Korbowody zwiększające moment obrotowy o 30%! Nadchodzi przełom?

Silniki spalinowe odchodzą w zapomnienie? Nie tak prędko i niekoniecznie, a wszystko za sprawą pojawiających się w ostatnich czasach rozwiązań i nowych dróg rozwoju mechanicznych napędów zamieniających paliwo w ruch. Jednym z takich rozwiązań może być zaprezentowany ostatnio specjalny korbowód o nazwie Thunder Rod. Co to takiego?

Patrząc na to rozwiązanie, ciężko uwierzyć, że wpadnięcie na nie zajęło ponad 150 lat od czasu, gdy pierwszy silnik spalinowy zaczął historię współczesnej motoryzacji. Czy jednak na pewno? Tak proste, że aż genialne? Co może dać? Czy ocali silniki spalinowe? A więc po kolei…

Obecnie świat motoryzacji można podzielić na dwie grupy: Tych, którzy elektryfikacji transportu nie cierpią, wyśmiewają, boją się jak ognia i pukają się po głowach oraz tych, którzy widzą w niej jedyną słuszna drogę i receptę na wszystkie bolączki współczesnego świata. No dobra, jest jeszcze grupa osób bardziej wyważonych, która potrafi docenić zalety elektrycznych napędów, ale dostrzega także ich wady i nie do końca logiczny i rozsądny pod wieloma względami lobbing związany z jak najszybszym pogrzebaniem wszystkiego co ma tłoki i korbowody.

Thunder Rod: korbowody z przegubem zamiast turbiny?

Dziś jednak nie o tym, choć to pewne, że to właśnie zapaleni “petrolheadzi” robią co mogą by wykrzesać co się da z napędów spalinowych, a o iskierce nadziei jaką pewna grupa amerykańskich (a przynajmniej zrzeszonych pod amerykańską egidą) konstruktorów, zapala w tunelu prowadzącym do unicestwienia napędów opartych o silniki spalinowe. Mowa tu o Transcend Energy Group, mającej swą siedzibę w stanie Utah. Inżynierowie z TEG twierdzą, że mają stosunkowo prosty i tani sposób na radykalne zwiększenie momentu obrotowego silników spalinowych, a tym samym zwiększenie ich wydajności, po prostu poprzez zastąpienie standardowych korbowodów nowymi dwuczęściowymi konstrukcjami z dodatkowym przegubem.

Temat jest o tyle ciekawy, że nie rewolucjonizuje w drastyczny sposób procesów produkcyjnych i nie odkrywa konstrukcji silników spalinowych całkowicie na nowo. To pod względem ewentualnego wdrożenia w procesach produkcyjnych jest wielce istotnym aspektem.

Układ korbowo tłokowy: z ruchu liniowego w obrotowy

Jak działa rozwiązanie, które ekipa z Transcend nazwała “Thunder Rod”? Gdy tłoki w silniku poruszają się w górę i w dół, napędzane rozprężającymi się gazami podczas spalania powietrza i paliwa, korbowody przenoszą liniowo działającą siłę tłoków (ruch postępowo-zwrotny) na ruch obrotowy wału korbowego. Główka korbowodu łączy się ze sworzniem tłoka, umiejscowionym możliwie blisko jego denka. Sworzeń z kolei pracuje na specjalnym łożysku igiełkowym, którego zadaniem jest umożliwienie zmiany kąta ułożenia korbowodu w stosunku do płaszczyzny ruchu tłoka podczas obrotu wału. Chyba wszyscy wiemy jak to działa, ale nie każdy zdaje sobie sprawę z tego jakie siły działają na tłok i korbowód podczas pracy silnika.

Mowa tu o siłach gazowych oraz siłach bezwładności. To właśnie biorąca się z powyższych siła wypadkowa jest swoistym spiritus movens naszego układu korbowo-tłokowego. Korbowód podczas suwu sprężania działa na tłok pod pewnym, zmieniającym się wraz z obrotem wału kątem. Ten kąt powoduje z kolei, że tłok się kołysze podczas swojej pracy, co jest zjawiskiem niepożądanym.

Rozwiązanie zaproponowane przez Transcend dodaje dodatkowy przegub do typowej konstrukcji korbowodu, umieszczony znacznie poniżej sworznia tłoka i na zewnątrz jego płaszcza. Firma twierdzi, że takie ustawienie powoduje, że tłoki opadają niżej i robią to szybciej, gdy wykorbienie wału jest ustawione pod kątem 90 stopni do jego górnej pozycji, zapewniając tym samym lepszą dźwignię na wale korbowym i zwiększając w teorii „kompresję dynamiczną” o 25-30%. Brzmi to niebywale, ale jeśli poprzeć to odpowiednimi wyliczeniami matematycznymi to nie chce być inaczej.

Rozwiązanie zwane podwójnym korbowodem nie jest tak naprawdę w 100% innowatorskie. Takie układy stosowano już w silnikach parowych. Jednak w spalinowych silnikach o zapłonie iskrowym, lub samoczynnym ma znaleźć zastosowanie po raz pierwszy.

Szybciej, dynamiczniej, wydajniej

Przyspieszenie dynamiki ma zachodzić wtedy, kiedy ma to największe znaczenie – podczas suwów ssania i sprężania, a także podczas inicjacji suwu pracy, gdy tłok wychodzi z górnego martwego punktu. Firma twierdzi, że dodatkowe dolne mocowanie sworznia zapewnia tłokowi większą dźwignię na korbie. Dodatkowa prędkość i dźwignia przekładają się na większy moment obrotowy – ma to znaczenie szczególnie przy niskich obrotach.

Przeczytaj też:

Motocyklowe silniki na wodór? Yamaha i Kawasaki łączą siły by tak się stało!

Transcend twierdzi również, że jego dwuczęściowe korbowody eliminują kołysanie tłoka – jest to wspomniane wcześniej przechylanie tłoka na boki w odpowiedzi na siły poprzeczne z korbowodów; tłok i korba działają najskuteczniej, gdy korba jest ustawiona pod kątem 90 stopni, z maksymalnym możliwym przesunięciem między czopem korbowym a korbowodem, a wynikające z tego siły boczne popychają tłok na boki w ścianki cylindra. Stanowi to problem, ponieważ powoduje zwiększone tarcie i wynikające z niego zużycie oraz owalizowanie tulei cylindrów i późniejszą utratę szczelności. To z koeli ma wypływ na pogorszenie kompresji.

Zobacz jak rozwiązanie to ma działać według wyrenderowanego wideo (nie kręć głośności, wideo jest bez dźwięku).

Oprócz sworznia, Thunder Rods aktywnie angażują boczne ścianki tłoka za pomocą pary siodełek, które mają własną zdolność do poruszania. Jak twierdzi pomysłodawca, te dodatkowe elementy mają powstrzymywać przechylanie się tłoka i wyrównywać ciśnienie w tulei cylindra. Brzmi to wszystko bardzo intrygująco – zwłaszcza, gdy patrzymy na prostotę omawianej konstrukcji.

Testy, testy, testy…

Jak na razie firma opracowała specjalne korbowody jako zamienniki dla silników LS V8 o pojemności 5,3 i 6,2 litra firmy General Motors. Po serii przeprowadzonych we własnym laboratorium testów, Transcend twierdzi, że po zastosowaniu Thunder Rodów, silnik o pojemności 5.3 litra uzyskał moment obrotowy generowany przez standardową wersję jednostki 6,2. w zakresie 1500-3500 obrotów. To oznacza faktyczny przyrost o wspomniane 30%.

Transcend zaznacza przy tym, że silnik LS, uzyska jeszcze lepsze wyniki po odpowiednim zoptymalizowaniu pod kątem maksymalnego wykorzystania konstrukcji Thunder Rod. Prace nad optymalizacją korb, głowic, cylindrów i tłoków właśnie trwają.

Same zalety? A co z wadami?

Podczas gdy Transcend jest pewny zalet swojej konstrukcji, pojawiają się głosy sceptycyzmu.  Obecnie brakuje zewnętrznych testów i generowanych przez nie wyników. Dwuczęściowe korbowody są cięższe niż standardowe elementy, tworząc dodatkowe siły bezwładności, które znacznie wzrosną wraz ze zwiększaniem obrotów silnika. Istnieje więc ryzyko, że ​​nawet jeśli potwierdzone zostaną przerosty momentu obrotowego w niskich rejestrach, to mogą one nastąpić kosztem mocy maksymalnej, osiąganej zawsze wyżej.

Konstrukcja wydaje się również wytwarzać dodatkową siłę boczną na tłokach, ponieważ dolny punkt obrotu i krótsze ramię główne sprawiają, że kąt między korbowodem a otworem cylindra jest jeszcze większy. Nie tylko to, ale odległość między głównym sworzniem tłoka a nowym, dolnym sworzniem wydaje się teraz skutecznie przekształcać w ramię reakcyjne, które wzmacnia siły powodujące, że tłok chce się przechylić. Ciężko nie przyznać, że mamy tutaj szerokie pole do polemiki, a faktyczne zalety i przydatność omawianego rozwiązania dla przemysłu motoryzacyjnego powinna dopiero zostać potwierdzona w szeregu testów pokazujących nie tylko zalety względem wydajności, ale także brak ujemnego wpływu na żywotność podzespołów silników wyposażonych w nowatorskie korbowody.

Najważniejsze, że coś się dzieje

Tak czy inaczej, jest to interesująca technologia i rozwiązanie, które nie było wcześniej stosowane w silnikach benzynowych, nawet jeśli pod pewnymi względami jest podobne do korbowodów poprzecznych stosowanych czasami w morskich silnikach wysokoprężnych i silnikach parowych.

Być może znajdzie zastosowanie tylko w niektórych konstrukcjach – np. w specjalistycznych maszynach, omijając sport szerokim łukiem? Jeśli tak by się stało to pewnie nie trafi nigdy do silników motocyklowych, ale i tak pozostanie wtedy ciekawym rozwiązaniem dającym większe pole do popisu konstruktorom spalinowych napędów. Niezależnie czy zasilanych paliwami ropopochodnymi, czy np. alternatywnym wodorem.