Po co w dwusuwach wielka grucha zwana rezonansowym układem wydechowym? Dlaczego potrafią mieć tak wielką moc? No i co mają wspólnego z jednorożcami?!
Dokładnie pracy silnika dwu i czterosuwowego nie będę opisywał, bo sobie każdy może sprawdzić w Wikipedii i obejrzeć ruchomy model, ale poglądowo wygląda to tak:
– W czterosuwowym silniku mieszanka (paliwowo-powietrzna) jest zasysana, sprężana, podpalona, wykonująca pracę, a następnie wydalana. Wszystko dzieje się w cylindrze – od góry zamkniętym głowicą z zaworami, a od dołu poruszającym się tłokiem.
– W dwusuwie mieszanka (paliwowo-powietrzno-olejowa) zasysana jest do skrzyni korbowej (pod tłok). Następnie, kiedy tłok porusza się w dół, jest sprężana i kiedy tłok przekroczy pewne dolne położenie i odsłoni okno dolotowe (w ściance cylindra wycięte są dwa okna: dolotowe i wydechowe) mieszanka spod tłoka dostaje się ponad tłok, gdzie wypycha spaliny z poprzedniego cyklu. Dalej tłok porusza się do góry i kiedy zasłoni oba okna, nad tłokiem następuje sprężanie (pod tłokiem zasysa się nowy ładunek). Podpalona iskrowym zapłonem mieszanka rozszerza się wypychając tłok z powrotem w dół.
Jak widać w dwusuwie na jeden obrót wału silnika przypada jeden cykl pracy. Natomiast w czterosuwie jeden cykl pracy przypada na dwa obroty wału. To tłumaczy dlaczego z litra pojemności dwutakty mają prawie dwa razy więcej mocy niż czterotakty. No właśnie – prawie!
Po pierwsze primo: w czterotakcie każdy świeży ładunek ma tylko znikomy kontakt z ładunkiem przepracowanym, czyli ze spalinami. Natomiast w dwutakcie kontakt świeżej mieszanki ze spalinami jest jego podstawową zasadą pracy. Z tego powodu dwusuwowe spaliny z jednej strony zawierają całkiem sporo niespalonego paliwa, a z drugiej strony świeża mieszanka w momencie sprężania nie jest już taka świeża.
Po drugie primo: po to by spaliny zdążyły się wydostać, okno wydechowe jest całkiem spore i w związku z tym sprężanie rozpoczyna się dopiero kiedy tłok zasłoni to okno. Przez to stopień sprężania w silnikach dwusuwowych jest ograniczony i ma wartość w okolicach 7. Dla porównania przeciętny wolnossący czterosuw (z zapłonem iskrowym) ma stopień sprężania około 10. Stopień sprężania jest bezpośrednio związany ze sprawnością całkowitą maszyny cieplnej. Jest związany wprost proporcjonalnie. Dwa razy mniejszy stopień sprężania oznacza dwa razy gorszą sprawność całkowitą. To właśnie przez to plucie paliwem i niski stopień sprężania dwusuwy palą znacznie więcej niż czterosuwy.
Po trzecie primo ultimo: w silniku dwusuwowym świeża mieszanka paliwowo-powietrzno-olejowa będzie z inną prędkością wypychała spaliny przy 2000 obr/min., a z inną prędkością przy 10000 obr/min. Ponieważ mamy tu do czynienia ze zjawiskami nieliniowymi, bardzo ciężko jest zaprojektować silnik w taki sposób, żeby proces przewietrzania zachodził równie sprawnie przy wszystkich prędkościach obrotowych silnika. Dawniej w dwutaktach stosowano tłumienie przepływu spalin na układzie wydechowym poprzez zastosowanie tłumika o odpowiednim oporze przepływu. Proste równanie Lagrange’a drugiego rodzaju daje nam odpowiedź, jak dobrać współczynniki by ciśnienie w cylindrze było właściwe. I tak ostatnie silniki dwusuwowe bez wydechu rezonansowego znajdziemy w podstarzałym sprzęcie pływającym. To tyle o wadach dwusuwów.
Bo są też wyraźne zalety. We wczesnych latach 70-tych inżynier z fabryki MZ, w bratnich Niemczech wschodnich w miejscowości Zwickau, Walter Kaaden wymyślił przełomowy dla dwutaktów wynalazek – rezonansowy układ wydechowy. Dziś nie ma już praktycznie na rynku innych silników dwusuwowych, niż takie z „gruchą” na wydechu. Szczęście Kadena i jego zwycięstwa na torach wyścigowych nie trwały długo, gdyż dwa lata później jego kierowca teamowy uciekł w bagażniku na drugą stronę żelaznej kurtyny i od tamtej pory japońskie dwusuwy też mają rezonansowe układy wydechowe.
Wydech rezonansowy powoduje, że przy określonej prędkości obrotowej w układzie wydechowym powstaje fala stojąca, dzięki czemu jest zachowane ciśnienie w cylindrze bez oporu przepływu gazów wydechowych. Wadą tego rozwiązania jest zawężenie zakresu obrotów, przy których zachodzi rezonans w układzie wydechowym, bo przecież tłumik ma stały rozmiar, a nie powiększa się czy pomniejsza tak, by mogła powstawać fala stojąca przy różnych prędkościach obrotowych. Stąd właśnie dwutakty jeżdżą słabo na dole obrotów, a przy pewnej prędkości obrotowej diabeł w nie wstępuje. I to taki diabeł, że 360KM mocy z litra pojemności nikogo dziś nie dziwi.
Kolejną ogromną zaletą dwusuwów jest ich prosta budowa. Kiedyś miało to znaczenie ze względu na niską cenę. Dziś ma to głównie znaczenie ze względu na masę silnika, a dokładniej stosunek mocy do masy. Gwoździem do trumny silników dwusuwowych jest coś, o istnieniu czego dowiedziałem się bardzo niedawno. W zasadzie to wczoraj. Ktoś mi mówił o tym już wcześniej, ale za każdym razem wypieram to z pamięci. Ta rzecz to ochrona środowiska. Trzeba pamiętać, że dwusuwy poza pluciem paliwem spalają również olej i te spaliny spowodowały wyginięcie jednorożców. Zieloni pamiętają o tym i powoli, ale dokładnie, eliminują dwutakty ze społeczeństwa. Jednak dla mnie prawdziwa wiosna zaczyna się dopiero wtedy, kiedy w powietrzu unosi się woń dwusuwowych spalin. A może zieloni nie lubią wiosny?
Zobacz też:
– Zieloni zabijają 125-tkę enduro w dwusuwie.
– KTM wprowadza wtrysk do silnika dwusuwowego.
