Dwusuwowy silnik spalinowy nowej generacji

Czy komukolwiek z nas nie marzył się mały, żywotny, dynamiczny, tani silnik, który dzięki naprawdę potężnej mocy i znacznemu momentowi obrotowemu dostarczałby ogromnej przyjemności z jazdy? Silnik, który nawet początkującemu kierowcy pozwalałby płynnie ruszać z nieprzyzwoicie wolnych obrotów, który podczas oczekiwania na zmianę świateł nie przepalałby setek litrów paliwa, a parkując przed domem nie pozostawiałby po sobie śladów w postaci czarnych kleksów? Czyż marzeniem monterów i serwisantów nie jest silnik o łatwym dostępie, pozbawiony pasków klinowych, łatwo dający się wyjmować ku górze, bez konieczności rozkręcania połowy samochodu? Taki silnik właśnie powstaje.

Jacek Majewski

Od lat prace konstrukcyjne ukierunkowane były na zwiększenie osiągów silników. Szły one w dwóch kierunkach. Pierwszy, to zwiększanie obrotów silnika. Zastosowano prostą logikę. Większa ilość suwów pracy w jednostce czasu, to większa moc. Wady, to walka z siłami bezwładności, wibracje, konieczność precyzyjnego wyważania, szybkie zużycie części, podwyższona temperatura i kłopoty z ciężarowym napełnianiem cylindrów, szczególnie w zakresie wysokich obrotów. Drugi kierunek polegał na zwiększaniu ciśnienia gazów w cylindrach, do czego najbardziej przyczyniły się tak popularne dziś sprężarki. Wady, to zwiększone koszty, zwiększone obciążenia mechaniczne wszystkich części ruchomych, kosztowny serwis, konieczność stosowania wyrafinowanych, drogich materiałów. Obie drogi, choć skuteczne, wymagały zwiększonej precyzji i powodowały drastyczny wzrost kosztów poszczególnych części. I tu rodzi się szereg pytań. Czy nie korzystniej byłoby zamiast zwiększania obrotów silnika zastosować większą ilość suwów pracy na jeden cykl? Czy nie korzystniej byłoby w miejsce masywnego, skomplikowanego wału korbowego, przenoszącego ogromne drgania i obciążenie skrętne, zastosować prosty, lekki wał, a obciążenia skrętne scedować na inny, równoległy do niego wał napędowy? Czy nie lepiej posiadać prostą, praktycznie pozbawioną kosztów i bezawaryjną sprężarkę w miejsce drogiej, awaryjnej i kapryśnej? Nie od dziś wiadomo, że silnik dwusuwowy potrafi wygenerować dwukrotnie wyższą moc i moment obrotowy, od silnika czterosuwowego. Kierunek znany jest więc od lat. Prace nad skonstruowaniem ekologicznie czystego, dwusuwowego silnika spalinowego trwają nieprzerwanie od ponad wieku. Niestety, najwyraźniej zadanie okazało się nad wyraz wredne, skoro na tym polu poległy nawet najtęższe umysły.

silnik dwusuwowy
Moment obrotowy dwusuwowego, czterocylindrowego silnika nowej generacji

moment obrotowy wspolczesnego silnika
Moment obrotowy współczesnego, czterosuwowego, czterocylindrowego silnika spalinowego

W zeszłym roku pisałem już na łamach „Projektowania i Konstrukcji Inżynierskich” o całej koncepcji mojego nowego silnika dwusuwowego. Od tamtego czasu, jako że prace nad jego konstrukcją są wciąż kontynuowane, wprowadziłem do niego sporo modyfikacji, toteż nowy silnik prezentuje się znacznie ciekawiej. I choć jest on na etapie prac projektowych to potencjał w nim zawarty nie powinien zostać niezauważony przez możnych tego świata, którzy decydują o kierunkach rozwoju motoryzacji. Zaprezentowanie tego silnika na szerszym forum nie jest jednak ani łatwe, ani proste. Mało kto jest skłonny uwierzyć, że gdzieś tam, na peryferiach Europy, ktoś mógł wymyślić cokolwiek interesującego. A jeśli pada hasło, że ktoś właśnie zaprojektował nowy silnik, to wiadomość taka natychmiast kwitowana jest śmiechem, którego pozazdrościć mógłby niejeden kabaret. Sam bym się uśmiał, gdyby któryś z kolegów opowiedział mi coś podobnego.
Proces patentowania jest czasochłonny. Posiadanie świadectw patentowych stanowi absolutną podstawę i staje się niejako przepustką do rozmów z przedstawicielami koncernów motoryzacyjnych. Dotychczasowe, nieśmiałe próby nawiązywania takich kontaktów, niestety nie przyniosły oczekiwanych rezultatów. Jest to może nawet i zrozumiałe, gdyż biura konstrukcyjne bombardowane są najróżniejszymi pomysłami, a ich szefowie przeważnie nie chcą sobie nimi zawracać głowy. Znakomita większość takich pomysłów, to księżycowe wizje „szalonych wynalazców”. Oczywiście zdarzają się też te bardziej wartościowe, godne uwagi, ale w obawie o groźbę późniejszych procesów, kar czy odszkodowań, firmy boją się korzystać z nieautoryzowanych lub nie wystarczająco udokumentowanych rozwiązań. Myślę, że po otrzymaniu właściwych dokumentów będzie można zintensyfikować proces publikacji i że czas na szerszą prezentację tego silnika pomału nadchodzi. Może nawet po zgromadzeniu odpowiednich funduszy uda się zbudować prototyp. Z doświadczenia wiem, że działający silnik, którego można dotknąć, posłuchać znacznie bardziej przemawia, niż nawet najładniej przedstawione projekty na papierze. Choć tak naprawdę, dziś już tylko interesujące i wiarygodne wyniki testów mogą przyciągnąć uwagę tych najbardziej zainteresowanych, czyli producentów. Być może i na to też przyjdzie czas.

Dwusuwowy silnik spalinowy nowej generacji

A oto charakterystyka dwusuwowego silnika nowej generacji, na obecnym etapie prac.

Cechy użytkowe

Silnik dwusuwowy na czyste paliwo, spełnia wszystkie normy ekologiczne.
Moc i moment obrotowy są dwu-trzykrotnie wyższe od osiągów współczesnych silników o tych samych parametrach (waga, pojemność, stopień sprężania, obroty, etc).
Małe gabaryty i wysoki współczynnik mocy do masy.
Sprawność w granicach 60% (współczesne silniki osiągają ok. 40%).
Ogromna dynamika i moment obrotowy nawet przy niskich obrotach.
Stabilna i „gładka” praca silnika w całym zakresie obrotów, poczynając już od 400 RPM.
Wolne obroty w granicach ok. 300 RPM (obecnie 900 RPM).
Niskie zużycie paliwa, szczególnie w cyklu miejskim.
Pomimo kilkukrotnie wyższej mocy i momentu obrotowego, obciążenia mechaniczne poszczególnych części nie wyższe od obciążeń części współczesnego silnika.
Możliwość braku obowiązku wymiany oleju silnikowego przez cały okres eksploatacji.
Możliwość znacznego zwiększenia żywotności wału korbowego i panewek dzięki rozdzieleniu systemów smarowania wału i pierścieni tłokowych oraz
używaniu czystego oleju silnikowego, pozbawionego produktów spalania i rozpuszczonego nagaru.
Znacznie wyższa żywotność cylindrów, tłoków i pierścieni, dzięki zlikwidowaniu nacisków bocznych tłoków na cylindry.
Możliwości zastosowania specjalnego oleju do smarowania jedynie pierścieni tłokowych (o podwyższonej zdolności rozpuszczania i wypłukiwania nagaru).
Brak pasków klinowych.
Brak kłopotliwych wycieków oleju z silnika, nawet przy uszkodzonych uszczelnieniach, dzięki wyeliminowaniu zmian ciśnienia w komorze korbowej i zastąpieniu ich podciśnieniem.
Łatwy serwis, dzięki wygodnemu dostępowi do urządzeń peryferyjnych (rozrusznik, alternator, pompa wspomagania i wody).
Prosta, tania, wygodna w użytkowaniu, bezawaryjna opcja doładowania silnika.

Fazy działania nowego silnika

Charakterystyka techniczna

Dwusuwowy, czterocylindrowy silnik na czyste paliwo, zbudowany na planie krzyża.
Znacznie wyższa moc i moment obrotowy wynika z dwukrotnie większej ilości suwów pracy w jednostce czasu.
Zwiększony moment obrotowy i wysoka równomierność pracy silnika wynikają również z zastosowania nowatorskiego wału korbowego, który umożliwia wzajemne nakładania się na siebie sił pochodzących ze spalania (dla współczesnych silników siły te działają pulsacyjnie, gdzie przerwy między nimi sięgają czasów ich działania).
Wyższa sprawność silnika wynikająca ze zmniejszenia oporów wewnętrznych, szczególnie braku nacisków bocznych tłoków na ścianki cylindrów, oraz z wydłużenia efektywnych czasów nacisku sił pochodzących ze spalania, na czopy wału korbowego.
Brak zwiększonych obciążeń mechanicznych poszczególnych części, przy znacznie wyższej mocy silnika, wynika z korzystnego rozłożenia sił pochodzących z dodatkowych suwów pracy w miejscach i w czasie, gdzie one dotąd nie występowały.

System smarowania pierścieni tłokowych

Wał korbowy

Lekki wał korbowy, o jedynie dwóch wykorbieniach, nie obciążony momentem skrętnym (moment skrętny przenoszony jest przez równolegle biegnący obok, wał napędowy).
Wydłużone, efektywne czasy nacisków sił pochodzących ze spalania, przekazywane na poszczególne czopy wału korbowego wynoszą 150-160° OWK (dla tradycyjnego wału korbowego wartość ta wynosi 100-110°).
Korbowody zastąpiono suwakami wykonującymi jedynie ruchy posuwisto-zwrotne.
Przy dwóch wykorbieniach wału korbowego zastosowano cztery, w pełni obciążone panewki korbowodowe (współczesne czterocylindrowe silniki, przy czterech wykorbieniach wału, mają po osiem panewek korbowodowych, z których tylko cztery są obciążone).
Wał smarowany jest olejem za pomocą tradycyjnej pompy olejowej.

Tłok i pierścienie

Płaskie, lekkie tłoki, pozbawione tradycyjnych bocznych płaszczy, nie wymagają korbowodów, ani sworzni.
Dzięki suwakom poruszającym się w tulejach, tłoki nie wymagają prowadzenia i nie wywierają nacisków bocznych na ścianki cylindrów.
Spodnie części tłoków chłodzone są zimnym powietrzem, każdorazowo zasysanym do komory wstępnego sprężania, a ich wnętrza chłodzone są olejem służącym do smarowania pierścieni.
Każdy z tłoków ma jeden pierścień smarujący, oraz dwa zestawy zgarniająco-uszczelniające. Pierścień smarujący znajduje się w środku, pomiędzy przeciwsobnie ustawionymi zestawami pierścieni zgarniających i uszczelniających.
Olej ciśnieniowo, w sposób kontrolowany, dawkowany jest do pierścieni smarujących, a jego nadmiar odprowadzany jest kanałami znajdującymi się wewnątrz tłoków i suwaków.
Nadmiar oleju odprowadzany jest do komory korbowej lub oddzielnego zbiornika w sposób wymuszony, za pomocą podciśnienia lub mechanizmu odśrodkowego.
Do smarowania pierścieni możliwe jest zastosowanie oddzielnego systemu.

System smarowania pierścieni tłokowych przy użyciu oddzielnego dozownika i oddzielnego zbiornika oleju

Układ dolotowy

Do komory wstępnego sprężania i kanału dolotowego cylindra zasysane jest czyste powietrze.
Komora spalania zlokalizowana nad tłokiem, współpracuje z komorą wstępnego sprężania, znajdującą się pod tłokiem sąsiedniego cylindra, położonego pod kątem 90°.
Obie te komory połączone są kanałem dolotowym, będącym jednocześnie zbiornikiem wstępnie sprężonego, nie wykorzystanego w poprzednim cyklu powietrza.
Przesunięcie w fazie pracy komór spalania i wstępnego sprężania o 90°, pozwala na doskonałe zgranie czasów, ilości i prędkości przemieszczanego powietrza, oraz sprawnej wymiany ładunku podczas dokonywania przez tłok dolnego zwrotu.
Komora spalania zasilana jest powietrzem wtłaczanym pod ciśnieniem przez tłok sąsiedniego cylindra. Strumień czystego powietrza wypycha resztki spalin, wentyluje komorę spalania i ładuje nową dawką czystego powietrza.
Po wstępnym załadowaniu cylindra i zamknięciu zaworu wydechowego, do nadal przemieszczającego się strumienia powietrza, zostaje wtryśnięte paliwo.
Po zakończeniu wtrysku, zawór dolotowy zostaje zamknięty. Ponieważ powietrze nadal jest pompowane, a zawór dolotowy zamknięty, nadwyżka powietrza zostaje zmagazynowana w kanale dolotowym.
Dla zapewnienia właściwego przepływu powietrza, zabezpieczenia przed jego cofnięciem, zneutralizowania zjawiska „szkodliwej pojemności komory wstępnego sprężania”, komora ta została zaopatrzona w dwa sterowane ciśnieniowo zawory (NC). Oba zawory przepuszczają powietrze tylko w kierunku komory spalania.

Doładowanie silnika z użyciem powiększonej komory wstępnego sprężania

Doładowanie

Prosta, niskokosztowa opcja doładowania silnika polega na zastosowaniu znacznie większej komory wstępnego sprężania od komory spalania. Osiągnięto to za pomocą prostej konstrukcji podwójnego tłoka o różnych średnicach.
Doładowanie działa w całym zakresie obrotów, startując już z wolnych obrotów (współcześnie, efekt doładowania pojawia się dopiero przy wyższych obrotach).
W przypadku nagłego zwiększenia obrotów, reakcja doładowania następuje natychmiast (bez czasowej zwłoki, jak to ma miejsce we współczesnych silnikach).
Konstrukcja nie jest wrażliwa na nagłe wyłączenie silnika przy szybkich obrotach (co obecnie często prowadzi do uszkodzenia łożysk turbosprężarki).
Brak konieczności oczekiwania na wychłodzenie turbosprężarki po jej intensywnej pracy (silnik można wyłączyć w każdej chwili, bez narażania sprężarki na nagły brak smarowania, lub przegrzanie).
Nie jest konieczne stosowania kosztownego intercoolera.
Rozwiązanie jest bezawaryjne i nie wymaga przestrzegania jakichkolwiek procedur.
Nie wymaga też dodatkowego napędu ani wyrafinowanego serwisu.

Podsumowanie
Z racji na płaski kształt silnika i prostopadłą do jego powierzchni oś obrotu, silnik doskonale nadaje się do zastosowania w samolotach, łodziach i motocyklach, a w szczególności w helikopterach, gdzie z racji na ogromną bezwładność śmigła, szczególnie cenną cechą jest gładka i pozbawiona szarpnięć praca silnika. Został on jednak zaprojektowany głównie z myślą o samochodach osobowych. Z uwagi na swój kształt, doskonale adaptuje się pod maską samochodu. Pionowa oś obrotu wymusza wertykalne przeniesienie napędu, przez sprzęgło, skrzynię biegów, aż do układu różnicowego, w którym następuje zmiana kierunku na poziomy. Płaski silnik z łatwym dostępem do wszystkich cylindrów, koło zębate w górnej części silnika z rozmieszczonymi wokół mechanizmami peryferyjnymi, łatwy montaż i serwis silnika, to dodatkowe zalety. Najważniejsze jednak cechy to małe gabaryty, wysoka moc i moment obrotowy. Bezawaryjny, tani i dynamiczny silnik, o ogromnej mocy i potężnym momencie obrotowym pojawiającym się już przy najniższych obrotach, jest chyba największym marzeniem każdego kierowcy. Dzisiejsze wolnossące silniki o poj. 2000 ccm osiągają moce rzędu 130-150 KM. Dwulitrowy silnik nowej generacji, o porównywalnych parametrach, mógłby bez problemu osiągać moce rzędu 300-450 KM, a z doładowaniem nawet 1000 KM. Ponieważ przeciętnemu użytkownikowi nie jest potrzebna aż tak ogromna moc, więc samochody z silnikami wolnossącymi o mocy 100-130 KM mogłyby mieć niezwykle małe, bardzo tanie i oszczędne silniki o pojemności zaledwie 350-500 ccm. W nadchodzącej erze samochodów hybrydowych, gdzie silnikowi spalinowemu przeznaczono jedynie rolę pomocniczą, jego małe gabaryty, niska waga i wysoka sprawność, nabierają szczególnego znaczenia. W samochodach przyszłości nie będzie już chyba miejsca na potężne jednostki o dużych gabarytach, więc przyszłość przed dwusuwowym silnikiem nowej generacji maluje się raczej w różowych barwach.
Jako że, jak wspomniałem, prace nad konstrukcją silnika trwają, mam nadzieję, że wkrótce będę mógł podzielić się z Państwem nowymi koncepcjami i udoskonaleniami, nad którymi teraz pracuję.

Jacek Majewski

artykuł pochodzi z wydania 7/8 (106/107) lipiec-sierpień 2016