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).

Mechanizmy doładowania silników lotniczych

Najbardziej burzliwy rozwój silników tłokowych miał miejsce w czasie II wś. W późniejszym czasie wyszły z powszechnego użycia. Z uwagi na specyfikę tytułowych mechanizmów chciałbym trochę naświetlić tą tematykę. Należy zauważyć, że silniki tego typu operowały w zupełnie skrajnych warunkach, stąd też stosowano niecodzienne mechanizmy, także w kwestii ładowania.
Na początek dwa podstawowe terminy:

• Doładowanie wielobiegowe – Jak wiadomo samoloty operują na różnych pułapach. Wraz ze wzrostem wysokości zmienia się gęstość i ciśnienie powietrza. Ze względu na to kompresor mechaniczny sprawnie pracujący na danej wysokości niekoniecznie będzie wykazywał taką samą skuteczność na innej wysokości. Więc może sprzęgło i kilka przełożeń (biegów), tak aby utrzymać parametry na pożądanym poziomie? To była jedna z metod „dostosowania” silnika do zmiennych warunków pracy.
  
• Doładowanie wielostopniowe – Na dużych wysokościach powietrze jest rozrzedzone, zatem silnik otrzymuje dużo mniej tlenu, niż w czasie lotu na niskim pułapie. Jeśli nie chcemy znacznego spadku mocy w trakcie lotu konieczne jest silne zwiększenie ciśnienia powietrza przed podaniem go do cylindrów. W tym przypadku używano kilku (często dwóch) sprężarek umiejscowionych jedna za drugą. Powietrze najpierw trafiało do pierwszej sprężarki gdzie ulegało sprężeniu, później do drugiej, gdzie dochodziło do ponownego wzrostu ciśnienia. Po podwójnym zagęszczeniu trafiało do cylindrów.
  

Na załączonym obrazku z literatury, widać kilka konfiguracji opisanych wyżej układów.

1. Sprężarka jednostopniowa jednobiegowa – do wysokości ok 3 km osiągi są gorsze niż silnika wolnossącego, jednak powyżej tej granicy dostępna moc jest wyższa.
   
2. Sprężarka jednostopniowa, dwa biegi – powyżej 3km lepszy od układu niedoładowanego, a od ok. 7 km jednobiegowego.
   
3. Sprężarka jednostopniowa, sprzęgło hydrauliczne – ten układ już od niskich wysokości uwidacznia swoją przewagę nad wolnossącym, do 6 km zachowuje ok. 80% mocy. Powyżej tej granicy spadek mocy następuje dość płynnie, acz intensywnie.
   
4. Dwa stopnie, dwa biegi – na niskich wysokościach zachowanie podobne do układu wolnossącego, wzrost mocy na dużych wysokościach.
   
5. Dwa stopnie, dwa biegi, intercooler, sprzęgło hydrauliczne – działanie układu jest płynne, duża wydolność silnika w sporym przedziale wysokości.
   
6. Turbo, dwa stopnie, intercooler – aż do 9 km niewielki spadek mocy, duża moc w szerokim przedziale wysokości.
   

Obserwując zachowanie w/w układów można sformułować kilka wniosków:

1. Sprzęgła/biegi mechaniczne mają skokowy charakter pracy – widać moment przełączenia biegu i w efekcie zmiany charakterystyki silnika, natomiast hydrauliczne wykazują większą płynność.
   
2. Poniżej 3 km niektóre układy mają moc podobną do wolnossącego, albo nawet niższą.
   
3. Ciekawostka: biegi we wczesnych systemach były przełączane ręcznie przez pilota, później pojawiły się systemy samoczynne – automat reagował na zmianę ciśnienia otoczenia.
   
4. Dodatkowo rysunek układu ładowania silnika Merlin (sprężarka dwustopniowa)
   

Rysunek za: „Lotnictwo i kosmonautyka” Szymon Pilecki