Dwusuw, Solo210 i wydechy

Silnik spalinowy niewątpliwie można nazwać genialnym wynalazkiem, bez którego, my – motoparalotniarze, bylibyśmy uziemieni. Oczywiście silnik spalinowy, jak powszechnie wiadomo, ma także inne zastosowania, lecz Nas to niewiele interesuje. Pierwszy silnik dwusuwowy wymyślił Nikolaus Otto w roku 1878[1]. Był to pierwszy silnik czterosuwowy. Pierwszy silnik dwusuwowy skonstruował w roku 1859 francuz Etienne Lenior[2]. Oczywiście wynalazek ten niewiele przypominał nasze Solówki, jednak warto wspomnieć o człowieku, dzięki któremu zbudowano także napędy PPG, choć facet nie miał nawet pojęcia o możliwościach zastosowania swojego wynalazku. Dokładną historię silników można poczytać w przypisie [2]. Dzisiejsze konstrukcje są majstersztykami techniki. Ale dlaczego do napędów PPG stosuje się właśnie silniki dwusuwowe? Wszag dwusuwy, to budzące odrazę relikty we wszystkich obrońców środowiska. Są także kojarzone z epoką PRL, gdy na drogach jeździły mocno dymiące Syreny, Wartburgi i Trabanty. Zapraszam do dalszego czytania.

Dlaczego w napędach PPG stosuje się głównie silniki dwusuwowe?

Silnik dwusuwowy posiada wiele zalet. Pierwszą z nich jest prosta budowa. Silnik dwusuwowy nie posiada skomplikowanych mechanizmów. Dlatego jest bardzo tani[3]. Prosta budowa oznacza także małą awaryjność, gdyż w silniku brak jest elementów wrażliwych na uszkodzenia takich jak zawory, wtryskiwacze, elektronika, itp. Oprócz niskiej awaryjności, dwusuw posiada niewielką masę własną. Dzieje się tak dlatego, że dwusuw nie potrzebuje wielkiego koła zamachowego. Jeśli chodzi o wydajność, to dwusuwy uzyskują o 50 – 70% większą moc niż czterosuwy przy tej samej pojemności skokowej[4]. Dlatego właśnie nasze napędy Parapower posiadają pojemność 210 cm3 a napędy innych firm nawet 150 cm3. Gdyby silniki do PPG budowano na silnikach czterosuwowych, to pojemności zaczynałyby się od 400cm3 i więcej. Nadzieją są najnowsze konstrukcje takie jak Bailay Aviation czy inne. Technika idzie do przodu i producenci tworzą udoskonalane konstrukcje silników. Napędy z silnikami czterosuwowymi już są i w dodatku są bardziej oszczędne niż dwusuwy. Następnym krokiem będzie napęd elektryczny, który również już istnieje (np. E-Ventor firmy Techno-Fly), lecz na dzień dzisiejszy pozostaje problem ciężaru i pojemności baterii no i oczywiście ceny. W tym opracowaniu będziemy się zajmować wyłączniu dwusuwem a konkretnie zasadą jego działania i możliwościami usprawnienia.

Zasada działania silnika dwusuwowego

W silniku dwusuwowym, na cykl pracy składa się jeden obrót wału korbowego. W tym czasie silnik wykonuje suw sprężania oraz suw pracy. Czynności pracy to: napełnianie cylindra, wymiana ładunku, i wylot spalin odbywają się jednocześnie, gdy tłok znajduje się w DMP (dolne martwe położenie). Jest to koniec suwu pracy a początek sprężania.

”]

• Suw sprężania – następuje wzrost ciśnienia ładunku zgromadzonego w cylindrze. Proces ten odbywa się w warunkach ciągłej wymiany ciepła między ładunkiem a ściankami cylindra, głowicą i denkiem tłoka. Ta wymiana ciepła odbywa się ze zmienna intensywnością, a nawet ze zmiennym kierunkiem przepływu ciepła. Na początku suwu ładunek pobiera ciepło od denka tłoka i ścianek cylindra, przy końcu zaś następuje oddawanie ciepła przez ładunek do ścianek przestrzeni roboczej. Na początku suwu sprężania trwa jeszcze proces przepłukiwania cylindra, czyli wymiany ładunku.
• Suw rozprężenia (praca) – rozpoczyna się po ukończeniu spalania mieszanki. Wysokie ciśnienie znajdujących się w cylindrze silnika gazów spalinowych sprawia, że wywierają one tłok znaczną siłę, pod wpływem, której tłok przesuwa się ku dolnemu położeniu (DMP). Rozprężające się spaliny wykonują pracę. Podobnie jak podczas sprężania tak i tu występuje ciągła wymiana ciepła między gazami a czynnikiem chłodzącym za pośrednictwem ścianek cylindra i głowicy. Pod koniec suwu rozpoczyna się proces przepłukiwania. Okna dolotowe i wylotowe umieszczone są po przeciwległych stronach cylindra. W celu zapobieżenia ucieczce świeżego ładunku dopływającego do cylindra jego strumień skierowuję się ku górze przez zastosowanie nasady na tłoku lub pochylenie kanału dolotowego.

Tuning silnika dwusuwowego

Stoczenie głowicy stosuje się w silnikach w celu zwiększenia stopnia sprężania. W wielu starszych silnikach można stosować to usprawnienie (np. MZ150, MZ250 czy WSK175). W przypadku silnika SOLO nie jest to najlepszy sposób, gdyż wraz ze wzrostem stopnia sprężania wzrasta także temperatura głowicy i cylindra. Stopnia sprężania nie można podnosić w nieskończoność. Oprócz konieczności zastosowania większej głowicy, należy liczyć się z tym, że znacznie wzrasta także obciążenie wału korbowego oraz łożysk.

Polerowanie kanałów

Polerowanie kanałów ma na celu wyeliminowanie strat tarcia podczas przepływu mieszanki ze skrzyni korbowej do cylindra. Idealne wypolerowanie kanałów przepływowych, skrzyni korbowej, denka głowicy oraz denka tłoka zwiększa moc silnika. W starszych sinikach motocyklowych ten patent sprawdzał się bardzo dobrze, gdyż producenci nie wykańczali dokładnie odlewanych elementów. W silniku SOLO cylinder, głowica czy tłok wykonane są bardziej starannie, lecz i tutaj znajdziesz kilka ukrytych koni mechanicznych.

Rozkręcając silnik, jeśli zauważysz nawet drobne nierówności,  wypoleruj kanał dolotowy (od strony gaźnika), kanał wylotowy (od wydechu). Sprawdź, czy nie ma żadnych progów i kanały są idealnie gładkie. Wypoleruj także kanały płuczące łączące skrzynię korbową z cylindrem. Po zdjęciu cylindra, należy sprawdzić dokładnie gładź cylindra oraz chropowatość kanałów a ewentualne niedoskonałości odlewu wypolerować drobnym polerującym papierem ściernym. Wypolerować można także skrzynię korbową oraz denko głowicy oraz tłoka. Polerowanie znacznie zwiększy moc silnika oraz sprawi, że rozpylona mieszanka nie będzie osadzać się na głowicy i ściankach skrzyni korbowej. W starszych modelach silników dwusuwowych podczas tuningu należało zmniejszyć szkodliwą pojemność skrzyni korbowej, lecz w przypadku SOLO nie ma takiej potrzeby.

Wydech

W przypadku dwusuwa, aby zyskać dodatkowo więcej mocy, czyli podnieść jego sprawność, układ dolotowy oraz wylotowy musi być dobrany idealnie. Dotyczy to szczególnie układu wydechowego, gdyż podczas wydechu część mieszanki jest tracona poprzez wylot razem ze spalinami. Wydechy dwusuwów to temat rzeka a dodatkowo teoria swoje a praktyka swoje. Praktyka pokazuje jednak, że wykonanie choćby niewielkiej przeróbki polegającej na wydłużeniu kolanka wydechowego znacznie poprawia pracę silnika. Faktem niezaprzeczalnym jest także, że wydłużenie wydechu zmniejszy zużycie paliwa i silnika. Oryginalny układ wydechowy silnika SOLO 210 jest kiepski ale nie ma się czemu dziwić, wszag silniki tego typu zostały skonstruowane dla rolnictwa a nie do latania.

Prostym i skutecznym wydechem dla SOLO 210 jest zamontowanie kolanka od motocykla MZ250 z nałożoną końcówką z 2 litrowej puszki jako tłumik.

Taki opis znalazłem na grupie dyskusyjnej i wbrew pozorom ma to sens choć sam tego nie próbowałem. W opcji tej mamy to, co potrzeba – wydłużenie wydechu co znaczne poprawia sprawność. Jak dodaje autor – jego kolega lata na takim tłumiku w zwykłym solo na Actionie i jeszcze z wózkiem. Nie trzeba przy tym powiększać głowicy. Wystarcza standardowa…[6]

Wydech rezonansowy

Naturalnym tuningiem silnika dwusuwowego jest dostrojenie wydechu. Wydech rezonansowy w uproszczeniu spełnia rolę dodatkowego zaworu, który wykorzystuje ponownie niespaloną mieszankę dodają silnikowi dodatkowej mocy poprzez ponowne wykorzystanie niespalonej mieszanki. Kompletny wydech składa się z rury wyjściowej, komory rozprężnej wraz z przegrodą oraz opcjonalnie z tłumika wyciszającego. Najważniejsze jest takie dobranie komory rozprężnej (długości, kształtu i odległości przegrody), aby przy określonych obrotach wystąpił rezonans, podczas którego przegroda będzie odbijać impuls spalin wtłaczając do silnika z powrotem dodatkową porcję niespalonej mieszanki. Silnik dostaje więcej mieszanki i oddaje większą moc przy mniejszym spalaniu. Tłumik wyciszający nie jest konieczny, lecz wycisza pracę silnika bez strat mocy. Sama rura rezonansowa niewiele tłumi hałas pracującego silnika. Proszę pamiętać, że rezonans oblicza się dla konkretnych obrotów. Nie działa więc w pełnym zakresie, choć wydłużony układ wydechowy z pewnością doda mocy także na mniejszych obrotach.

Od razu obalmy również mit, który często słyszę.
Rezonans nie skraca znacznie żywotności silnika. Nie powoduje też zwiększenia spalania paliwa.
Po prostu nie marnuje paliwa wyrzucanego wraz ze spalinami przy normalnym wydechu.

Jak wykonać rezonans do Solo210

Aby obliczyć wydech rezonansowy, musimy posiadać wiele danych dotyczących konkretnego silnika. Rezonans oblicza się mierząc szybkość fali spalin, która może wynieść nawet kilkaset metrów na sekundę. Należy dokonać obliczenia aby odpowiednio dobrać długość wydechu rezonansowego i odległość przegrody, od której odbije się impuls aby wepchnąć część spalin do cylindra, gdy otwarte jest jeszcze okno wydechu. Ważne są także średnice wydechu rezonansowego – wszystkie mierzymy i podajemy wewnątrz rury. Poniżej przedstawiam obliczenia dla silnika SOLO 210, które znalazłem na jednej ze stron internetowych. Obliczenia powtórzyłem w Excelu, aby sprawdzić, czy nie ma błędów. Wg mnie brakuje w tych wzorach kilku istotnych elementów, takich jak choćby obliczenie faktycznej prędkości fali i nieuwzględnieniu temperatury spalin. Myślę jednak, że obliczenia mogą być pomocne podczas konstruowania wydechu rezonansowego. Z pewnością konieczne może się okazać dodatkowe strojenie wydechu do uzyskania rezonansu, polegające na skracaniu lub wydłużaniu rurki końcowej. Idealnym rozwiązaniem w przypadku obliczeń byłoby takie skonstruowanie rury, aby można było ją w niewielkim stopniu skracać i rozszerzać a po wyregulowaniu zacisnąć obejmą.

Dane i wyniki dla silnika Solo 210
N=6300 obr./min, Eo=180 stopni, LT=48.57 (1234 mm), D1= 1.44 (36,5mm), D2= 3.6 (91 mm), D3=0.89 (22 mm), L7=10.7 (271 mm), L3=14.4 (365 mm), L2=10.2 (259 mm), L1=43.5 (1104 mm), L4=15.44 (392 mm), L5=13.63 (346 mm), L6=7.68 (195 mm), A1=4 stopni, A2=10 stopni, Vs=1700 stóp/sek. (518,16m/sek.)

Wzory:
LT= (Eo * Vs)/N

Gdzie
LT = długość w calach
Eo = Kąt otwarcia okna wydechu w stopniach
Vs = prędkość fali spalin (use 1700 ft/sec) 518,16m/sek
N = prędkość wału korbowego w obrotach na minutę (RPM)
D1 = wewnętrzna średnica wydechu.
D2 = SQR( 6.25 * D1 * D1 )
D3 = D1 * 0.62
L3 = D1 * 10
L7 = D3 * 12
L2 = (D2/2)*cot(A2)
L1 = LT – (L2/2)
L4 = ( (D2 – D1)/2 ) * cot(A1)
L5 = L1 – ( L3 + L4 )
L6 = ( ( D2 – D3 )/2 ) * cot(A2)
A1 = kąt dyfuzora (zobacz poniżej)
A2 = kąt końcowy dyfuzora (zobacz poniżej)

Uwagi:
Linia centralna zakrzywienia rury: L=R*0.01745*kąt zgięcia
Testy silników dwusuwowych potwierdzają, że rozbieżności kątów od około 8 stopni na wejściu do 20 stopni na stożku i zakończeniu rury są odpowiednie.

Użyte do obliczeń cotangensy (stopnie)
cot 3.0 = 19.0811 cot 5.5 = 10.3854 cot 8.0 = 7.11537 cot 11.0 = 5.14455 cot 3.5 = 16.3499 cot 6.0 = 9.51436 cot 8.50 = 6.69116 cot 12.0 = 4.70463 cot 4.0 = 14.3007 cot 6.5 = 8.77689 cot 9.00 = 6.31375 cot 13.0 = 4.33148 cot 4.5 = 12.7062 cot 7.0 = 8.14435 cot 9.50 = 5.97576 cot 14.0 = 4.01078 cot 5.0 = 11.4301 cot 7.5 = 7.59575 cot 10.0 = 5.67128 cot 15.0 = 3.73205

Jak widać, wykonanie rezonansu nie jest sprawą łatwą. Przytoczyłem tutaj jedynie gotowe opracowanie, w którym sprawdziłem obliczenia. Nie było to jednak sprawdzane w praktyce…

„Półrezonans” Kajana

Czym jest ów wynalazek Kajana, zwany czasem „półrezonansem”? To po prostu sprytne wydłużenie układu wydechowego poprawiające wydajność silnika. Widać że autor zna się na silnikach dwusuwowych, gdyż prostym i tanim sposobem poprawił sprawność dwusuwa. Zasada ta sama co w pomyśle z kolankiem od MZ250, ale dodatkowo fajnie wygląda. Nie jest to rezonans, ani tym bardziej półrezonans, gdyż w rezonansie może coś się znajdować bądź nie i nie ma tu stanów pośrednich pomijając szczątkowe stany boczne zbliżające się do rezonansu. Autor dopracowywał swój pomysł aż dopracował go do tego stopnia, że może pomóc każdemu, komu standardowa moc „solówki” już nie wystarcza.

Jak pisze sam autor, patent dodaje dość mocy solówce aby można było polatać na samostatecznym skrzydle pilotowi powyżej 100 kg. Wydech jest lekki i w miarę niedrogi. Zużycie paliwa nieco spada w porównaniu do standardowego tłumika Solo 210. Nie zmniejsza się żywotność silnika tylko polepsza się „kultura pracy”. Autor wykonywał podobne tłumiki do napędów opartych o silniki z MZek. Wykonał kilka rezonansów do silnika MZ150, lecz moc silnika była największa tylko w pewnym zakresie obrotów. Natomiast wydech, który tutaj prezentujemy, działa na pełnym zakresie obrotów. Niektórzy piloci wylatali setki godzin bez awarii. Podobne rozwiązania tłumików zamontowane są w czeskich ,,Nirwanach”. Posiadają jednak inny kształt i są dużo cięższe. Sama zasada działania jest podobna. Należy tylko dobrać odpowiedniej długości kolanko i konstrukcję.

A tak to działa w praktyce:

A oto opinie pilotów latających na wynalazku Kajana

• Niniejszym uprzejmie donoszę,ze wykonałem pierwsze dwa loty po przeróbce tłumika wykonanej przez Kajana do napędu Solo.Wykonałem tez dzisiaj pomiar siły ciągu i obrotów(komisja pomiaru składała się z czterech paralotniarzy). Pierwsze wrażenia bardzo pozytywne. Siła ciągu to dobre 60 kg. To naprawdę działa i przy tym dość „bajerancko” wygląda. Silnik dostał większego powera i jest to odczuwalne. Zmienił się tylko trochę dźwięk (bardziej ostry).Ostatni pomiar wykonywany w lecie na tym samym przyrządzie to 55 kg. Dzisiaj lekko przekraczało 60 kg. Patent uważam za fajny ponieważ daje rezerwę mocy a tego nigdy za dużo.Pozdrawiam wszystkich latających i niski ukłon w stronę Kajana.
• Cieszę się iż następna osoba jest zadowolona z tego rozwiązania. Jako pierwszy miałem możliwość zastosowania tego rozwiązania (opisałem to jakiś czas temu) i mierząc obroty śmigła wzrosły one znacznie. Jestem bardzo zadowolony z tego rozwiązania, uważam je za optymalne dla tego typu kosza i silnika. Co do ostrzejszego dźwięku coś za coś.  Owszem zastosowanie rury rezonansowej z tłumikiem pozwoliłoby osiągnąć wiecej, ale ogranicza to konstrukcja kosza i samego silnika (wzmocniona, szersza głowica lepiej odprowadzająca ciepło). Kolega przesłał zdjęcia rury z tłumikiem w tym koszu jest to możliwe, ja jednak nie  skorzystałbym z tego rozwiązania (większy ciężar, elementy układu wydechowego bardzo blisko śmigła, większy koszt).
• Zużycie paliwa – po pierwszym locie: zostało 1,5 l paliwa. Przed lotem do pustego zbiornika wlałem 5 l. Lot trwał 1 godz 10 min. i nie był to naprawde grzeczny przelot z punktu A do B ale powiedzmy w połowie trochę „wywijania ” na pełnym gazie. Żywotność silnika – Biorąc pod uwagę ogólne opinie na temat żywotności solo z moich wyliczen wynika, ze remont musiałbym zrobić za jakieś naście lat. Jesli więc nawet w pesymistycznej wersji żywotność by spadła (w co za bardzo nie wierze) to gdy zrobię go 3 lata wcześniej, powiedzmy za 10 to nie robi to dla mnie żadnej różnicy. (ciach.)
• Do tej pory solówki zapewniały wystarczająca moc dla większości pilotów. Dopiero skrzydła samostateczne wymusiły poszukiwania nowych rozwiązań.Swoja drogą obserwując grupę, i wypowiedzi Kajana trudno o nim napisać „zwykły”. A ten jak piszesz „prosty” patent to suma doświadczeń i pomysłów utalentowanego konstruktora. Żeby zaprojektować coś „prostego” i skutecznego trzeba czasem sporej wiedzy i wielu przemyśleń, wielu prób. Kto coś w życiu stworzył, ten wie.  Dlaczego seryjni wytwórcy nie rzucają się na to? No cóż seryjny tłumik do solówki + ewentualne wzmocnienie mocowania , jest w cenie silnika. Tłumik przerobiony to prawdopodobnie dodatkowe kilkaset złotych (nie tylko koszt kilku rurek i robocizny szwagra), moze 300-400 a może więcej z Vatem. Jak to dodasz do ceny wersji podstawowej – może odstraszać. Rynek wymusza rozwiązania najtańsze. Taka przeróbka to wbrew pozorom sporo roboty. Pozdrowienia dla wszystkich zmotoryzowanych.

Jak widać opinie są jasne i klarowne.

pozdrawiam

Leszek Klich

[1] – http://www.bryk.pl/teksty/liceum/fizyka/ruch_i_jego_powszechność/10001-silniki_spalinowe_ich_historia_cykl_pracy.html
[2] – http://motocykle.svasti.org/index.html?strona=http://motocykle.svasti.org/hirsil.html
[3] – nie dotyczy SOLO 210, bo jego cena zwala z nóg, więc przyjmijmy, że chodzi o cenę silnika od motoroweru Komar.
[4] – http://www.m.infosamochody.pl/print,id_m-103
[5] – http://www.przecinak.republika.pl/dwusuw.htm
[6] – Dyskusja na pl.rec.paralotnie

Bibliografia i źródła

1. Tomasz Sałek, Zwiększanie sprawności silników spalinowych,
2. Internet