MAN-M/System M

Był to dość udana próba usunięcia wielu wad tradycyjnych silników dieslowskich. Meurer uwzględnił zjawiska towarzyszące reakcji spalania, w celu stworzenia dużo bardziej efektywnego silnika wysokoprężnego. Pokrótce postaram się opisać ten system.

Zjawiska towarzyszące spalaniu

W silnikach ZS ważne jest odpowiednie wymieszanie paliwa i powietrza w komorze spalania. Odpowiednie rozproszenie kropel paliwa w cylindrze, zawirowania w celu uzyskania optymalnej mieszanki, czy inne tego typu rozwiązania mające za zadanie polepszenie jakości procesu spalania. Wszelkie wady w procesie spalania przypisywano złemu wymieszaniu i niedostatecznemu „oblepieniu” odpowiednio małych kropel przez powietrze i ich odparowaniu. Istotnie takie podejście przynosi efekty i poprawia pracę silnika. Jednak na spalanie mają wpływ także inne zjawiska, które odgrywają dość poczesną rolę.

Zjawiska chemiczne reakcji spalania

W paliwa dla silników ZS to przede wszystkim węglowodory. A zatem często występują wiązania C-H oraz C-C. Gdy (dość) chłodne paliwo miesza się z gorącym powietrzem, dochodzi do rozpadu cząstek, co ułatwia samozapłon. Jednak tak nagła reakcja ma swoje swoje wady. Uwolniony wówczas zostaje reaktywny wodór, ponadto powstają reszty bogate w węgiel, niezbyt skłonne do utlenienia. W takiej sytuacji sprawę załatwiłby katalizator (para wodna), jednak z pewnych względów w cylindrze nie ma to miejsca. W sumie przebieg tej reakcji dobrze obrazuje sposób pracy tradycyjnego diesla – po zapłonie gwałtowny wzrost ciśnienia oraz hałas (reakcja wodoru), później silny spadek ciśnienia i emisja sadzy (niedopalone reszty węglowe). Warto zauważyć, że im wyższa temperatura tym opisane wyżej reakcje przechodzą szybciej. Proces przebiega lawinowo i nie sposób go zatrzymać, efektem jest całkowity rozpad cząstek.

System M

Uznano, że należy zapobiec wystąpieniu tej reakcji. Aby nie dopuścić do niekorzystnej sytuacji całkowitego rozpadu cząstek paliwa, konieczna jest zmiana sposobu tworzenia się mieszanki. System ten opierał się na trzech założeniach:

1. Główna część dawki powinna odparować poprzez ogrzewanie przy niedostatecznej ilości tlenu (nieprzekroczona dolna granica wybuchowości). Ważnym jest aby nie doszło do przegrzania paliwa. Odparowane paliwo łatwo miesza się z powietrzem, ponadto takie opary mają wyższą temperaturę samozapłonu niż mgła paliwa podgrzana przez gorące powietrze (czyli mieszanka uzyskana w sposób klasyczny).
   
2. Odparowane i (zbytnio) nie objęte rozpadem paliwo, ma mieszać się z powietrzem stopniowo i na miarę możliwości w ilościach stechiometrycznych. Nie wolno dopuścić do samozapłonu zasadniczej części dawki paliwa.
   
3. Zapłon dawki opisanej w pkt. 1 i 2 następuje od płomienia. Ma on mieć źródło we wstrzykniętej osobno minimalnej dawce paliwa objętej samozapłonem (wg. schematu typowego dla klasycznego silnika wysokoprężnego).
   

Do praktycznej realizacji użyto 2-otworowego wtryskiwacza (osobno dawka główna i zapalająca, odpowiednio 95 i 5 [%] objętości paliwa) skierowanego do kulistej komory wewnątrz tłoka (w tłoku była wnęka w kształcie kuli ściętej od góry, oraz dodatkowa wnęka pod wtryskiwaczem na obrzeżu kulistej powierzchni). Paliwo rozlewało się cienką warstewką po powierzchni kulistej, ulegało odparowaniu i tylko nieznacznemu rozpadowi (chłodzenie tłoka olejem natryskiwanym od dołu). Samozapłon następuje od żarzących się niedopalonych reszt węglowych (sadzy), pochodzących od dawki zapalającej.
W efekcie otrzymano silnik cechujący się cichą pracą (zwłaszcza jak na klasycznego diesla), małą skłonnością do dymienia, bardzo niską wrażliwością na liczbę cetanową paliwa. Ponadto spalanie przebiega łagodnie, ciśnienie maksymalne jest niższe niż w klasycznym silniku tego typu (co korzystnie wpływa trwałość - spadek obciążenia mechanicznego).

Dalszy rozwój

Następne ogniwo ewolucji tego systemu nosiło nazwę HM. Lepsze parametry pracy (mniejsze lambda, lepsze napełnianie, nieco niższe zużycie paliwa) osiągnięto dzięki silniejszym zawirowaniom powietrza w cylindrze (nie zawsze przynosi to efekty, tutaj jednak sprawa ma się inaczej) – wewnątrz kulistej komory dochodzi do rozwarstwiania się powietrza i par paliwa wskutek intensywnego ruchu wirowego. Skutkuje to lepszym wymieszaniem i korzystniejszymi parametrami pracy.
Finalnym zwieńczeniem osiągnięć tego systemu była odmiana FM, oprócz cech wyżej wymienionych, dodatkowo zainstalowano zapłon iskrowy. (Konstrukcja była zatem niejako mieszana: ZS i ZI w jednym) Był to już właściwie silnik wielopaliwowy.

Cummins PT

Nieco poza konkursem – w/w system zasilania i wtryskiwacz. O aparaturze i systemie jako całości może kiedy indziej. Na razie opis wtryskiwacza. Konstrukcja odmienna od typowych, pracowała w sposób przypominający (przynajmniej mnie) opisany wyżej system M. Masywna iglica wtryskiwacza unosiła się początkowo do góry, odsłaniając jednocześnie dyszę paliwa. Paliwo było rozpylane pod iglicą wewnątrz wtryskiwacza (w tzw. komorze zmieszania). Do wspomnianej komory trafia powietrze z cylindra, nawet wcześniej niż samo paliwo (ruch iglicy ku górze nie dopuszcza paliwa do cylindra). W komorze zmieszania paliwo ogrzewa się i częściowo odparowuje. Ruch iglicy ku dołowi wstrzykuje mieszankę do cylindra. Samozapłon następuje niemal natychmiast.
Widać pewne podobieństwo obu systemów (ogrzewanie mieszanki i jej parowanie przed zapłonem zorganizowane w szczególny sposób).
Oba rozwiązania od dawna nie są już stosowane, jednak uzmysławiają jak ważne są detale i pozornie nieistotne procesy.

Rozrząd suwakowy

Bardzo specyficzna metoda rozwiązania układu rozrządu. Użytkowana we wczesnych pojazdach samochodowych i silnikach lotniczych. Ten mechanizm zupełnie nie przystaje do rozrządów zaworowych. Ostatecznie zanikł około lat `50. Wówczas ich rozwój został zarzucony na rzecz silników zaworowych.

Opis systemu

W głowicy zupełny brak zaworów (brak jakichkolwiek zaworów). Dolotem i wylotem mieszanki steruje tuleja (czytaj wydrążony walec) umieszczona wewnątrz cylindra. Na powierzchni bocznej tulei są wycięte otwory(„porty”), które pozwalają na przepływ mieszanki/spalin, do i z cylindra. W efekcie tłok porusza się bardziej wewnątrz tulei rozrządu, niż w cylindrze. Zasadniczo mechanizmy te można podzielić na dwie grupy:

1. Suwaki o ruchu obrotowym jednostajnym – prędkość obrotu jest proporcjonalna do obrotu wału, poza siłą odśrodkową suwaki tego typu nie podlegają działaniu sił bezwładności.
   
2. Suwaki wykonujące ruch niejednostajny (wahadłowy), podlegają działaniu sił bezwładności.
   

Jeśli chodzi o silniki czterosuwowe zastosowanie znajdują jedynie te opisane w pkt. 2. Jednak nawet wśród nich można znaleźć kilka rozwiązań, z których opiszę dwa podstawowe systemy:

1. Knight – Był to system wcześniejszy, oparty o dwie tuleje rozrządu (cylinder - tuleja zew. - tuleja wew. - tłok). Tuleje poruszały się ruchem posuwisto zwrotnym (podobnie jak tłok). Wał korbowy napędzał wał (również wykorbiony), do którego wykorbień były umocowane korbowody suwaków.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
2. Burt - McCollum – Jest to system nieco prostszy oraz bardziej skuteczny. Występowała jedna tuleja rozrządu, poruszająca się ruchem wahadłowym. System ten pozwalał rozwiązać jeden z kluczowych problemów tego mechanizmu – uszczelnienie. Tuleja tuż przed suwem spalania poruszała się ku górze, a porty chowały się w głowicy za pierścieniami uszczelniającymi. Pozwoliło to na silniejsze obciążanie silnika bez obawy o szczelność.
   
   
   
   
   
   

Zalety

System ten narzucał liczne wymagania w zakresie produkcji i obsługi, jednak oferował sporo w zamian. Pośród zalet można wymienić: lepsze napełnianie świeżym ładunkiem (większa moc), cichą pracę (brak części uderzających, takich jak popychacze, zawory czy dźwignie), zwartą budowę silnika (silnik jest niższy, sterowanie i napęd rozrządu zamknięte w skrzyni korbowej), prosta konstrukcja głowicy (a zatem możliwość niemal dowolnego kształtowania komory spalania). W silnikach zaworowych (iskrowych) zawór wydechowy (w czasie suwu wydechu) wnika do komory spalania. Jest to jednocześnie element „gorący”,(podnosi temperaturę wewnątrz cylindra) co sprzyja spalaniu stukowemu. W silnikach z rozrządem suwakowym, brak tego typu elementu (mniejsze ryzyko wystąpienia spalania stukowego, czyli możliwość zastosowania wyższego stopnia sprężania, a więc wyższa sprawność).

Wady

Pośród wad (które ostatecznie przeważyły nad zaletami), można wymienić: duże powierzchnie trące (konieczność starannego olejenia, oraz wymagana duża ilość oleju), suwaki które same w sobie były ciężkie i trudne w wykonaniu (efekt – dość wysoka cena), ponadto rozruch zimnego silnika był szczególnie trudny (ze względu na duże powierzchnie trące). Naprawa i obsługa silników tego typu była żmudna i skomplikowana (kwestia wymiany suwaków). W przypadku utraty olejenia dochodzi do zatarcia (nic niezwykłego, ale rozmiar szkód w silnikach tego typu jest szczególnie porażający). Jednak prawdziwą zmorą był problem uszczelnienia - jako że gorące spaliny z komory ulatują przez nieszczelności z dużą prędkością i przekazują tamże olbrzymie ilości ciepła, powoduje to miejscowe uszkodzenie materiału. Próba zaradzenia temu problemowi poprzez zmniejszenie luzów czy mocniejszy docisk w miejscach uszczelnianych powoduje wzrost oporów ruchu, a zatem spadek sprawności.

Konkluzja

Podstawowa trudność konstrukcyjna polegała na zapewnieniu odpowiedniego uszczelnienia komory spalania. Niedogodność ta uniemożliwiała silne obciążenie silnika oraz ograniczała rozpowszechnienie tego mechanizmu. Problem ten został rozwiązany zbyt późno, gdyż okazało się, że rozrząd zaworowy nie stanowi przeszkody dla wysokich osiągów silnika. W produkcji seryjnej były już silniki DOHC, pojawiała kompensacja luzu zaworowego i inne tego typu bajery. W takiej sytuacji zalety zostały przyćmione, a wady kładły się cieniem. Ostatnim seryjnie produkowanym silnikiem tego typu był Bristol Centaurus w układzie podwójnej gwiazdy (angielski, lotniczy, wycofany w latach `50). W silniku gwiazdowym użycie tego mechanizmu pozwalała zmniejszyć średnicę i zapewnia bardziej kompaktową zabudowę.

Doładowanie lotnicze – aneks

W komentarzu odnalazłem pytanie które wymaga nieco szerszego omówienia.
Należy wiedzieć że w silnikach lotniczych regulacja ciśnienia doładowania ma miejsce najczęściej samoczynnie (dzięki automatowi ciśnienia ładowania), poprzez dławienie powietrza na wlocie do sprężarki. Regulacja ta ma za zadanie utrzymanie stałej ilości masowej mieszanki palnej, poprzez utrzymanie stałego ciśnienia ładowania.(Czyli mieszanki ma być z grubsza tyle samo, podobnie jak z ciśnieniem ładowania. Tyle że, sytuacja na zewnątrz zmienia się z wysokością, co nie pozostaje bez wpływu na pracę silnika - kwestia zmiennych parametrów na wlocie). Tego typu układ zapewnia wzrost mocy, aż do pewnej wysokości (zwanej nominalną).
Zwróćmy teraz uwagę na otoczenie w jakim przychodzi pracować takiemu silnikowi – im wyżej tym niższe ciśnienie oraz temperatura. To drugie wpływa pozytywnie na gęstość doładowanej mieszanki, to pierwsze ułatwia usuwanie spalin. Osiągnięcie wys. nominalnej oznacza zasilanie pełnym wydatkiem sprężarki (brak dławienia). Stąd moc silnika wzrasta aż do osiągnięcia wspomnianej już wys. nominalnej. Ten punkt stanowi swego rodzaju maksimum, gdyż dalszy wzrost wysokości powoduje spadek ciśnienia ładowania (z uwagi na spadek ciśnienia otoczenia).
Regulacja przez dławienie na wlocie ma jednak swoje wady, widoczne na wysokości mniejszej niż nominalna:

1. Sprężarka pobiera dużo mocy.
   
2. Wzrost temperatury w sprężarce, oraz wyższa temperatura otoczenia pogarszają napełnianie.
   

Im wyższa założona wys. nominalna, tym gorzej dla silnika na niskich wysokościach. Stąd biorą się biegi (np. dwa) w tych maszynach. Niższym wysokościom odpowiada mniejszy spręż (to oznacza wolniejsze obroty kompresora i mniej mocy pobieranej od silnika, oraz nieduży wzrost temp.), zaś gdy potrzeba większego ciśnienia bieg jest zmieniany (kompresor przyśpiesza, większy spręż).