Silnik spalinowy podwójny dwusuwowy

Dwusuwowy silnik spalinowy z zapłonem iskrowym jest rozwiązaniem silnika dwusuwowego z dmuchawą przepłukującąw postaci wielocylindrowej sprężarki tłokowej o ilości cylindrów równej ilości cylindrów roboczych i objętościach skokowych tych cylindrów równych lub też większych od objętości cylindrów roboczych, sprężarka tłokowa ma charakter drugiego, równoległego rzędu cylindrów, z których każdy płucze odpowiedni równoległy cylinder roboczy.
Ruchy posuwisto-zwrotne tłoków roboczych i płuczących są realizowane poprzez klasyczny mechanizm korbowy, w którym posuwisto-zwrotne ruchy tłoków za pośrednictwem korbowodów zamieniane są na ruchy obrotowe wałów, przy czym tłokom cylindrów roboczych przydzielony jest wał roboczy, natomiast tłokom kompresora przydzielony jest wał kompresyjny, a praca obydwu wałów zsynchronizowana jest poprzez zastosowanie przekładni zębatej składających się z dwóch par kół zębatych o wyzębieniach skośnych, a pary tych kół osadzone są współosiowo na poszczególnym wale w komorze korbowej pomiędzy kołem zamachowym a częścią korbową wałów.
W dwusuwowy silniku spalinowym z zapłonem iskrowym, zastosowano przepłukiwanie poprzeczne cylindra, w którym okna dolotowe i wylotowe są rozmieszczone po przeciwnych stronach osi cylindra. Przepłukiwanie to charakteryzuje się dużą wydajnością, którą uzyskano poprzez ukształtowanie korony tłoka w taki sposób, iż po stronie okien dolotowych wydzielone zostało wgłębienie o przekroju eliptycznym lub też okrągłym, przy czym górna część tego wgłębienia tworzy nosek zadarty w kierunku okien dolotowych, dzięki czemu wypadkowa strumienia przetłaczanych gazów skierowana jest ku górze cylindra. Pozostała część korony tłoka, tworzy płaską lub też delikatnie wklęsłą powierzchnie z wydzielonym na tej powierzchni sferycznym wgłębieniem, przy czym wgłębienie to może być o przekroju okrągłym lub też eliptycznym usytuowanym wzdłuż lub też w poprzek tłoka.


Przykłady obrazujące usytuowanie okien dolotowych i wylotowych, oraz tłok z uwidocznieniem zarysu jego wgłębienia od strony okien dolotowych,
oraz różnego rodzaju wgłębienia sferyczne wydzielone na powierzchni tłoka.
Możliwe jest zmniejszenie zadarcia noska wgłębienia tłoka, poprzez pochylenie kanału płuczącego i okien dolotowych tak aby strumień świeżego powietrza ukierunkowany został pod kątem nacierając w większym stopniu na wgłębienie tłoka, dzięki czemu odbite od tłoka gazy kierują się ku górze cylindra.
W dwusuwowym silniku spalinowym z zapłonem iskrowym, głowica została ukształtowana w taki sposób, aby część głowicy znajdująca się ponad płaską-wklęsłą powierzchnią tłoka z wydzielonym sferycznym wgłębieniem, przy GMP tłoka, tworzyła komorę spalania o obłym kształcie co pozwala zachować wirowy ruch powietrza uzyskany podczas przepłukiwania cylindra, przy czym ponad sferycznym wgłębieniem wydzielonym w tłoku, możliwe jest stosowanie sferycznego wgłębienia wydzielonego w głowicy o takim samym kształcie jak wgłębienie w tłoku. Część głowicy znajdująca się ponad wgłębieniem wydzielonym w koronie tłoka od strony okien dolotowych, została wytyczona tak aby wraz z wgłębieniem tłoka przy GMP tego tłoka, tworzyć pół-eliptyczną komorę spalania, przy czym spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej w tej komorze ma miejsce podczas znacznych obciążeń silnika. Obie komory spalania są ze sobą połączone tak, aby przy GMP tłoka zapewnić swobodny przepływ gazów, jak również zapewnić swobodne rozprzestrzenianie się czoła płomienia podczas spalania mieszanki paliwowo-powietrznej.
W wydzielonych otworach w głowicy, umieszczona została świeca zapłonowa oraz wtryskiwacz, przy czym świeca zapłonowa została umieszczona w miejscu, w okolicy którego zbiera się porcja mieszanki paliwowo-powietrznej przy niskich obciążeniach silnika, natomiast wtryskiwacz został umieszczony w takim miejscu i pod takim kątem, aby podczas nisko obciążeniowego trybu pracy kiedy to wtrysk paliwa następuje w najpóźniejszej fazie suwu sprężania, strumień paliwa został skierowany w tą część sferycznego wgłębienia tłoka, która znajduje się po stronie okien wylotowych.


Rysunki obrazujące wtrysk paliwa przy dużym obciążeniu silnika,
oraz wtrysk paliwa przy małym obciążeniu silnika.
Praca w dwusuwowym silniku spalinowym z zapłonem iskrowym przebiega w ten sposób, iż dolot świeżego powietrza do cylindra odbywa się przy maksymalnie otwartej przepustnicy zarówno przy niskich jak i wysokich obciążeniach silnika jak również na przestrzeni całego zakresu prędkości obrotowych podobnie jak ma to miejsce w silnikach z zapłonem samoczynnym. Wielkość obciążeń silnika regulowana jest ilością wtryskiwanego paliwa, przy czym przy niskich obciążeniach silnika wtrysk paliwa następuje pod koniec suwu sprężania, a strumień paliwa skierowany w sferyczne wgłębienie tłoka wraz z wirującym powietrzem kierowany jest w okolice świecy zapłonowej. W ten sposób tworzona jest miejscowo mieszanka paliwowo-powietrzna na tyle bogata aby zapalić się od iskry elektrycznej przeskakującej na stykach świecy zapłonowej. Wraz ze wzrostem obciążeń silnika a co za tym idzie wzrostem ilości wtryskiwanego paliwa, inicjacja wtrysku następuje wcześniej a przy maksymalnym obciążeniu silnika wtrysk paliwa rozpoczyna się w początkowej fazie suwu sprężania, na taką chwilę przed zamknięciem okien wylotowych, która uniemożliwia utratę paliwa mogącego wydostawać się oknem wylotowym wraz ze spalinami czy też powietrzem płuczącym.


Rysunek przedstawiający zawirowania powstające w cylindrze podczas jego przepłukiwania.
Najkorzystniejsze przepłukiwanie cylindra, uzyskuje się przy zastosowaniu sprężarki tłokowej o pojemności skokowej o 30-40% większej od pojemności skokowej cylindrów roboczych. Przeprowadzone doświadczenie na modelu odzwierciedlającym kształt cylindra i denka tłoka wykazały, iż przy przetłoczeniu powietrza o ilości odpowiadającej pojemności skokowej cylindra, pozostaje w cylindrze 75-80% świeżego powietrza i około 20-25% spalin. Tak więc przy zastosowaniu kompresora o pojemności skokowej o 30-40% większej od pojemności skokowej cylindrów roboczych, można oczekiwać, iż po fazie przepłukiwania w cylindrze znajdować się będzie 10-15% spalin i około 85-90% świeżego powietrza.
Stosując sprężarkę tłokową możliwe jest doładowanie silnika, przy czym aby uzyskać efekt doładowania przy zastosowaniu rozrządu symetrycznego, należy zastosować zawór regulujący wielkość przekroju kanału wylotowego, która to wielkość uzależniona jest od prędkości obrotowej silnika, i tak przy niskiej prędkości obrotowej zawór przyjmuje pozycję, przy której wielkość przekroju kanału wylotowego jest mała, natomiast wraz ze wzrostem prędkości obrotowej, zawór zmienia swoją pozycję zwiększając przekrój kanału wylotowego.
Stosując sprężarkę tłokową usytuowaną blisko cylindrów roboczych, uzyskuje się skrócenie kanału płuczącego, dzięki czemu podnosi się efektywność przetłaczania świeżego powietrza co z kolei owocuje tym, iż rodzaj zastosowanego układu wydechowego nie ma tak znaczącego wpływu na charakter pracy silnika, co też pozwala na zastosowanie katalizatora oraz systemu tłumików wygłuszających pracę silnika.
Ze względu na charakterystykę obiegu gazowego w dwusuwowym silniku spalinowym z zapłonem iskrowym, oraz w związku z możliwością doładowania tego silnika, stopień sprężania zastosowany w tym silniku jest znacznie niższy a niżeli stopień sprężania w silniku czterosuwowym i tak waha się on w granicy 1:7 – 1:9, choć w szczególnych przypadkach może on wybiegać poza te granice.
W silniku według wynalazku celem skrócenia kanałów płuczących, proponuje się wariant silnika z pochyloną płaszczyzną osi cylindrów kompresyjnych względem płaszczyzny osi cylindrów roboczych. Celem uzyskania jednej wspólnej płaszczyzny płyty górnej dla obu rzędów cylindrów, jak również celem stworzenia układu chłodzenia jedynie w głowicy silnika, proponuje się zastosowanie w głowicy silnika specjalnych gniazd na tuleje cylindrów roboczych. To rozwiązanie wymusza konstruowanie urządzenia, w którym tuleje cylindrów roboczych osadzane są na zimno w gniazdach wydzielonych w głowicy, natomiast złożenie silnika przebiega w ten sposób, iż przed zespoleniem głowicy z kadłubem silnika wsuwa się tłoki wraz z korbowodami do wnętrza cylindrów roboczych osadzonych na stałe w głowicy, a po zespoleniu głowicy z kadłubem łączy się stopy korbowodów z wykorbieniami wału korbowego.
W związku z tym, iż głowica silnika będzie się nagrzewała w większym stopniu a niżeli kadłub, należy celem zachowania równomiernego rozszerzania liniowego obu elementów, zastosować uszczelkę pod głowicę z materiału dobrze przewodzącego ciepło, dlatego też proponuje się zastosowanie uszczelki miedzianej z wianuszkiem gumowym okalającym cylindry silnika. Należy w tym miejscu dodać, iż uszczelka pod głowicę w silniku według wynalazku jest elementem bezawaryjnym, czego nie można powiedzieć o uszczelkach stosowanych w obecnie produkowanych silnikach, w których w przypadku przegrzania silnika dochodzi do występowania przedmuchów obniżających ogólną sprawność silnika, jak również prowadzących do jego awarii.
W silniku według wynalazku zastosowano rozrząd rotacyjny sterujący dolotem świeżego powietrza do cylindra kompresyjnego. Rozrząd ten składa się z pustego w środku wałka, ułożyskowanego wzdłuż głowicy silnika, na którego jednym końcu osadzone jest współosiowo koło zębate przekładni synchronizujące pracę wałka z wałem silnika w stosunku obrotów 1:1, natomiast drugi jego koniec połączony jest z kolektorem dolotowym doprowadzającym świeże powietrze do wnętrza wałka, z którego wydzielonymi poszczególnym cylindrom oknami, świeże powietrze przedostaje się do wnętrza poszczególnych cylindrów w odpowiednich fazach pracy silnika. Ten rodzaj rozrządu można stosować w przypadku silnika jedno i dwu cylindrowego z odpowiednio jedno lub dwu cylindrową sprężarką. Natomiast w silniku o większej liczbie cylindrów należy zastosować rozwiązanie, w którym do każdego cylindra kompresyjnego doprowadzony jest osobny kanał dolotowy, natomiast odpowiednio ukształtowany wałek rozrządu spełnia rolę wirującej przesłony otwierającej i zamykającej poszczególne kanały dolotowe w odpowiednich fazach pracy silnika.

Rysunek przedstawiający rozrząd rotacyjny sterującego dolotem świeżegopowietrza do cylindra kompresyjnego, mogący mieć zastosowanie w warianciesilnika jedno i dwu tłokowego.
Porównując dwucylindrowy silnik według wynalazku o pojemności skokowej x do czterocylindrowego silnika czterosuwowego o pojemności skokowej 2x można stwierdzić, iż silnik dwusuwowy będzie cechował się większą bezawaryjnością, mniejszym gabarytem, znacznie prostszą konstrukcją, a ze względu na charakterystykę obiegu gazowego możliwością uzyskania znacznie wyższej mocy oraz większą czystością spalin. Jeśli chodzi o sprawność energetyczną, można oczekiwać, iż silnik według wynalazku przy wysokich prędkościach obrotowych i znacznym obciążeniu silnika, będzie cechował się wyższą sprawnością od silnika czterosuwowego, nie mniej udzielenie poprawnej odpowiedzi może nastąpić dopiero po zdjęciu charakterystyki silnika w czasie badań przeprowadzonych na prototypie urządzenia. Należy w tym miejscu dodać, iż silnik dwusuwowy z zapłonem iskrowym według wynalazku w porównaniu z silnikiem czterosuwowym, charakteryzuje się blisko dwukrotnie lepszym spalaniem przy wysokich prędkościach obrotowych, ze wstępnych obliczeń wynika, iż silnik o pojemności skokowej 1000cm3 z zastosowaną wolnossącą sprężarką tłokową o pojemności skokowej 1400cm3 może uzyskać moc rzędu 300-350KM, przy czym w analogicznym wolnossącym silniku czterosuwowym o pojemności skokowej 2800cm3 a spożywającym taką samą ilość paliwa, możliwa jest do uzyskania moc o około 40% mniejsza.
Ze względu na to, iż silnik dwusuwowy według wynalazku będzie cechował się małym ciężarem w odniesieniu do uzyskiwanej mocy, może mieć on szerokie zastosowanie nie tylko w motoryzacji, ale również w lotnictwie.

Autor: Pełka Radosław
Strona www: www.virp2.republika.pl