Silnik Szymkowiaka: rewolucyjna polska odpowiedź na aktualne potrzeby rynku

Dwurzędowy ośmiocylindrowy prototypowy silnik spalinowy zaprojektowany i zbudowany przez polskiego wynalazcę, Mirosława Szymkowiaka to odpowiedź na najbardziej aktualne dziś potrzeby producentów w branży automotive i nie tylko. Główną cechą opatentowanej przez Szymkowiaka jednostki jest rewolucyjne rozwiązanie polegające na skonstruowaniu i zbudowaniu silnika ze zmiennym stopniem sprężania i nowatorskim rozwiązaniem układu tłokowo-korbowego.

Poszukiwania rozwiązań technologicznych, które mogą zwiększyć sprawność silników spalinowych trwają od lat. Tym bardziej dziś, kiedy ustalone przez Unię Europejską normy emisji spalin do powietrza są coraz bardziej restrykcyjne i trudne do spełnienia. Producenci z branży automotive czując oddech Komisji Europejskiej na plecach, wznawiają prace nad najbardziej pożądanym rozwiązaniem konstrukcyjnym silnika spalinowego, którym wydaje się być jednostka napędowa ze zmiennym stopniem sprężania.

Za mało kompresji (Za mała wartość stopnia sprężania)

Stopień sprężania, jest stosunkiem objętości cylindra w dolnym martwym położeniu tłoka do objętości cylindra w jego górnym martwym położeniu. W powszechnie dostępnych silnikach produkowanych na skalę masową mieści się on w przedziale 9-14 w jednostkach zasilanych benzyną. W teorii jednak mogły by one mieć znacznie większą sprawność i zużywać mniej paliwa, ponieważ z punktu sprawności jednostki napędowej najbardziej pożądanym stopniem sprężania jest wartość sięgająca nawet 19-21. Silniki te pozostają jednak nie do końca wykorzystane w swym potencjale, przez większość czasu swojej pracy będąc obciążonymi jedynie częściowo. Jednocześnie, często zużywają one niepotrzebnie dużo paliwa. Dlaczego tak jest? Powodem, że silniki o tak wysokim stopniu sprężania nie są wytwarzane jest spalanie stukowe, które przy maksymalnym obciążeniu silnika, mogło by uszkodzić jego elementy.

Sposoby na spalanie stukowe

Oczywiście, problem ten można rozwiązać poprzez zastosowanie bogatej, odpornej na spalanie stukowe wysokooktanowej mieszanki paliwowej, jednak tego typu paliwo jest trudno dostępne i bardzo drogie (cena za litr takiej benzyny kilkukrotnie przewyższa wartość ceny rynkowej powszechnie dostępnej na stacjach bezołowiowej 98). Niektórzy tunerzy czy zespoły rajdowe stosują tego typu paliwo do wyczynowych jednostek napędowych o zwiększonym stopniu sprężania osiągniętych m.in. poprzez obniżenie głowicy, jednakże silniki takich bolidów nie nadają się do codziennej jazdy, ponieważ wszystkie podzespoły bardzo szybko się eksploatują.

W silnikach produkowanych obecnie na skalę masową stosowane są różne technologie, mające na celu zmniejszenie ryzyka spalania stukowego, przy jednoczesnym zwiększeniu stopnia sprężania. Są to m.in. takie rozwiązania jak regulacja długości kanałów dolotowych, zmienne kąty rozrządu, czy skomplikowane w swej budowie i działaniu programy zapłonu i zasilania. Nic jednak nie przyniesie tak dobrego efektu, jak konstrukcja, która oparta będzie na zmiennym stopniu sprężania.

Zmienny stopień sprężania – silnik idealny?

Próby konstrukcji takiego silnika podejmował już dwie dekady temu Saab, opracowując benzynowy motor SVC z doładowaniem i z uchylnym blokiem cylindrowo-głowicowym. Konstrukcja ta ze zmiennym stopniem sprężania nigdy jednak nie weszła do masowej produkcji. Potrzeba jest matką wynalazku, dlatego już w przyszłym roku na rynku pojawi się pierwszy samochód z jednostką o zmiennym stopniu sprężania – dwulitrowym, turbodoładowanym czterocylindrowym silnikiem VC-T od Infiniti, japońskiej marki samochodów należącej do koncernu Nissan Motor Co. Ltd. Należy tu również wskazać na przebadaną i wdrażaną francuską konstrukcję silnika typu MCE-5. Wszyscy na świecie przyklaskują tym rozwiązaniom, ale mało kto zdaje sobie sprawę z tego, że na naszym rodzimym podwórku również mamy już gotowy, działający i czekający na inwestora prototyp takiego silnika. Jego autorem i twórcą jest mgr inż. Mirosław Szymkowiak z Leszna Wielkopolskiego – wynalazca i właściciel kilku patentów. Rewolucyjna konstrukcja Szymkowiaka, jaką jest wielorzędowy, wielopaliwowy silnik spalinowy ze zmiennym stopniem sprężania zadawanym z zewnątrz w sposób płynny w czasie pracy silnika, zdobyła już nawet nagrodę w konkursie „Innowacje dla Sił Zbrojnych RP” organizowanym przez Ministerstwo Obrony Narodowej i Wojskową Akademię Techniczną.

Rewolucyjny silnik Szymkowiaka

Charakterystyczną cechą polskiej jednostki napędowej jest innowacyjny sposób przeniesienia ruchu posuwisto-zwrotnego tłoków na ruch obrotowy wału korbowego, który umieszczony jest pomiędzy cylindrami, a nie, jak w powszechnie stosowanych konstrukcjach – pod cylindrami. W czasie pracy silnika płynną zmianę stopnia sprężania w cylindrach wymusza się z zewnątrz poprzez obrót wału z mimośrodem (możliwość regulacji od 0 do 180 stopni), na którym osadzone są wahacze połączone poprzez sworznie z korbowodem wału korbowego i tłokami. Takie rozwiązanie konstrukcyjne pozwala uzyskać cechy nieosiągalne dla powszechnie dostępnych rozwiązań. – Konstrukcja jest bardzo elastyczna. W porównaniu do tradycyjnych rozwiązań, mamy do dyspozycji znacznie większą liczbę zmiennych swobodnych, a także możliwość wykorzystania ich do osiągnięcia założonych przez konstruktora parametrów – mówi mgr inż. Szymkowiak.

Przekrój poprzeczny silnika Szymkowiaka ze zmiennym stopniem sprężania

Zalety konstrukcji są ogromne. Po pierwsze, dzięki takiemu rozwiązaniu można uzyskać o wiele mniejsze zużycie paliwa (nawet do 30 proc. mniej w porównaniu z tradycyjnymi jednostkami napędowymi o tej samej pojemności, przy czym zmniejszenie tego zużycia uzyskuje się tylko dla silników, które pracują w zmiennych obciążeniach). Po drugie, wraz z mniejszym zużyciem paliwa spada również emisja spalin do powietrza, co jest bardzo korzystne jeśli wziąć pod uwagę coraz bardziej restrykcyjne (i słuszne, jak nam pokazały pierwsze dni nowego roku) normy europejskie. Co ciekawe, nieznacznie modyfikując konstrukcję, można ją również wykorzystać do stosowania różnych paliw. Ponadto, dzięki temu, że wał korbowy montowany jest w górnej części silnika i zamocowany pomiędzy cylindrami, udało się osiągnąć korzystny stosunek bryły silnika do jego objętości skokowej i rozwiązać problem znacznej wysokości wodzikowych silników okrętowych. W tej konstrukcji wodzik jest zbędny. Pozostałe cechy silnika z wahaczem to: asymetria czasu sprężania i rozprężania, połączenie cech silnika krótko-skokowego (wał korbowy) z długo-skokowym (skok tłoka) oraz zwiększenie żywotności układu tłok cylinder (znikome siły boczne działająca na tłok).

Opatentowany silnik polskiego inżyniera z racji przemyślanej konstrukcji pozwalającej na ograniczenie jego gabarytów, może znaleźć zastosowanie przede wszystkim do napędu dużych jednostek transportowych, głównie w ciężkich pojazdach wojskowych, ciężarówkach, maszynach budowlanych i rolniczych, ciągnikach, lokomotywach, agregatach prądotwórczych, kogeneracji, maszynach górniczych oraz we wszelkich wodnych środkach transportu, takich jak okręty, statki, czy promy.

Mamy świetny wynalazek, ale co dalej?

Póki co, został zbudowany prototypowy czterocylindrowy silnik z mechanizmem wahaczowym oraz dwurzędowy ośmiocylindrowy ze zmiennym stopniem sprężania zmienianym płynnie z zewnątrz w czasie pracy silnika. Przeprowadzone do tej pory badania potwierdziły wstępne założenia co do mechanicznej poprawności działania prototypów. Dalszy etap prac kwalifikacyjnych i wdrożeniowych wymaga już jednak poniesienia sporych nakładów finansowych. – Gruntowne testy silnika wymagają bardzo długich i czasochłonnych badań – mówi inż. Szymkowiak. Problemem jest również fakt, że w naszym kraju zwyczajnie nie ma producentów silników spalinowych.

Autor rewolucyjnej konstrukcji i jednocześnie patriota gospodarczy, choć ma możliwość zaprezentowania swojego wynalazku na forum międzynarodowym, woli i chciałby pozostawić swój wynalazek w kraju, ponieważ marzy o rozwoju rodzimej branży silnikowej. – Żeby przetrwać jako kraj, musimy produkować i wytwarzać. W przypadku tego silnika, konstrukcja sama się obroni. By wprawić machinę wdrożeniową i produkcyjną w ruch, potrzeba jedynie kapitału, a takiego, jako osoba prywatna nie mam i nie otrzymam. Ponadto wszystkie znane mi fundusze wymagają, aby przedmiot wsparcia został wdrożony, co jest nieraz sprzeczne z ideą nowej konstrukcji, która przecież niesie ze sobą również niewiadome – podsumowuje konstruktor.

Czy brak rodzimego przemysłu motoryzacyjnego spowoduje, że nasz kolejny rewolucyjny projekt na miarę silnika VC-T Nissana Infiniti lub jednostki MCE-5 produkcji francuskiej znów wyląduje zapomniany w teczkach, a prototyp będzie jedynie ozdabiał gablotę stojącą na korytarzu jednej z polskich uczelni technicznych? Jak wielką moc sprawczą może mieć działający w pojedynkę polski wynalazca bez wsparcia finansowego i możliwości rozwoju? Wynalazca zaprasza chętnych polskich inwestorów do współpracy w celu wdrożenia wynalazku i podniesienia innowacyjności naszej gospodarki (tel. kom. 603 250 002).

Dr inż Tadeusz Papuga z Politechniki Krakowskiej o silniku Szymkowiaka:

„Silnik Szymkowiaka ma cechy klasycznego silnika, jednak inaczej jest w nim rozwiązany układ korbowo-tłokowy. Zaletą jednostki jest to, że udało się zmniejszyć straty tarcia wobec silnika klasycznego, co wynika z faktu istotnego zmniejszenia kąta wychylenia korbowodu. W takim rozwiązaniu wyraźnie ulegają zmniejszeniu boczne naciski płaszcza tłoka na ścianki cylindra. Udało się zatem uzyskać większą sprawność mechaniczną i mniejsze zużycie paliwa. Nie bez znaczenia jest również zmniejszenie prędkości tłoka w fazie spalania mieszanki.

Warto podkreślić, że w silniku Szymkowiaka jest stosunkowo mała liczba węzłów kinematycznych (łożysk) w porównaniu z innymi tego typu konstrukcjami. Rozwiązanie to daje możliwość uzyskania bardzo zwartej konstrukcji. Ponadto, łatwo z niej uzyskać wielocylindrową jednostkę napędową. Główną zaletą jest tu prostota konstrukcji i niewielkie koszty budowy takiego silnika, które są porównywalne z kosztami budowy standardowej jednostki. Porównując silnik Szymkowiaka z silnikiem VCT od Infiniti, warto zaznaczyć, że w przypadku polskiej konstrukcji stopień komplikacji kinematycznej układu tłokowo-korbowego jest wyraźnie mniejszy i korzystniejszy. Można również uzyskać mniejsze wymiary zewnętrzne silnika przy tej samej objętości skokowej. Z całą pewnością jednostki napędowe ze zmiennym stopniem sprężania będą teraz w centrum zainteresowania wszystkich producentów z branży silnikowej. To jest przyszłość tej branży.”