Druga młodość dwusuwów

Na skróty:

Powyżej: Suzuki GT 750 – wygodny i szybki dwusuw na co dzień. Nowatorskie smarowanie i chłodzenie cieczą to jego wyróżniki. Poniżej: Austriacy jako pierwsi wprowadzili na rynek motocykl enduro zasilany wtryskiem. Pracę nad układem trwały od 2004 roku.

Fot. KTM, Paweł Słomiński, Tomasz Niewiadomski

W silniku dwusuwowym cykl pracy podczas jednego obrotu wału korbowego ogranicza się zasadniczo do dwóch suwów – sprężania i pracy, natomiast fazy wydechu i wprowadzenia nowej mieszanki do cylindra kumulują się w dolnym punkcie zwrotnym tłoka. Podczas suwu sprężania jednocześnie odbywa się zasysanie do skrzyni korbowej mieszanki paliwowo-powietrznej, przeznaczonej do zużycia podczas kolejnego cyklu. Z kolei gdy zaczyna się suw pracy, ruch tłoka w dół wstępnie spręża mieszankę wprowadzoną do przestrzeni pod nim. Następnie trafia ona do kanału przelotowego w cylindrze. Gdy zbliża się dolny punkt zwrotny, tłok otwiera okno wylotowe, przez które wydostają się gazy spalinowe, a następnie wlotowe, przez które wpada nowy ładunek, dodatkowo wypychający resztki spalin. Ta prosta konstrukcja wyklucza potrzebę stosowania rozrządu znanego z silników czterosuwowych, lecz ma też wady.

Smarowanie i spalanie

Powyżej: Niecodzienny widok: wtrysk paliwa w silniku dwusuwowym! Wciąż budzi obawy, że to burzy prostotę konstrukcji dwusuwu.

Pierwsza słabość – ograniczenie trwałości – bierze się z rozwiązania smarowania współpracujących powierzchni tłoka i cylindra. Niezbędny do tego olej trafia na nie transportowany przez ładunek paliwowo-powietrzny. W zależności od motocykla, olej może być rozrabiany z paliwem i w postaci takiej mieszanki wlewany do baku albo dodawany do benzyny w gaźniku za pomocą dozownika.

Wydajność takiego smarowania nie jest najwyższa. Film olejowy jest nietrwały, bo spala się wraz z paliwem, więc musi być odnawiany w każdym cyklu.

Druga to niezbyt czyste spaliny i wysokie spalanie. Gazy spalinowe po otwarciu okna wylotowego częściowo uchodzą z cylindra pod wpływem własnego ciśnienia, a częściowo są wypychane przez świeżą mieszankę (tzw. przepłukiwanie). Niestety, pociągają za sobą także część nowego ładunku. Stąd właśnie bierze się trudny do zaspokojenia apetyt dwusuwa.

Na drugiej szali dwutakty, poza osiągami i prostą budową, mają do zaoferowania takie zalety jak niewielkie gabaryty, niska masa, dobre chłodzenie i możliwość pracy w dowolnej płaszczyźnie bez ryzyka zatarcia.

Szerokie spektrum zastosowań

Powyżej: Olej w silniku KTM trafia wraz z powietrzem do skrzyni korbowej, a dalej do kanałów przelotowych, gdzie miesza się z benzyną. Poniżej: Dyfuzor we współczesnym motocyklu off-roadowym.

Fot. KTM, Paweł Słomiński, Tomasz Niewiadomski

Pierwszy motocykl z silnikiem dwusuwowym zbudował Alfred Angas Scott w 1908 roku. Już wtedy czterosuwy były powszechnie stosowane w motocyklach. O sile przebicia dwutaktu decydowała cena i otrzymywana za nią sprawność. Wraz z rozwojem nowoczesnych jednostek 4T, dwusuwy nie znikały z rynku.

Dzięki niskim kosztom produkcji i kompaktowej konstrukcji wsadzano je w ramy zarówno tanich motocykli i skuterów jak i sporotwych maszyn, bowiem ten typ silnika dawał ogromne pole do popisu dla inżynierów. Przy stosunkowo niewielkim nakładzie technologicznym i finansowym można było z nich wycisnąć ogromną moc i zachować niską masę. Przy okazji dwusuwy bardzo dobrze oddają temperaturę.

W przypadku drogowych motocykli, od klasy średniej wzwyż dwusuw nigdy nie odniósł sukcesu. Głównie ze względu na szybkie zużycie, wysokie spalanie, duże wibracje i znaną, nerwową charakterystykę. Całe pokłady mocy uwalniane były dopiero przy wysokich obrotach. W wykorzystaniu wyczynowym było to do zaakceptowania, w „cywilnym” – niekoniecznie.

Wiele udoskonaleń

Powyżej: Przepustnica układu wtryskowego w dwusuwie KTM.

Jednak mimo wrodzonych wad dwutaktów, producenci nie poddawali się i walczyli z ich niedoskonałościami. Pierwszym, przełomowym elementem był skonstruowany w 1938 r. przez niemieckiego inżyniera o nazwisku Limbach kolektor wydechowy z tubą rezonansową, tzw. dyfuzor. Jego charakterystyczna forma, przypominająca gruszkę, powodowała, że część spalin wypchnięta z komory spalania powracała do niej, co umożliwiało spalenie części nieużytej mieszanki. Zjawisko to nazwano rezonansem. Jednak wciąż nie rozwiązywało to problemu ze słabym dolnym zakresem obrotów.

Rozwiązanie pojawiło się po niemal 40. latach. W oknie wylotowym zastosowano zawór wydechowy – przesłonę, której położenie zależało od obrotów. Przy niskich zmniejszała przepływ spalin i resztek nieprzepalonej mieszanki, co zapewniało większą moc w tym zakresie. Im wyższe obroty, tym zawór mocniej się otwierał. Przeważnie stosowane są zawory gilotynowe. Inną drogą poszła Honda, stosując w swoim systemie „ATAC” tzw. zawór motylkowy, przypominający wałek z oknem przelotowym.

Pierwszym producentem, stosującym zawór wydechowy, była Yamaha. System nazwano YPVS (Yamaha Power Valve System). Dla szerszego grona dostępny był on w modelu RD 350 YPVS, zaprezentowanym w 1983 roku. YPVS testowany był w wyścigowym modelu YZR 500 OW35K, na którym Kenny Roberts zdobył w 1975 roku swój pierwszy tytuł mistrza świata ówczesnej klasy GP500 (odpowiednik dzisiejszej MotoGP). W większości modeli Yamahy zawór sterowany był elektronicznie. Gilotyna była połączona cięgnami z serwomechanizmem, który regulował jej położenie na podstawie informacji z modułu zapłonowego.

W przypadku wyczynowych motocykli crossowych obyło się bez elektroniki. Zawór sterowany był przez popychacz połączony z zębatką odbierającą napęd ze sprzęgła. Takie rozwiązanie stosowane jest do dzisiaj w wyczynowych dwusuwowych crossówkach i enduro. Ponadto użytkownik może w łatwy sposób regulować moment otwarcia zaworu przez zmianę sprężyn o różnej twardości, obsługujących popychacz. Elektroniczny zawór stosuje dziś jedynie firma Sherco w swoich enduro, co pozwala na regulacje podczas jazdy.

Łabędzi śpiew?

Powyżej: Cykl pracy silnika dwusuwowego zamyka się w powyższym schemacie. Całość odbywa się podczas jednego obrotu wału. Z lewej: sprężanie aż do inicjacji zapłonu mieszanki i jednoczesne zassanie nowego ładunku do skrzyni korbowej. Pośrodku: praca i wstępne sprężenie nowego ładunku. Z prawej: wydech i wymiana ładunku w komorze spalania przy dolnym punkcie zwrotnym tłoka.

Kolejnym problemem była niska trwałość układu korbowo-tłokowego. Jako pierwsze zajęło się tym Suzuki w modelu GT 750 z 1971 roku, którego premiera odbiła się szerokim echem. Był to pierwszy trzycylindrowy dwusuw chłodzony cieczą. W dodatku jako pierwszy dwutakt, otrzymał także dotrysk oleju na elementy silnika.

Przy tak dużej pojemności konstruktorzy mieli spore pole do popisu. Udało im się uzyskać względnie liniowy przyrost mocy bez zastosowania zaworu wydechowego. Jednak wciąż spalanie i emisja spalin pozostawiały wiele do życzenia.

W 1995 roku do akcji wkroczyła Honda. Japończycy postanowili wtedy wystawić w Rajdzie Dakar motocykl zasilany dwusuwowym silnikiem o pojemności 400 ccm. Okazało się, że dowiózł kierowcę do mety na 5. miejscu w klasyfikacji generalnej i pierwszym w klasie poniżej 500 ccm. Możliwe to było dzięki kolejnym, przełomowym rozwiązaniom.

Pierwszym z nich byl wtrysk paliwa, umożliwiający precyzyjniejsze zarządzanie mieszanką. W dodatku dzięki odpowiedniemu rozwiązaniu sterowania zaworem wydechowym możliwe było pełne dopalenie mieszanki. W skrócie, gdy silnik pracował na niskich i średnich obrotach, odpowiedni kąt otwarcia zaworu pozwalał na kontrolowany samozapłon mieszanki. Dopiero na wysokich obrotach do gry wchodziła iskra ze świecy zapłonowej. Dzięki temu spalanie było porównywalne do jednostek 4T. Co za tym idzie, nie było potrzeby stosowania większych zbiorników paliwa niż u konkurencji, czyli motocykl był wyjątkowo lekki i zwinny jak na rajdówkę. Niestety, pomimo tych starań, dwusuwy powoli stawały się niszą.

Budzące respekt, dwusuwowe, wyścigowe „pięćsetki” takie jak Honda NS 500 czy Yamaha YZR 500 zostały wyparte przez cięższe, choć łatwiejsze w opanowaniu czterosuwowe motocykle sportowe. W ostatnim akcie historii dużych dwutaktów zagrała Bimota V-Due, zaprezentowana w 1997 r. Po raz pierwszy w seryjnej produkcji zastosowano bezpośredni wtrysk paliwa. Niestety, nie dość, że V-Due była trudna do opanowania, to jeszcze męczyły ją poważne usterki. Silnik w układzie V był niechlujnie zaprojektowany i złożony, więc wycieki i zatarcia zdarzały się dość często. W dodatku wtrysk był niedopracowany i w 2001 roku producent postanowił zastąpić go gaźnikami. Łącznie wyprodukowano 310 sztuk Bimot V-Due. Dziś są kolekcjonerskimi białymi krukami. Wraz z końcem produkcji tego modelu zamknięty został etap szosowych dwusuwów.

Ciągle jest potencjał

Powyżej: System YPVS sterowany był mechanicznie lub elektronicznie. Na rysunku rozwiązanie z elektronicznym serwem i stalowymi cięgnami.

Dziś dwutakty znikają nawet z motorowerów. Uchowały się jedynie w maszynach terenowych. Tu ich pozycja zdaje się wręcz umacniać. W motocyklach trialowych jest to najczęściej stosowany silnik. W enduro także można mówić o sukcesie, bowiem dwusuwy najlepiej sprawdzają się w ciężkim terenie: mają kompaktową konstrukcję, niską masę, wydajne chłodzenie i świetną efektywność napędu. To dlatego, że moc przy niskich obrotach jest dostarczana bardziej płynnie niż w czterosuwach, więc trudniej o zrywanie trakcji.

W ciągu ostatniej dekady konstrukcja dwusuwowa została dopracowana do takiego stopnia, że na próżno szukać jej starych przywar. Zapewnia płynność i przewidywalność. Zredukowane zostało spalanie. O tym, że dwutakt jest jednostką mającą jeszcze duży potencjał, świadczy fakt, że dziś wiele konstrukcji jest w stanie spełnić normę czystości spalin EURO 4. Wszystko wskazuje na to, że niedługo powszechnie będzie stosowane zasilanie wtryskiem paliwa. Po takie rozwiązanie sięgnęły już w niektórych modelach marki KTM i Husqvarna. Paliwo dostarczane jest w nich bezpośrednio do kanałów przelotowych, natomiast olej rozpylany jest tuż za przepustnicą, gdzie miesza się z powietrzem. Mieszanka powietrza i oleju wpadając do skrzyni korbowej, smaruje łożyska główne wału i korbowodu, a następnie dostarczana jest do kanałów przelotowych, gdzie miesza się z benzyną. Powstała w ten sposób klasyczna, dwusuwowa mieszanka trafia do komory spalania.

Światełko w tunelu?

Powyżej: Mechanizm gilotynowego zaworu wydechowego sterowanego mechanicznie. Kąt otwarcia gilotyny zależy od obrotów silnika.

Skoro nowe konstrukcje dwusuwowe mogą spełnić współczesne normy emisji spalin, to czy istnieją szanse, żeby szosówki z takimi silnikami wróciły do łask? Niestety, znikome. Po pierwsze, w dwutaktach trudno wyobrazić sobie adaptację zaawansowanej elektroniki sterującej pracą silnika i jego charakterystyką (np. tryby jazdy, znane z czterosuwów). Po drugie, pomimo nieustających zabiegów spalanie wciąż jest za wysokie, a trwałość silników – zbyt niska dla codziennego, przeciętnego użytkownika. Do kompromisów na tym polu gotowi są użytkownicy wyczynowych enduro, pogodzeni z częstymi remontami. W segmencie off-roadowym dwutakty mają się dobrze i wszystko wskazuje, że przed nimi jeszcze długie życie.