Silnik Kropelki 2015 – serce jedyne w swoim rodzaju

Wraz z pracą nad poszczególnymi elementami nowego modelu pojazdu Kropelka, nie mogło obyć się bez rozważań na temat jednostki napędowej. W końcu przecież to od niej w największym stopniu zależy ekonomia jazdy, przekładająca się bezpośrednio na wynik uzyskiwany podczas corocznych zawodów z serii Shell Eco-marathon.

 

 

 

 

Do tej pory Kropelka napędzana była przez zmodyfikowany silnik Honda GX25, który z powodu szerokiej gamy zastosowań i seryjnej produkcji zaprojektowany został z myślą o niskim koszcie wykonania i łatwości serwisowania. Zastosowane rozwiązania, takie jak wysokoobrotowa charakterystyka pracy (maksymalna moc osiągana dopiero przy ponad 7000 obr/min), aluminiowy odlew całego korpusu wraz z komorą spalania czy pozostawienie niekorzystnie ukształtowanych powierzchni wewnątrz kanału dolotowego i wydechowego nie pozostały bez wpływu na powstające podczas działania straty zarówno cieplne, jak i mechaniczne. Z powodu wykonania wielu części jako nierozbieralnych zespołów, utrudnione zostały także wszelkie modyfikacje silnika, które mogłyby polepszyć jego wydajność.

 

 

Członkowie koła zdecydowali się więc na budowę własnego silnika od podstaw. Po dokładnym zagłębieniu się w regulamin zawodów, udało się ustalić podstawowe założenia jakie będzie spełniała nowa jednostka napędowa. Kluczowym zagadnieniem było ograniczenie do minimum zużycia paliwa, co w konsekwencji oznaczało konieczność zwiększenia sprawności całkowitej silnika. Kolejne wymagania, czyli szybkie rozgrzewanie silnika do temperatury roboczej, łatwość i pewność częstego rozruchu oraz możliwe spowolnienie procesu oddawania ciepła po wyłączeniu silnika narzuciła strategia wykorzystania napędu podczas zawodów.

Podczas badań oszacowano, że do utrzymania stałej prędkości 30 km/h pojazd potrzebuje 100-150 W ciągłej mocy. Silnik o tak małej mocy cechowałby się stosunkowo niską sprawnością, dlatego przyjęto strategię polegającą na okresowym osiąganiu optymalnej szybkości, a następnie wyłączaniu silnika i dalszej jeździe rozpędem. Dodatkowo, spory zapas mocy ułatwi przyspieszanie, ale również pomoże pokonać możliwe nachylenie terenu i zmienny wiatr na torze.

 

Szybko rozpoczęto pracę, która po włożeniu w nią ogromnej ilości zaangażowania i czasu wielu osób zaowocowała dokładnym projektem i modelem silnika, spełniającym wszystkie wyznaczone wcześniej kryteria. Wykonano setki obliczeń, w tym także przeprowadzono symulacje wytrzymałościowe najważniejszych podzespołów. Następnie dzięki środkom uzyskanym w ramach grantu „Generacja Przyszłości” przyznanego kołu przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego RP udało się zbudować zaprojektowany silnik, który ma szansę okazać się jednym z najbardziej ekonomicznych na świecie.

 

 

W stosunku do poprzedniej jednostki napędowej przeprowadzono szereg zmian, które sprawiają że jego konstrukcja różni się nieco od większości konwencjonalnych silników. Dzięki temu można być pewnym, że nowy silnik o oznaczeniu KR1 jest jedyny w swoim rodzaju.

 

Najbardziej istotną różnicą jest rezygnacja z zasilania benzynowego na rzecz etanolu. Decyzja taka zapadła między innymi ze względu na jego wysoką liczbę oktanową (RON = 108,6), która z kolei pozwala na istotne zwiększenie sprawności silnika dzięki zastosowaniu dużego stopnia sprężania przy zachowaniu możliwości użycia standardowych elementów układu paliwowego. Nie bez znaczenia pozostał również fakt wielu dostępnych prac naukowych poświęconych optymalizacji spalania etanolu. Niestety, jako paliwo nie jest pozbawiony wad. Jego duże ciepło parowania utrudnia proces przygotowania palnej mieszanki, a mieszanina powietrza i etanolu ma jedynie niewiele ponad 60% wartości opałowej benzyny 95-oktanowej.

 

Aby efektywniej wykorzystywać ciepło wydzielane w komorze spalania uznano, że silnik powinien charakteryzować się wydłużonym suwem sprężania, czyli realizować tzw. teoretyczny cykl pracy Atkinsona. Jak widać na rysunku obok, pole pod wykresem p(V) będące graficzną interpretacją pracy w jednym cyklu zwiększyło się w stosunku do klasycznego cyklu Otto.

 

Po prawej: Wykres zależności p(V) podczas cyklu pracy silnika czterosuwowego. Wydłużenie suwu sprężania powoduje przyrost pola o obszar 1-2-5’-5-1.

 

Dodatkowo, mając na uwadze ograniczenie strat cieplnych i mechanicznych dzięki osiąganiu dostatecznej mocy przy małych prędkościach obrotowych, w efekcie kompromisu przyjęto objętość skokową 58 cm3. Wynika ona z wybranego drogą symulacji stosunku skoku tłoka do średnicy cylindra równego 1,25 i zastosowania cylindra o średnicy 39 mm, co umożliwia wykorzystanie seryjnie dostępnych tłoków (np. do silników Honda GX35 i Kymco Agility 4T).

 

Po uwzględnieniu cech konstrukcyjnych różnych układów korbowych (m. in. układu Atkinsona i Honda Exlink) zdecydowano się na wybór koncepcji silnika o układzie klasycznym i o późnym zamknięciu zaworu dolotowego (LIVC – Late Intake Valve Closing). Główną zaletą takiej konstrukcji jest prostota, łatwość budowy silnika i faktyczne, mierzalne zwiększenie sprawności całkowitej. LIVC jest obecnie jedną ze strategii często realizowanych dla obniżenia zużycia paliwa (m. in w silnikach samochodów Toyota Prius i Nissan Micra).

 

Inną niecodzienną cechą prototypowego silnika jest przewidziany w projekcie tzw. rozrząd desmodromiczny, który pozwala całkowicie wyeliminować z układu sprężyny odpowiedzialne za powrót zaworów i zamknięcie kanału dolotowego lub wydechowego. Mechanizm ten został wynaleziony przez Ducati w latach 50., co przyczyniło się do wielu zwycięstw motocykli tej marki w zawodach klasy Supermoto. Dzięki takiemu rozwiązaniu można uniknąć strat mocy silnika wynikających z pokonywania oporu sprężyny zaworu. Na tę chwilę w układzie rozrządu zastosowano za to wyłącznie elementy toczne, dzięki czemu ograniczyliśmy straty mechaniczne, a podzespoły głowicy silnika praktycznie nie wymagają smarowania.

 

W najbliższym czasie zostaną przeprowadzone testy silnika, a powstająca hamownia posłuży do badania parametrów jego pracy i optymalizacji przed zawodami.

 

Dane techniczne prototypu silnika:

Typ silnika:                        czterosuwowy. Jednocylindrowy, chłodzony powietrzem
Paliwo:                                etanol
Pojemność cylindra:       58 cm3
Stopień sprężania:           regulowany podkładkami, od 17:1 do 13:1
Moc maksymalna:           ok. 0,75 kW (1,02 KM) @ 3200 obr/min
Szacowana sprawność
całkowita
:                           30-35%

 

Michał Rodak

 

 

Fot. Jakub Wolak