Zanim jednak przedstawimy zapomniane systemy, zacznijmy od początku
Pierwsze prace nad konstrukcją silnika spalinowego datowane są jeszcze w końcu XVIII wieku. Wtedy to chemik i konstruktor Philippe Lebon, zajmujący się we Francji modernizacją tłokowych maszyn parowych, zaproponował wprowadzenie nad tłok gazu palnego i zainicjowanie spalania iskrą elektryczną. Swój projekt opatentował w roku 1801.
Jednakże idea ta nie mogła, przy ówcześnie rozwiniętej technologii, zostać wykorzystana. Niemożliwe było bowiem wyprodukowanie działającego urządzenia.
Dopiero pół wieku później rozwinięcie technologii metaloznawstwa, odlewnictwa i elektryki pozwoliło na skonstruowanie silników wewnętrznego spalania. Od razu też przystąpiono do budowy maszyn samojezdnych. Pionierem w tej dziedzinie był Francuz Etienne Lenoir, który w roku 1862 zbudował jeżdżący samochód napędzany silnikiem spalinowym (na temat tego rozwiązania pisaliśmy TUTAJ). Podobny pojazd wykonał w roku 1870 Austriak Siegfrid Marcus, który zbudował wózek ręczny wspomagany silnikiem spalinowym.
Jednak za ojców pojazdu samochodowego uznajemy dopiero dwóch Niemców: Karla Benza i Gottlieba Daimlera. Obydwaj będąc fachowcami w dziedzinie silników stacjonarnych zdawali sobie sprawę z konieczności opracowania lekkiej, zwartej konstrukcji, o wystarczająco dużej mocy do napędu pojazdu. Oprócz niskiej masy, silnik samochodowy musiał charakteryzować się dużą prędkością obrotową. Podczas gdy stacjonarne silniki pracowały z prędkością ok. 180 obr/min, to wał korbowy pierwszych silników opracowanych przez niemieckich konstruktorów, kręcił się już trzy razy szybciej.
Wyeliminować hałas, czyli system Knight
Ta wyższa prędkość obrotowa zaowocowała jednak potężnym hałasem. Niedostateczna technologia odlewnictwa w tamtych czasach, nie umożliwiała bowiem wykonania magistrali olejowej i wodnej, tak jak znamy to z modeli współczesnych. Brak poprawnie poprowadzonych kanałów wodnych i olejowych sprawiał zaś nie tylko gorsze smarowanie i chłodzenie, ale też brak poprawnego „wyciszenia pracy silnika". Rozwiązanie tego problemu znalazł amerykański inżynier Charles Knight.
Opatentowany przez niego na początku XX wieku system rozrządu był bardzo innowacyjny. Nawet dzisiaj wzbudza spore emocje i niedowierzanie. W układzie wyeliminowano bowiem system zaworów sterujących. Zamiast nich układem dolotu mieszanki i wylotu spalin sterowały tuleje poruszające się ruchem posuwisto zwrotnym tak jak tłok.
Jak działał ten system Knight?
Cylinder A w swej górnej części ma wycięte okno wlotowe N i wylotowe M. W cylinder jest wsunięty suwak sterujący K. Ten szczelnie przylegający suwak także ma dwa otwory F i F1, z których otwór wydechowy F jest nieco wyżej od otworu wlotowego F1. Gdy suwak K podnosi się w cylindrze, jego otwór wydechowy F spotka się z oknem wydechowym cylindra M, przez co odsłonięta zostaje droga wylotu spalin z cylindra. Przesuwający się dalej ku górze suwak K zamknie okno wylotowe i odsłoni z drugiej strony okno dolotowe, gdyż znajdujący się niżej otwór F1 spotyka się z oknem wlotowym cylindra N. Tym samym następuje zassanie mieszanki.
Na razie jest banalnie prosto...
Jednakże gdy suwak zacznie się obniżać, zostanie zasłonięte okno dolotowe i... odsłoni się wylot. Dostarczona mieszanka zostanie zatem „wyrzucona z cylindra". Taka sytuacja uniemożliwiałoby pracę silnika.
Aby uniknąć takich sytuacji zamontowano, wewnątrz suwaka K drugi suwak – L. Jego zadaniem było zasłanianie poszczególnych okien wlotowych, wylotowych, aby możliwe były pełne cykle pracy silnika czterosuwowego. Suwak L spełniał równocześnie rolę tulei cylindra i to z nim stykał się pracujący w silniku tłok D.
Zatem w rozwiązaniu tym, to suwaki zarządzają wlotem mieszanki i wylotem spalin. Ponieważ suwaki wykonywały ruch posuwisto zwrotny, wałek rozrządu nie ma formy wału z krzywkami. Był to drugi wał korbowy. Przyznacie Państwo, że pomysł budowy jest prawdziwym majstersztykiem.
Niestety silnik o tym systemie był nie tylko cichszy, niż wersje klasyczne, ale też znacznie droższy. Stąd też system Knight był jedynie w pojazdach luksusowych. W Europie na stosowanie silnika miały zgodę jedynie, nieistniejące już firmy Minerva w Belgii i Panhard we Francji, oraz Daimler w Niemczech i Laurin & Klement z Czech.
System bezzaworowego rozrządu przegrał jednak wraz z udoskonaleniem technologii produkcji silników tradycyjnym układem rozrządu.
Były suwaki zamiast zaworów, to może obracający się tłok?
W Niemczech, w roku 1926, inżynier Feliks Wankel rozpoczął prace nad nową jednostką. Jednak dopiero współpraca -od roku 1951- z firmą NSU przyniosła efekty tych prób i w roku 1958 był gotowy pierwszy silnik NSU-Wankel.
Jak działa silnik Wankla?
Jednostka ta zupełnie odbiega konstrukcyjnie od tradycyjnych silników. Zamiast tłoka poruszającego się ruchem posuwisto zwrotnym w tulei cylindrowej, inżynier Wankel opracował tłok obrotowy.
Konstrukcja silnika była bardzo prosta: korpus miał owalną część w której poruszał się ruchem wirującym specjalny tłok. Tłok ten miał kształt trójkąta o wybrzuszonych bokach, ze specjalnymi pierścieniami na narożach, mającymi zapewnić szczelność ze ściankami korpusu (jak klasyczne pierścienie tłokowe). W centralnym miejscu korpusu umieszczono koło zębate, które powiązane było na stałe z korpusem. Tłok i koło połączone były poprzez przekładnię zębatą wewnętrzną, dzięki czemu tłok obracał się mimośrodowo obtaczając centralne koło zębate.
Praca przypominała system pracy silnika czterosuwowego. Najpierw jeden bok tłoka stykał się z oknem dolotowym. Następnie tłok poruszając się zmniejszał objętość mieszanki (ruch tłoka względem owalu) i następowało sprężanie. W odpowiedniej chwili następował przeskok iskry elektrycznej zapalającej mieszankę i dalszy obrót tłoka (suw pracy). Na koniec tłok odsłaniał okno wylotowe i spaliny wylatywały z silnika. Bardzo ważnym elementem pracy tej jednostki był fakt, że każde ramię trójkąta (tłoka) samodzielnie przechodziło wszystkie suwy pracy. Kiedy więc jedno z ramion było w fazie dolotu i sprężania na drugim następowała praca, a na trzecim wylot spalin. Był to więc silnik doskonały.
Silnik Wankla – przyszłość motoryzacji?
Licząc, że tak nowoczesna jednostka spowoduje upadek dotychczasowych konstrukcji, koncerny samochodowe przystąpiły do wykupu licencji. Zakupili je m.in. Porsche, Alfa Romeo, Citroen, Daimler Benz, MAN, Magirus i Mazda. Jednak niewielu producentów zdecydowało się na produkcję samochodów z nową jednostką napędową.
Przeszkodą okazało się duże zużycie paliwa i niedoskonałości w uszczelnieniu powodujące duże zanieczyszczenia w spalinach. Ponieważ ostateczne prace projektowe i produkcja pierwszych modeli przypadła na początek kryzysu paliwowego, wiele koncernów wycofało się z produkcji modeli z silnikiem Wankla.
Najbardziej znanym samochodem tamtego okresu posiadającym silnik Wankla był NSU Ro 80 (Ro- znaczyło rotację, czyli obrót tłoka), którego wyprodukowano ok. 40 000 egzemplarzy. Mniej znanym samochodem był Citroen GS Birotor (produkcja zaledwie 800 sztuk).
Jeszcze niedawno silnik Wankla był jednak oferowany. Przetrwał on w koncernie Mazda, gdzie był stale udoskonalany. Ostatnim modelem z Wanklem była sportowa Mazda RX-8. Poradzono sobie tam z uszczelnieniami tłoka, zużyciem paliwa i dokładnością odlewu korpusu. Okazało się jednak, że poprawki były za małe, aby spełniać rygorystyczne normy spalin. W efekcie silnik Wankla w samochodach odszedł na karty historii.
Jako ciekawostkę warto zauważyć, że silnik Wankla w koncernie Mazda powróci jeszcze w roku 2022. Tyle tylko, że nie będzie on napędzał samochodu, ale generator, który produkujący prąd. Taki recharger trafi jako opcja za kilka tygodni do elektrycznej Mazdy MX-30.
A słyszałeś o systemie Comprex?
Kolejnym zapomnianym rozwiązaniem w silnikach jest doładowanie Comprex. Doładowanie poprzez mechaniczną sprężarkę oraz turbinę znają wszyscy, ale doładowanie Comprex? Nazwa tego rozwiązania pochodzi od złożenia słów Compression-Expansion czyli sprężanie-rozporężanie.
W praktyce system był stosowany w latach osiemdziesiątych tylko w kilku tysiącach samochodów Opel Senator (specjalna wersja silnika 2.3D), a w latach 1992-1997 przez Mazdę w modelu 626.
O zaletach tego rozwiązania najlepiej świadczy fakt, że stosowany w Oplu Senator wolnossący silnik 2,3D miał moc 71 KM, 2,3D turbodoładowany osiągał 84 KM, a zaprezentowana w roku 1985 wersja Comprex miała moc 95 KM. Była to jednostka wykorzystywana m.in. przez firmę Irmscher (firma tuningowa powiązana z Oplem).
Jak działa system Comprex?
Tak jak w przypadku turbodoładowania i systemu ze sprężarką mechaniczną, podstawowym elementem urządzenia jest wirnik. W tym przypadku jest to rotor o kształcie walca, w którym znajduje się zestaw ułożonych osiowo kanałów. Napęd wirnika zapewniony jest tak jak w klasycznych
sprężarkach, od obracającego się wału korbowego. Cykl pracy systemu COMPREX zaczyna się od zassania świeżego ładunku powietrza, co jest efektem podciśnienia panującego w kanałach rotora. Kolejna faza pracy następuje gdy obracający się rotor przesuwa kanały do których dopłynął świeży ładunek poza okno dolotowe. Równocześnie z drugiej strony odsłaniane jest okno stykające się z kanałem którym odprowadzane są spaliny z silnika. Spaliny te z dużą siłą wpływają do kanałów wirnika i uderzają w znajdujące się tam doprowadzone z drugiej strony powietrze. Powoduje to sprężenie powietrza. Obracający się dalej rotor odsłania po stronie świeżego ładunku otwór wylotowy, dzięki czemu sprężone powietrze wydostaje się z rotora do kanału dolotowego do silnika. Równocześnie dalszy obrót wirnika zamyka ten otwór wylotowy, uniemożliwiając wypływ spalin będących w kanałach. W efekcie spaliny pozostają w kanałach wirnika i odbijają się od ścianek korpusu. Dalszy ruch wirnika otwiera okno wylotowe po drugiej stronie korpusu i spaliny -odbite od ścianek- wydostają się, stwarzając podciśnienie w kanałach.
Tym samym możliwy jest proces od początku tzn. po odsłonięci okna dolotowego panujące podciśnienie umożliwia zassanie ładunku.
Oczywiście, poprawne działanie układu wymaga precyzyjnego wykonania sprężarki w kontekście „odbicia spalin od korpusu", koordynację ruchu rotora z otwarciem zaworów w silniku, oraz zachowania szczelności pomiędzy kanałami w obudowie a obracającym się walcem.
Właśnie ten ostatni aspekt był największym problemem tego systemu i powodem dlaczego Comprex zniknął z rynku.
