Tehnika: 2T s direktnim ubrizgavanjem

Veliki povratak

2T agregata ili odlazak u stilu?

Uzdizanje dvotaktnih agregata u trenutku kad svi, pa i sam KTM, govore o elektro pogonu, se može činiti demode. Ali gušti su gušti, a tehnologija stalno napreduje, pa je tako KTM sa svojim TPI agregatima pokazao da čišće znači i bolje. Ipak, ima li dvotaktna tehnologija dosta budućnost, ili im je ovo samo krasna prilika za časni uzmak?

PIŠE: TOMISLAV BEŠENIĆ

votaktni agregati su jednostavniji i lakši, a uz to, zahvaljujući eksploziji u svakom drugom umjesto tek u svakom četvrtom taktu, potencijalno dvostruko snažniji od četverotaktnih strojeva iste zapremine. Da ne zaboravimo kako su i ludo zabavni. Problem nastaje tek kad skinete te ružičaste naočale.

Istočni grijeh dvotaktnih agregata je u tome što su usisni i ispušni kanali dugo vremena paralelno otvoreni, pa otprilike 30% svježe smjese direktno projuri iz usisnog u ispušni dio, prije nego ga uopće stigne zapaliti iskra. A od plinova koji nastaju pri izgaranju smjese goriva i zraka, gori su samo oni koji ne izgore do kraja, ili uopće. Da i ne spominjemo kako se u tom otvorenom sustavu ne radi samo o benzinu, nego i ulju za podmazivanje, koje se svakom novom eksplozijom pretvara u dim. U današnje vrijeme, kad se mjeri svaki mikrogram ugljikovodika, ugljičnog dioksida i monoksida te dušičnih oksida, takva šlampavost ne može proći

No, razvoj tehnologije nas uči da za svaki problem postoji i rješenje, pitanje je samo koliko je komplicirano i skupo. Puka zamjena rasplinjača s elektronskim ubrizgavanjem goriva bi rezultirala ljepšim radom agregata, ali to ne rješava ekološki problem jer bi otprilike jednak dio svježe smjese zraka, goriva i ulja i dalje putovao iz kartera izravno u ispušni kanal. Ali direktno ubrizgavanje goriva kroz glavu cilindra je već nešto drugo.

U tom slučaju se gorivo ubrizgava izravno u cilindar, ali tek kad klip na svom putu prema gore prekrije ispušni kanal. Zvuči odlično, samo uzmite u obzir da su se s takvim varijantama dvotaktnih agregata početkom 90-ih zabavljali i brojni proizvođači automobila, pa su svi odreda od toga digli ruke. Ne može biti slučajno.

Jasno, danas je postalo skoro normalno, iako je i dalje tehnološki vrlo zahtjevno, da automobile pokreću benzinski agregati s direktnim ubrizgavanjem goriva. Ali oni su četverotaktni i ne moraju se nositi s dodatnim zahtjevima koje diktira dvotaktni način rada. Za početak, budući da je kod dvotaktnih agregata svaki drugi takt radni, brizgaljke moraju dvostruko češće ubrizgavati gorivo pod visokim pritiskom nego kod četverotaktnih agregata. Zapravo, zaokružite to i na četverostruko češće jer se agregati motocikla obično vrte dvostruko brže od automobilskih.

Osim toga, kod četverotaktnog agregata postoji prostor od skoro cijelog takt usisa, odnosno 180° okreta koljenastog vratila, tijekom koje se može ubrizgati gorivo direktno u cilindar i pustiti ga da se smiješa sa zrakom. Kod dvotaktnog agregata se gorivo može ubrizgati tek kad klip prekrije ispušni kanal, što znači da se u samo nekih 70° okreta koljenastog vratila gorivo mora ubrizgati i još kvalitetno smiješati sa zrakom, što je teško izvedivo. Ali ne i nemoguće.

Direktno u glavu

U novije vrijeme je kanadska grupacija Bombardier, uz presudnu pomoć austrijske podružnice Rotax, sustav direktnog ubrizgavanja goriva prvo uvela na dvotaktne vanbrodske agregate, a onda i na motorne sanjke s više od 160 KS. Pritom tvrde da su emisije spojeva ugljikovodika, ugljičnog monoksida i dušičnih oksida smanjili za 75%, ali i da je značajno pala potrošnja goriva i ulja. Najnovije verzije imaju i dodatne brizgaljke za indirektno ubrizgavanje na ulazu u karter, koje se aktiviraju tek na visokim brojevima okretaja, s time da jedan dio te svježe smje-

2T DIZEL AGREGATI

Dvotaktno s kompresorom

edan od najvećih problema dvotaktnih agregata s direktnim ubrizgavanjem je u tome što u karteru nema goriva koje kod klasičnih dvotaktnih agregata svojim ishlapljivanjem hladi donji dio agregata i ležajeve. Zašto se onda karter ne bi zatvorio kao na četverotaktnom agregatu, s bazenom ulja koje bolje hladi i podmazuje, a svježi zrak se, umjesto preko kartera, dovodio izravno u cilindar, dok bi se gorivo direktno ubrizgavalo u glavu ili pri kraju usisnog kanala? I zašto se za bolju izmjenu plinova na usisnu stranu ne bi stavio kakav kompresor, a ispušni kanali zamijenili ispušnim ventilima kao na četverotaktnim agregatima? Doista, zašto ne? Time bi svi problemi bili riješeni. Zapravo, već i jesu. Naime, po sličnom principu funkcioniraju dvotaktni dizel agregati koji se ugrađuju u brodove i lokomotive. No, kod dvotaktnih dizela ima dovoljno i prostora i vremena za cijeli proces jer su ti agregati ogromni i sporohodni, a s kompresorom i ventilima i poprilično komplicirani. Dakle, baš sve ono što dvotaktni agregat motocikla ne bi smio biti. n

Kod Rotax dvotaktnih agregata za motorne sanjke gorivo se ubrizgava izravno u cilindar kroz brizgaljke smještene u glavi

1 Brizgaljke

Izmjena plinova kod TPI agregata

Kod KTM-ovog TPI agregata su brizgaljke postavljene iznad preljevnih kanala i to tako da se gorivo ubrizgava u suprotnom smjeru od jureće smjese zraka i ulja. Kod takvog izravnog sudara se bolje atomizira gorivo se ipak vjerojatno ode direktno u ispuh, kao i kod klasičnih dvotaktnih motora.

I KTM je još tamo 2004. godine započeo razvoj dvotaktnog agregata s direktnim ubrizgavanjem goriva u glavi motora, no ubrzo su odustali. Nisu mogli postići dobru atomizaciju goriva, odgovor na gas bio je pregrub, a imali su i problema s trajnošću klipa. Pretpostavljamo da se radilo o pregrijavanju klipova, koje kod klasičnih dvotaktnih motora s donje strane hladi hlapljenje goriva u karteru, a s gornje strane smjesa koja je ušla u cilindar. Kod direktnog ubrizgavanja u glavu gorivo se ubrizgava toliko kasno i isparava toliko brzo da teško stigne dohvatiti i ohladiti klip čak i samo s gornje strane.

KTM je 2011. započeo novu rundu razvoja, s time da su se ovaj put brizgaljke smjestili u usis, odnosno u preljevne kanale kroz koje se, kad se klip giba prema dolje, potiskuje smjesa zraka i ulja iz kartera prema cilindru. To onda možemo nazvati indirektnim ubrizgavanjem goriva, no budući se tu zapravo radi o indirektnoj varijanti direktnog ubrizgavanja, možda je ispravnije koristiti KTM-ovu terminologiju i govoriti o ubrizgavanju goriva u preljevni kanal (Transfer Port Injection - TPI).

Izuzmemo li takvo pozicioniranje brizgaljki u preljevni kanal, onaj osnovni princip rada je još uvijek sličan tipičnom dvotaktnom agregatu. Dakle, svježi zrak kroz filtar ulazi u Dellorto leptirasta tijela, gdje se miješa s uljem, ali ne i s gorivom kao što je to uobičajeno. Zapravo, nije uobičajeno čak ni miješanje s uljem budući da se prate različiti parametri na temelju kojih posebna pumpa vrhunskom preciznošću ubrizgava minimalne količine ulja. Tako umjesto standardne mješavine od 2,5%, ovdje govorimo o 1,25%, a u nekim okolnostima se udio ulja može automatski regulirati na samo 0,9%. Ukratko, troši se barem upola manje ulja, a onda se i generira manje dima i štetnih plinova.

Kad klip krene prema gore, podtlak otvara klasični lamelasti ventil i mješavina zraka i ulja ulazi u karter. Kao što je to kod dvotaktnih agregata uobičajeno, u igri su valjni ležajevi jer oni mogu dobro raditi i s malom količinom ulja, s time da je u ovom slučaju glavni ležaj koljenastog vratila igličaste varijante.

čisti zrak mješavina zraka i ulja mješavina zraka, ulja i goriva goriva smjesa ispušni plinovi

Sudar goriva i zraka

Najzanimljivija faza u radu TPI agregata započinje negdje oko onog trenutka kad se klip spusti dovoljno nisko i otvori preljevne kanale, pa lagano komprimirana smjesa zraka i preostalog ulja iz kartera počinje brzo strujati u gornji dio cilindra. U svakom od dva preljevna kanala nalazi se po jedna brizgaljka visokog pritiska, koja je pozicionirana gotovo okomito i štrca gorivo prema dolje. Tako se čestice goriva izravno sudaraju sa smjesom zraka i ulja koja gotovo pa brzinom zvuka putuje prema gore, što ne samo da pripomaže boljem miješanju, nego i dodatno pospješuje atomizaciju goriva.

Usporedimo li to s Bombardierovim direktnim ubrizgavanjem goriva u glavu, kod KTM-ovog TPI sustava ubrizgavanje goriva može započeti ranije pa molekule imaju više vremena da se smiješaju sa zrakom i razdvoje na sitnije čestice. Osim toga, molekule goriva imaju više vremena da dođu u kontakt sa stjenkama cilindra i čela klipa te ih tako hlade dok isparavaju.

Jasno, ključno je u cijeloj priči odrediti pravi trenutak za ubrizgavanje goriva tako da se goriva smjesa stigne provući u cilindar, ali da istovremeno ne stigne pobjeći u ispušni kanal prije nego klip na svom putu prema gore zatvori sve otvore. Osim toga, nije važno samo kada će se gorivo ubrizgati nego i u kojoj količini i pod kojim pritiskom, što je sve zadatak Continentalove centralne upravljačke jedinice. Ona koristi podatke o pritisku u karteru, broju okretaja motora, stupnju otvorenosti gasa te temperaturama usisanog zraka i rashladne tekućine kako bi se precizno odabrala odgovarajuća 3D mapa koja određuje vrijednosti vezane za ubrizgavanje goriva i paljenje smjese.

I što dobijemo na kraju? Dvotaktne agregate koji ne samo da zadovoljavaju Euro4 norme, nego i bitno linearnije razvijaju snagu te tako eliminiraju još jedan nedostatak klasičnih strojeva koji idu na „mješavinu“. Uz to istiskuju čak 54 KS pri 8.500 o/min iz 293,2 ccm, odnosno 50 KS pri 8.500 o/min iz samo 249 ccm. Ovaj drugi agregat nam je posebno zanimljiv za usporedbu jer jednostavnim množenjem s brojem četiri dolazimo do specifične snage od 200 KS po litri obujma, što je impresivan rezultat za jednocilindraša.

Dakako, danas 200 KS iz litre zapremine istiskuju i četverotaktni agregati, ali oni imaju četiri cilindra, pa tu uspoređujemo kruške i jabuke. Uzmemo li, recimo, KTM-ov jednocilindrični agregat od 690 ccm i 73 KS dolazimo do specifične snage od 106 KS po litri obujma, što je gotovo pa upola manja vrijednost od dvotaktnog TPI agregata.

Znači li to da je pred nama nova dvotaktna revolucija? Teško. Odnosno, možda je KTM time otvorio potpuno nove horizonte, barem u hard-enduro segmentu, ali možda je dvotaktnoj tehnologiji samo kupio još malo vremena za konačan odlazak u stilu. Za koju godinu stupaju na snagu još strože Euro5 norme i tada će biti jasno imaju li doista budućnost, ili je zveckavim dvotaktnim strojevima svejedno odzvonilo. n