DWUTŁOKOWY

SILNIK SPALINOWY 

1. Wprowadzenie .....................................................................   3
2. Silniki dwutłokowe ..............................................................  3
3. Ogólna idea działania silnika dwutłokowego M4+2 ...........   5
4. Analiza działania silnika dwutłokowego M4+2 ..................   5
5. Konstrukcja silnika dwutłokowego ..................................... 10

5.1.Ogólny opis budowy silnika ......................................... 10
5.2.Konstrukcja układów tłokowo­korbowych silnika ....... 13
5.3.Konstrukcja układu wymiany ładunku .......................... 14
5.4.Opis pozostałych układów silnika ................................. 16

6. Zasada działania silnika dwutłokowego .............................. 17

6.1.Koncepcja pracy silnika ................................................ 17
6.2.Fazy pracy silnika ..........................................................17

7. Cechy dwutłokowego silnika spalinowego ..........................

26

8. Obiegi pracy silnika dwutłokowego .....................................

28

8.1. Analiza zmian objętości przestrzeni roboczej ............... 28
8.2. Obieg teoretyczny .......................................................... 32
8.3. Obieg porównawczy i obieg rzeczywisty ...................... 32
8.4. Wskaźniki pracy obiegu teoretycznego ......................... 34

9. Podsumowanie i wnioski .......................................................

34

9.1. Podsumowanie ............................................................... 34
9.2. Wnioski .......................................................................... 40

Literatura ...............................................................................

42

Ogólny opis w języku angielskim .........................................

42

Autorzy opracowania:

dr inż. Adam Ciesiołkiewicz 

Piotr Mężyk

Politechnika Śląska

 

w Gliwicach

mgr inż. Mirosław Bortel

Główny autor opracowania

mgr inż. Janusz Warmus

IZOLING P.W. Bytom

Gliwice ­ Bytom, 25.09.2002

1. WPROWADZENIE

Tłokowe   silniki   spalinowe   są   najbardziej   rozpowszechnionym   źródłem 

napędu, szeroko stosowanym w różnorakich dziedzinach, głównie motoryzacji. 
Zakres   ich   wykorzystania   sprawia,   iż   problem   zużycia   paliwa   oraz 
zanieczyszczenia środowiska życia człowieka jest priorytetowym zagadnieniem 
dla   ludzkości   u   progu   XXI   wieku.   Konstrukcje   współczesnych   silników 
spalinowych, tak czterosuwowych jak i dwusuwowych, choć stale ulepszane, 
cechują się nadal wieloma wadami. 

Analizując   własności   obecnie   stosowanych   silników   spalinowych,   można 

dojść do następujących wniosków:

•

Poprawa napełnienia cylindra (w tym zmiana sposobu wymiany ładunku) dla 
silnika   dwusuwowego   przyniosłaby   wymierne   korzyści   w   postaci 
zwiększenia sprawności tego silnika oraz zmniejszenia zużycia paliwa;

•

Odpowiednia   konstrukcja   układu   smarowania   ciśnieniowego   silnika 
dwusuwowego pozwoliłaby na ograniczenie emisji składników toksycznych 
w gazach wylotowych;

•

Wydłużenie krzywej ekspansji silnika umożliwi odebranie większej porcji 
energii rozprężającego się gazu w cylindrze;

•

Odpowiednio opracowana konstrukcja układu wymiany ładunku pozwoliłaby 
zmniejszyć udział strat mechanicznych (tarcia i sił bezwładności elementów 
układu rozrządu) w ogólnym bilansie silnika.
Konstrukcjami,   w   których   mogą   być   zebrane   zalety   poszczególnych 

rodzajów silników, są silniki dwutłokowe.  Interesującą konstrukcją, zdaniem 
autorów [2,6], wydaje się być silnik dwutłokowy M4+2, którego innowacyjne 
rozwiązania pozwalają na osiągnięcie obiecujących wskaźników pracy.

2. SILNIKI DWUTŁOKOWE

Silnikiem   dwutłokowym   nazywa   się   silnik   spalinowy,   w   którym   pary 

cylindrów mają wspólną komorę spalania i w każdym cylindrze poruszają się 
przeciwbieżnie dwa tłoki.

Rozwiązania takie były znane już od dawna. Konstruowano je jako silniki 

pracujące w cyklu dwusuwowym, w zamiarze pozbycia się wad klasycznego 
silnika dwusuwowego. Dzięki zastosowaniu dwóch tłoków możliwa stała się 
korzystniejsza   wymiana   ładunku.   Jeden   z   tłoków   odpowiedzialny   jest   za 
sterowanie   dopływem   świeżej   mieszanki   (odsłanianie   i   przysłanianie   okna 
dolotowego),   drugi   zaś   za   sterowanie   procesem   usuwania   spalin   z   cylindra 
(otwieranie   okna   wylotowego).   Poprzez   odpowiednią   konstrukcję   układu 
korbowego   można   osiągnąć   tzw.   asymetrię   wymiany   ładunku,   co   w 
klasycznym,  jednotłokowym silniku dwusuwowym jest niemożliwe. Schemat 
dwutłokowego silnika dwusuwowego o wspólnej dla dwóch cylindrów komorze 
spalania   przedstawiono   na   rys.   2.1,   natomiast   rys.   2.2   obrazuje   schemat 
dwutłokowego   silnika   dwusuwowego   o   dwóch   przeciwbieżnych   tłokach   w 
jednym cylindrze. 

Cechą   charakterystyczną   silników   o   dwóch   przeciwbieżnych   tłokach   jest 

układ   pary   przeciwsobnie   poruszających   się   tłoków   pracujących   w   jednej, 
wspólnej dla nich, tulei cylindrowej. Dzięki takiej konstrukcji możliwe stało się 
zastosowanie   bardzo   efektywnego   przepłukania   wzdłużnego   w   silnikach 
dwusuwowych   [3].   W   silnikach   tych   każdy   z   tłoków   pełni   inną   ­   równie 
odpowiedzialną   ­   rolę,   tzn.   steruje   przysłanianiem   jednego   z   okien: 
przelotowego lub wylotowego. Typowe silniki dwutłokowe, pracujące według 
zasady

 

dwusuwowej, znalazły zastosowanie jako jednostki napędowe czołgów. 

Poza tym szerzej ich nie stosowano. Silniki dwutłokowe były opracowywane 
również jako czterosuwowe [4,5]. Przykład takiego silnika pracującego w cyklu 
czterosuwowym [4] przedstawiono na rys. 2.3.

3. OGÓLNA IDEA DZIAŁANIA SILNIKA DWUTŁOKOWEGO M4+2

Pomysł i idea pracy nowego silnika polega na skojarzeniu w jedną całość 

silników:  dwu­ i czterosuwowego  i wykorzystaniu ich indywidualnych  zalet 
[1,2].   Klasyczny   silnik   dwusuwowy   charakteryzuje   się   prostą   konstrukcją, 
łatwym systemem wymiany ładunku i większym wskaźnikiem mocy z jednostki 
objętości, posiada jednak gorszy – w stosunku do silnika czterosuwowego – 

stopień wymiany czynnika pomiędzy kolejnymi cyklami pracy, niekorzystnie 
wpływający   na   wskaźniki   ekologiczne;   natomiast   minusem   silnika 
czterosuwowego jest rozbudowany system zaworów i fakt, że na jeden cykl 
pracy przypadają dwa obroty wału korbowego, co w istotny sposób zmniejsza 
wskaźnik   mocy   całkowitej   i   jednostkowej.   Jednakże   silnik   czterosuwowy 
posiada  dość istotne  zalety:  korzystniejsze  napełnienie  przestrzeni  roboczej  
i mniejszą szkodliwość gazów wylotowych. 

Zasada pracy nowego silnika oparta jest na współdziałaniu dwóch tłoków 

poruszających się przeciwbieżnie wzdłuż jednej osi i pracujących w trybach: 
dwu­ i czterosuwowym, przypadających na jeden cykl pracy. Pierwotna idea 
działania   dwutłokowego   silnika   spalinowego   –   cztero­dwusuwowego   M4+2 
zobrazowana została na rys. 3.1.

4. ANALIZA DZIAŁANIA SILNIKA DWUTŁOKOWEGO M4+2

Pierwszy model silnika dwutłokowego, działający zgodnie z zasadą M4+2, 

został   opracowany   i   zbudowany   w   2000   r.   przez   Politechnikę   Śląską  
w   Gliwicach   i   firmę   Diesel   Service   we   współpracy   z   IZOLINGIEM. 
Konstrukcja silnika oparta została o dość proste silniki składowe: motocyklowy 
silnik dwusuwowy i silnik czterosuwowy z małej maszyny roboczej. Zasadę 
działania tego modelu przedstawiono na rys. 4.1.

Uruchomienie   i   praca   modelu   potwierdziła   zasadność   pomysłu,   dlatego 

przeprowadzono wstępne analizy i obliczenia. Na tej podstawie wyznaczono 
charakterystykę   zmian   objętości   przestrzeni   roboczej   silnika   (rys.   4.2).  
Z charakterystyki tej wynika dość niekorzystny przebieg objętości w zakresie 
V

max,1

  do   V

max,2

,   tworzący   pętlę   wymiany   ładunku   podobną   jak   w   silniku 

przedstawionym na rys. 2.3. 

Korzystniejszą   charakterystykę   zmian   objętości   przestrzeni   roboczej 

uzyskano   po   przestawieniu   biegunowym   wałów   korbowych   obydwu   części 
silnika (rys. 4.3). Jednakże w dalszym ciągu występuje pętla wymiany ładunku 
zobrazowana na obiegu pracy silnika (rys. 4.4). Dopiero gruntowna modyfikacja 
koncepcji pracy i zasady działania silnika M4+2, pozwoliła na opracowanie 
prezentowanego  rozwiązania  konstrukcyjnego  nowego  dwutłokowego  silnika 
spalinowego.

5. KONSTRUKCJA SILNIKA DWUTŁOKOWEGO

5.1. Ogólny opis budowy silnika

Opracowany   silnik   dwutłokowy   składa   się   z   dwóch   modułów   tłokowo­

korbowych połączonych ze sobą wspólnym pierścieniem. Jeden moduł pracuje 
w cyklu dwusuwowym (na jeden obrót wału korbowego przypada jeden cykl), 
a drugi w cyklu  czterosuwowym (na dwa obroty wału tej części przypada jeden 
cykl). Tłoki obydwu  modułów  poruszają  się wzdłuż  wspólnej  osi,  a obroty 
wałów korbowych zsynchronizowane są przez przekładnię mechaniczną.

Silnik   nie   posiada   klasycznej   głowicy,   a   układ   wymiany   ładunku 

umieszczony jest na części dwusuwowej – wylot spalin odbywa się przez okna 
wylotowe,   natomiast   dolot   świeżego   czynnika   sterowany   jest   przez   zawór 
obrotowy. W układzie dolotowym zainstalowana jest sprężarka mechaniczna  
i przepustnica do regulacji ilości doprowadzanego czynnika do cylindra. W celu 
poprawy napełnienia cylindra rozważane jest również umieszczenie w układzie 
dolotowym chłodnicy sprężonego powietrza. Zasilanie paliwowe realizowane 
jest na drodze wtrysku paliwa (do przewodu dolotowego lub bezpośrednio do 
cylindra),   a   do   zapłonu   wykorzystuje   się   układ   z   dwiema   świecami 
zapłonowymi.

Smarowanie obydwu części silnika odbywa się przez osobny układ olejenia 

ciśnieniowego.   Istotną   cechą   silnika   jest   rozbudowany   układ   chłodzenia 
przestrzeni roboczej. Wynika to z faktu, że obciążenia cieplne w tym silniku są 
większe od obciążeń cieplnych występujących w silnikach czterosuwowych.

Odbiór mocy następuje z obydwu części silnika poprzez generatory prądu, 

z których jeden jest wykorzystywany do rozruchu silnika. Sposób odbioru mocy 
wskazuje,   że   opracowany   silnik   dwutłokowy   najkorzystniej   może   być 
stosowany w układach hybrydowych.

Schemat   ideowy   ogólnej   konstrukcji   dwutłokowego   silnika   spalinowego 

przedstawiono na rys. 5.1.

5.2. Konstrukcja układów tłokowo­korbowych silnika

W opracowanym silniku w jednej osi poruszają się współliniowo dwa tłoki: 

tłok   główny   pracuje   w   cyklu   dwusuwowym,   natomiast   drugi   tłok 
(wspomagający, dodatkowy) pracuje w cyklu czterosuwowym. Obydwa tłoki 
poprzez osobne korbowody połączone są z oddzielnymi wałami korbowymi. 

Synchronizacja   obrotów   wałów   i   położeń   tłoków   dokonywana   jest   przez 
przekładnię   mechaniczną   (łańcuchową,   zębatą)   łączącą   te   wały.   Warunek 
zapewnienia właściwego położenia tłoków w czasie eksploatacji wskazuje, że 
korzystniejszym,  ze względu na pewność działania, jest układ z łańcuchem. 
Uwidocznić się to może podczas rozruchu silnika. Wał części czterosuwowej 
obraca się dwukrotnie szybciej niż wał części dwusuwowej. 

Istotną cechą konstrukcji silnika jest fazowe przesunięcie tłoków względem 

siebie.   Do   tego   celu   służy   układ   zmiany   biegunowego   położenia   wałów 
korbowych wchodzący w skład przekładni synchronizującej obroty tych wałów. 
W położeniu początkowym wał części czterosuwowej opóźniony jest o 40

o

 

w stosunku do położenia wału części dwusuwowej, a zmiana tego kąta może 
być dokonywana w przedziale +/­ 20

o

. Natomiast w położeniu neutralnym (bez 

przesunięcia fazowego) tłoki obydwu części pracują na „styk” – jednak dla 
bezpiecznej  eksploatacji przewidziano  odsunięcie  tłoków na odległość rzędu 
0,5...1 mm.

Tłoki posiadają te same średnice. Długość tłoka części dwusuwowej  jest 

odpowiednia   do   przykrywania   okien   wylotowych,   natomiast   długość   tłoka 
części czterosuwowej jest stosunkowo mała. Tłok części czterosuwowej posiada 
wydłużony   próg   ogniowy   (odległość   pomiędzy   denkiem   tłoka   a   pierwszym 
pierścieniem)   oraz   odpowiednie   wyżłobienia   w   denku   (kanaliki)   dla 
zapewnienia zapłonu i ewentualnie wtrysku paliwa. Pierścienie tłokowe części 
dwusuwowej   posiadają   zmienioną   konstrukcję   minimalizującą   efekt 
przedostawania się oleju do świeżego czynnika zasilającego i spalin.   Skoki 
tłoków   obydwu   części   są   zróżnicowane   –   skok   tłoka   części   czterosuwowej 
powinien być nie większy niż 0,5...0,6 skoku tłoka części dwusuwowej. 

Przesunięcie   fazowe   tłoków   wraz   ze   zróżnicowaniem   ich   skoków 

powoduje   uzyskanie   korzystnego   przebiegu   zmian   objętości   przestrzeni 
roboczej cylindra.

Cylindry obydwu modułów silnika (dwusuw, czterosuw) połączone zostały 

ze   sobą   pierścieniem.   Przestrzeń   roboczą   jednego   złożenia   cylindrowego 
wyznaczają denka obydwu tłoków i wewnętrzne powierzchnie cylindrów oraz 
pierścienia  pośredniego.  Objętość  przestrzeni  roboczej  wynika  z sumowania 
objętości   obydwu   części   silnika.   Z   analizy   mechaniki   układów   tłokowo­
korbowych silnika wynika, że w zakresie zmian objętości przestrzeni roboczej 
występuje objętość maksymalna i objętość minimalna (kompresyjna), jednakże 
objętość maksymalna nie jest równoważna sumie objętości części dwusuwowej 

i części czterosuwowej. Różnica ekstremalnych objętości przestrzeni roboczej 
określa efektywną objętość skokową jednego złożenia cylindrowego, w zakresie 
której   realizowane   są   przemiany   obiegu   pracy   silnika.   Biorąc   pod   uwagę 
możliwość   regulacji   położeń   tłoków   względem   siebie,   objętość   ta,  
w niewielkich granicach, może się zmieniać.

Wały   korbowe   obydwu   modułów   silnika   ułożyskowane   są   w   łożyskach 

ślizgowych.   Synchroniczne   połączenie   wałów   korbowych,   niezbędne   do 
właściwego funkcjonowania całego silnika, realizowane jest przez przekładnię 
mechaniczną.

5.3. Konstrukcja układu wymiany ładunku

Do   wymiany   ładunku   w   przestrzeni   roboczej   służą   okna   (szczeliny) 

wylotowe   i   okno   dolotowe.   Okna   te   znajdują   się   w   cylindrze   części 
dwusuwowej silnika. Szczeliny wylotowe w kształcie okrągłym (lub zbliżonym) 
posiadają niską wysokość i umiejscowione są na więcej niż połowie obwodu 
cylindra w końcowej części skoku tłoka. Odsłaniania i przymykania szczelin 
wylotowych dokonuje tłok części dwusuwowej.

Okno   dolotowe   usytuowane   jest   w   dolnej   części   skoku   tłoka   części 

dwusuwowej, nieco powyżej szczelin wylotowych, po przeciwnej stronie tych 
szczelin. Okno posiada kształt eliptyczny ułatwiający nachodzenie i schodzenie 
pierścieni tłokowych. Krawędzie boczne okna usytuowane są pod kątem 45

o 

umożliwiającym   skierowanie   napływu   świeżego   czynnika   –   poprawia   to 
przepłukanie i napełnienie cylindra. 

Rozwinięcie   cylindra   roboczego   z   zaznaczeniem   otworu   dolotowego  

i szczelin wylotowych przedstawiono na rys. 5.2.

Okno dolotowe otwierane jest przez zawór obrotowy (rotacyjny), natomiast 

zamknięcia tego okna dokonuje tłok części dwusuwowej. Budowę i usytuowanie 
zaworu rotacyjnego

 

względem cylindra pokazano na rys. 5.3. Umiejscowienie 

zaworu   zapewnia   minimalizację   objętości   szkodliwej   powstałej   w   wyniku 
odsłonięcia przez tłok okna dolotowego w cylindrze podczas rozprężania gazów 
(przyrost objętości wynosi ok. 3 % efektywnej objętości skokowej cylindra). 
Równocześnie   położenie   okna   dolotowego   poniżej   połowy   skoku   tłoka 
(początek   okna   w   odległości   0,55S

2

  od   górnego   martwego   punktu   tłoka) 

powoduje, że zawór dolotowy nie jest narażony na maksymalne temperatury  
i maksymalne ciśnienia występujące w przestrzeni roboczej.

Podstawowym   elementem   zaworu   jest   tuleja   obrotowa   umieszczona  

w obudowie. Tuleja prowadzona jest w łożyskach samosmarujących. W tulei 
znajduje się okno przelotowe w  kształcie prostokąta (prostokąta łukowego). W 
momencie   nachodzenia   na   siebie   otworu   przelotowego   i   okna   dolotowego 
następuje przepływ świeżego powietrza bądź mieszanki paliwowo­powietrznej. 
Do napędu zaworu rotacyjnego wykorzystana jest przekładnia mechaniczna  
z   paskiem   zębatym.   Konstrukcja   i   działanie   zaworu   dolotowego   umożliwia 
sterowanie początku jego otwarcia, co z kolei prowadzi do zmiany przekroju 
otwarcia okna przelotowego.

Regulacje   te   można   dokonywać   poprzez   zmianę   położenia   biegunowego 

zaworu   względem   wału   napędowego.   Zawór   obrotowy   nie   wywołuje 
niezrównoważonych sił bezwładności, a więc nie wymaga stosowania docisków 
sprężynowych, stąd moc napędu zaworu jest stosunkowo mała.

5.4. Opis pozostałych układów silnika

Zasilanie paliwowe oparte jest na systemie wtrysku paliwa – rozpatrywany 

jest   układ   bezpośredniego   wtrysku   paliwa   do   cylindra   oraz   układ   wtrysku 
paliwa   do   przewodu   dolotowego.   Powietrze   zasysane   jest   z   otoczenia   i   w 
dmuchawie   (sprężarce)   następuje   podwyższenie   ciśnienia   tego   powietrza   do 
odpowiedniej   wartości.   W   celu   zwiększenia   prędkości   obrotowej   napęd 
sprężarki odbywa się z wału części czterosuwowej i całkowite przełożenie w 
stosunku   do   wału   części   dwusuwowej   wynosi   6:1.   Obniżenie   temperatury 
sprężonego powietrza odbywać się może w chłodnicy, ale ewentualna celowość 
zastosowania chłodnicy zostanie określona podczas badań silnika. Do regulacji 
ilości dostarczanego powietrza służy specjalna przepustnica stożkowa.

Elektroniczny   zapłon   realizowany   jest   przez   układ   z   dwiema   świecami 

zapłonowymi   z   wykorzystaniem   czujnika   położenia   wału   korbowego. 
Rozpatrywane jest również centralne usytuowanie świecy zapłonowej w części 
czołowej denka tłoka dwusuwu.

Smarowanie  elementów  obydwu  części  silnika  odbywa  się przez  osobny 

ciśnieniowy  układ  olejenia.  Do tego  celu  służy  zewnętrzna  pompa  olejowa, 
która napędzana jest od wału korbowego części dwusuwowej.

Ważnym

 

układem   silnika   dwutłokowego   jest   układ   chłodzenia.  

W opracowanym  silniku obciążenie  cieplne tłoków i tulei cylindrowej  będą 
większe niż dla porównywalnego silnika czterosuwowego. Układ ten wymaga 

szczegółowego  dopracowania  wynikającego  głównie  z modelowania  procesu 
spalania i wymiany ciepła. Zwiększenie ciepła odprowadzanego do czynnika 
chłodzącego   w   silniku   dwutłokowym   jest   rekompensowane   zmniejszeniem 
entalpii spalin. Wynika to z faktu, że w silniku uzyskuje się efekt przedłużonej 
ekspansji   gazów   i   stąd   temperatura   spalin   wylotowych   jest   odpowiednio 
mniejsza. Dlatego przewiduje się, że w ogólnym bilansie sprawność efektywna 
silnika będzie korzystna.

Spaliny   przez   szczeliny   wylotowe   dostają

 

się   do   dyfuzyjnego   kolektora 

wylotowego,   który   stanowi   kanał   wokół   tych   szczelin.   Dalej   spaliny 
odprowadzane są do tłumika, którego dobór nastąpi podczas badań silnika.

Moc   na   zewnątrz   przenoszona   jest   przez   dwa   wały   korbowe. 

Najkorzystniejszym   sposobem   odbioru   mocy   na   zewnątrz   są   generatory 
(prądnice)   prądu.   Jeden   z   tych   generatorów   może   być   wykorzystany   do 
uruchamiania silnika. Należy podkreślić, że opracowany silnik wymaga wyższej 
prędkości rozruchu w stosunku do tradycyjnych silników spalinowych. Główny 
wpływ   na   to   wywiera   zapewnienie   dolotu   świeżego   czynnika

 

pod   pewnym 

nadciśnieniem,   wymuszające   konieczność   wykorzystania   sprężarki   w   całym 
polu pracy silnika, a więc także dla biegu jałowego.

6. ZASADA DZIAŁANIA SILNIKA DWUTŁOKOWEGO

6.1. Koncepcja pracy silnika

Działanie nowego silnika, w dużym przybliżeniu, oparte jest na zasadzie 

pracy silnika dwusuwowego. W silniku dwusuwowym występuje ograniczone 
wykorzystanie   krzywej   rozprężania   (ekspansji)   gazów   będące   wynikiem 
otwarcia okna wylotowego i następnie okna przelotowego świeżego ładunku. 
Otwarcia tych okien, niezbędne do funkcjonowania silnika dwusuwowego, przy 
ekspansji czynnika powodują nagły spadek ciśnienia prowadzący do powstania 
pętli   na   krzywej   ciśnienia   (rys.   6.0).   Również   przepłukanie   i   napełnienie 
przestrzeni   roboczej   jest   ograniczone,   gdyż   okno   przelotowe   zamykane   jest 
szybciej niż okno wylotowe.

W   silniku   dwutłokowym   proces   wylotu   spalin   z   przestrzeni   roboczej 

następuje   przez   okna   (szczeliny)   wylotowe.   Różnica   polega   na   skróceniu 
wysokości tych okien i umieszczeniu ich na większej części obwodu cylindra 
części   dwusuwowej   (ponad   połowa   obwodu).   Natomiast   dolot   świeżego 

czynnika   (powietrza)   odbywa   się   przy   pewnym   nadciśnieniu   i   występuje 
rozdzielenie   fazy   przepłukania   cylindra   i   fazy   właściwego   napełnienia 
przestrzeni  roboczej.  Dolot  mieszanki  paliwowo­powietrznej  (lub  powietrza) 
sterowany jest za pomocą rotacyjnego zaworu obrotowego. Wymianę ładunku 
wspomaga tłok części czterosuwowej – w pewnym sensie tłok ten przejął rolę 
dynamicznego układu wspomagającego.
Zmieniony sposób wymiany ładunku posiada następujące zalety:

­ wzrost współczynnika napełnienia cylindra,
­ dobre   przepłukanie   cylindra   umożliwiające   uzyskanie   składu   spalin 

porównywalnego do klasycznego silnika czterosuwowego,

­ możliwość wpływania na wymianę ładunku poprzez sterowanie początkiem 

dolotu świeżego czynnika.

Podczas   pracy   silnika   istnieje   możliwość   dokonywania   zmian   w   położeniu 
tłoków względem siebie – stąd silnik zapewnia sposobność ciągłego wyboru, 
optymalnego ze względu na obciążenie, stopnia sprężania.

6.2. Fazy pracy silnika

Charakterystykę zmian objętości przestrzeni roboczej cylindra i fazy pracy 

silnika   przedstawiono   na   rys.   6.1.   Przebieg   ten   jest   wynikiem   sumowania 
chwilowych   przesunięć   tłoków   obydwu   części   silnika   przy   odpowiednim 
zróżnicowaniu ich skoków i przedstawieniu biegunowym wałów korbowych.  
Na   przebieg   objętości   prawie   żadnego   wpływu   nie   wywierają   stosunki 
wykorbień (stosunek promienia wykorbienia do długości korbowodu). Drogi 
tłoków   i   charakterystykę   przebiegu   objętości   oraz   ciśnienia   w   przestrzeni 
roboczej   cylindra   dwutłokowego   zobrazowano   na   rys.   6.2,   natomiast 
poszczególne fazy pracy silnika przedstawiają rys. 6.2.1 do 6.2.10.

W nowym silniku dwutłokowym proces wymiany ładunku odbywa się 

tylko na krzywej kompresji czynnika i jest to istotna różnica w działaniu tego 
silnika w stosunku do klasycznego silnika dwusuwowego.

Początek   wylotu   spalin   następuje   przez   szczeliny   wylotowe   przy   prawie 

maksymalnej objętości przestrzeni roboczej cylindra (analogia do klasycznego 
silnika   czterosuwowego),   a   sam   przebieg   procesu   wylotu   odbywa   się   przy 
zmniejszaniu objętości od jej wartości maksymalnej V

max

 przy wspomagającym 

działaniu tłoka części czterosuwowej (rys. 6.2.1).

Po minięciu przez tłok dwusuwu  martwego  punktu następuje odsłonięcie 

okna przelotowego w zaworze obrotowym i rozpoczyna się przepływ czynnika 
(powietrze,   mieszanka   paliwowo­powietrzna)   pod   pewnym   nadciśnieniem 
(0,2...0,5 bar). Jest to faza przepłukania cylindra, która odbywa się podczas 
otwartych równocześnie szczelin wylotowych i okna dolotowego (rys. 6.2.2). 
Proces   ten   jest   zdecydowanie   korzystniejszy   niż   w   klasycznym   silniku 
dwusuwowym   i   w   istotny   sposób   polepsza   wskaźniki   ekologiczne   nowego 
silnika.

Właściwe   napełnienie   przestrzeni   roboczej   następuje   po   przysłonięciu 

szczelin wylotowych przez tłok części dwusuwowej (rys. 6.2.3). Napełnianie 
odbywa się przy prawie stałej objętości cylindra V

p

  (efekt „przesuwania” się 

przestrzeni roboczej), a otwarcie okna dolotowego zbliżone jest wówczas do 
maksymalnego (rys. 6.2.4). Przymknięcie okna dolotowego i koniec procesu 
doprowadzania świeżego czynnika do przestrzeni roboczej sterowany jest przez 
tłok części dwusuwowej,  natomiast  zamknięcie  samego  okna  przelotowego  
w   zaworze   dolotowym   następuje   z   pewnym   opóźnieniem   (rys.   6.2.5). 
Zaproponowany   sposób   działania   systemu   dopływu   świeżego   czynnika 
umożliwia   regulację   początku   otwarcia   okna   dolotowego   poprzez   zmianę 
położenia biegunowego zaworu względem koła napędowego.

Po   napełnieniu   przestrzeni   roboczej   świeżym   ładunkiem   rozpoczyna   się 

sprężanie   czynnika.     Sprężanie   odbywa   się   najpierw   przy   małej   zmianie 
objętości (łagodny przyrost ciśnienia), aby pod koniec tej fazy uzyskać właściwą 
dynamikę   (rys.   6.2.6).   W   trakcie   pracy   silnika   występuje   sposobność 
dokonywania zmian położenia tłoków względem siebie – stwarza to możliwość 
ciągłej zmiany (w pewnych granicach) stopnia sprężenia. Podczas sprężania,  
w przypadku bezpośredniego wtrysku paliwa (np. dla silnika ZS pod koniec 
sprężania), do cylindra doprowadzane jest paliwo. 

Zapłon mieszanki paliwowo – powietrznej odbywa się przed V

min

 i spalanie 

posiada charakter mieszany, tzn. część paliwa wypala się izochorycznie (przy 
stałej objętości – rys. 6.2.7), a druga faza spalania odbywa się izobarycznie 
(przy stałym ciśnieniu – rys. 6.2.8), a więc przebieg doprowadzenia ciepła jest 
korzystniejszy niż w klasycznym silniku z zapłonem iskrowym i ma to wpływ 
na   podwyższenie   sprawności   silnika,   zwłaszcza   w   zakresie   obciążeń 
częściowych   silnika.   Przedstawiony   charakter   spalania   wynika   z   tego,   że  
w zakresie  V

min

  następuje  szybsza,  niż w klasycznych  silnikach  ZI,  zmiana 

objętości   przestrzeni   roboczej   cylindra.   Na   dwuetapowość   procesu   spalania 
wpływ wywiera również bezpośredni wtrysk paliwa do cylindra.

Po   spaleniu   paliwa   następuje   rozprężanie   gazów   spalinowych   w   pełnym 

zakresie objętości skokowej cylindra od V

min

 do V

max

, a więc cała praca procesu 

rozprężania gazów jest wykorzystywana bez przerwań, wynikających z otwarcia 
okna   wylotowego,   co   zasadniczo   różni   nowy   silnik   od   klasycznego   silnika 
dwusuwowego (rys. 6.2.9 i rys. 6.2.10).

Podczas   rozprężania   gazów   w   silniku   dwutłokowym   występuje   efekt 

przedłużonej ekspansji. Powoduje to uzyskanie wysokiego stopnia rozprężania
  i   znacznego   spadku   temperatury   spalin   wylotowych.   Powstałe   w   wyniku 
spalania  gazy   równocześnie   oddziaływają   na denka  obydwu   tłoków  i  praca 
odbierana jest z dwóch wałów korbowych. Rozdział mocy z obydwu części 
silnika określa stosunek skoków tłoków – z części dwusuwowej otrzymuje się 
moc   dwukrotnie   większą   niż   z   części   czterosuwowej,   ponieważ   stosunek 
skoków wynosi S

2

:S

4

=2:1.

7. CECHY DWUTŁOKOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO 

Zaproponowany   nowy   dwutłokowy   silnik   spalinowy   charakteryzuje   się 

następującymi cechami:

•

wykorzystuje  się  współdziałanie  dwóch  tłoków  przemieszczających 
się współliniowo,

•

sposobność zmiany położenia tłoków względem siebie (przesunięcie 
fazowe) poprzez automatyczną zmianę biegunowego położenia wałów 
korbowych,

•

możliwość   zwiększenia   mocy   i   prędkości   obrotowej   silnika 
(przewiduje   się,   że   prędkość   obrotowa   wału   korbowego   części 
dwusuwowej może osiągnąć wartość rzędu 6­7 tys. obr/min., a wał 
części czterosuwowej – 12­14 tys. obr/min., 

•

polepszenie   wymiany   ładunku   na   skutek   rozdzielenia   fazy 
przepłukania cylindra i właściwego napełnienia przestrzeni roboczej,

•

polepszenie   i   w   pewnym   zakresie   kształtowanie   procesu   spalania
  w wyniku  korzystnej  charakterystyki  zmian objętości  przestrzeni 
roboczej,  różnicy  prędkości  tłoków  i dynamicznego  oddziaływania 
tłoka czterosuwu,

•

wyeliminowanie   typowego   układu   rozrządu   opartego   o   zestaw 
zaworów grzybkowych ze sprężynami,

•

możliwość sterowania fazą dolotu świeżego czynnika,

•

sposobność  zmiany  stopnia  kompresji  podczas  pracy stosownie  do 
chwilowego obciążenia silnika,

•

przedłużenie   ekspansji   gazów   i   ograniczenie   temperatury   spalin 
wylotowych,

•

istotny   wzrost   sprawności   cieplnej   silnika   przy   nieznacznym 
obniżeniu sprawności mechanicznej,

•

wzrost sprawności ogólnej silnika, szczególnie w zakresie obciążeń 
częściowych, 

•

zmniejszenie zużycia paliwa – prognoza,

•

perspektywa   spalania   różnych   paliw   (np.   oleje   roślinne,   benzyny 
niskooktanowe),

•

możliwość ograniczenia emisji substancji toksycznych.

8. OBIEGI PRACY SILNIKA DWUTŁOKOWEGO

8.1. Analiza zmian objętości przestrzeni roboczej cylindra

Szczegółowa  analiza charakterystyki  zmian objętości przestrzeni  roboczej 

cylindra (rys. 6.1) prowadzi do następujących konkluzji:

•

W przedziale od V

min

 następuje szybsza, niż w klasycznych silnikach ZI, 

zmiana   objętości   przestrzeni   roboczej   cylindra   (rys.   8.1,   rys.   8.2)   – 
wpływa to na dwuetapowość procesu spalania (doprowadzania ciepła). 
Część paliwa wypala się przy V=idem, a część przy p = idem.

•

Przestawienie biegunowe wałów korbowych wywołuje zmiany objętości 
przestrzeni roboczej podczas sprężania czynnika (rys. 8.3) – wpływa to 
(w   pewnych   granicach)   na   kształtowanie   przebiegu   ciśnienia  
w cylindrze.

•

Przestawienie   biegunowe   wałów   korbowych   nie   wywołuje   zmian 
objętości   podczas   ekspansji   gazów   (rys.   8.3)   –   dla   różnych   położeń 
tłoków występuje prawie niezmienny przyrost objętości – dzięki temu 
występuje równomierność przenoszenia mocy na zewnątrz.

•

Efektywna   objętość   skokowa   cylindra   –   jako   różnica   objętości: 
maksymalnej i minimalnej przestrzeni roboczej – jest stała w zakresie 
zmian   kąta   przestawienia   biegunowego   wałów   korbowych   (rys.   8.3, 
rys. 8.4a).

•

Występują   znaczne   zmiany   objętości   minimalnej   (kompresyjnej) 
i nieznaczne   zmiany   objętości   maksymalnej   w   zależności   od   kąta 
przestawienia biegunowego wałów korbowych (rys. 8.4a) – powoduje to, 
że stopień sprężania może być zmieniany w granicach 6...12, a stopień 
rozprężania wynosi wówczas 19...10 (rys. 8.4b).

•

Objętość napełniania V

p

 (rys. 8.4a) jest w miarę stała, a pośredni stopień 

kompresji utrzymywany jest na poziomie 

ε

p

=1,5...1,85.

8.2. Obieg teoretyczny

Dla   silnika   dwutłokowego   stworzono   odpowiednie   modele   w   zakresie 

mechanicznym   i   termodynamicznym,   co   umożliwiło   opracowanie   koncepcji 
działania i obiegów pracy. Obieg teoretyczny  tego silnika bazuje  na obiegu 
Seiligera­Sabathe’go   (obieg   mieszany   klasycznych   tłokowych   silników 
spalinowych)  z istotną modyfikacją w zakresie sprężania czynnika. Schemat 
obiegu w układzie pracy (p­V) i w układzie ciepła (T­s) przedstawiono na  
rys. 8.5 – uwzględniono wersję z izotermą (a) i wersję z izobarą (b) podczas 
wyprowadzania ciepła.

Obieg teoretyczny silnika dwutłokowego składa się z dwóch izentrop, dwóch 

izochor oraz izobary i izotermy dla wersji (a) lub dwóch izobar dla wersji (b). 
Do dalszych rozważań i analiz przyjęto wersję (a). 

Stan początkowy czynnika (punkt 1) określony jest przez ciśnienie p

z

>p

o

, 

objętość V

p

 i temperaturę T

o

. Na odcinku 1­2 następuje izentropowe sprężanie 

czynnika do ciśnienia p

2

, po czym w wyniku spalania następuje doprowadzenie 

ciepła   do   czynnika   obiegowego.   Ciepło   doprowadzane   jest   dwufazowo: 
najpierw przy stałej objętości kompresyjnej V

2

=V

o

=idem (Q

dv

, odcinek 2­3),  

a później przy stałym ciśnieniu maksymalnym p

3

=p

max

=idem (Q

dp

, odcinek 3­4). 

Dwufazowe   doprowadzenie   ciepła   do   czynnika   w   głównej   mierze   wynika  
z większego, w stosunku do silnika ZI, gradientu objętości przestrzeni roboczej 
w zakresie objętości kompresyjnej cylindra.

W   punkcie   4   czynnik   osiąga   maksymalną   temperaturę   i   maksymalne 

ciśnienie.   Fazę   pracy   obrazuje   izentropowe   rozprężanie   czynnika   (4­5)   od 

ciśnienia   p

max

  do   ciśnienia   p

5

.   Charakterystyczną   cechą   obiegu   silnika   jest 

przedłużona ekspansja czynnika powodująca znaczne obniżenie temperatury T

5

. 

Spadek   ciśnienia   na   odcinku   5­6   spowodowany   jest   izochorocznym 
wyprowadzeniem ciepła (Q

wv

). Pewna porcja ciepła odprowadzana jest podczas 

przemiany   izotermicznej   (6­1),   przy   jednoczesnym   wstępnym   sprężeniu 
czynnika   do   ciśnienia   p

z

.   Efektywną   objętość   skokową   cylindra   V

s

  określa 

różnica objętości największej i kompresyjnej V

s

=V

max

­V

o

.

Obieg pracy silnika umożliwia uzyskanie:

•

niskiego stopnia sprężania – jego wartość zawiera się w średnim zakresie 
stopni   sprężania   silników   ZI   z   możliwością   regulacji   do   wyższych 
wartości,

•

wysokiego stopnia ekspansji – podobna wartość jak w silnikach ZS.

8.3. Obieg porównawczy i obieg rzeczywisty

Obieg   porównawczy   silnika   dwutłokowego   różni   się   od   obiegu 

teoretycznego   zmodyfikowanym   przebiegiem   przemian   podczas 
wyprowadzania   ciepła   i   zasilania   przestrzeni   roboczej   świeżym   ładunkiem. 
Wyprowadzenie   ciepła   od   czynnika   obiegowego   odbywa   się   podczas 
izochorycznego wylotu spalin (tak jak w obiegu teoretycznym) i izobarycznego 
wytłaczania   spalin   przy   p

w

>p

o

.   Natomiast   napełnienie   przestrzeni   roboczej 

świeżym   ładunkiem   następuje   przy   stałej   objętości   V

p

  przy   równoczesnym 

wzroście  ciśnienia   tego  ładunku   do p

z

. Wartość   ciśnienia  czynnika  podczas 

dolotu wynika z równości temperatur T

6

=T

1

. Schemat obiegu porównawczego 

silnika dwutłokowego przedstawiono na rys. 8.6. 

Obieg   porównawczy   silnika   dwutłokowego   można   porównać   z   obiegiem 

czterosuwowego   silnika   doładowanego   (rys.   8.7).   Jak   widać,   uzyskuje   się 
podobny charakter przemian, ale przy mniejszym ciśnieniu na końcu sprężania 
i przy jednym obrocie wału korbowego na cykl pracy silnika. Na tej podstawie 
można stwierdzić, że obieg porównawczy silnika dwutłokowego wykorzystuje 
zalety   obiegu   Millera   i   obiegu   silnika   Stirlinga.   Schemat   prognozowanego 
rzeczywistego   obiegu   dwutłokowego   silnika   spalinowego   przedstawiono   na 
rys.8.8.

8.4. Wskaźniki pracy obiegu teoretycznego

Wśród wskaźników pracy silnika

 

dwutłokowego wyróżniono:

­

sprawność teoretyczną η

t

,

­

średnie ciśnienie teoretyczne p

t

,

­

moc jednostkową N

t

/V

s

.

Wskaźniki   te   zależą   od   parametrów   obiegu,   w   tym   od   przyjętego   zakresu 
temperatur i od objętości pośredniej V

p

. W wyniku przeprowadzonych obliczeń 

stwierdzono, że występuje niewielki przyrost sprawności teoretycznej (rys. 8.9) 
i nieco większy wzrost średniego ciśnienia teoretycznego (do 30 % ­ rys. 8.10). 
Podstawowa, bardzo korzystną, cechą silnika jest duża wartość wskaźnika mocy 
jednostkowej,   przewyższająca   dotychczas   spotykane   wartości.   Z   obliczeń 
wynika, że nowy silnik może osiągnąć ponad 100 kW (nawet  do 120 kW)
 

z

 

1 litra objętości skokowej.

Analiza   wskaźników     silnika   dwutłokowego   wykazuje,   że   nowy   silnik 

pozwala   lepiej   wykorzystać   energię   zawartą   w   paliwie.   Osiąga   on   wyższe 
wartości   wskaźników   porównawczych   niż   klasyczne,   czterosuwowe  
i dwusuwowe, silniki spalinowe o takiej samej objętości skokowej.  

Rozprężanie ładunku pomiędzy dwoma tłokami ma tę zaletę, że wyraźnie 

zmniejsza naprężenia działające w układzie korbowym dzięki temu, że szczyt 
ciśnienia w cylindrze występuje w momencie, gdy wykorbienie wału części 
czterosuwowej jest odchylone o pewien kąt od osi cylindra.

 

9. PODSUMOWANIE I WNIOSKI

9.1. Podsumowanie

Nowy   silnik   pracuje   według   zmodyfikowanej   zasady   działania   silnika 

dwusuwowego.  W silniku  tym udało się praktycznie  wyeliminować,  zawsze 
zachodzące w klasycznych dwusuwach, zjawisko nagłego spadku ciśnienia w 
cylindrze na skutek wczesnego  odsłonięcia przez tłok okna wylotowego,  co 

powoduje dużą stratę energii nie rozprężonych dostatecznie spalin. W nowym 
silniku   następuje   efektywne   wykorzystanie   adiabaty   rozprężania   gazów 
pomiędzy   dwoma   tłokami   –   w   momencie   odsłonięcia   przez   tłok   okna 
wylotowego   nadciśnienie   spalin   jest   już   niewielkie.   Jednocześnie   moment 
wymiany ładunku opóźniony jest znacznie w stosunku do klasycznego silnika 
dwusuwowego   (wczesne   odsłonięcie   okna   wylotowego   ma   związek  
z efektywnością procesu wymiany ładunku) i zachodzi w całości na krzywej 
kompresji przy niewielkim nadciśnieniu ładowanego czynnika. Nadciśnienie to 
wywołane przez sprężarkę (dmuchawę), ma pozytywny wpływ na doskonałość 
procesu przepłukania cylindra. Można powiedzieć, że proces wymiany ładunku 
jest „ukryty” i nie powoduje ograniczenia mocy silnika.

W  proponowanym   silniku   występuje   korzystny   przebieg   zmian   objętości 

przestrzeni   roboczej   cylindra.   Pozwala   to   na   osiągnięcie   takich   warunków 
spalania, które umożliwiają pracę silnika z niskim stopniem kompresji podczas 
sprężania czynnika w cylindrze, przy jednocześnie dużym stopniu ekspansji. 
Właściwość   ta   umożliwia   wykorzystanie   paliw   o   małej   liczbie   oktanowej,  
a   płynna   zmiana   przestawienia   biegunowego   wałów   korbowych   może 
prowadzić   do   regulowania   (automatycznego   wyboru)   stopnia   kompresji, 
właściwego dla obciążeń częściowych silnika i lepszych paliw.

W celu poprawy parametrów pracy i wskaźników ekologicznych, zakładane 

jest   zastosowanie   zaawansowanego,   zintegrowanego   układu   wtryskowo­
zapłonowego z elektronicznym sterowaniem.

Spostrzeżenia   dotyczące   nowego   silnika   są   optymistyczne,   ale   należy 

pamiętać, że opierają się na obliczeniach teoretycznych. Nie uwzględniają np. 
strat   mechanicznych,   jakie   pojawią   się   w   elementach   tego   silnika. 
Wprowadzenie   dodatkowego   układu   korbowego   spowoduje   ponadto   wzrost 
masy (pomimo nawet ograniczenia do minimum układu rozrządu) i wymiarów 
jednostki   napędowej.   Nie   udało   się   też   wyeliminować   całkowicie   układu 
rozrządu,   zastąpił   go   zawór   obrotowy   o   zdecydowanie   mniejszych   oporach 
ruchu. Zapotrzebowanie na świeży ładunek o zwiększonym ciśnieniu wymusza 
zastosowanie   sprężarki   –   dmuchawy   ładującej,   która   napędzana   od   wału 
korbowego również pobierać będzie pewną część mocy produkowanej przez 
silnik. Zastosowanie turbosprężarki nie jest tu możliwe, gdyż nie zapewnia ona 

stałego   nadciśnienia,   w   dodatku   wzrastającego   liniowo   wraz   ze   wzrostem 
prędkości obrotowej wału korbowego.

Jednakże dzięki swoim cechom opracowany silnik dwutłokowy może być 

zdolny do uzyskania wyższych wskaźników sprawności oraz wyższych mocy 
niż klasyczne silniki dwusuwowe. W porównaniu do silników czterosuwowych, 
w których na jeden cykl pracy przypadają dwa obroty wału korbowego, przyrost 
mocy jest ponad dwukrotnie większy dla tej samej pojemności skokowej silnika. 
Szczegółowa   weryfikacja   wskaźników   pracy   nowego   silnika   może   być 
dokonana   dopiero   po   przeprowadzeniu   badań   na   obecnie   wykonywanym 
modelu  funkcjonalnym.  Wykonawcą  prototypu  jest  firma  GODULA  MOTO 
SPORT   –   Staniątki   k/Krakowa.   Natomiast   pierwszy   model,   wykonany   w 
Politechnice   Śląskiej   w   Gliwicach   we   współpracy   z   firmą   Diesel   Service, 
potwierdził słuszność idei silnika i umożliwił opracowanie udoskonalonej wersji 
silnika dwutłokowego.

Z powyższą konstrukcją wiąże się nadzieje na zbudowanie nowoczesnego 

silnika   o   wysokich   osiągach   i   niskim   zużyciu   paliwa.   Osiągnięcie 
zadowalającego  kompromisu  w tej kwestii  wydaje  się być bliższe  realizacji 
dzięki   właśnie   tej   konstrukcji.   Mimo,   że   wszelkie   dotychczasowe   próby 
rozpowszechnienia   silników   dwutłokowych   nie   zakończyły   się   pełnym 
wykorzystaniem ich zalet, to proponowany silnik może stanowić pewien krok
 w rozwoju tłokowych silników spalinowych. 

9.2. Wnioski

•

Przedstawiony   silnik   spalinowy   jest   silnikiem   dwutłokowym   i   pracuje 
według   zmienionej   zasady   działania   silników   tłokowych.   Jest   to 
zmodyfikowana zasada działania silnika dwusuwowego ze wspomagającym, 
dynamicznym oddziaływaniem tłoka części czterosuwowej.

•

Przesunięcie   fazowe   tłoków   i   odpowiedni   dobór   skoku   tłoka   części 
czterosuwowej   umożliwia   realizację   zmodyfikowanej   idei   pracy   silnika. 
Skok tłoka czterosuwu powinien wynosić ok. 0,5...0,6 skoku tłoka dwusuwu, 
natomiast przesunięcie biegunowe wałów korbowych obu modułów silnika 
wynosi – 40

0

 

±

20

0

 w stosunku do kąta obrotu wału części dwusuwowej.

•

Wymiana   ładunku   odbywa   się   tylko   podczas   zmniejszania   objętości 
przestrzeni roboczej (tzw. „ukryty” proces wymiany na krzywej kompresji 
czynnika)   i   występuje   wyraźne   rozdzielenie   fazy   przepłukania   i   fazy 
właściwego napełnienia. Napełnienie świeżym czynnikiem odbywa się pod 
nadciśnieniem   (ok.   0,2...0,5   bar)   przy   prawie   stałej   objętości   przestrzeni 
roboczej   cylindra.   Działanie   silnika   w   całym   polu   pracy   wymusza 
konieczność stosowania sprężarki mechanicznej.

•

Zaletami zmienionego sposobu wymiany ładunku jest:

­ wzrost współczynnika napełnienia cylindra,
­ dobre przepłukanie cylindra umożliwiające uzyskanie składu spalin 

porównywalnego z klasycznym silnikiem czterosuwowym,

­ możliwość   wpływania   na   wymianę   ładunku   przez   sterowanie 

początkiem dolotu świeżego ładunku. 

•

Charakterystycznymi cechami silnika są:

­ przedłużona ekspansja gazów,
­ zmienność   stosunku   kompresji   podczas   sprężania   czynnika   (od 

wartości niskich rzędu 6...7 do wartości wysokich – ponad 12),

­ korzystny przebieg zmian objętości przestrzeni roboczej podczas 

sprężania czynnika przy różnym przestawieniu biegunowym wałów 
korbowych – umożliwia to (w pewnych granicach) kształtowanie 
ciśnienia w cylindrze,

­ prawie niezmienny przyrost objętości podczas ekspansji czynnika 

przy różnych położeniach tłoków – wpływa to na równomierność 
przenoszenia mocy na zewnątrz,

­ objętość   skokowa   cylindra   jest   stała   niezależnie   od   zmian   kąta 

przestawienia biegunowego wałów korbowych.

•

Z   obliczeń   wynika,   że   nowy   silnik   posiada   korzystniejsze   parametry  
i wskaźniki pracy:

­ nieco większa sprawność – charakterystyka sprawności może być 

bardzo korzystna dla obciążeń częściowych,

­ większy   moment   obrotowy   –   średnie   ciśnienie   teoretyczne  

i   zdecydowanie   większa   moc   w   stosunku   do   porównywalnego 
silnika ZI o tej samej objętości skokowej.

•

Właściwości   silnika   i   możliwość   zmiany   stosunku   kompresji   podczas 
normalnej pracy prognozują sposobność spalania w nim różnych paliw.

•

Obecnie   wykonywany   jest   model   funkcjonalny,   który   po   przebadaniu 
potwierdzi zapewne dość optymistyczne wnioski przedstawione wyżej.

 LITERATURA

[1] Mężyk  P.:  Silnik  spalinowy.  Zgłoszenie  patentowe  nr  P­335854  z   05.10.1999.  Urząd 

Patentowy RP, Warszawa 1999.

[2] Ciesiołkiewicz  A.,   Mężyk   P.:   Dwutłokowy   silnik   spalinowy.   Zgłoszenie  patentowe  

nr P­350472 z 06.11.2001. Urząd Patentowy RP, Warszawa 2001. 

[3] Rychter T.: Tajniki silników dwusuwowych. WKiŁ, Warszawa 1980.
[4] Świerczek J.: Silnik spalinowy. Patent nr 50277, Warszawa 1966.
[5] Gumuła S., Kaiser H.: Nowa koncepcja bezzaworowego silnika spalinowego. Konferencja 

Motoryzacyjna KONMOT’96, Kraków 1996.

[6] Ciesiołkiewicz A., Mężyk P.: Silnik dwutłokowy. Zgłoszenie patentowe nr P­355931  

z 11.09.2002. Urząd Patentowy RP, Warszawa 2002. 

[7] Ciesiołkiewicz A., Mężyk P.: Dwutłokowy silnik spalinowy. Międzynarodowa Konferencja 

Silników Spalinowych KONES’2002, Gdańsk ­ Jurata 2002.

[8] Ciesiołkiewicz  A.:  Obiegi  pracy  dwutłokowego  silnika  spalinowego.  Międzynarodowa 

Konferencja Silników Spalinowych KONES’2002, Gdańsk – Jurata 2002.

DOUBLE PISTONS INTERNAL COMBUSTION ENGINE 

Description

The new conception of combustion engine is based on the combination of two engines. It 

makes   use   of   both   two­   and   four­stroke   engine.   The   two­stroke   combustion   engine   is 
characterised by a simple construction and system of air load change as well as bigger index of 
power output. Unfortunately, its filling ratio is worse than in four­stroke engine. The ecological 
index of two­stroke engine is also unfavourable. The system of valves of the four­stroke engine 
is its disadvantage. The cylinders of both modules of double pistons engine have been joined 
along one axis with common cylinder head ­ in the form of the ring. The pistons are moved 
with different speed and with appropriate stage displacement. There are two crankshafts, which 
are connected with special transmission in shown solution. The four­stroke crankshaft is rotated 
with twice a speed of two­stroke crankshaft. The engine is named double pistons because of its 
construction ­ double pistons and crankshafts. 

The double pistons combustion engine’s work is based on the co­operation of both modules. 

The air load change takes place in two­stroke engine. The piston of four­stroke engine is 
exchange aiding system which improves air load change. It works as a system of valves. The 
cylinder is filled with air or with air­fuel mixture. Filling proces takes place at overpressure by 
the slide inlet system. The exhaust gases are removed as in the classical two­stroke engine (by 
exhaust’s windows in cylinder). The fuel is supplied into the cylinder by fuel injection system. 
The ignition is realised by two spark plugs. The effective power output of the double pistons 
engine   is   transfered  by   two   crankshafts.  The   characteristic  feature  of   this   engine   is   an 
opportunity of continuous change of cubic capacity and compression rate during engine work 
by changing the piston’s location. The mathematical models (mechanical and termodynamical) 
were meant for double pistons engines which make ableenable to draw up new theoretical 
thermodynamic cycle for internal combustion double pistons engine.

Double – pistons IC engine features

1. The presented IC engine is a double – pistons engine, where the cooperation of two coaxial 
pistons is used. 
One piston works in a four – stroke cycle and the second one in the two – stroke cycle.

2.   The   engine’s   work   is   based   on   the   modified   operation   of   the   two   –   stroke  
 engine that is cooperating of four – stroke engine piston. Exhaust gases are thrown out through 
exhaust’s ports. The rotary valve controls the supply of the fresh air – fuel mixture.

3. The modified operation of engine’s work is realized as a result of:

­ the quotient of pistons strokes (k=S

4

/S

2

 

∈

 (½, 1))

­ the possibility of changing relative piston’s position during the engine’s work via 

automatic change of crankshaft’s polar position (

α

=40

°±

20

°

)

4. When the volume of workspace decreases the charge exchange is beginning  (this process 
called “hidden” process of charge exchange on compression stage). There is a clear separation 
of scavenging phase and relative filling phase. The fresh air filling appears with overpressure 
(about 0,2  

…

  0,5 bar). Than the volume of cylinder’s workspace is almost constant. The 

engine’s work at the whole working field requires using a mechanic compressor.
Advantages of the modified charge exchanges are:

­ an increase of cylinder filling’s coefficient,
­ an appropriate cylinder’s scavenging (the composition of exhaust gas is compared to a 

typical four – stroke engine),

­ the possibility of influencing the charge’s exchange via steering initial inlet of the fresh 

mixture.

5. The engines is characterized by:

­ lingered gas’s expansion and limitation of the exhaust gas’s temperature on the outlet,
­ the variability of the compression ratio (from the low order of 6…7 to the high order of 

over 12),

­ possibility of changing the compression ratio during the engine’s work depending on 

the temporary load,

­ a beneficial changing of workspace during the mixture’s compression with different 

polar position of crankshaft,

­ an almost constant increase of volume during the expansion stage at different piston’s 

position,

­ the displacement volume is constant – independent of polar angles of the crankshaft 

changing.

6. Based on calculation the new engine has more favorable parameters and work’s indicators:

­ the   increase   of   engine   thermal   efficiency  (the   mechanical  efficiency  is   a   little 

decreasing),

­ a little higher total efficiency (efficiency characteristic is more favorable with medium 

load),

­ a higher torque and the higher power output (compared to the SI engine).

7. The property of engine gives possibility to burn different fuels (e.g. bio – fuels and low – 
octane petrol).