Dwusuw - już zapomniany?

Różnica pomiędzy silnikiem dwusuwowym a czterosuwowym[/h3]W silniku czterosuwowym obecne są oczywiście cztery suwy:

1. dolotu (ssania): tłok porusza się w dół, zawór dolotowy jest otwarty,
2. sprężania: tłok zmienia zwrot i porusza się ku górze, zawory są zamknięte,
3. rozprężania (pracy): w okolicach górnego martwego położenia tłoka następuje zapłon i rozpoczyna się ruch tłoka ku dołowi,
4. wydechu: zawór wydechowy jest otwarty, tłok wypycha spaliny.

W przypadku silnika dwusuwowego nie ma osobnych suwów ssania i wydechu. Wymiana ładunku następuje pomiędzy suwami pracy i sprężania, gdy tłok znajduje się w okolicach dolnego martwego położenia. Oznacza to, że zapłon w każdym z cylindrów następuje dwa razy częściej niż w silniku czterosuwowym (raz na obrót wału korbowego).

Podział konstrukcji

Istnieje wiele typów silników dwusuwowych. Poniżej zostaną przedstawione wyłącznie najważniejsze.

• Rozrząd sterowany tłokiem (rys. 1). Tłok przysłania okna dolotowe jak i wylotowe. To najprostsze i najpopularniejsze, szczególnie w małych silnikach, rozwiązanie. Cechą charakterystyczną jest symetryczność otwarcia okien: okno wylotowe otwiera się przed i zamyka po dolotowym.
• Rozrząd sterowany tłokiem jak i zaworami grzybkowymi (rys. 2). Świeża mieszanka napływa przez okna, spaliny są usuwane przez zawory. Ten typ rozrządu jest asymetryczny: zawory wydechowe są otwierane i zamykane nieco wcześniej niż okna dolotowe. Dzięki temu można jednocześnie ograniczyć uciekanie świeżej mieszanki do układu wydechowego jak i uzyskać doładowanie. Warto zwrócić uwagę, że tutaj przepływ ładunku odbywa się wzdłużnie, co oznacza bardzo dobre napełnianie. System ten znalazł zastosowanie w dużych silnikach Diesla.
• Rozrząd wyłącznie z zaworami grzybkowymi (rys. 3). Głowica takiego silnika wygląda niemal tak samo jak silnika czterosuwowego. Jest to również rozrząd asymetryczny, ale mniej wydajny od tego z rys.2. Największą zaletą jest brak okien w tulei cylindrowej, dzięki czemu odkształca się równomiernie i nie wymagane jest stosowanie dużego luzu pomiędzy tłokiem a cylindrem. Również pierścienie tłokowe nie muszą być zabezpieczone przed obrotem.
• Rozrząd wykorzystujący dwa tłoki (rys. 4) jest wariacją na temat rozwiązania z rys. 2. Zamiast zaworów wykorzystywany jest drugi tłok i dodatkowe okna. Asymetrię uzyskano przestawiając jeden wał korbowy względem drugiego. Pomysł ten wykorzystywano w silnikach Diesla: lotniczym Junkersie JUMO 205 czy okrętowej jednostce Napier Deltic.

W silniku dwusuwowym spaliny muszą zostać wypchnięte przez powietrze lub mieszankę paliwowo-powietrzną. Oznacza to, że wymagane jest wstępne sprężania. I w tym przypadku można wyróżnić kilka rozwiązań.

• Wykorzystanie skrzyni korbowej (przestrzeni pod tłokiem) i okna zamykanego przez tłok (rys. A). Rozwiązanie proste, popularne, stosowane w niemal wszystkich starszych dwusuwach - od Syreny po Wartburga. Niestety nie może być tu wykorzystywane ciśnieniowe smarowanie wału korbowego. Osadzany jest on na łożyskach tocznych, które mają ograniczoną trwałość. Olej do smarowania często dodawany był bezpośrednio do paliwa.
• Wykorzystanie skrzyni korbowej i zaworu lamelowego (rys. B). Koncepcja niemal identyczna jak poprzednia, z tym, że za dopływ mieszanki do skrzyni korbowej odpowiada jednokierunkowy zawór lamelowy. Pozwala on tylko na dopływ i uniemożliwia odpływ z powrotem do kolektora dolotowego. Silniki tego typu mają lepszy przebieg momentu obrotowego.
• Wykorzystanie zewnętrznej sprężarki (rys. C). System ten popularny jest w gigantycznych silnikach Diesla. Wał korbowy smarowany jest ciśnieniowo, silniki te mają wysoką trwałość.

Współczesne silniki o rozrządzie symetrycznym wyposażone często są w zawór przy oknie wydechowym. Nie zamyka on całkowicie okna, a tylko zmienia jego przekrój. Po co? Silniki o rozrządzie symetrycznym by zapobiec ucieczce mieszanki do wydechu i zapewnić dobre napełnianie posiadają zaawansowane układy wydechowe. Niestety efekty falowe w tych układach zachodzą dobrze tylko dla określonej prędkości obrotowej. Można ją zmienić wykorzystując właśnie dodatkowy zawór przysłaniający kanał wydechowy.

Silnik był o 30% lżejszy od czterosuwowego odpowiednika, średnie zużycie paliwa wynosiło 4,7 l/100 km. Jednak Konstrukcja samego silnika była niezbyt nowatorska. Wykorzystywano rozrząd tłokiem, sprężanie w skrzyniach korbowych i zawory lamelowe (schemat 1B). Na miano rewolucji zasługiwał natomiast system wtrysku bezpośredniego. Paliwo było wtryskiwane już po zamknięciu okien z wykorzystaniem sprężonego powietrza. W skrzyniach korbowych sprężano czyste powietrze, co ograniczało porywanie i spalanie drobinek oleju.

Silnik Orbital nie wszedł nigdy do produkcji, ale niemal identyczne rozwiązania stosowane są teraz w najnowocześniejszych skuterach.

Yamaha Super Diesel

W 1999 roku Yamaha zaprezentowała dwusuwowy dwucylindrowy silnik Diesla spełniający normę czystości spalin Euro 4 i przeznaczony do samochodu zużywającego 3 l oleju napędowego na 100 km. Mała, wolnossąca jednostka 1.0 (zbudowana również wg schematu 1B) osiągała 45 KM przy 4000 obr./min i 80 Nm przy 2500 obr./min.

Szczególnym rozwiązaniem obecnym w tym silniku był mechanizm zmiany rzeczywistego stopnia sprężania. Kanał wydechowy był podzielony na dwie części, z których górna mogła być zamykana przez zawór obrotowy. Jeśli było ona zamknięta to stopień sprężania wynosił 18, jeśli otwarta to 13. Przełączenie na niższy stopień sprężania ograniczało temperatury w komorze spalania i emisję tlenków azotu.

Ricardo 2/4 SIGHT

2/4 SIGHT to najnowszy pomysł z przedstawionych w tym artykule. Silnik ten potrafi pracować zarówno w trybie dwu- jak i czterosuwowym. Rozrząd realizują zawory grzybkowe, a powietrze tłoczone jest przez zewnętrzne sprężarki (3C): odśrodkową Rotrex i turbosprężarkę.

Przejście pomiędzy trybami nasŧepuje płynnie podczas normalnej pracy. Silnik zaczyna pracować w trybie czterosuwowym, gdy rozrząd staje się zbyt mało wydajny dla trybu dwusuwowego, gdzie na całą wymianę ładunku jest zaledwie ok. pół obrotu wału korbowego. Za sterowanie zaworami odpowiada system elektrohydrauliczny. Silnik Ricardo ma niemal taką samą budowę jak przeciętny silnik czterosuwowy i może być równie trwały. Jednocześnie osiągi w trybie dwusuwowym, przy niskich prędkościach obrotowych są znacznie wyższe. Prototyp osiągał 230 Nm/l przy 2500 obr./min.

Przyszłość dwusuwów

Obecnie silniki dwusuwowe dominują wśród małych jednostek motorowerowych (schemat 1A i 1B) i gigantycznych okrętowych (1C i 2C). Czy powrót do dwusuwowych samochodów jest możliwy? Na pewno tak, szczególnie, że będą sprzyjać mu małe silniki. W końcu dwucylindrowy dwusuw jest lepiej wyrównoważony i ma zapłon dwa razy częściej od dwucylindrowego czterosuwu. Należy jednak spodziewać się skomplikowanych rozwiązań jak Ricardo, bo proste (Orbital) zapewne nie są już w stanie spełnić wymagań co do trwałości i emisji spalin.

Źródło: fiestaturbo.com • Yamaha • greencarcongress.com