i pozwala na budowę pełnowartościowych jednostek o mocy od 1 do 1 tys. KM. Wyższa efektywność w porównaniu do silników tłokowych jest szczególnie widoczna w przypadku małych, jednocylindrowych jednostek. Wynika to z prostego faktu, że w silniku czterosuwowym podczas pojedynczego cyklu tłok czterokrotnie zatrzymuje się, by rozpocząć ruch powrotny. W silniku rotacyjnym tłok w postaci rotora cały czas znajduje się w ruchu, a poszczególne fazy cyklu zmieniają się płynnie.
Cykl pracy silnika
Zasadniczym założeniem przyświecającym konstruktorom Liquid Piston było przekonanie o konieczności odejścia od stosowanych w silnikach spalinowych dotychczasowych koncepcji obiegów termodynamicznych, z których wszystkie są w gruncie rzeczy dziewiętnastowieczne. Za cel postawiono sobie eliminację słabych stron aktualnych cykli pracy silników, jednocześnie łącząc ich podstawowe zalety. Tak więc projektowany silnik Liquid Piston od początku miał spełniać następujące założenia:
- wysoki stopień sprężenia powietrza (jak w cyklu Diesla);
- wtrysk, mieszanie i spalanie przebiega w warunkach prawie izochorycznych (stałej objętości – jak w idealnym cyklu Otta);
- stopień ekspansji większy niż stopień kompresji (przedłużona ekspansja – jak w cyklu Atkinsona).
Dzięki połączeniu zalet różnych obiegów termodynamicznych, na podstawie modeli teoretycznych, silnik Liquid Piston może osiągać 30% wyższą sprawność od porównywalnych jednostek pracujących w cyklu Otta czy Diesla. Opracowany cykl pracy silnika jest więc wysoko efektywny i w pewnym sensie hybrydowy – stąd też nazwa HEHC (High Efficiency Hybrid Cycle).
Oprócz tych niewątpliwych zalet, w obiegu HEHC jest też pole do dalej idących modyfikacji. W silniku Liquid Piston istnieje możliwość pomijania cykli w przypadku kiedy mniejsze znaczenie ma uzyskiwana moc, a większe – oszczędność paliwa i redukcja strat ciepła. Pomijanie kolejnych komór pozwala także na studzenie silnika podczas pracy i zwiększenie jago żywotności. Jeszcze ciekawiej prezentuje się postulat selektywnego wtrysku wody zamiast paliwa do komór rozgrzanego silnika. W takim wariancie woda służyłaby studzeniu podzespołów, a jednocześnie, zamieniając się w parę, w pewnym stopniu pozwalałaby utrzymać efektywność pracy silnika. Cykl HEHC można przystosować także do spalania wodoru.
Perspektywy rozwoju silnika Liquid Piston
Konstrukcja silnika Liquid Piston umożliwia budowę jednostek napędowych tego typu na potrzeby różnego rodzaju zastosowań, pracujących na różnych paliwach, począwszy od miniaturowych silników na paliwo lotnicze stanowiących element hybrydowego układu napędowego dronów, przez kompaktowe i ekonomiczne jednostki na olej napędowy wykorzystywane w przenośnych generatorach prądu, po większe silniki o dużej mocy, służące do napędu pojazdów mechanicznych.
Możliwościami silników tego typu interesuje się amerykańska armia i siły powietrzne. Przeprowadzone zostały między innymi próby drona zwiadowczego, z napędem hybrydowym w konfiguracji równoległej, z wykorzystaniem silnika Liquid Piston X-Mini o pojemności 70 cm3 z zapłonem iskrowym. Docelowo X-Mini ma generować moc ponad 5 KM przy 15,000 RPM i masie własnej rzędu 1,36 kg. Biorąc pod uwagę fakt, że gęstość energii w paliwie może być nawet kilkadziesiąt razy wyższa od gęstości energii zmagazynowanej we współczesnych akumulatorach, lekki silnik tego typu możne znacznie przyczynić się do wzrostu możliwości małych bezzałogowych statków powietrznych.
Z kolei amerykańska armia jest zainteresowana możliwością wykorzystania silnika w polowych generatorach prądu. Opracowany dla wojska prototypowy egzemplarz CAPS (Compact Artillery Power System), wykorzystujący silnik Liquid Piston X-Engine, został przetestowany jako generator prądu dla cyfrowego systemu kontroli ognia haubicy M777. W porównaniu do obecnie stosowanych generatorów, CAPS jest o 80% lżejszy, o 70% mniejszy i nawet o 30% bardziej efektywny. W zestawie z litowo-jonową baterią standardu NATO typu 6T, po godzinnym ładowaniu, CAPS pozwala uzyskać do 5 godzin cichej pracy akumulatorowej.
Jak dotąd, zespół Liquid Piston uzyskał ok. 60 patentów na rozwiązania z zakresu budowy silników rotacyjnych i działania cyklu HEHC, a obecnie koncentruje się na pracach badawczo-rozwojowych powiązanych z przemysłem obronnym. Po osiągnięciu odpowiedniego poziomu rozwoju, firma zamierza wkroczyć na rynek komercyjny, oferując swoje rozwiązania producentom narzędzi, skuterów, dronów itp. Dopiero w następnej kolejności przyjdzie pora na przemysł motoryzacyjny. Jak wyjaśnia dr Alexander Schkolnik, prezes Liquid Piston, który założył firmę razem ze swoim ojcem, małemu przedsiębiorstwu trudno konkurować z koncernami samochodowymi, które przeznaczają setki milionów dolarów na prace badawczo-rozwojowe nad nowymi silnikami. Niemniej, zdaniem Schkolnika, w perspektywie długoterminowej silniki Liquid Piston niewątpliwie sprawdzą się w zastosowaniach automotive, zarówno jako główne źródło napędu, jak i jako tzw. range-extender w autach hybrydowych.
Dzięki unikalnej budowie i specjalnie opracowanemu cyklowi pracy, silniki Liquid Piston będzie można w pewnym momencie przystosować również do spalania wodoru jako paliwa. Kto wie, być może jest to droga, która pozwoli Liquid Piston przetrwać narastającą modę na elektromobilność…
Jacek Zbierski
Bibliografia:
A. Shkolnik, N. Shkolnik, M. Nickerson et al., Compact, lightweight, high efficiency rotary engine for generator, APU, and range-extended electric vehicles, 2018 NDIA Ground Vehicle Systems Engineering and Technology Symposium, Aug 7-9, 2018, Novi, MI
liquidpiston.com
Artykuł pochodzi z wydania 5/6 (164/165) Maj/Czerwiec 2021
