W erze silników hybrydowych dalej aktualny jest problem zwiększenia sprawności silnika spalinowego. Zasadniczo „od zawsze” było jasne, że jedną z dróg podniesienia sprawności silnika benzynowego jest zwiększenie jego stopnia sprężania. Według definicji stopień sprężania (pot. kompresja) to stosunek objętości powietrza w cylindrze silnika na końcu suwu ssania do objętości powietrza na końcu suwu sprężania. Ściślej to stosunek objętości cylindra silnika w dolnym martwym położeniu do objętości cylindra silnika w górnym martwym położeniu.
Ale dopuszczalny stopień sprężania jednostki tłokowej ograniczony jest odpornością paliwa na spalanie stukowe. Masowa produkcja paliwa o znacznie wyższej liczbie oktanowej (jednocześnie bezołowiowego) byłaby ekonomicznie nieuzasadniona, natomiast handlowa benzyna wystarcza w najnowocześniejszych silnikach wolno-ssących do pracy ze stałym stopniem sprężania maksymalnie rzędu 11,5:1 (muszą to być już kosztowne silniki z bezpośrednim wtryskiem), zaś w jednostkach doładowanych ta wartość może wynieść najwyżej 10:1. Tymczasem optymalny z punktu widzenia sprawności jednostki stopień sprężania wynosi ok.16:1–17:1. I to jest właśnie dylemat – stopnia sprężania nie można podnieść (konstrukcyjnie) na stałe powyżej „bezpiecznych” wartości z obawy o spalanie stukowe przy pełnym obciążeniu, które gwałtownie obniża sprawność procesów zachodzących w silniku i może spowodować jego zniszczenie. Z drugiej strony większość silników przez olbrzymią większość czasu jest obciążona tylko częściowo, co pozwoliłoby na zastosowanie bardzo wysokich stopni sprężania. I wtedy właśnie jednostki ze stałym, ograniczonym stopniem sprężania mają najniższą sprawność, zużywając znacznie więcej paliwa na KM/h (koń mechaniczny na godzinę), niż mogłyby. Ten rozdźwięk pomiędzy potencjalnie optymalną a rzeczywistą sprawnością jest wyjątkowo znaczący w silnikach dużych oraz w klasycznych jednostkach doładowanych.
Konstruktorzy bronią się przed tym zjawiskiem, stosując zaawansowane programy zasilania i zapłonu, zmienne kąty rozrządu, długości kanałów dolotowych itp. Ale jest to walka z góry prawie przegrana – jedynym rozwiązaniem jest zmienny (dodajmy bardzo szybko zmienny w zależności od obciążenia) stopień sprężania.
Jako kierowca starej daty z zainteresowaniem odnotowałem informacje na temat czterocylindrowego silnika z turbodoładowaniem VC-T (Variable Compression Turbocharged) Infiniti, który według Nissana wkrótce pojawi się w nowych modelach jego marki. Podczas analizy patentowej okazało się, również, że Nissan ma konkurencje w postaci silnika MCE-5 produkcji francuskiej, który z powodzeniem przechodzi próby drogowe w testowych modelach Peugeota, a na dodatek, pojawił się wątek polski z silnikiem o zmiennym stopniu sprężania Pana Mirosława Szymkowiaka, który został nagrodzony w konkursie „ Innowacje dla Sił Zbrojnych” w 2016 roku.
Według danych literaturowych technologia silnikowa VC-T w wersji Infinity umożliwia bezstopniowe podnoszenie lub obniżanie denka tłoka dla zmiany górnego, martwego położenia tłoka. W efekcie zmianom ulegają skok tłoka i pojemność skokowa silnika, a stopień sprężania może się płynnie zmieniać w zakresie od 8,1:1 (dla wysokich, wyczynowych osiągów) aż po 14,1:1 (dla maksymalizacji wydajności). System sterowania silnikiem VC-T automatycznie dobiera optymalny stopień sprężania do wymagań chwili. Przechodząc do konkretów należy stwierdzić, że konstrukcja silnika VC-T w wydaniu Nissana objęta jest wielokrotną ochroną patentową, która towarzyszy rozwojowi silnika przez ostatnie 20 lat. Po analizie listy patentów wybrano jeden przykładowy patent us6505582 Variable compression ratio mechanism of reciprocating internal combustion engine, który najbardziej czytelnie opisujący zasadę działania w/w silnika.
Według opisu opracowana konstrukcja silnika spalinowego VC-T, charakteryzuje się zmiennym stopniem sprężania, zależnym od warunków pracy silnika, takich jak prędkość obrotowa i obciążenie. Konstrukcja silnika posiada wieloczęściowy korbowód ( Multiple-link), który składa się z trzech ogniw , korbowodu tłoka 3 , wahacza 4 oraz korbowodu sterującego 7. Poruszający się ruchem posuwisto zwrotnym tłok 9 połączony przez korbowód 3 z wahaczem 4 osadzonym na wale 5 powoduje ruch wahadłowy wahacza 4, którego położenia krańcowe określa korbowód sterujący 7. Korbowód sterujący 7, jest połączony jest z wahaczem 4 osią 22, a drugim końcem osadzony jest na mimośrodzie 8a wałka sterującego 8. Wałek sterujący 8 jest zamontowany w bloku cylindrów 10, a jego położenie kątowe jest regulowane przez siłownik sterownika, ( nie objęty rysunkiem), który reguluje stopień sprężania silnika. Regulacja TDC ( top dead center ) zapewnia płynną regulacje stopnia sprężania silnika poprzez zmianę położenia elementu mimośrodowego 8a wałka sterującego 8. Zaletą opracowanej konstrukcji jest maksymalizacja wartości bezwzględnej parametru I V*Wexp I, tzn. iloczynu prędkości liniowej tłoka V podczas suwu pracy ( w dół) oraz siły obciążenia Wexp.
Uproszczona Ilustracja działania silnika według wynalazku przedstawia krótkie video: https://youtu.be/PIWYoWvyE4s
Konkurencją dla Nissana, jest firma francuska MCE-5 Development, rozwijająca konstrukcje silnika MCE-5 opatentowaną przez wynalazcę Vianney Rabhi, który zastrzegł układ silnika o zmiennym stopniu sprężania już w 1997 roku. Również w tym przypadku lista patentów jest obszerna więc do prezentacji zasady działania silnika MCE-5 wybrano patent us6354252 Device for varying a piston engine efective volumetric displacement ad/or volumetric ratio of turing its operations, jako najbardziej czytelny dla zwykłego posiadacza czterech kółek.
W dużym uproszczeniu istota silnika MCE-5 polega na tym, że korbowód w każdym cylindrze nie jest połączony sworzniem bezpośrednio z tłokiem, ale z rodzajem dźwigni dwustronnej (w postaci zębatki ). Ta dźwignia oparta jest z jednej strony wahliwie na suwaku tłoka silnika , a z drugiej opiera się poprzez wycinek zazębienia na suwaku innego tłoka, który jest częścią hydraulicznego siłownika o zmiennym położeniu. Gdyby drugi suwak/siłownik pozostawał nieruchomy, silnik pracowałby ze stałym stopniem sprężania, zaś odmienna byłaby tylko współpraca tłoka z wałem korbowym. Zauważmy przy tym, że roboczy tłok ze swym suwakiem prawie nie jest tu obciążany siłami prostopadłymi do jego osi i dzięki temu pojawia się pierwsza zaleta nowego rozwiązania – mniejsze siły tarcia tłoka w cylindrze, brak uderzeń w górnym i dolnym zwrotnym punkcie, możliwość użycia pierścieni tłokowych o mniejszej sprężystości – czyli mniejsze straty mechaniczne. Korbowód jest podobny do klasycznego, jednak znacznie krótszy, a ponieważ współpracuje z tłokiem poprzez dźwignię o przełożeniu 2:1 (wał korbowy ma o połowę mniejsze wykorbienia), podlegać musi dwukrotnie większym siłom ściskającym.
Pierwszy wariant silnika, który przestawia Fig.1-4, zawiera tłok 1 w cylindrze 2, bloku silnika 5, zawory 3,4,15, w głowicy cylindra 6 ze świecami iskrowymi 8, nad komorą spalania 9 oraz wał korbowy 7. Korbowód 13 połączony jest z tłokiem 1 poprzez przekładnie zębatą ( jedna strona dźwigni ) w skład której wchodzi zębaty suwak tłoka 10 oraz koło zębate 14 zamocowane swobodnie na wale korbowym 13. Koło zębate 14 połączone jest również z drugiej strony ( druga strona dźwigni ) z zębatą prowadnicą sterującą 11, której położenie w pionie jest regulowane przez zębaty wałek układu rozrządu 20. Ruch posuwisty zębatki sterującej 11 modyfikuje punkt początkowy skoku tłoka 1 w stosunku do cylindra 2.
W drugim wariancie silnik, Fig.5, zębatka 14 ( jako dźwignia) może mieć kształt ograniczonego profilu zębatego tzn.:, że zachowuje tylko zęby przekładni, które są przydatne w przekazywaniu ruchu pomiędzy tłokiem 1, a korbowodem 13 . Prowadnica 11 stanowi element mechanizmu przekładniowego z profilem zębatym 14 osadzonym swobodnie na końcu korbowodu 13 oraz zębatym suwakiem 10 tłoka 1. Ruch prowadnicy 11 modyfikuje punkt początkowy skoku tłoka 1 w stosunku do cylindra 2 co powoduje zmianę objętości komory spalania 9 a ty samym zmianę stopnia sprzężenia.. W tym wariancie silnika zębata prowadnica 11 jest sprzężona z tłokiem 47 siłownika hydraulicznym 45, który odpowiada za regulacje jej położenia względem zębatki 14. Konstrukcja silnika może być wyposażona również w inne systemy regulacji stopnia sprężania (uwaga opisu ), które zawierają sondy pomiarowe różnych parametrów silnika oraz sterownik elektromecha-niczny w pętli regulacji w/w parametru. W obu wariantach konstrukcji silnika nowość rozwiązania polega więc na tym, że punkt podparcia zębatki 14 – jako dźwigni może się przemieszczać zgodnie z ruchem prowadnicy 11 siłownika układu regulacji. Regulacja położenia zębatej prowadnicy 11 skutkuje w praktyce zmianą stopnia sprężania, tak jakby powodował wydłużenie i skrócenie korbowodu. Uproszczona Ilustracja działania silnika MCE-5 według wynalazku przedstawia krótkie video: https://youtu.be/HVtKySd27sk
.Jak podaje firma MCE-5, szybkość zmian położenia tłoków hydraulicznych jest duża – stopień sprężania można zmienić od 7:1 do nawet 20:1, w czasie poniżej 100 milisekund. Możliwa jest też, przy odpowiedniej konstrukcji, zmiana stopnia sprężania indywidualnie dla każdego cylindra. Co ciekawe, system sterowania przewiduje dokładną wstępną regulację położenia tłoków (wyrównanie pojemności komór spalania) za pomocą urządzenia (11), co powoduje, że kadłub i poszczególne elementy nie muszą być wykonane w bardziej ścisłych tolerancjach niż w tradycyjnym silniku spalinowym.
Polskie rozwiązanie silnika o zmiennym stopniu sprężania przedstawia aplikacja patentowa EP3040509 The pistons device with compressing–expanding chambers, Mirosław Szymkowiak, która opisuje sposób przeniesienia ruchu posuwisto-zwrotnego tłoków na ruch obrotowy wału korbowego oraz nowatorskie umieszczenie wału korbowego pomiędzy rzędami tłoków.
Konstrukcja silnika według wynalazku zawiera mechanizm korbowo tłokowy zbudowany z z wału korbowego 1 o osi 12 korbowodu 2 o osi 15, wału 3 wahacza 4 o osi 14 , wahacza 4, korbowodu 5 tłoka 6, cylindra 7, głowicy 8 , sworznia 11 tłoka 6, sworznia 13 wahacza 4, znajdujące się w korpusie 10 . Silnik posiada głowicę 8 nad tłokiem 6 cylindra 7 oraz układ zasilania paliwowego 9. Poruszający się ruchem posuwisto zwrotnym tłok 6 w osi 16 cylindra 7 połączony poprzez korbowód 5 z wahaczem 4 osadzonym na wale 3 powoduje ruch wahadłowy wahacza 4, a poprzez połączenie wahacza 4 poprzez korbowód 2 z wałem korbowym 1 ruch obrotowy wały korbowego 1 osadzonego obrotowo w korpusie 10. Wał korbowy 1 połączony jest z tłokiem 6 za pośrednictwem wahacza 4. Ruch posuwisto zwrotny tłoka 6 powodowany jest poprzez ciśnienie gazów powstałych w wyniku procesu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej dostarczanej z układu zasilania paliwowego 9 do cylindra 7, tzn.: w wyniku procesu spalania w przestrzeni cylindra pomiędzy górną częścią tłoka 6, a dolna częścią głowicy 8. W korpusie 10 silnika zamocowany jest wał 3 wahacza 4 o osi 14 równoległej do osi 12 wału korbowego 1. Wał 3 wahacza 4 posiada mimośród 18 o osi 19 co zapewnia osadzenie wahacza 4 na mimośrodzie 18 wału 3. Taka konstrukcja zapewnia zmianę stopnia sprężania silnika poprzez wymuszony z zewnątrz obrót wału 3 z mimośrodem 18 w zakresie od 0 do 180 stopni. Wskutek obrotu wału 3 wahacza 4 oś obrotu wahacza 4 ( oś mimośrodu) przemieszcza się w przestrzeni a tym samym zmienia się położenie górnego martwego punktu tłoka (GMP).
Według opinii autora zastrzeżonej konstrukcji, Mirosława Szymkowiaka, w/w silnik wyróżnia się płynną zmianą stopnia sprężania w trakcie jego pracy oraz możliwością zastosowania różnorodnych paliw ( różnych benzyn, ropy , gazu, biopaliwa czy biogazu) oraz większą sprawnością a także zwiększeniem żywotności układu tłok-cylinder . Innymi zaletami nowego rozwiązania są:
• występowanie wielokrotnie mniejszej siły boczne działającej na tłok, co powoduje zmniejszenie zużycia gładzi cylindrów i tłoków a więc ich dłuższą żywotność;
• możliwość uzyskania momentu obrotowego od samego początku procesu rozprężania;
• połączenie cech silnika krótko-skokowego (wał korbowy) z długo-skokowym ( skok tłoka) ,
• podniesienie sprawności a więc zmniejszenie zużycia paliwa;
• wyeliminowanie wodzika w silniku okrętowym dla S/D>2, a więc znaczne zmniejszenie jego wysokości;
• korzystny stosunek objętości bryły silnika do zawartej w niej pojemności skokowej
• montaż wału korbowego z gór y silnika.
Silnik ze zmiennym stopniem sprężania przeszedł badania prototypowe, które potwierdziły wstępne założenia co do poprawności działania silnika oraz dziedziny przyszłych zastosowań, szczególnie w odniesieniu do silników o prędkości obrotowej do ~2500 obrotów na minutę , napędzających jednostki o dużych mocach , takie jak : okręty, lokomotywy, agregaty prądotwórcze ciągniki , duże ciężarówki. Z uznaniem należy podkreślić, że wielopaliwowy silnik spalinowy Szymkowiaka ze zmiennym stopniem sprężania zyskał najwyższe uznanie jury konkursu „Innowacje dla Sił Zbrojnych RP” w kategorii indywidualnej, zorganizowanego przez Inspektorat Implementacji Innowacyjnych Technologii Obronnych ( I3TO) przy współudziale Wojskowej Akademii Technicznej.
Wnioski: Przeprowadzona analiza patentowa zmusza do refleksji na temat zaangażowania zagranicznych firm w rozwój nowych technologii i konstrukcji. Oczywistym wydaje się więc, że 20 lat inwestycji w przypadku Nissana i prawie tyle samo przy silnika MCE-5 wymaga sporego nakładu inwestycyjnego w laboratoria i pracowników. Przechodząc na nasze podwórko można sobie tylko życzyć zielonego światła dla polskiej innowacyjności, która wymaga nie tylko slajdów ale realnej pomoc techniczna i finansowej dla wynalazców borykających się z wdrożeniem swoich pomysłów. Widać to wyraźnie na polskim przykładzie, gdzie Mirosław Szymkowiak apeluje o sponsoring w rozwoju silnika swojego pomysłu, ze względu na duże koszty prowadzonych prac badawczych. Reasumując można stwierdzić, że poważny rozwój innowacyjności wymaga poza programem rozwoju innowacyjności również inwestycji w naukę i szkolnictwo techniczne już od poziomu technikum oraz adaptacje prawa wynalazczego do bieżących uwarunkowań rozwoju kraju.