Dlaczego silnik dwusuwowy zniknął z samochodów?

Prosty silnik, który w każdym cyklu wyrzucał część paliwa bezpośrednio do wydechu, w obliczu surowych norm emisyjnych lat 80. musiał zostać usunięty z samochodów osobowych.
Prosty silnik, który w każdym cyklu wyrzucał część paliwa bezpośrednio do wydechu, w obliczu surowych norm emisyjnych lat 80. musiał zostać usunięty z samochodów osobowych.

Udostępnij tę stronę

Silnik dwusuwowy zniknął z samochodów, ponieważ jego podstawowa zasada działania polega na wyrzucaniu części paliwa i oleju bezpośrednio do wydechu; Zaostrzone w latach 80. przepisy dotyczące emisji doprowadziły tę konstrukcję na skraj zakazu, a szybkim rozwojem silników czterosuwowych zapełniono lukę. Ale to nie koniec historii. Wzrost i upadek tego silnika, który napędzał kiedyś miliony samochodów, mógł być podnoszony ręką i był niezwykle tani w produkcji, opowiadają jedną z najciekawszych inżynierskich rozgrywek w historii motoryzacji.

Najważniejsze informacje

  • Silnik dwusuwowy completes a power cycle in one crankshaft revolution; czterosuwowy wykonuje tę samą pracę w dwóch obrotach.
  • Silnik Trabanta 601 miał tylko 5 ruchomych części i był na tyle lekki, że można go było podnieść rękami.
  • Trzycylindrowy dwusuw Saaba 96 o pojemności 841 cc początkowo generował 38 KM; do 1966 roku wartość ta wzrosła do 46 KM.
  • Produkcja dwusuwowych samochodów na Zachodzie zakończyła się w latach 80. z powodu norm emisji; Blok Wschodni kontynuował ją do około 1991 roku.
  • Typowy stosunek paliwo-olej to 32:1; ten olej jest spalany i wyrzucany, sztucznie zawyżając emisje węglowodorów.

Jak działa silnik dwusuwowy i dlaczego jest tak prosty?

Definicja zadania, jakie ma wykonać silnik spalinowy, jest jasna: ssanie, sprężanie, spalanie i wydech. Silnik czterosuwowy rozkłada te cztery fazy na cztery suwy tłoka, czyli dwa pełne obroty wału korbowego. Silnik dwusuwowy wykonuje ten sam cykl w dwóch suwach tłoka, podczas jednego obrotu wału korbowego. Wynik jest matematycznie oczywisty: za każdym razem, gdy tłok osiąga górne położenie martwe, następuje spalanie i generowana jest moc. W silniku czterosuwowym moc pochodzi tylko z jednego z czterech suwów mocy, podczas gdy w dwusuwowym pojawia się przy każdym górnym położeniu. Częstotliwość suwów mocy podwaja się.

Ceną tej prędkości jest poświęcenie mechanizmu zaworowego. W podstawowej konstrukcji dwusuwowej ze skrzynią korbową nie ma zaworów; ich rolę przejmują kanały w ściance cylindra oraz własny ruch tłoka. Kanał wydechowy otwiera się, gdy tłok opada podczas suwu mocy; świeża mieszanka paliwowo-powietrzna dostaje się do cylindra przez kanał transferowy i wypycha resztę spalin na zewnątrz. Ten proces przepłukiwania jest jednocześnie najbardziej pomysłowym i najsłabszym ogniwem silnika - zaraz to zobaczymy. Smarowanie opiera się na podobnej prostocie: olej jest mieszany z paliwem, przechodzi przez skrzynię korbową i spala się razem z silnikiem. Mieszanka umożliwia pracę w każdej pozycji; dlatego silnik dwusuwowy jest nadal idealny do narzędzi przenośnych, gdzie kierunek grawitacji jest nieistotny.

Przepłukiwanie pętlowe: Mała, ale znacząca poprawa

Wczesne dwusuwy Harley-Davidsona stosowały prosty przepływ krzyżowy i ucieczka świeżej mieszanki do wydechu była poważnym problemem. Zaprojektowany przez Adolfa Schnürlego w połowie lat 20. układ przepłynku zwrotnego (loop) sprawiał, że świeża mieszanka, kreśląc kontrolowany obieg wewnątrz cylindra, wypychała spaliny na zewnątrz. Rozwiązanie to upowszechniło się w latach 30. XX wieku i po II wojnie światowej rozprzestrzeniło na cały świat. Późniejsze oceny inżynieryjne potwierdziły, że przepłukanie zwrotne jest wydajniejsze niż przepływ krzyżowy w każdych warunkach; wszystkie dwusuwowe samochody z okresu powojennego powstały właśnie na tej architekturze.

Okres wczesny: Narodziny silnikówCLERK, Benza i Supapsız

Ideę dwusuwu można uznać za równie starą jak sam samochód. Pierwszy komercyjny dwusuwowy silnik ze sprężaniem w cylindrze opatentował w 1881 roku szkocki inżynier Dugald Clerk; jednak konstrukcja Clerka była toporna - sprężanie realizowała osobny cylinder napełniający. Interesująca notka historyczna: Karl Benz zbudował 31 grudnia 1879 roku dwusuwowy silnik gazowy, a w 1880 roku opatentował go w Niemczech. Pierwszy silnik człowieka uznawanego za ojca samochodu nie był czterosuwowy, tylko dwusuwowy.

Prawdziwym punktem zwrotnym okazało się jednak pojawienie się konstrukcji ze skrzynią korbową pełniącą funkcję pompy przedmuchowej, stanowiącej kręgosłup nowoczesnego dwusuwu. To podejście jest zazwyczaj przypisywane Anglikowi Josephowi Dayowi; natomiast pracownik Daya, Frederic Cock, uczynił silnik całkowicie bezzaworowym, tworząc formę, którą znamy dzisiaj. Pierwsze naprawdę praktyczne zastosowanie również przyszło z Anglii: Alfred Angas Scott od 1908 roku produkował motocykle z dwucylindrowymi, chłodzonymi wodą silnikami. Technologia dojrzewająca w motocyklach miała zostać przeniesiona do samochodów w kolejnych dekadach - dokładnie w momencie, gdy Europa najbardziej jej potrzebowała.

Eksplozja dwusuwów w DSP i powojennej Europie

W powojennej Europie brakowało stali, brakowało pieniędzy, brakowało wszystkiego. Im mniej ruchomych części miał samochód, tym taniej można go było wyprodukować i tym łatwiej naprawić. Dwusuwowy silnik znalazł się dokładnie w środku tego rachunku: mniej części, niższa masa, prostsza obsługa. Ponadto dwukrotnie częstsze suyny mocy oznaczały większą moc na litr - przy małych pojemnościach można było uzyskać akceptowalne osiągi.

Nazwiskiem centralnym tej sceny było DKW. Jego założyciel, Duńczyk Jørgen Skafte Rasmussen, kupił w 1928 roku fabrykę Audi w Zwickau. DKW od 1929 roku rozpoczął produkcję samochodów i dostarczał swoje dwusuwowe silniki również innym producentom; w 1929 roku rozpoczął karierę motorsportową z dwucylindrowymi silnikami o pojemności 600 cc i mocy 15 KM. Konstrukcje DKW z lat 30. uważane są dziś za najważniejsze osiągnięcie w historii silnika dwusuwowego. W 1953 roku firma zaprezentowała model DKW 3=6 - napęd na przednie koła, trzy cylindry, 896 cc, dwusuw - pod nazwą "Sonderklasse".

Główni producenci samochodów dwusuwowych

  • Saab (Szwecja): w modelach 92, 93, 95, 96, Sonett II i ich pochodnych stosował trzycylindrowe dwusuwowo.
  • DKW i Auto-Union (Niemcy): Twórca i dostawca technologii.
  • VEB Sachsenring (NRD): producent Trabanta.
  • VEB Automobilwerk Eisenach (NRD): produkowała Wartburga.
  • FSO i FSM (Polska): produkcja dwusuwów na licencji.
  • Suzuki i Subaru (Japonia): Do lat 70. produkowała samochody z silnikami dwusuwowymi.

W mikrosamochodach zasada była ta sama. W pojazdach takich jak Messerschmitt KR200 usunięcie biegu wstecznego okazywało się bardzo kosztowne; silnik dwusuwowy można było na krótko uruchomić w odwrotnym kierunku, co umożliwiało jazdę na wstecznym. To była raczej logika biedy niż inżynierska elegancja - ale działało.

Trabant i Wartburg: Dwusuwowy Kręgosłup Bloku Wschodniego

Yalnızca beş hareketli parçayla ve elle kaldırılabilecek hafiflikte bir motor, Trabant sahiplerine aracını kendi elleriyle yolda tamir etme özgürlüğünü veriyordu.

Trabant był najczystszym wyrazem filozofii dwusuwowej. Silnik Trabanta P50 pochodził w rzeczywistości z DKW F8: 500 cm3, najpierw 17 KM, potem 18 KM. Następujący po nim Trabant 601 napędzał dwucylindrowy dwusuwowy silnik Otto o pojemności 594,5 cm3 (72x73 mm). W zależności od rocznika wersje się różniły: silniki z lat 1963-1970 osiągały 23 KM, a silniki z lat 1970-1990 generowały 26 PS (19,1 kW) przy 4200 obr./min. Moment obrotowy wynosił 53 Nm, prędkość maksymalna około 100 km/h, a moc na litr pojemności 38,7 KM.

Liczby były skromne, ale naprawdę imponująca była architektura silnika: Łącznie miał tylko 5 części ruchomych i był tak lekki, że dało się go podnieść ręcznie. W warunkach NRD oznaczało to, że właściciele mogli samodzielnie naprawiać swoje silniki na drodze. Cena też była: silnik pracował na mieszance paliwowej (mieszanina benzyny i oleju), a na wzniesieniach przy prędkości podróżnej 23 KM mocy i 52 Nm momentu wyraźnie nie wystarczało. To nie był problem osiągów, lecz zasięgu i komfortu życia.

Marka siostrzana Wartburg była bardziej ambitna: zaczęła od trzycylindrowego dwusuwowego silnika pochodzenia DKW o pojemności 910 cm3 (początkowo 28 KM), a po 1962 roku pojemność zwiększono do 991 cm3. Silniki te oferowały wyższą klasę jazdy niż skromna jednostka Trabanta - ale bazowały na tej samej zasadzie działania i musiały zapłacić tę samą środowiskową cenę.

Saab: Najbardziej Elegancki Dźwięk Dwusuwu

Jedna z najbardziej udanych interpretacji dwusuwowego samochodu powstała w Szwecji. Pierwszy samochód Saaba, Saab 92, wszedł do produkcji w grudniu 1949 roku i przyciągał uwagę niezwykle aerodynamicznym nadwoziem. Firma opracowała trzycylindrowe silniki o pojemności 750 i 850 cm3 z obrotowym doładowaniem, oparte na konstrukcji DKW; standardowa jednostka 750 cm3 generowała, w zależności od rocznika i modelu, 36-42 KM. Silnik z wałem korbowym z doładowaniem w wersji rajdowej Monte Carlo osiągał 65 KM - imponująca wartość dla małej jednostki dwusuwowej.

Z Saabem 93 (grudzień 1955) przyszedł trzycylindrowy silnik rzędowy i ta jednostka była tym, który rozsławił nazwę Saaba na świecie. Saab 96 (1960-1980) początkowo napędzał trzycylindrowy dwusuw o pojemności 841 cm3: początkowo 38 KM, do 1966 roku 46 KM. Ale tabela stopniała kurczyła się. Obliczenia Saaba uwzględniały jednak emisyjność, zużycie paliwa i dopracowaną inżynierię - a fizyczne ograniczenie created przez straty przepłynku i smarowanie typu total-loss skazywało dwusuw na porażkę w tych kalkulacjach. Saab 96 z rocznika 1967 zapisał się w historii jako "ostatni samochód dwusuwowy najwyższej klasy". Cichy, bezdymny i bezwonny charakter silnika czterosuwowego zdobył też serca szwedzkich klientów.

Dlaczego Samochody Dwusuwowe Zniknęły? Rachunek Emisji i Paliwa

Przyczynę wymarcia można podsumować jedną liczbą: 32:1. Typowy dwusuw ze sprężaniem w skrzyni korbowej stosuje układ smarowania petroil zwany "total-loss"; stosunek paliwa do oleju wynosi około 32:1. Część tego oleju się spala, a część jest wyrzucana do atmosfery w postaci kropli w spalinach. W porównaniu z równoważnym mocy silnikiem czterosuwowym, szczególnie emisja węglowodorów jest wyraźnie wysoka. Dochodzi do tego drugi problem mechaniczny: w konstrukcji bez zaworów, w okresie gdy kanały ssące i wydechowe są jednocześnie otwarte, część świeżej pary paliwowej ucieka do wydechu. W małych silnikach chłodzonych powietrzem wysokie temperatury spalania dodatkowo produkują NOx.

Zużycie paliwa wynika z tego samego źródła. Sprężona mieszanka paliwowo-powietrzna, wywierając efekt chłodzący na tłok, częściowo ucieka bezpośrednio do rury wydechowej; czyli część paliwa spala się bez wytworzenia pracy albo wydostaje się niespalona. Chociaż jest to obieg o wysokiej teoretycznej sprawności termodynamicznej, w praktyce straty przepłukiwania pochłaniają tę przewagę i dwusuwy w rzeczywistym świecie zużywają więcej paliwa niż czterosuwy. Przeciek świeżej mieszanki do wydechu w krótkim czasie, gdy kanały ssące i wydechowe są otwarte jednocześnie, to fundamentalne ograniczenie fizyczne przesądzające los dwusuwu.

Paradoks prostoty

Podstawowym powodem istnienia dwusuwu była jego prostota; ale współczesne wymagania odwróciły tę przewagę. Dwusuwy próbujące naprawić emisje i wydajność stały się tak samo drogie, ciężkie i skomplikowane jak czterosuwy - to znaczy traciły swój powód istnienia. Wtrysk bezpośredni mógłby w dużej mierze wyeliminować ucieczkę paliwa w dwusuwach z gaźnikiem; ale to rozwiązanie oznaczało koszty i złożoność, które już nie przystawały do filozofii taniego silnika. Na Zachodzie coraz ostrzejsze przepisy dotyczące zanieczyszczenia powietrza zakończyły w latach 80. produkcję samochodów dwusuwowych; Blok Wschodni z Trabantom i Wartburgiem opierał się do około 1991 roku.

Dlaczego motocykle odeszły później?

Ta sama matematyka dotyczyła dwóch kół, ale rozkład w czasie wyglądał nieco inaczej. Honda zrezygnowała z dwusuwów w motocyklach drogowych znacznie wcześniej; a sprzedaż dwusuwowych motocykli terenowych w USA zatrzymała w 2007 roku. Dziś wszystkie nowe spalinowe samochody sprzedawane w USA to czterosuwy - dwusuw oficjalnie zajął miejsce na wysypisku historii motoryzacji.

Gdzie dziś są silniki dwusuwowe?

Dwusuw, zniknięszy z samochodów, nie zniknął całkowicie; po prostu zmniejszyła się jego pojemność i tolerancja prawna. Przewaga mocy do pojemności i zdolność do pracy w każdej pozycji wciąż są decydujące w określonych zastosowaniach. Obecnie silniki dwusuwowe żyją w następujących obszarach:

  • Małe motocykle drogowe i terenowe, motorowery, skutery i motocykle
  • Silniki marinowe, skutery śnieżne i gokarty
  • Narzędzia ręczne: pilarki, dmuchawy do liści, kosačky do trawy
  • Tuk-tuki, samochody RC, ultralighty i modele samolotów
  • Duże dwusuwy diesla: zastosowania przemysłowe, morskie, lokomotywe i generatorowe, gdzie waga jest nieistotna

Jednak trend jest jasny: przepisy dotyczące zanieczyszczeń w krajach rozwiniętych krok po kroku zawężają obszary zastosowań silnika dwusuwowego. W regionach, gdzie przepisy pozostają luźne, małej pojemności silniki dwusuwowe wciąż cieszą się popularnością w motocyklach i motorowerach.

Podsumowanie: Lekcja historii pewnego równania inżynieryjnego

Zniknięcie silnika dwusuwowego z samochodów nie nastąpiło dlatego, że technologia była zła, lecz dlatego, że zmieniło się porównanie, które wygrywał. Równanie lat powojennych uwzględniało liczbę części, koszt i stosunek mocy do masy; dwusuw wygrywał w tych trzech kategoriach i napędzał miliony samochodów jako DKW, Saab, Trabant i Wartburg. Równanie lat 80. kładło natomiast nacisk na emisje, zużycie paliwa i wyrafinowaną inżynierię - a fizyczne ograniczenie wynikające ze smarowania powodującego stratę oleju skazało dwusuw na przegraną w tym rachunku. W historii motoryzacji prawie żadna technologia nie daje tak jasnej lekcji zrozumienia, jak mocne są jej zalety: wiedza o tym, kiedy jest silna, ale i kiedy traci ważność, jest częścią decyzji projektowej.

Źródła