Nietypowe silniki – ze zmiennym stopniem sprężania, owalnymi tłokami, o dziwnym układzie itp. Ludzka fantazja nie zna granic

Właściwie w obecnych czasach trudno ustalić, jaki próg „egzotyczności” silnika jest wystarczający. Powoli obecność jakiejkolwiek jednostki spalinowej pod maską zaczyna być nietypowa.

Zwykły benzynowy, dwulitrowy, czterocylindrowy silnik bez doładowania w samochodzie kompaktowym staje się sensacją. Całkiem normalne w tym miejscu zaczynają się wydawać jednostki trzycylindrowe o pojemności 1.0. Oczywiście mocno doładowane.

Tutaj chcieliśmy jednak pójść o krok dalej i pokazać, jak wielka jest kreatywność inżynierów, gdy mają do rozwiązania konkretny problem. Weźmy walkę o właściwy stopień sprężania. Dzisiaj, dzięki postępowi w metodach obliczeniowych i jakości elementów wykonawczych, jesteśmy w stanie wykonać silnik benzynowy o stopniu sprężania rzędu 14:1. Bez dodatkowych mechanizmów, no może z wyjątkiem układu zmiany faz rozrządu pozwalającemu na szerszy zakres pracy.

O co chodzi? W skrócie – żeby suw pracy silnika był efektywnie większy niż wytracające energię sprężanie i by można ten efekt stosować w zależności od potrzeb. Kiedyś potrzebne były skomplikowane mechanizmy – Saab eksperymentował z konstrukcją głowicy, Infiniti wprowadziło do produkcji system z mocno nietypowym układem korbowo-tłokowym.

Inny przykład: gdy przepisy sportowe wymagają, by silnik miał 4 cylindry, a z obliczeń wynika, że optymalne będzie zastosowanie 32 zaworów – zróbmy silnik o owalnych tłokach (obrazowo: połączmy dwa cylindry w jednym).

Mamy mało miejsca pod maską, a potrzebujemy coś dużego kalibru? Bierzemy dwa silniki i łączymy w całość. Dwa tłoki w jednym cylindrze? Też nie problem. Silnik Wankla wydaje się przy tym całkiem zwykły.

Zmienny stopień sprężania 

• Z prototypową uchylną głowicą

Jeszcze dwadzieścia lat temu nie panowano na tyle nad procesem spalania mieszanki, aby zaryzykować stosowanie w silniku benzynowym, zwłaszcza doładowanym, wysokiego stopnia sprężania – rzędu 10:1 i więcej. Z jednej strony byłoby to korzystne dla zużycia paliwa, z drugiej jednak – groziło dewastującym dla jednostki spalaniem stukowym. Saab postanowił pogodzić ogień i wodę w prototypowym silniku SVC. Wyróżniała go głowica, która mogła być pochylana względem bloku silnika o 4 stopnie. Zmieniało to objętość komory spalania, a co za tym idzie – stopień sprężania w zakresie od 8:1 do 14:1.

• Łatwo się domyślić, że problemem jest uszczelnienie cylindrów – w tym układzie za pomocą gumowych mieszków. Ogólnie skończyło się na prototypie.

Zmienny stopień sprężania 2.0

• Tym razem seryjnie

Powyżej opisaliśmy jednostkę Saaba – przyczyny walki o zmienny stopień sprężania i szwedzki pomysł na uzyskanie tego efektu. Inżynierowie Inifniti podeszli do tej sprawy od drugiej strony. Dosłownie – zajęli się nie głowicą, ale układem korbowo-tłokowym. W silniku VC-T z 2016 r. dodatkowy mechanizm zmienia relatywne położenie punktu podparcia stopki korbowodu względem wału napędowego, co umożliwia płyną zmianę skoku tłoka. Daje to pożądaną zmianę stopnia sprężania (w zakresie od 8:1 do 14:1), a przy okazji – także zmianę pojemności skokowej. W przypadku tej jednostki w zakresie od 1971 do 1997 cm³. 

• Silnik trafił do seryjnej produkcji, zadebiutował w modelu Infniniti QX50, stosowany jest w rozmaitych wersjach na różnych rynkach do dziś, także w modelach Nissana, głównie SUV-ach.

Owalne tłoki 

• Żeby nie było zbyt nudno

Kto powiedział, że tłoki muszą być okrągłe? Honda w motocyklowym silniku z modelu NR750 (bazującym na rozwiązaniach wyścigowego NR500) wykorzystała tłoki owalne. Każdy podparty był przez dwa korbowody, były dwie świece na cylinder, a celem całej operacji była chęć zwiększenia liczby zaworów na cylinder. Trzeba przyznać, że zakończona sukcesem: było ich osiem (!), w sumie 32 na czterocylindrową jednostkę. 

• Problemy z uszczelnieniem cylindrów oraz wysokie tarcie ograniczały możliwości silnika.

Silnik „jednosuwowy”

• Osiem tłoków w czterech cylindrach

Znamy silniki czterosuwowe (cykl pracy obejmuje cztery fazy: ssanie, sprężanie, praca, wydech – zajmuje to dwa obroty wału korbowego). W dwusuwach cały obieg pracy następuje co drugi suw tłoka. Ale jednostka jednosuwowa, gdzie cały obieg zamyka się w jednym suwie tłoka?

Marketingowo w ten sposób reklamowany jest silnik INNengine. W jednym cylindrze poruszają się naprzeciw siebie dwa tłoki – nie ma głowicy ani mechanizmu korbowego (tutaj rolę przejmuje obrotowa krzywka). Zamiast zaworów są kanały przesłaniane przez tłoki (jak w dwusuwach). 

• Czy to jest silnik 1-suwowy? No nie, musielibyśmy przyjąć, że cała jednostka ma jedną komorę spalania – a są cztery.

Wirujące tłoki 

• Silnik Wankla wiecznie żywy

Z opisywanych tu silników jednostka z wirującym mimośrodowo, wybrzuszonym, trójkątnym tłokiem poruszającym się w owalnej komorze właściwie najmocniej odbiega od tego, co uznajemy za normalne. A jednak... zdobyła największą popularność.

Przyjęta zasada działania sprawia, że przy ograniczonych wymiarach i masie silnika generowana jest spora moc, mamy dość prostą konstrukcję z niewielką liczbą elementów ruchomych oraz cichą i pozbawioną wibracji pracę. Problemami są uszczelnienie komór pracy na krawędziach tłoków, straty ciepła z uwagi na kształt komór spalania i spore zużycie paliwa.

• Mazda, po przerwie, przywraca produkcję jednostek Wankla.

„Nieparzysty” silnik widlasty 

• Trzy cylindry w jednym rzędzie, dwa w drugim

W silnikach widlastych naturalna wydaje się parzysta liczba cylindrów, tak aby silnik był „symetryczny”, na każdy rząd przypadało po tyle samo masy. Podświadomie czujemy, że sprzyja to lepszemu wyrównoważeniu jednostki, gdy żadna ze stron nie ma tu przewagi.

Oczywiście i od tej zasady są wyjątki. Najpopularniejszy przykład – choć wciąż egzotyczny – to jednostka VR5 od Volkswagena, skrócony wariant VR6 o małym kącie rozwarcia cylindrów, pozwalającym na stosowanie jednej głowicy. Na zdjęciu powyżej mamy silnik V5 z wyścigowego motocykla Honda RC211V, o kącie rozwarcia cylindrów 75,5°. Jednostka święciła triumfy w zawodach MotoGP w latach 2002-2006.

• Wyważenie takich silników jest dalekie od idealnego, choć nie wpływa to na ich trwałość. Są jednak dość drogie w produkcji, dziś się ich w praktyce nie stosuje.

Silnik W16 

Wszystkiego najwięcej

Na początku był silnik VR6 produkcji Volkswagena: trochę rzędowy, trochę widlasty, bo o kącie rozwidlenia tylko 15°. Możliwe było zastosowanie jednej głowicy, silnik mimo sporej pojemności (2,8/2,9 litra) mieścił się w Golfie czy Corrado. 

Idźmy dalej – skoro jednostka jest niewielka, można dosłownie wziąć dwie, rozchylić względem siebie i połączyć jednym mechanizmem korbowo-tłokowym. Mamy silnik dwunastocylindrowy. Też bardzo zwarty, gdyż cylindry w pewnym sensie „zachodzą” na siebie. Od frontu taki układ przypomina literę „W” – stąd nazwa. Te silniki montowano w różnych modelach Audi i Bentleya, ale też w Spykerach. A jeśli potrzebujemy jeszcze czegoś więcej, np. na potrzeby Bugatti? Z silników VR6 robimy VR8 i łączymy dwa na opisanej zasadzie.

• Taki silnik debiutował w Bugatti Veyronie, obecne wcielenie z modelu Chiron i pochodnych ma 8 litrów pojemności, cztery turbosprężarki i w podstawowej wersji rozwija moc rzędu 1500 KM. 

Napęd turbinowy

• Jak w czołgu 

Sam w sobie ten rodzaj napędu nie jest egzotyczny. Napędy turbowałowe (dość zbliżone do odrzutowych, ale turbiny napędzają pojazd nie przez odrzut gazów, ale poprzez mechaniczną przekładnię i dalej) stosowane są powszechnie w śmigłowcach, samolotach regionalnych, a na lądzie – np. w zamówionych przez nas czołgach Abrams. Są w miarę niewielkie i generują dużo mocy. Przy okazji zużywają masę paliwa, słabo reagują na dodanie lub odjęcie gazu. Są też drogie.

• Najbardziej znane eksperymenty z jego zastosowaniem poczynił Chrysler. Pracował nad tym od lat 30. do 60. ubiegłego wieku.