W dzisiejszym artykule przyglądamy się zasadzie działania nowego dwusuwowego silnika z zaworami, który nie zużywa oleju. Został on niedawno opatentowany przez japońskiego producenta Mazda, który planuje zastosować go w swoich samochodach. Zastanówmy się więc, jak to działa.
Sposób funkcjonowania standardowego silnika dwusuwowego
Przypomnijmy sobie działanie konwencjonalnego silnika dwusuwowego. Gdy tłok porusza się w górę, wytwarza pod sobą podciśnienie, powodując przedostanie się mieszanki do skrzyni korbowej. Następnie, kiedy tłok wykonuje ruch w dół, wstępnie spręża mieszankę i kieruje ją przez okienka w ściankach do cylindra. Wreszcie, tłok znów podnosi się i zamyka okna. Spręża mieszankę paliwowo-powietrzną, która zapalana jest przez iskrę i następuje spalanie. Popycha ono tłok w dół, wytwarzając moment obrotowy na wale korbowym.
Otwór wydechowy otwiera się w tym samym czasie, gdy ze skrzyni korbowej uwalniane są sprężone gazy w celu odświeżenia mieszanki paliwowo-powietrznej. To prawda, że jej część wylatuje przez okno wydechowe, co powoduje próżne paliwa. Natomiast w silniku dwusuwowym na każdy obrót wału korbowego przypada jedna iskra. Daje to dodatkowy moment obrotowy.
Porównanie silnika 2- i 4-suwowego
Z drugiej strony, silnik 4-suwowy ma dobrze określone cykle: dolot, zawór zamyka się, kompresja mieszanki, zapłon, rozpręża się, otwiera zawór wydechowy i opróżnia cylinder, aby rozpocząć proces od nowa. Tutaj zapłon następuje co 2 obroty wału korbowego. Eksponuje to, że moc silnika 4-suwowego jest o połowę mniejsza niż 2-suwowego, przy wszystkich innych czynnikach niezmienionych — pojemności, stopnia sprężania, liczbie oktanowej paliwa.
Jednak ten pierwszy nie wykorzystuje skrzyni korbowej do zasysania mieszanki, co oznacza, że może znajdować się tam olej smarujący części. Dodatkowo cykl wydechowy i dolotowy nie przebiegają jednocześnie, jak w silniku 2-suwowym, co poprawia efektywność spalania i zapewnia większą oszczędność paliwa. Natomiast silnik 2-suwowy jest teoretycznie 2 razy mocniejszy od 4-suwowego. Jak możemy połączyć te dwie zasady i uzyskać z nich to, co najlepsze?
Dwusuwowy silnik wysokoprężny a horyzont na innowację
Zanim pokażemy rozwiązanie inżynierów Mazdy, powinniśmy rozważyć 2-suwowy silnik wysokoprężny. Jest on szeroko stosowany w gigantycznych maszynach, takich jak statki morskie i niektóre lokomotywy.
Dwusuwowy silnik wysokoprężny, w przeciwieństwie do dwusuwowego, benzynowego, zamiast skrzyni korbowej wykorzystuje do wlotu sprężarkę, która wtłacza powietrze do cylindra przez okienko w dolnej jego części. Posiada również zawory wydechowe w głowicy cylindrów, co pozwala na bardzo dobre przepłukanie i zapewnia wystarczającą ilość powietrza do spalania oleju napędowego. Sprężarki napędzane paskiem typu SuperCharger działają lepiej przy niskich prędkościach niż turbosprężarki napędzane spalinami.
Gdyby zastosowano turbinę, to przy niskiej prędkości obrotowej silnika nie wytworzyłaby ona wystarczającego ciśnienia, a spaliny uciekałyby przez otwór wlotowy. Silnik więc zatrzymywałby się, ponieważ nie dostawałoby się świeże powietrze. Ponieważ skrzynia korbowa nie jest wykorzystywana do tworzenia mieszanki, można ją napełnić olejem i zapewnić smarowanie silnika.
Problem polega na tym, że w ściankach cylindrów znajdują się otwory wlotowe, przez które olej przedostaje się do komory spalania i tam ostatecznie następuje reakcja. Ponadto dwusuwowy silnik wysokoprężny jest wydajny tylko wtedy, gdy ma dużą pojemność i długi skok, co utrudnia jego montaż pod maską samochodu osobowego. Teraz, dzięki nowemu patentowi Mazdy, staje się to możliwe.
Przyjrzyjmy się temu bliżej, aby zrozumieć, jak pozorna prostota konstrukcji kryje w sobie złożone procesy operacyjne.
Sposób działania silnika
Po pierwsze, całość ma wałek rozrządu, zawory dolotowe i wydechowe. Miska olejowa służy wyłącznie do podawania oleju. Zasadniczo jest to silnik 4-suwowy, ale ze sprężarką pasową, podobnie jak 2-suwowy, wysokoprężny.
Kiedy tłok przesuwa się do dolnego martwego punktu, zawór wlotowy pozostaje otwarty, podczas gdy tłok porusza się w górę, sprężarka wytwarza ciśnienie i pompuje powietrze. Zawór dolotowy zamyka się i powietrze jest sprężane, natomiast wtryskiwacz bezpośredni podaje paliwo z bardzo wysokim ciśnieniem. Pojawia się iskra i zapalona mieszanka popycha tłok w dół. Po osiągnięciu dolnego martwego punktu zawór wydechowy otwiera się.
Po tysięcznych sekundy otwiera się też zawór dolotowy.
Sprężarka ponownie pompuje powietrze, a spaliny są wypychane przez zawór do kolektora wydechowego. Otwór wlotowy jest pionowy i znajduje się bliżej ściany cylindra, co poprawia oczyszczanie.
Gniazdo zaworu dolotowego ma również specjalny kształt, a zawór ma dwa poziomy otwarcia. W pierwszej fazie powietrze kierowane jest tylko wzdłuż ścianki cylindra. Potem zawór otwiera się całkowicie.
Proces dolotu i wydechu odbywa się jednocześnie, jak w każdym silniku dwusuwowym.
Dzięki tej sprężarce w zasadzie możliwa jest transformacja. Dowolny silnik 4-suwowy można przekształcić w dwusuwowy. Należy zauważyć, że wałki rozrządu obracają się z tą samą szybkością, co wał korbowy, podczas gdy prędkość wałka rozrządu czterosuwu jest o połowę mniejsza. Specjalne gniazdo i kierunkowy kanał dolotowy zapobiegają wydostawaniu się czystego powietrza z cylindrów. W silniku zastosowano także dodatkowe technologie, takie jak zmienne wałki rozrządu umożliwiające realizację funkcji specjalnych i recyrkulację spalin. W warunkach niewielkiego obciążenia zawór wydechowy zamyka się wcześniej, zapobiegając ulatnianiu się gazów spalinowych.
Te spaliny pozostają w cylindrze, aby wypełnić komorę i zwiększyć kompresję. Wysoka temperatura już spalonych gazów pozwala również na pracę silnika bez użycia świecy zapłonowej, ponieważ, jak w przypadku wszystkich Dieslów, mieszanka jest wtryskiwana w ostatniej chwili i zapala się pod wpływem sprężania i temperatury. Ciśnienie wtrysku powyżej 700 bar. 3 razy wyższe niż w przypadku silnika benzynowego lub zbliżone do ciśnienia wtrysku oleju napędowego. Tryb ten radykalnie zwiększa wydajność silnika przy niewielkim obciążeniu i zmniejsza zużycie paliwa.
Technologia Skyactiv
Oczywiście, jak każdy inny silnik musi zapewniać odpowiedni stosunek ilości powietrza do paliwa.
W tym przypadku jest to 14.1:1. Oznacza to, że potrzebujemy 14.1 części powietrza na każdą część paliwa. Jeśli więc, zamiast wprowadzać powietrze do silnika, usunie się już spalone, obojętne spaliny, zmniejszy to ilość paliwa.
Eksponuje to, że nawet jeśli mamy duży silnik, to zapełnimy prawie wszystko spalinami. Potem tylko trochę czystego powietrza, odpowiednią ilość paliwa i w końcu uzyskamy osiągi ze znacznie mniejszego silnika.
Przy dużych obciążeniach wałek rozrządu ustawia się w pozycji pełnego przedmuchu, usuwając wszystkie spaliny i przepuszczając maksymalną ilość czystego powietrza. Wtrysk paliwa rozpoczyna się wcześnie, aby umożliwić lepsze wymieszanie. W tym trybie do zapłonu mieszanki używana jest świeca zapłonowa. Zasadniczo silnik ten spożytkowuje zaawansowaną technologię Mazdy, Skyactiv, która wykorzystuje bardzo duże wyprzedzenie zapłonu i kontroluje detonację.
Charakterystyka silnika Mazdy
W ten sposób całość łączy w sobie zalety silników dwusuwowych i czterosuwowych.
Wymieńmy więc główne cechy:
* Zawory, podobnie jak w silniku 4-suwowym, pozwalają na precyzyjną kontrolę przepływu gazu.
* Układ recyrkulacji pseudospalin w oleju napędowym poddaje recyklingowi gazy w celu utrzymania wysokiego stopnia sprężania i zmniejszenia emisji przy niskich prędkościach.
* Jedna iskra na obrót, jak w silnikach dwusuwowych, co podwaja wykorzystanie cylindrów i zmniejsza wielkość całości.
* Niskie zużycie oleju. Sprężarka powietrza działa jak dwusuwowy silnik wysokoprężny.
* System Skyactiv zwiększa wydajność i wykorzystuje każdą kroplę benzyny oraz spala ją tak, jakby był to olej napędowy, co oznacza wysoką oszczędność paliwa.
* I wreszcie bardzo wysoki stopień kompresji, bliski szesnastu.
Miejmy nadzieję, że już niedługo ten silnik zacznie być montowany w samochodach i usłyszymy jego dźwięk. A kto wie, jak to będzie? Podobnie jak V8? Ponieważ ma dwa razy więcej cykli pracy niż silnik 4-cylindrowy. Czy ta technologia stanie się konkurencją dla elektrycznych systemów napędowych w transporcie naziemnym? Pokaże czas.
Sposób funkcjonowania standardowego silnika dwusuwowego
Przypomnijmy sobie działanie konwencjonalnego silnika dwusuwowego. Gdy tłok porusza się w górę, wytwarza pod sobą podciśnienie, powodując przedostanie się mieszanki do skrzyni korbowej. Następnie, kiedy tłok wykonuje ruch w dół, wstępnie spręża mieszankę i kieruje ją przez okienka w ściankach do cylindra. Wreszcie, tłok znów podnosi się i zamyka okna. Spręża mieszankę paliwowo-powietrzną, która zapalana jest przez iskrę i następuje spalanie. Popycha ono tłok w dół, wytwarzając moment obrotowy na wale korbowym.
Otwór wydechowy otwiera się w tym samym czasie, gdy ze skrzyni korbowej uwalniane są sprężone gazy w celu odświeżenia mieszanki paliwowo-powietrznej. To prawda, że jej część wylatuje przez okno wydechowe, co powoduje próżne paliwa. Natomiast w silniku dwusuwowym na każdy obrót wału korbowego przypada jedna iskra. Daje to dodatkowy moment obrotowy.
Porównanie silnika 2- i 4-suwowego
Z drugiej strony, silnik 4-suwowy ma dobrze określone cykle: dolot, zawór zamyka się, kompresja mieszanki, zapłon, rozpręża się, otwiera zawór wydechowy i opróżnia cylinder, aby rozpocząć proces od nowa. Tutaj zapłon następuje co 2 obroty wału korbowego. Eksponuje to, że moc silnika 4-suwowego jest o połowę mniejsza niż 2-suwowego, przy wszystkich innych czynnikach niezmienionych — pojemności, stopnia sprężania, liczbie oktanowej paliwa.
Jednak ten pierwszy nie wykorzystuje skrzyni korbowej do zasysania mieszanki, co oznacza, że może znajdować się tam olej smarujący części. Dodatkowo cykl wydechowy i dolotowy nie przebiegają jednocześnie, jak w silniku 2-suwowym, co poprawia efektywność spalania i zapewnia większą oszczędność paliwa. Natomiast silnik 2-suwowy jest teoretycznie 2 razy mocniejszy od 4-suwowego. Jak możemy połączyć te dwie zasady i uzyskać z nich to, co najlepsze?
Dwusuwowy silnik wysokoprężny a horyzont na innowację
Zanim pokażemy rozwiązanie inżynierów Mazdy, powinniśmy rozważyć 2-suwowy silnik wysokoprężny. Jest on szeroko stosowany w gigantycznych maszynach, takich jak statki morskie i niektóre lokomotywy.
Dwusuwowy silnik wysokoprężny, w przeciwieństwie do dwusuwowego, benzynowego, zamiast skrzyni korbowej wykorzystuje do wlotu sprężarkę, która wtłacza powietrze do cylindra przez okienko w dolnej jego części. Posiada również zawory wydechowe w głowicy cylindrów, co pozwala na bardzo dobre przepłukanie i zapewnia wystarczającą ilość powietrza do spalania oleju napędowego. Sprężarki napędzane paskiem typu SuperCharger działają lepiej przy niskich prędkościach niż turbosprężarki napędzane spalinami.
Gdyby zastosowano turbinę, to przy niskiej prędkości obrotowej silnika nie wytworzyłaby ona wystarczającego ciśnienia, a spaliny uciekałyby przez otwór wlotowy. Silnik więc zatrzymywałby się, ponieważ nie dostawałoby się świeże powietrze. Ponieważ skrzynia korbowa nie jest wykorzystywana do tworzenia mieszanki, można ją napełnić olejem i zapewnić smarowanie silnika.
Problem polega na tym, że w ściankach cylindrów znajdują się otwory wlotowe, przez które olej przedostaje się do komory spalania i tam ostatecznie następuje reakcja. Ponadto dwusuwowy silnik wysokoprężny jest wydajny tylko wtedy, gdy ma dużą pojemność i długi skok, co utrudnia jego montaż pod maską samochodu osobowego. Teraz, dzięki nowemu patentowi Mazdy, staje się to możliwe.
Przyjrzyjmy się temu bliżej, aby zrozumieć, jak pozorna prostota konstrukcji kryje w sobie złożone procesy operacyjne.
Sposób działania silnika
Po pierwsze, całość ma wałek rozrządu, zawory dolotowe i wydechowe. Miska olejowa służy wyłącznie do podawania oleju. Zasadniczo jest to silnik 4-suwowy, ale ze sprężarką pasową, podobnie jak 2-suwowy, wysokoprężny.
Kiedy tłok przesuwa się do dolnego martwego punktu, zawór wlotowy pozostaje otwarty, podczas gdy tłok porusza się w górę, sprężarka wytwarza ciśnienie i pompuje powietrze. Zawór dolotowy zamyka się i powietrze jest sprężane, natomiast wtryskiwacz bezpośredni podaje paliwo z bardzo wysokim ciśnieniem. Pojawia się iskra i zapalona mieszanka popycha tłok w dół. Po osiągnięciu dolnego martwego punktu zawór wydechowy otwiera się.
Po tysięcznych sekundy otwiera się też zawór dolotowy.
Sprężarka ponownie pompuje powietrze, a spaliny są wypychane przez zawór do kolektora wydechowego. Otwór wlotowy jest pionowy i znajduje się bliżej ściany cylindra, co poprawia oczyszczanie.
Gniazdo zaworu dolotowego ma również specjalny kształt, a zawór ma dwa poziomy otwarcia. W pierwszej fazie powietrze kierowane jest tylko wzdłuż ścianki cylindra. Potem zawór otwiera się całkowicie.
Proces dolotu i wydechu odbywa się jednocześnie, jak w każdym silniku dwusuwowym.
Dzięki tej sprężarce w zasadzie możliwa jest transformacja. Dowolny silnik 4-suwowy można przekształcić w dwusuwowy. Należy zauważyć, że wałki rozrządu obracają się z tą samą szybkością, co wał korbowy, podczas gdy prędkość wałka rozrządu czterosuwu jest o połowę mniejsza. Specjalne gniazdo i kierunkowy kanał dolotowy zapobiegają wydostawaniu się czystego powietrza z cylindrów. W silniku zastosowano także dodatkowe technologie, takie jak zmienne wałki rozrządu umożliwiające realizację funkcji specjalnych i recyrkulację spalin. W warunkach niewielkiego obciążenia zawór wydechowy zamyka się wcześniej, zapobiegając ulatnianiu się gazów spalinowych.
Te spaliny pozostają w cylindrze, aby wypełnić komorę i zwiększyć kompresję. Wysoka temperatura już spalonych gazów pozwala również na pracę silnika bez użycia świecy zapłonowej, ponieważ, jak w przypadku wszystkich Dieslów, mieszanka jest wtryskiwana w ostatniej chwili i zapala się pod wpływem sprężania i temperatury. Ciśnienie wtrysku powyżej 700 bar. 3 razy wyższe niż w przypadku silnika benzynowego lub zbliżone do ciśnienia wtrysku oleju napędowego. Tryb ten radykalnie zwiększa wydajność silnika przy niewielkim obciążeniu i zmniejsza zużycie paliwa.
Technologia Skyactiv
Oczywiście, jak każdy inny silnik musi zapewniać odpowiedni stosunek ilości powietrza do paliwa.
W tym przypadku jest to 14.1:1. Oznacza to, że potrzebujemy 14.1 części powietrza na każdą część paliwa. Jeśli więc, zamiast wprowadzać powietrze do silnika, usunie się już spalone, obojętne spaliny, zmniejszy to ilość paliwa.
Eksponuje to, że nawet jeśli mamy duży silnik, to zapełnimy prawie wszystko spalinami. Potem tylko trochę czystego powietrza, odpowiednią ilość paliwa i w końcu uzyskamy osiągi ze znacznie mniejszego silnika.
Przy dużych obciążeniach wałek rozrządu ustawia się w pozycji pełnego przedmuchu, usuwając wszystkie spaliny i przepuszczając maksymalną ilość czystego powietrza. Wtrysk paliwa rozpoczyna się wcześnie, aby umożliwić lepsze wymieszanie. W tym trybie do zapłonu mieszanki używana jest świeca zapłonowa. Zasadniczo silnik ten spożytkowuje zaawansowaną technologię Mazdy, Skyactiv, która wykorzystuje bardzo duże wyprzedzenie zapłonu i kontroluje detonację.
Charakterystyka silnika Mazdy
W ten sposób całość łączy w sobie zalety silników dwusuwowych i czterosuwowych.
Wymieńmy więc główne cechy:
* Zawory, podobnie jak w silniku 4-suwowym, pozwalają na precyzyjną kontrolę przepływu gazu.
* Układ recyrkulacji pseudospalin w oleju napędowym poddaje recyklingowi gazy w celu utrzymania wysokiego stopnia sprężania i zmniejszenia emisji przy niskich prędkościach.
* Jedna iskra na obrót, jak w silnikach dwusuwowych, co podwaja wykorzystanie cylindrów i zmniejsza wielkość całości.
* Niskie zużycie oleju. Sprężarka powietrza działa jak dwusuwowy silnik wysokoprężny.
* System Skyactiv zwiększa wydajność i wykorzystuje każdą kroplę benzyny oraz spala ją tak, jakby był to olej napędowy, co oznacza wysoką oszczędność paliwa.
* I wreszcie bardzo wysoki stopień kompresji, bliski szesnastu.
Miejmy nadzieję, że już niedługo ten silnik zacznie być montowany w samochodach i usłyszymy jego dźwięk. A kto wie, jak to będzie? Podobnie jak V8? Ponieważ ma dwa razy więcej cykli pracy niż silnik 4-cylindrowy. Czy ta technologia stanie się konkurencją dla elektrycznych systemów napędowych w transporcie naziemnym? Pokaże czas.
Fajne? Ranking DIY