Libertine blisko silnika z wolnym tłokiem. To może być ostatnia szansa dla napędu spalinowego

Uczciwie trzeba przyznać, że silnik spalinowy jest zdumiewająco archaicznym wynalazkiem. Jak to możliwe, że w czasach towarzyszącej nam w domach sztucznej inteligencji i poważnych planów kolonizowania kosmosu nadal jednym z podstawowych elementów naszego otoczenia jest mechanizm wynaleziony w 1876 roku?

Wszak przez ostatnie 145 lat tak zwany silnik inż. Otto, czyli tłokowy silnik cieplny o zapłonie iskrowym, w którym wewnętrzna detonacja mieszanki paliwowo-powietrznej prowadzi do ruchu posuwisto-zwrotnego, a przez to obrotu wału korbowego, został co najwyżej poprawiony w szczegółach.

Dziś zarówno politycy, jak i producenci samochodów skłaniają się ku decyzji całkowitego porzucenia silników spalinowych. Już od roku 2030 w salonach wielu marek będzie można wybrać modele z każdym napędem, pod warunkiem, że będzie on elektryczny. Również na coraz większej liczbie rynków auta z takimi tylko silnikami będzie można sprzedawać.

Ostatnie dokonania na polu silników spalinowych każą się jednak zastanowić, czy taka decyzja nie została podjęta zbyt pochopnie i czy całkowita eliminacja napędów na paliwa płynne nie jest wylewaniem dziecka z kąpielą. Jak wiele jest do osiągnięcia jeszcze na tym polu, pokazuje choćby opisywana przez nas w zeszłym roku jednostka Freevalve bez wałków rozrządu czy też niedawno zaprezentowany i dogłębnie przeanalizowany przez nas silnik Maserati Nettuno z układem spalania komorowego.

Takie projekty pokazują, że dla silników spalinowych nadal możliwa jest dużo bardziej wydajna i czystsza przyszłość. To ważna wiadomość nie tylko dla entuzjastów motoryzacji w klasycznym wydaniu, ale i dla globalnej gospodarki, która na drodze do rewolucyjnych zmian na polu konwersji na elektromobilność może napotkać jeszcze ogromne wyzwania.

Elektryfikacji napędów nowych samochodów już nie unikniemy, ale silniki spalinowe jeszcze długo mogą odgrywać znaczącą rolę. Stanie się tak, jeśli wygra miękka opcja pośrednia pomiędzy napędami spalinowymi a elektrycznymi, czyli na przykład hybrydy plug-in (z możliwością ładowania z gniazdka i pokonania dziennego dystansu wyłącznie na energii elektrycznej) lub auta z pokładowym generatorem prądu.

Unia Europejska chciałaby, żeby domyślnym rozwiązaniem na naszych drogach w najbliższych latach stały się plug-iny, ale to drugie z wymienionych rozwiązań zyskało właśnie cenny argument na swoją korzyść. Samochody z generatorem prądu to ciekawe rozwiązanie. Silnik spalinowy nie jest w nich mechanicznie połączony z kołami, a dostarcza tylko energię, którą jest ładowany obecny na pokładzie akumulator.

Na takiej zasadzie działało między innymi BMW i3 REx czy też Opel Ampera (prawie – przy wysokich prędkościach silnik napędzał bezpośrednio koła). Dosłownie kilka tygodni temu do tej koncepcji wrócił nowy Nissan Qashqai, który od przyszłego roku będzie dostępny na polskim rynku z silnikiem e-Power.

Na tę chwilę rozwiązanie to jest obarczone pewnym kompromisem, mianowicie silnik spalinowy w takiej formie został wynaleziony z myślą o napędzaniu kół i w innych rolach nie jest koniecznie najbardziej wydajnym narzędziem. To może jednak się zmienić, jeśli w roli generatora wystąpi tak zwany silnik z wolnym tłokiem. Pomysł ten nie jest nowy i w ostatnich latach był rozwijany głównie z myślą o przemyśle ciężkim. Jego dużo mniejsze wersje świetnie sprawdziłyby się jednak właśnie jako spalinowy generator prądu w aucie osobowym.

Zasada działania silnika z wolnym tłokiem na pierwszy rzut oka wydaje się abstrakcyjna, ale ostatecznie jest całkiem prosta. Podobnie jak w klasycznej jednostce tłok wykonuje ruch posuwisto-zwrotny w cylindrze. Tutaj nie jest on jednak przenoszony korbowodem na wał korbowy, co prowadziłoby do ruchu obrotowego wału napędowego. Ani korbowodu, ani wału tutaj bowiem nie ma. Wykorzystywany jest on za to do ładowania akumulatora.

Jak to możliwe? Na spodzie tłoka, zamiast korbowodu, znajduje się... drugi tłok wraz z lustrzanym odbiciem komory spalania po swojej stronie. I taki zestaw dwóch tłoków w jednym dłuższym cylindrze pracuje w orientacji poziomej, przesuwając się to raz w lewo, to w prawo. W praktyce jest to więc silnik dwusuwowy (suw pracy lewego tłoka jest suwem sprężania prawego – i na odwrót).

Suw ten wykorzystuje zespół magnesów trwałych wbudowanych w tłoki oraz cewek zamontowanych w korpusie cylindra, które razem działają podobnie jak stojan i wirnik w prądnicy. Przy takiej konstrukcji silnik zamienia najpierw energię cieplną na mechaniczną (detonacja mieszanki w komorze spalania), a zaraz potem mechaniczną na elektryczną (ruch posuwisto-zwrotny tłoka z magnesem wzdłuż cewek).

Choć taki silnik nie miałby sensu w zwykłym samochodzie, w roli generatora prądu do ekologicznego auta przyszłości sprawdziłby się idealnie. Lista jego zalet jest bardzo długa. Najważniejszą jest fakt, że jest to urządzenie dużo prostsze (więc potencjalnie tańsze) od stosowanych dziś silników spalinowych. Brak elementów przenoszących napęd sprawia, że w środku znajduje się mniej elementów ruchomych, przez co cała konstrukcja jest mniejsza i lżejsza.

Brak sił bocznych działających na tłok eliminuje też potrzebę stosowania droższego i bardziej skomplikowanego uszczelnienia tłoka oraz rozwiązań mających na celu balansowanie wibracji, bo tych prawie nie ma. Silnik z wolnym tłokiem zachowuje bowiem praktycznie stałą prędkość roboczą niezależnie od obciążenia dzięki nieporównywalnie łatwiejszej regulacji czasów otwarcia zaworów, stopnia sprężania (poprzez sterowanie momentem zapłonu) czy nawet skoku tłoka.

Na dodatek, co być może najważniejsze z perspektywy przyszłych wyzwań przemysłu motoryzacyjnego, taki silnik świetnie znosi też pracę na każdym typie paliwa, nie tylko benzynie bezołowiowej czy LPG, ale również wodorze czy biopaliwach z wysoką zawartością bioetanolu.

Bioetanol w teorii mógłby rozwiązać wszystkie ekologiczne bolączki przemysłu motoryzacyjnego. Działa podobnie jak zwykła benzyna bezołowiowa, ale w rzeczywistości to prawie czysty etanol uzyskany z biomasy lub biodegradowalnych odpadów (stąd jego druga nazwa – alkohol rolniczy).

Jaki jest więc problem? Silniki spalinowe niezbyt dobrze znoszą alkohol, ponieważ charakteryzuje się on właściwościami chłodzącymi, które są niepożądane w komorach spalania i na ściankach cylindrów. Dlatego też - póki co - na stacjach znajdziemy tradycyjne paliwa z 5- lub co najwyżej 10-procentową domieszką biokomponentu.

Jak się okazuje, nie ma jednak takiego problemu, którego nie chciałby rozwiązać jakiś start-up. W tym przypadku jest to firma Libertine z Wielkiej Brytanii. Za cel postawiła sobie uczynienie z silników z wolnym tłokiem rozwiązania, które ma sens w zastosowaniu na szeroką skalę. Przez ostatnie lata doszła do dwóch ważnych innowacji.

Pierwszą jest zmiana organizacji pracy tłoków w cylindrze. W przeciwieństwie do dotychczas prezentowanych silników z wolnym tłokiem, gdzie detonacje zachodziły po dwóch stronach cylindra, co doprowadzało do ruchu dwóch tłoków połączonych na sztywno, Brytyjczycy proponują coś odwrotnego. W ich projekcie detonacja mieszanki następuje pośrodku cylindra, co prowadzi do wyrzutu dwóch tłoków w przeciwnych kierunkach.

Te następnie odbijają się od sprężonego powietrza na końcu cylindra, które ma zadziałać jak sprężyna gazowa. Wtedy tłoki zmieniają kierunek suwu i znów pędzą ku sobie. Na chwilę przed ich zderzeniem następuje kolejna detonacja, która powtarza cały cykl pracy podobny do klaskania dłońmi.

Rozwiązanie firmy Libertine ma wybijać się na tle konwencjonalnych silników spalinowych wysoką mocą jednostkową (co charakterystyczne dla silników dwusuwowych) oraz jeszcze prostszą konstrukcją z niewielką liczbą ruchomych części. Jeśli chodzi o ekologię, dzięki opracowaniu precyzyjniejszych metod sterowania tłoków w cylindrze i płynnej zmiany prędkości pracy, Brytyjczykom udało się uzyskać stabilną pracę nawet na tak zwanym "mokrym" bioetanolu, czyli mieszaninie 90 proc. biopaliwa i 10 proc. wody.

Choć wiadomości te brzmią zbyt fantastycznie, by mogły być prawdziwe, to jednak brytyjski start-up zyskał niedawno partnera, który tchnął w to przedsięwzięcie potrzebną wiarygodność i nowe możliwości. To niemiecki koncern Mahle, który pracuje nad szeregiem nowych typów silników spalinowych i dostarcza swoje rozwiązania do największych producentów samochodów na świecie czy też Formuły 1. Przez dwa ostatnie miesiące 2020 roku wykonał ponad 100 testów nowego typu jednostki w swoich niemieckich laboratoriach. 25 marca 2021 brytyjski rząd zdecydował, by przyznać firmie grant w wysokości 2,6 mln funtów na dalsze badania, które na pewno przyniosą ciekawe efekty.

Fakt ten pokazuje, że nawet jeśli nie wiemy, co nam przyniesie przyszłość, to dni silników spalinowych wcale nie muszą być jeszcze przesądzone. Co więcej, dowodzi też tego, że przemysł transportowy naprawdę już w niedalekiej przyszłości może stać się ekologiczny, a wyczekiwany przełom może przyjść z najmniej oczekiwanej strony.