Tłokowy silnik spalinowy z typowym układem korbowym uznawany jest za konstrukcję zamkniętą i dopracowaną, przynajmniej w kwestii podstawowej zasady działania i przebiegu kolejnych faz pracy. Konstruktorzy zdają sobie przy tym sprawę z istotnych wad tego rozwiązania, przyjmując je za tak oczywiste, że aż niemożliwe do usunięcia.

Jedną z tych wad jest niekorzystna sekwencja ruchu tłoka i układu korbowego wobec narastania i opadania ciśnienia nad tłokiem. Wydaje się normalne, że zapłon następuje tuż przed górnym zwrotnym punktem ruchu tłoka, a maksimum ciśnienia w komorze spalania przypada na kilkanaście stopni obrotu wału korbowego następujące tuż po owym górnym zwrotnym punkcie tłoka.

Efektem tego jest wystąpienie największych sił gazowych przy takim położeniu układu korbowego, w jakim generują one minimalny moment obrotowy mierzony na wale korbowym (duża siła, ale niewielkie ramię). Powoduje to istotne straty mechaniczne realizowane poprzez tarcie tłoka o cylinder, tarcie w łożyskach oraz gięcie elementów układu korbowego. Ta energia nie daje się odzyskać w następnych fazach pracy silnika, w rezultacie uśredniony moment obrotowy uzyskany na wale jest stosunkowo niewysoki, a sprawność silnika mocno ograniczona.

Obecnie wysiłki większości konstruktorów skierowane są na poprawienie efektywności spalania oraz ograniczenie oczywistych strat tarcia w mechanizmie silnika. Efektem tego sprawność tradycyjnych silników tłokowych z zapłonem iskrowym przekracza już 30%, a z zapłonem samoczynnym sięga ponad 40% Jednak co by się stało, gdyby wykres ciśnienia nad tłokiem był zasadniczo taki sam, ale opóźniony o kilkadziesiąt stopni obrotu wału korbowego?

Specjaliści nie zastanawiają się nad taką ewentualnością, kwitując ją jednym słowem: niemożliwe! No bo przecież jaki jest silnik tłokowy, każdy widzi...

Tymczasem są jednak wynalazcy, nazwijmy ich wizjonerami, którzy nie przyjmują dotychczasowych rozwiązań za niezmienne i starają się jakoś przesunąć to maksimum ciśnienia nad tłokiem. Ciekawym pomysłem jest konstrukcja Zbigniewa Stańca. Silnik ten, nazwany jednostką z wędrującą komorą spalania, jest w naszych polskich warunkach szczególny z tego powodu, że jego przedprototyp powstał (nakładem wynalazcy) w metalu i działa, a ponadto jest opatentowany. Potrzebne są jednak nakłady na poważne badania i tu sprawa się komplikuje...

Zwykły silnik, niezwykła komora

Silnik p. Stańca jest u swych podstaw najzwyklejszą jednostką tłokową z tradycyjnym układem korbowym. Działający model zbudowano na bazie silnika WSK 125 cm3. Niezwykłość konstrukcji polega na tym, że o ile tradycyjnie nad tłokiem znajduje się stała nieruchoma głowica z komorą spalania, to tutaj umieszczony jest drugi tłok o tej samej średnicy, wykonujący ściśle określone ruchy, inne niż tłok podstawowy. Przestrzeń zawarta pomiędzy koronami obu tłoków jest właśnie ową wędrującą komorą spalania.

W tym miejscu łatwo już domyśleć się, jaki był zamysł konstruktora: najmniejsza odległość pomiędzy tłokami ma wystąpić w określonym miejscu (liczonym w stopniach obrotu wału), nie w górnym zwrotnym punkcie zasadniczego tłoka roboczego, ale wtedy, gdy wychylenie głównego wykorbienia pozwala na uzyskanie dużego chwilowego momentu obrotowego.

Poważnym problemem było uzyskanie kontrolowanego ruchu drugiego tłoka stanowiącego właściwie ścianę głowicy. Uzyskano to za pomocą układu dwóch krzywek napędzanych od wału korbowego, określających ruch odpowiedniej dźwigni. Dźwignia ta ma dodatkowe ramię przemieszczające popychacz, a ten z kolei realizuje, poprzez kolejną dwustronną dźwignię, ruch wspomnianego "głowicowego" tłoka. Jego skok jest znacznie mniejszy niż skok zasadniczego tłoka, a ruch określony jest przez profile wymienionych wyżej krzywek. Punkt zapłonu musi być oczywiście dostosowany do rzeczywistego czasu, w którym ma nastąpić efektywne spalanie mieszanki.

W praktyce urządzenie nie jest bardzo skomplikowane. Dobierając profil krzywek i geometrię poruszanej przez nie dźwigni można w dość swobodny sposób kształtować ruch tłoka "głowicowego". W ten sposób da się przesuwać punkt, w którym wystąpi największe ciśnienie nad tłokiem, a także można modyfikować krzywą przyrostu ciśnienia. Co więcej, gdyby oś drugiej (na naszych rysunkach i zdjęciach górnej) dźwigni dwustronnej łożyskować np. na regulowanym urządzeniu mimośrodowym, można uzyskać dynamiczną zmianę stopnia sprężania, co mogłoby jeszcze bardziej poprawić sprawność silnika.

Nie tylko zalety

Przewidywana przewaga silnika z wędrującą komorą spalania to przede wszystkim większa sprawność dzięki efektywniejszemu generowaniu momentu obrotowego z ciśnienia gazów nad tłokiem. Wynalazca ma nadzieję także na wydłużenie procesu formowania i spalania mieszanki, co ma zwiększyć sprawność spalania przy wyższych obrotach, szczególnie gdyby silnik pracował z zapłonem samoczynnym. Kolejne potencjalne zalety kryją się w możliwości dynamicznego sterowania stopniem sprężania - można uzyskać większą sprawność lub skonstruować silnik prawdziwie wielopaliwowy.

Są też widoczne wady - przede wszystkim większa komplikacja konstrukcji. Wydaje się też trudne opracowanie takiego silnika ze sterowaniem pobierania ładunku innym niż przy użyciu krawędzi tłoka (brak wolnej powierzchni komory spalania), a więc mogą powstać problemy z czystością spalin.

Istniejący silnik został przebadany tylko częściowo - wykonano pomiary ciśnienia indukowanego przy biegu luzem, potwierdzające zresztą wstępne założenia. Jednak mimo iż pomysł ma już dobre kilka lat, nie udało się przekonać nikogo do przebadania silnika na hamowni, a zatem nie wiadomo czy straty powstałe w napędzie drugiego tłoka nie są zbyt duże oraz czy bierze on efektywnie udział w generowaniu momentu, bo że bierze, jest oczywiste.

Właściwie nie wiadomo nic o tym, jak powinno być w takim silniku realizowane zasilanie, oraz jaki powinien być kształt komory spalania. Zaproponowany przez wynalazcę kulisty kształt w koronie tłoka budzi spore wątpliwości.

Oczywiście kolejną kwestią byłaby technologia wytwarzania, dobór materiałów, obliczenia wytrzymałościowe itp. Innymi słowy - jest pomysł, być może realny, brakuje zainteresowanych, by go sprawdzić. Czy znajdzie się ktoś, kogo interesuje nie tylko pewny i szybki zysk?