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).
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.
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.
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.
Wszystkie opracowane wersje silników są smarowane centralną pompą olejową. Są ekologicznie czyste, o ponad dwukrotnie wyższych osiągach, tańsze, mniejsze, o dużym momencie obrotowym już przy niskich obrotach, o sprawności znacznie powyżej 60%, co przekłada się na niskie zużycie paliwa. To silniki, w których raz zalany olej do skrzyni korbowej, z racji na brak kontaktu z produktami spalania, nie podlega wymianie przez cały okres użytkowania silnika, a którego wolne obroty są w granicach 100- 200 RPM; silniki, których zwielokrotniona moc nie powoduje zwiększenia obciążenia poszczególnych jego części. Są to silniki o niskich oporach wewnętrznych, a więc dużej żywotności. Wersja z doładowaniem nie tylko nie wymaga stosowania drogiej i często awaryjnej turbosprężarki, ale koszt realizacji takiego doładowania jest praktycznie zerowy. To darmowe doładowanie pozbawione jest też wad współczesnych turbosprężarek, takich jak bezwładność czasowa, ryzyko uszkodzenia przy spadających obrotach silnika, czy ich start dopiero po przekroczeniu określonego progu obrotów. Ta swoista autosprężarka „rusza” bez żadnej zwłoki czasowej już z wolnych obrotów, a jej moc rośnie wraz ze wzrostem mocy silnika. Nie wymaga stosowania intercooler’a, dodatkowego smarowania, czy częstego serwisu.
Rys. 4 Widok wału korbowego silnika czterocylindrowego
Kiedy powstał pierwszy, jeszcze nie dopracowany, silnik z zaworem w tłoku, postanowiłem go opatentować. Nie miałem pojęcia jak to zrobić. Udałem się na politechnikę, do biblioteki, żeby sprawdzić, czy to, co wymyśliłem na pewno jest nowością. Okazało się, że politechnika jest zbiorem archiwaliów i skansenem techniki. Żadnych nowości. Książki z epoki kamienia łupanego. Niczego tam nie znalazłem. Zacząłem szukać w internecie, ale i tam zarys wiedzy nie był imponujący. Zgłosiłem więc cały silnik do opatentowania. Opisałem rozwiązania i sformułowałem zastrzeżenia. To był błąd, ponieważ silnik zawierał zbyt dużo różnych rozwiązań, a zgłoszenie patentowe powinno dotyczyć tylko jednego, konkretnego rozwiązania. Zrezygnowałem z większości z nich, a resztę ograniczyłem do dwóch zgłoszeń. Potem dorzuciłem jeszcze dwa, więc razem zgłosiłem cztery wnioski krajowe. Dwa z nich zgłosiłem jako międzynarodowe, a dwa czekają jeszcze na swoją kolejkę. O ile koszty zgłoszenia wniosku w Polsce są niskie, o tyle zgłoszenie międzynarodowe, przy wszystkich zniżkach jednostkowo oscylują w granicach 10.000 zł. Tu powstaje dylemat. Skąd przeciętny polski zjadacz chleba, ma wziąć 10.000 zł, a na zgłoszenie dwóch wniosków, aż 20.000 zł? W mediach tyle się mówi na temat innowacyjnej gospodarki, że państwo stawia na innowacje, że pomaga, że to jest przyszłość naszej gospodarki, itd. Pomyślałem więc, że mam dużo szczęścia, bo trafiłem na właściwy moment i mogę liczyć na szeroką pomoc państwa. Zacząłem szukać w urzędach, instytucjach, parkach naukowo-technologicznych itp., itd. Wszędzie napotykałem na miłe panie, ładne słówka, poklepywanie po ramieniu, ale... nigdzie nie uzyskałem żadnej pomocy!!! Żadnego wsparcia, dobrej rady, czy pomocy finansowej. Zostałem sam ze swoimi wynalazkami. Z przeróżnych zakamarków i zaskórniaków wyskrobałem w końcu dwadzieścia tysięcy i wpłaciłem na dwa pierwsze wnioski. Zastanawiałem się przy tym, dlaczego takie zupełnie abstrakcyjne, ale za to oficjalne, politechniczne projekty, jak np. łazik marsjański, dostają gigantyczne dofinansowanie, a projekt użytkowego silnika, który być może zmieni oblicze motoryzacji – nie? Dlaczego indywidualny wynalazca nie ma do kogo się zwrócić o dofinansowanie zagranicznego zgłoszenia patentowego? Dlaczego aby zbudować prototyp i przebadać go, wynalazca musi sam zainwestować, potem zgłosić się do instytutu, bo tylko w takim przypadku państwo zapłaci instytutowi za usługę? Po co tyle mówić na temat wspierania innowacyjnej gospodarki, skoro dla wynalazcy nie przewidziano żadnej, ale to żadnej pomocy? Kiedy oglądam programy telewizyjne, w których między wysokimi oficjelami toczy się dyskusja, co zrobić, żeby pobudzić innowacyjność, żeby Polacy wreszcie zaczęli zgłaszać więcej wniosków patentowych, to mam gotową odpowiedź. Trzeba stworzyć program pomocy finansowej wynalazcom, szczególnie tym indywidualnym, którzy nie mają „dojść”, czy znajomych w kręgach decyzyjnych. Koszty zgłoszeń patentowych za granicą przerastają możliwości przeciętnych Polaków. Bez systemowych rozwiązań tej kwestii nic się nie zmieni. Polacy to wyjątkowo dociekliwy i zdolny naród, ale niestety pozbawiony możliwości. Polska to piękny kraj, ale niestety kraj braku szans, gdzie nikomu nic się nie opłaca i nikomu się nie pomaga.
Rys. 5 Wał korbowy silnika czterocylindrowego
5. 6. 7. 8. Tłoki
9.10. Suwaki
13. Walec obrotowy
14. Wał korbowy
15. Koło zębate walca obrotowego
16. Koło zębate wałka
17. Wałek
29. Krzywka zaworu dolotowego
30. Krzywka zaworu wydechowego
71. Pierścień środkowy wału
72. Pierścień zewnętrzny wału
Ale za to odbywają się niekończące dyskusje, co zrobić? Niestety, dyskusje sobie, a życie sobie. Zaczynam się zastanawiać nad sensem zgłaszania pozostałych dwóch moich wniosków, gdyż czeka mnie wydatek następnych dwudziestu tysięcy, których po prostu nie mam. Wszyscy, którym pokazałem kompletne opracowanie moich silników namawiają mnie do zbudowania prototypu. Tylko ja pytam, po co? Opracowanie jest na tyle czytelne, że fachowiec od silników od razu potrafi ocenić jego wartość, nawet bez badania prototypu. Wszystkie wersje silników zbudowane są na bazie istniejących części, a stworzenie profesjonalnego prototypu pochłonęłoby niebotyczne nakłady finansowe. Samo opracowanie mapy wtrysku wymagałoby mrówczej pracy i mnóstwa prób. Jak mam to w Polsce zrobić, skoro nie stać mnie nawet na pokrycie kosztów zgłoszenia, a żadna z instytucji nie jest tym nawet zainteresowana? Mój kolega zaproponował, aby otworzyć firmę w Londynie, która zajmie się zdobywaniem funduszy na zbudowanie prototypu. Ja, naiwny polski patriota, zaraz zapytałem, dlaczego w Londynie, a nie tu, w Polsce? Z kilku powodów. Tamtejszy fiskus jest o wiele bardziej łaskawy, czytaj: tańszy. Po pierwsze, nie zniszczy mnie zanim na moje konto wpłynie pierwszy funt, a po drugie, tam jest zupełnie inny klimat inwestycyjny. Tam jest znacznie łatwiej znaleźć potencjalnych zainteresowanych.
Jak na razie jestem trochę romantykiem, trochę ryzykantem, gdyż na ewentualne profity z tytułu ewentualnej odsprzedaży praw patentowych nie mogę liczyć wcześniej, jak przed upływem ośmiu lat. Ale mimo wszystko, zachęcam do pracy, szczególnie młodych wynalazców, gdyż przygoda z techniką, tworzenie nowych rozwiązań działa pobudzająco, jak mało co. Osiągnięcie intelektualnego sukcesu daje mnóstwo zadowolenia i satysfakcji, a nadzieja, że kiedyś sukces ten może przerodzić się w medialny, czy finansowy powinna być dodatkowym dopingiem do działania. Zawsze przecież można mieć nadzieję, że i u nas, kiedyś, zapanuje normalność, że kiedyś będzie nas stać na zgłaszanie międzynarodowych wniosków patentowych, że polskie władze w końcu stworzą autentyczny klimat dla innowacyjności, że młodzi wynalazcy nie będą musieli wyjeżdżać do Londynu i że to Polacy będą siłą napędową nowoczesnej gospodarki.
Polacy to bardzo zdolny naród. Wystarczy im dać szansę, a dokonają prawdziwych cudów.
Jacek Majewski
artykuł pochodzi z wydania 3 (90) marzec 2015
