Silnik FP3 - "Pempek" świata przyszłości

Pempek SystemsSilnik FP3 - widok ogólny

FP3 (Free Piston Power Pack) to jednostka pracująca na zasadzie tzw. wolnego tłoka, co oznacza, że ruch tłoka nie jest regulowany przez korbowód i wał korbowy, ale działanie sił wewnątrz komory spalania, czasem wspomagane urządzeniem odbojowym lub kontrolującym poziom obciążenia. Silniki z wolnym tłokiem z zasady wykorzystuje się jako generatory, ale Pempek Systems ma pomysł, jak użyć swojego w samochodzie.

Z racji braku elementów przenoszących napęd, FP3 nadal będzie tylko urządzeniem do wytwarzania energii. To raczej zmiany zachodzące we współczesnej motoryzacji umożliwiają jego montaż w samochodach, głównie hybrydach i autach elektrycznych z range extenderem, czyli jednostką spalinową generującą elektryczność „na pokładzie”, po wyczerpaniu się zasobów zmagazynowanych w akumulatorach. Zamiast jednak napędzać zewnętrzną prądnicę, FP3 ma magnesy trwałe wbudowane w tłoki oraz cewki zamontowane w korpusie, dzięki czemu sam zamienia energię cieplną na energię ruchu (mechaniczną), a tę z kolei na elektryczną.

Pempek SystemsSilnik FP3 - przekrój

Twórcy dopracowali także konstrukcję samej części spalinowej, minimalizując lub eliminując problemy trapiące dotychczasowe silniki z wolnymi tłokami. FP3 wyposażono w zintegrowany kompresor (dotąd, w stacjonarnych wariantach generatorowych, często stosowano sprężarki zewnętrzne) oraz bezwładnościowe zawory dolotowe (zastępujące okna w ścianach komór spalania), dzięki którym takie „dolegliwosci” jak nadmierne zużycie pierścieni tłokowych oraz niskie wskaźniki mocy w stosunku do masy własnej i objętości skokowej zostały zniwelowane. Dzięki niskiemu zużyciu paliwa (praktycznie dowolnego - od benzyny i oleju napędowego, poprzez LPG i etanol, aż po wodór), zapanowaniu nad poziomem emisji oraz kompaktowym rozmiarom, niecodzienna jednostka ma znaleźć szerokie zastosowanie w przyszłych generacjach takich aut jak dzisiejszy Chevrolet Volt.

Pempek SystemsSilnik FP3 - zbliżenie na cylinder w przekroju

Wśród zalet silników z wolnym tłokiem należy wymienić uproszczone i trwalsze uszczelnienie tłoka (pierścieni) z racji braku sił bocznych działających na tłok konwencjonalnego silnika (z racji sposobu pracy korbowodu), niemal stałą prędkość roboczą w całym zakresie obciążeń, co pozwala zoptymalizować systemy wymiany gazów i czasy otwarcia zaworów, oraz łatwo regulowany stopień sprężania (poprzez wybór momentu zapłonu) i skok tłoka, w pełni niezależne od długości korbowodu i ramienia wału korbowego (których to po prostu nie ma). Pracując nad usunięciem tradycyjnych dla tego rozwiązania wad, inżynierowie Pempek Systems rozmnożyli argumenty na rzecz stosowania jednostek typu free piston. Ich prototyp łączy wysokie wskaźniki mocy (masowy i objętościowy), charakterystyczne dla silników dwusuwowych (FP3 to dwusuw!) z oszczędnością paliwa i niską emisją spalin, a także jest relatywnie krótki, co sprzyja aplikacji w samochodach.

Pempek SystemsSilnik FP3 - otwarte zawory dolotowe w denku tłoka

Zasadnicze parametry silnika są następujące:
- 100 kW (136 KM) mocy szczytowej;
- 2,82 l pojemności;
- 8 cylindrów (4 moduły po 2 tłoki każdy);
Ponadto, charakterystycznymi cechami FP3 są zawory wydechowe o napędzie elektro-pneumatycznym, bez układu mechanicznego, a także bezwładnościowe zawory dolotowe, ulokowane w denkach tłoków. Ich ruchem nie steruje żadne urządzenie, a jedynie różnica ciśnień między cylindrem a kompresorem, siła sprężyny gazowej wewnątrz tłoka (u podstawy trzonka zaworu) oraz bezwładnością samego tłoka. Samoistne otwieranie i zamykanie zaworów dolotowych jest zsynchronizowane z działaniem zaworów wydechowych. Podczas sprężania, spalania i we wczesnej fazie cyklu pracy, wysokie ciśnienie w komorze spalania sprawia, że zawory dolotowe pozostają szczelnie zamknięte. Otwarcie następuje po osiągnięciu przez tłok dolnego martwego położenia, gdy otwierają się zawory wydechowe i ciśnienie wyraźnie spada. Do ponownego zamknięcia dochodzi, gdy tłok zmienia kierunek ruchu, a gazowa sprężyna powrotna, wspomagana tuż po rozruchu przez słabą sprężynę śrubową, dopycha (a w zasadzie dociąga) zawory do gniazd. Czysta fizyka i nic więcej.

Pempek SystemsSilnik FP3 - tłok

Częściowo bezwładnościowy rozrząd zapewnia silnikowi przepłukiwanie wzdłużne cylindrów, brak okien w cylindrze (jak w klasycznych dwusuwach) oraz redukcję długości (kanały doprowadzające powietrze do okien dolotowych stają się zbędne, a ich przestrzeń wypełniają magnesy generatora).

Powietrze do komór spalania doprowadzane jest zaworami jednokierunkowymi, zamykanymi i otwieranymi przez poruszające się tłoki (ale nie w przestrzeni komór spalania). Sprężanie następuje we wnętrzu tłoków, po czym samo powietrze dostaje się do komory przez otwarty zawór bezwładnościowy. Paliwo wtryskiwane jest osobno i bezpośrednio, obok zaworu wydechowego. W pobliżu wtryskiwacza znajduje się także świeca zapłonowa. Cały układ ma swoje lustrzane odbicie, przez co w jednym cylindrze pracują jednocześnie dwa przeciwsobne tłoki (będące jednym elementem ruchomym, poruszającym się na przemian w tę i we w tę). Ruch tłoka z przymocowanymi po obu stronach magnesami wywołuje z kolei indukowanie napięcia elektrycznego w cewkach zamontowanych na zewnątrz cylindra. Jedynymi elementami ruchomymi stają się więc tłoki i zawory, a więc, typowo dla dwusuwów, niewiele (tyle że zamiast korbowodów i wału są zawory).

Pempek SystemsSilnik FP3 - schematyczny przekrój cylindra z widocznymi wszystkimi elementami układu

W laboratoriach Pempek Systems powstał już prototyp, który przechodzi intensywne testy. Wynika z nich, że niecodzienny stosunek średnicy cylindra (66 mm) do skoku tłoka (103 mm) doskonale się sprawdza. Długi skok tłoka sprzyja wydajnej pracy generatora, a niewielka średnica cylindra jest - z punktu widzenia przepłukiwania cylindra - równoważona przez niską, lecz w miarę stałą częstotliwość ruchu tłoka oraz dużą średnicę zaworów. Gdy zakończą się badania stacjonarne, nastąpi najciekawsza faza prac - sprawdzian pod maską samochodu osobowego z trakcyjnym silnikiem elektrycznym, dla którego FP3 będzie„źródełkiem życia”. Mamy nadzieję, że ten arcyciekawy projekt nie skończy w szufladzie, ale znajdzie drogę do produkcji seryjnej w nieodległej przyszłości.