Najbardziej niezwykłe konstrukcje silników

Współcześni producenci samochodów nie rozpieszczają nas technicznymi udoskonaleniami w zakresie konstrukcji i konfiguracji silników. Królują klasyczne silniki spalinowe i turbodiesle. Wciąż jednak pojawiają się eksperymentatorzy oferujący oryginalne rozwiązania. A w przeszłości takich projektów było jeszcze więcej. Dziś Drom opowiada o najbardziej niezwykłych silnikach do samochodów i motocykli.

Z reguły pod maskami wszystkich obecnych samochodów montowane są czterosuwowe silniki benzynowe, które działają zgodnie z tzw. cyklem Otto – wtrysk, sprężanie, suw, wydech. Są to typowe termiczne silniki spalinowe z zapłonem mieszanki palnej za pomocą świecy, w których zawory wydechowe otwierają się po zamknięciu zaworów dolotowych. Główną wadą takich silników jest niska (do 28%) sprawność.

Ponad jedna trzecia nowoczesnych samochodów jest wyposażona w turbodiesle z podobnym mechanizmem korbowym, ale z wyższym stopniem sprężania i zapłonem mieszanki roboczej od sprężania i wysokiej temperatury w cylindrze. Sprawność silników wysokoprężnych jest wyższa, ale wciąż nie tak duża – do 50%.

Te dwa typy silników są obecnie stosowane w zdecydowanej większości samochodów i od dawna wszystko o nich wiadomo i powiedziano. Naszym zadaniem jest opowiedzenie o nie tak rozpowszechnionych schematach, które albo mają poważne różnice w porównaniu z „klasycznymi” silnikami Otto i Diesel, albo są zbudowane na innej zasadzie.

Silnik z tłokiem obrotowym Wankla

• Firmy – NSU, Mazda, Citroen, VAZ
• Niektóre modele samochodów – NSU Ro 80, Mazda RX-7, VAZ-21059 i 21079, Citroen GS.

Zacznijmy oczywiście od konstrukcji z tłokiem obrotowym, która została po raz pierwszy zaprezentowana przez inżynierów Waltera Freude i Felixa Wankla nie tak dawno – w 1957 roku. Logiczne jest, że silnik ten otrzymał nazwę jednego z twórców – Wankel. Osobliwością tej elektrowni jest trójstronny tłok (wirnik), napędzany siłą ciśnienia gazu. Ruch wirnika względem „owalnego” cylindra o oryginalnym profilu (stojana) odbywa się za pośrednictwem dwóch kół zębatych: jednego – na wewnętrznej powierzchni wirnika, drugiego – sztywno przymocowanego do wewnętrznej powierzchni bocznej pokrywy silnika. Ich współdziałanie zapewnia kołowy ruch mimośrodowy, w którym wirnik styka się powierzchniami czołowymi z wewnętrzną powierzchnią komory spalania. Ruch obrotowy przenoszony jest na specjalny wał, a z niego do skrzyni biegów. Jedna para mechaniczna reguluje ruch wirnika, a druga przekształca go w obrót wału mimośrodowego. Na jeden pełny obrót wału wirnik ma czas, aby obrócić się o 120°, a w każdej z trzech izolowanych wnęk odtwarzany jest pełny czterosuwowy cykl silnika spalinowego – wtrysk, sprężanie, suw i wydech. Oczywistymi zaletami tego typu silników są ich kompaktowość, lekkość, mniejsza liczba części (brak tłoków, korbowodów, wału korbowego), uproszczony układ smarowania, niski poziom wibracji i duża pojemność skokowa. Główne wady to słaba skuteczność uszczelnień szczeliny między wirnikiem a ścianą cylindra, wysokie zużycie specjalnego oleju, tendencja do przegrzewania się, wymagające świece i wysoka moc przy stosunkowo wysokich obrotach.

Pierwszym seryjnym samochodem z RPM był niemiecki NSU Ro 80 w 1967 roku, ale prawdziwą popularność silników z tłokami obrotowymi przyniosła oczywiście japońska firma Mazda, znana nie tylko z legendarnych modeli RX, ale także z jedynego zwycięstwa w Le Mans prototypu „757”. Nawiasem mówiąc, Mazda planuje powrócić do tematu rotacyjnego mniej więcej w tym roku. Różni producenci eksperymentowali z RPM w różnym czasie. Nawet AvtoVAZ w latach 80-tych charakteryzował się obrotową „piątką” i „siódemką”, które były używane w policji drogowej lub przez „stróżów prawa”.

Silnik o zmiennym stopniu sprężania

• Firmy – Infiniti, Saab, AVL, FEV, MCE-5
• Model samochodu – Infiniti QX50

Technologia, która jest obecnie stosowana tylko w jednym pojeździe, crossoverze Infiniti QX50, który pojawi się w 2019 roku. Nissan pracuje nad nią od ponad 20 lat, a teraz wreszcie 2,0-litrowy silnik VC-T (Variable Compression Turbocharged) z turbodoładowaniem jest w stanie automatycznie regulować stopień sprężania (od 8 przy maksymalnej mocy do 14 przy niskich obciążeniach) poprzez regulację długości tłoków o 6 mm. Pozwala to nie tylko niemal całkowicie zapomnieć o nieoptymalnych trybach i, w konsekwencji, występowaniu detonacji, ale także zwiększyć wydajność i zaoszczędzić do 27% paliwa w porównaniu z „szóstkami” w kształcie litery V, według japońskich inżynierów. Sztuczka ta jest realizowana w następujący sposób: istnieje ruchome połączenie korbowodu z jego dolną szyjką, które działa za pomocą systemu dźwigni napędzanych silnikiem elektrycznym. Jednocześnie moc elektrowni to imponujące 270 KM, a moment obrotowy – 390 Nm (w Rosji silnik jest zdeformowany do 249 KM i 380 Nm). Za główne wady konstrukcji uważa się jej złożoność i wyższą (o około 10 kg) masę jednostki napędowej.

Inżynierowie Forda, Mercedesa, Peugeota i Volkswagena próbowali w różnych okresach stosować silniki o zmiennym stopniu sprężania, ale nikt nigdy nie uzyskał patentu. Istniały również wczesne systemy z dodatkowym tłokiem, który zmieniał objętość komory spalania. Eksperymentowano również z tłokami o zmiennej wysokości, które okazały się bardzo ciężkie. W 2000 roku firma FEV Motorentechnik zainstalowała w turbodoładowanym silniku Volkswagena 1.8T system z… podnoszonym wałem korbowym, którego ruch odbywał się za pomocą mimośrodowych sprzęgieł. W tym samym roku swoją wizję zaprezentowali Szwedzi z Saaba. Pięciocylindrowy 1,6-litrowy silnik turbo SVC (Saab Variable Compression) mógł podnosić górną część dzielonego bloku cylindrów. Mniej więcej w tym samym czasie Francuzi z MCE-5 Development zademonstrowali silnik z unikalnymi dzielonymi korbowodami z zębatymi wahaczami. Żadne z tych rozwiązań nie znalazło jednak zastosowania w samochodach produkcyjnych.

Silnik z zaworem tulejowym Knight

• Firmy – Daimler, Mercedes-Benz, Peugeot, Panhard, Willys-Knight, Mors, Avions-Voisin
• Niektóre modele samochodów – Avions-Voisin C, Willys-Knight, Daimler 22HP

Przeniesiemy się teraz do przełomu XIX i XX wieku, kiedy to Charles Knight wpadł na pomysł stworzenia silnika bez klasycznych zaworów. W 1908 roku opatentował swój pomysł, który był wyposażony w tak zwane „zawory suwakowe”: był to rodzaj sprzęgła, napędzanego specjalnym wałem zębatym, przesuwającym się wokół tłoka i otwierającym w ten sposób otwory wlotowe i wylotowe w ściankach cylindra. Taki system okazał się nie tylko działać, ale także być dość cichy, trwały, z dobrą wydajnością i bez problemu „zacinania się” konwencjonalnych zaworów talerzowych. Oprócz tych oczywistych zalet, były też inne: dobre odprowadzanie spalin, niezmieniony kształt komory spalania (a więc brak detonacji), brak konwencjonalnej głowicy i idealne umiejscowienie świecy zapłonowej. Za główną wadę uznano zwiększone zużycie oleju.

Niemniej jednak, takie silniki były montowane w wielu modelach tak znanych marek samochodowych jak Daimler, Panhard, Peugeot, Mercedes-Benz, Willys i innych aż do lat 40-tych ubiegłego wieku. Później – po znacznym zwiększeniu prędkości obrotowej silnika i wprowadzeniu chłodzenia sodowego dla konwencjonalnych zaworów talerzowych – system praktycznie przestał istnieć.

Silnik Lanchester Twin-Crank Twin

• Firmy – Lanchester, Ford
• Niektóre modele samochodów – Lanchester 12HP, Ford A/C/F

W 1896 roku Karl Benz opatentował dwucylindrowy „silnik opozycyjny”, trzy lata później powstała firma Lanchester, a rok później zaprezentowała swój pierwszy samochód Lanchester Phaeton, wyposażony w taki silnik z dwoma wałami korbowymi. Ten konkretny silnik jest uważany za pierwszy produkcyjny Flat-Twin. Ta 4,0-litrowa, chłodzona powietrzem, atmosferyczna jednostka produkowała aż 10,5 KM przy 1250 obr/min. Jeden wał korbowy znajdował się nad drugim, a każdy tłok miał trzy (!) korbowody – jeden gruby centralny i dwa lżejsze po bokach. Gruby korbowód był przymocowany do jednego wału, a cieńsze do drugiego. W związku z tym wały obracały się w przeciwnych kierunkach.

U zarania przemysłu motoryzacyjnego w takie silniki wyposażone były nie tylko samochody Lanchester, ale także pierwsze modele Forda – „A”, „C” i „F”.

Dwucylindrowa „opozycja” w jednym bloku (Panhard Flat-Twin)

• Firma – Panhard
• Niektóre modele samochodów – Panhard Dyna, Panhard 24, Panhard Dyna X84

W latach 1945-1967 francuska firma Panhard wyprodukowała szereg modeli wyposażonych w tzw. silnik Flat-Twin. René Panhard nie był pionierem w stosowaniu dwucylindrowych „przeciwieństw”, ale po raz pierwszy połączył blok cylindrów i głowicę w aluminiowej obudowie. Oprócz tego unikalnego rozwiązania technicznego w silniku Flat-Twin pojawiły się inne interesujące odkrycia. Na przykład, zamiast sprężyn zaworowych po raz pierwszy zastosowano sprężyny skrętne, a chłodzenie było podwójnie chłodzone powietrzem.

Pojemność takich silników była niewielka – od 0,61 do 0,85 litra, a moc wynosiła od 42 do 60 KM. Niemniej jednak fakt ten nie przeszkodził modelowi X84 uczestniczyć w wyścigach w Le Mans, a nawet osiągać dobre wyniki w swojej klasie do 750 cm³. Panhard 24 coupe był również bardzo pięknym samochodem.

Silniki cyklu Atkinsona i Millera

• Firmy – Toyota, Lexus, Ford, Nissan
• Niektóre modele samochodów – Toyota Prius, hybrydy Lexusa, Ford Escape, Nissan Altima

Jak powiedzieliśmy na początku tego artykułu, większość nowoczesnych silników samochodowych pracuje w cyklu Otto. Istnieją jednak jeszcze inne warianty: nazwiska inżynierów Jamesa Atkinsona i Ralpha Millera na zawsze kojarzą się z walką o poprawę wydajności i zwiększenie efektywności.

Co zaproponował Atkinson? Po pierwsze, komplikując mechanizm korbowy, zmienił stosunek czasów suwów: skoki tłoka podczas sprężania i suwów stały się krótsze niż podczas ssania i wydechu, dzięki unikalnemu wałowi korbowemu. Zawory dolotowe w cyklu Atkinsona zamykają się całkowicie w połowie drogi do górnego martwego punktu. Po drugie, wszystkie cztery cykle Atkinsona występują w jednym obrocie wału korbowego, podczas gdy konwencjonalny silnik Otto wymaga dwóch. Zaletami tego typu silników są wysoka sprawność i przyjazność dla środowiska. Wadami są złożoność konstrukcji i niski moment obrotowy na „niskich obrotach”. Dlatego takie jednostki napędowe są stosowane w hybrydach, gdzie ta cecha jest kompensowana przez trakcję elektryczną.

Ralph Miller również pracował nad stopniem sprężania, ale poszedł (w 1947 r.) inną drogą. Zamiast mechanicznie zmniejszać stopień sprężania przy stałym stosunku skoku, zaproponował zmniejszenie go kosztem stosunku ssania, zachowując tę samą pojemność skokową dla wszystkich tłoków, jak w silniku Otto. Istnieją dwie odmiany tego rozwiązania, ale obie opierają się na późnym zamykaniu zaworów dolotowych: „skrócony dolot” (gdzie zawory dolotowe zamykają się przed końcem suwu dolotu) i »skrócona kompresja« (zawory dolotowe zamykają się później niż suw dolotu). Jednak oba te rozwiązania mają na celu zmniejszenie stopnia sprężania mieszanki roboczej, a zatem gdy paliwo jest zapalane w GMP, ma ono znacznie większy stopień rozprężenia niż w silniku Otto. Pozwala to na lepsze wykorzystanie energii gazów rozprężających się w cylindrze, co zwiększa sprawność cieplną konstrukcji, a w konsekwencji poprawia ekonomię i elastyczność. Ponadto straty pompowania są zmniejszone w suwie sprężania, ponieważ łatwiej jest sprężać paliwo w silniku z cyklem Millera. Wadą tego schematu jest zmniejszenie mocy (zwłaszcza przy wysokich prędkościach) z powodu gorszego napełnienia cylindrów.

Diesel „opozycyjny” z wahliwym wałem korbowym (Commer Rootes TS3 Tilling-Stevens)

• Firma – Rootes
• Niektóre modele samochodów – Commer Q25, seria C, Karrier

Jedyny silnik wysokoprężny w naszym dzisiejszym przeglądzie, ale co za silnik wysokoprężny: dwusuwowy „opozycyjny” TS3 (nie bez powodu był nazywany „Knocker”) z unikalnym wahliwym wałem korbowym opracowanym przez Tilling-Stevens! Był on jednak montowany w latach 1954-1968 wyłącznie w łodziach, autobusach i ciężarówkach mało znanej szerokiemu kręgowi brytyjskiej firmy Rootes. Silnik ten nie tylko znajdował się pod fotelem kierowcy, ale także posiadał szereg ciekawych funkcji: każdy cylinder miał dwa „przeciwległe” tłoki, które przenosiły moment obrotowy na pojedynczy wał korbowy za pomocą specjalnego wahacza i dwóch korbowodów na każdym tłoku, a także mechaniczną sprężarkę z napędem łańcuchowym! Silnik TS3 miał trzy cylindry, pojemność skokową 3,25 litra i generował pokaźne 105 KM i 366 Nm przy zaledwie 1200 obr/min. Mówiono, że jest to bardzo kompaktowa i niezawodna jednostka, której jedyną wadą był wysoki poziom hałasu.

Pod koniec lat 60. pojawił się prototyp 4-cylindrowej podobnej jednostki, a wyposażony w nią „muł” przeszedł nawet testy o długości prawie 2 milionów kilometrów, ale sprawa nie poszła dalej: w 1968 roku Chrysler Corporation kupił firmę Rootes, a rozwój został ograniczony.

Gobron Brillie Opposed Piston

Dwusuwowy dwucylindrowy „opozycyjny” (Gobron Brillie Opposed Piston).

• Firma to Gobron-Brillie
• Niektóre modele samochodów – Gobron-Brillie 8CV, Gobron Brillie Opposed

Cofnijmy się do XIX wieku, a dokładniej do roku 1898, kiedy to Francuz Gustave Charles-Alexis Gobron wraz z rodakiem Eugène Brillieu założyli firmę motoryzacyjną Societé des Moteurs Gobron-Brillie. Zaledwie sześć miesięcy później pojawiło się ich pierwsze dziecko – Gobron-Brillie 8CV, który wykorzystywał silnik o unikalnej konstrukcji – o pojemności 1,6 litra i dwóch pionowo ułożonych cylindrach miał cztery tłoki, które poruszały się względem siebie. Dolne były połączone z wałem korbowym za pomocą zwykłych korbowodów, a górne (ich skok był krótszy) – za pomocą oryginalnego układu drążków, wahaczy i mimośrodów. Był tylko jeden wałek rozrządu, a cały mechanizm był w pełni zsynchronizowany. Mniej więcej w połowie skoku górnych tłoków – w tym miejscu następował zapłon mieszanki – zainstalowano świece zapłonowe, a także zawory ssące i wydechowe sterowane popychaczami. Zapłon paliwa następował pomiędzy tłokami, mniej więcej w połowie skoku górnych tłoków.

Oprócz tak skomplikowanego, ale według współczesnych dość niezawodnego systemu o doskonałej płynności działania, samochód miał nietypowy układ zasilania, w którym zamiast tradycyjnego gaźnika zastosowano zestaw tłoków, zdolnych do podawania dowolnego rodzaju paliwa do komory. Mówi się, że Gobron-Brillie mógł nawet jeździć na alkoholu lub mocnych trunkach, takich jak whisky i koniak!

Silnik rotacyjny – stały wał korbowy, obracające się cylindry i tłoki (Adams-Farwell)

• Firma – Adams-Farwell
• Niektóre modele samochodów – Adams-Farwell Models 5, 6, 7 i Series 6

Pomysł ten nazywany jest „z przeciwieństwa”: jeśli w konwencjonalnym silniku spalinowym wał korbowy obraca się, a blok cylindrów pozostaje nieruchomy, to w silniku, który został wynaleziony w 1895 roku przez inżyniera Faya Olivera Farwella, wał korbowy zawsze stał w jednym miejscu. Legenda głosi, że Farwella, pracującego dla amerykańskiej firmy The Adams Co., do zaprojektowania 3-cylindrowego, 4-suwowego silnika, w którym cylindry obracają się na oryginalnych łożyskach wokół sztywno zamontowanego wału korbowego, skłonił widok… zwykłego młyna!

Dziewięć lat później, w 1904 roku, pod nazwą Adams-Farwell Model 5, samochód z tym wyjątkowym i dość mocnym (25 KM) jak na ówczesne standardy silnikiem wszedł do produkcji. Nawiasem mówiąc, miał kilka niezwykłych cech: zamiast gaźnika paliwo dostawało się do komór przez specjalne otwory w nich, a silnik nie miał tłumików (był dość cichy). Główną wadą było nadmierne zużycie oleju, ale mimo to w 1906 roku Adams-Farwell zaprezentował Model 6 z 5-cylindrowym silnikiem o pojemności 8,0 litrów. A w 1910 roku silniki firmy zostały wykorzystane nawet w pierwszych helikopterach zaprojektowanych przez Emila Berlinera.

Silnik o cyklu rozdzielonym

• Firmy – Scuderi, Paut Motor, Bonner Motor
• Niektóre modele samochodów – nie zainstalowane

Jak wiadomo, w klasycznym silniku spalinowym wszystkie cztery cykle występują w jednym cylindrze. Jak się jednak okazuje, na świecie – i to w niedalekiej przeszłości – byli entuzjaści, którzy głosili prawdziwą egzotykę z rozdzieleniem cykli. Przykładowo, w 2006 roku Amerykanie z grupy Scuderi zdecydowali, że tak zwany „zimny” cylinder będzie odpowiedzialny za cykle ssania i sprężania, a drugi, „gorący”, za suw i wydech. Gdy w cylindrze roboczym dochodzi do rozprężenia gazów, w „zimnym” cylindrze sprężarki następuje taktowanie ssania. Gdy w cylindrze roboczym następuje upust, w cylindrze zimnym następuje sprężanie. Pod koniec suwu sprężania tłoki zbliżają się do GMP, mieszanka „przepływa” z „zimnego” cylindra do „gorącego” cylindra przez zawór nadmiarowy i zostaje zapalona. Ponadto, różne cylindry mogą mieć różne średnice i skoki tłoków, co pozwala na bardzo elastyczne strojenie. W 2009 roku Scuderi zaprezentował prototyp, ale nigdy nie posunął się dalej: silnik jest ekonomiczny, ale bardzo złożony strukturalnie.

Chorwacka firma Paut Motor również eksperymentowała z cyklami dzielonymi. W 2011 roku zaprezentowali nawet prototyp, który przy pojemności 7 litrów ważył zaledwie 135 kg, miał znacznie mniej części, mniejsze tarcie i hałas niż silnik Scuderi. Ale ten projekt również umarł.

Cóż, najbardziej złożonym silnikiem z podzielonymi cyklami jest prawdopodobnie silnik Bonnera, w którym cylindry są ułożone poprzecznie, a wał korbowy wykonuje ruch planetarny poprzez system kół zębatych. Dystrybucja gazu jest realizowana przez specjalne zawory na dnie cylindrów i obracające się szpule w bloku. Tłoki mogą być przesuwane pod ciśnieniem oleju, zapewniając zmienny stopień sprężania. Co za bałagan! Nic dziwnego, że ten silnik raczej nigdy nie trafi do „serii”.

Silnik z turbiną gazową

• Firmy – Kenworth, Rover, Fiat, GM, Lotus, Chrysler, Ford
• Niektóre modele samochodów – Fiat Turbina, Chrysler Turbine, Rover Jet1, GM Firebird, Ford Thunderbird

Chociaż nigdy nie widzieliśmy silników o cyklu dzielonym w samochodach produkcyjnych, samochody z silnikami turbinowymi istniały w naturze. Od początku lat 50-tych producenci samochodów osobowych postanowili zagrać w tę grę i kontynuowali ją do końca lat 60-tych. Era GTE nie trwała długo, ale dała nam całą gamę niezwykłych modeli: Rover Jet1, Fiat Turbina, Ford Thunderbird, Chrysler TurboFlite.

Turbina gazowa jest prostszym i znacznie mocniejszym silnikiem w porównaniu do klasycznego silnika spalinowego. Nic dziwnego, że przemysł motoryzacyjny, który jeszcze przed latami 50. ubiegłego wieku aktywnie zapożyczał szereg rozwiązań technicznych z przemysłu lotniczego, nie pozostał z boku i postanowił spróbować zastosować silniki tego typu w samochodach osobowych. Ponadto sama konstrukcja GTE nie jest skomplikowana: wały z kołami sprężarki i turbiny, z których pierwszy podaje sprężone powietrze do komory spalania wraz z paliwem. Podczas spalania i rozprężania mieszanka robocza obraca koło turbiny, które wykorzystuje energię do obracania sprężarki i, oczywiście, napędu odrzutowego.

Silnik z zaworem desmodromicznym

• Firmy – Bignan, Ducati, Norton, Mercedes-Benz, BMW, Ferrari, Honda
• Niektóre modele – motocykle: Ducati, BMW, Honda, Norton, MV Agusta; samochody: Mercedes-Benz SLR

W konwencjonalnym silniku spalinowym zawory są otwierane na siłę (przez specjalne wahacze) i zamykane przez potężne sprężyny. To właśnie prędkość tych sprężyn i ich niewystarczająca wytrzymałość powodują tak zwane zerwanie połączenia kinematycznego, „zawieszanie się” zaworów, a w konsekwencji ograniczenie prędkości obrotowej silnika. W przypadku siłownika desmodromicznego zawory są również wymuszane i zamykane.

Historia tego know-how sięga początku XX wieku, kiedy to w 1910 roku angielski inżynier Arnott otrzymał patent na desmodromiczny układ rozrządu. W tamtych czasach było to szczególnie istotne, gdyż jakość sprężyn często nie wytrzymywała nawet bardzo niskich obrotów i obciążeń. W praktyce „desmodrom” został po raz pierwszy zastosowany w wyścigowym Peugeocie L76 w 1912 roku, a osiem lat później pojawił się we francuskim samochodzie sportowym Bignan. Pierwszymi motocyklami, w których zastosowano napęd desmodromiczny, były modele brytyjskiej firmy Norton w 1924 roku. Od tego czasu typ ten był również stosowany w motocyklach Mercedes-Benz, Ferrari, BMW, F.B. Mondial i Honda. Mondial i Honda. Jednak włoska firma motocyklowa Ducati pozostaje najbardziej zagorzałym zwolennikiem tego schematu do dziś.