Silniki dwusuwowe przez lata napędzały motocykle, motorowery, samochody, maszyny robocze i sprzęt sportowy. Proste, lekkie i zdolne do osiągania bardzo wysokiej mocy z niewielkiej pojemności miały cechy, których nie udało się w pełni zastąpić konstrukcjami czterosuwowymi.

Silnik dwusuwowy na pierwszy rzut oka może wydawać się po prostu uproszczoną wersją czterosuwowego. Nie ma klasycznego układu rozrządu z zaworami, a pełny cykl pracy odbywa się podczas jednego obrotu wału korbowego. W praktyce różnice są jednak znacznie głębsze. Inny sposób wymiany ładunku sprawia, że konstruktor dwusuwa musi myśleć jednocześnie o cylindrze, kanałach dolotowych i układzie wydechowym.

Właśnie dlatego dwusuwy stały się szczególnie interesującym polem dla konstruktorów poszukujących wysokich osiągów. Niewielkie zmiany geometrii kanałów, długości przewodu wydechowego czy kształtu komory rozprężnej mogą wyraźnie wpłynąć na przebieg momentu obrotowego i mocy. W skrajnych przypadkach dwa silniki wykorzystujące podobną bazę konstrukcyjną mogą mieć zupełnie inny charakter tylko dzięki zmianom sposobu napełniania i opróżniania cylindra.

Jednocześnie prostota dwusuwu okupiona jest problemami, które wraz z rozwojem norm emisji spalin zaczęły mieć coraz większe znaczenie. Konstrukcja, która przez dekady pozwalała uzyskiwać znakomity stosunek mocy do masy, bardzo utrudnia precyzyjne kontrolowanie procesu spalania i emisji szkodliwych substancji.

Dwa suwy zamiast czterech. Skąd bierze się przewaga?

W typowym silniku czterosuwowym pełny cykl pracy wymaga dwóch obrotów wału korbowego. Następują kolejno suw ssania, sprężania, pracy oraz wydechu. W dwusuwie wszystkie te procesy trzeba zmieścić w jednym obrocie wału. Oznacza to, że suw pracy może występować przy każdym obrocie, a nie co drugi obrót, jak w czterosuwie.

Nie oznacza to oczywiście, że dwusuw o tej samej pojemności automatycznie osiąga dwukrotnie większą moc. Wymiana ładunku w cylindrze jest mniej uporządkowana, czas przeznaczony na napełnienie i opróżnienie cylindra jest bardzo krótki, a część potencjalnych korzyści tracona jest w procesie przepłukiwania. Mimo tego możliwe jest uzyskanie bardzo wysokiej mocy jednostkowej, szczególnie przy wysokich prędkościach obrotowych.

Kolejną zaletą jest niewielka liczba elementów. W klasycznym dwusuwie nie potrzeba zaworów dolotowych i wydechowych sterowanych wałkiem rozrządu, sprężyn zaworowych czy wielu elementów tworzących głowicę czterosuwa. Funkcję sterowania wymianą gazów mogą przejąć kanały odsłaniane i zasłaniane przez poruszający się tłok. Silnik może więc być stosunkowo lekki, niewielki i prosty.

Z punktu widzenia osiągów daje to dwusuwom szczególną przewagę wszędzie tam, gdzie istotny jest stosunek mocy do masy. Nieprzypadkowo przez lata konstrukcje tego typu były niezwykle popularne w motocyklach sportowych i terenowych. Ich charakterystyczne, gwałtowne rozwijanie mocy nie wynikało jednak wyłącznie z samej zasady działania silnika. Ogromne znaczenie miał wydech.

Wydech w dwusuwie nie tylko odprowadza spaliny

W silniku czterosuwowym konstrukcja układu wydechowego również wpływa na osiągi. Odpowiednio dobrane długości kolektorów i wykorzystanie zjawisk falowych mogą poprawić wymianę ładunku w określonym zakresie obrotów. W klasycznym wysokoobrotowym dwusuwie rola wydechu jest jednak jeszcze większa. Staje się on w praktyce jednym z elementów sterujących napełnianiem cylindra.

Po odsłonięciu kanału wydechowego spaliny wydostają się z cylindra, tworząc falę ciśnienia przemieszczającą się przez układ wydechowy. Odpowiednie ukształtowanie komory rozprężnej pozwala wykorzystać odbicia tej fali. Najpierw można wspomóc opróżnianie cylindra ze spalin, a następnie stworzyć falę powracającą w stronę cylindra.

Jest to szczególnie istotne, ponieważ podczas przepłukiwania dwusuwu kanał wydechowy pozostaje otwarty w czasie, gdy do cylindra trafia już świeży ładunek. Część mieszanki może więc uciekać bezpośrednio do wydechu. Prawidłowo zaprojektowana komora rozprężna wykorzystuje falę ciśnienia do ograniczenia tego zjawiska i może niejako „wepchnąć” część świeżego ładunku z powrotem do cylindra przed zamknięciem kanału przez tłok.

Dlatego zmiana geometrii wydechu potrafi przynieść w dwusuwie wyjątkowo duże efekty. Długość poszczególnych odcinków, średnica oraz kąty stożków komory rozprężnej są dobierane do określonego zakresu prędkości obrotowej. Wydech może więc zostać zaprojektowany tak, aby silnik rozwijał wysoką moc przy wysokich obrotach albo oferował szerszy, łagodniejszy zakres użytecznych obrotów. Ceną jest zwykle kompromis: układ zapewniający znakomite napełnianie przy jednej prędkości obrotowej nie działa równie skutecznie w całym zakresie.

Dlaczego dwusuw nagle „dostaje mocy”?

Charakterystyczną cechą wielu sportowych dwusuwów jest gwałtowny wzrost osiągów po przekroczeniu określonej prędkości obrotowej. Kierowca lub motocyklista może mieć wrażenie, że silnik w jednej chwili zmienia charakter. Zjawisko to często określa się jako wejście w zakres rezonansu wydechu.

Nie jest to dodatkowy mechanizm dołączający moc, lecz efekt tego, że fale ciśnienia zaczynają docierać do cylindra w najbardziej korzystnym momencie cyklu. Prędkość rozchodzenia się fal oraz długość układu sprawiają, że jego skuteczność jest zależna od częstotliwości impulsów wydechowych, a więc również od prędkości obrotowej silnika. Gdy warunki się zgadzają, napełnienie cylindra może wyraźnie się poprawić.

Konstruktorzy mogą dodatkowo wpływać na szerokość użytecznego zakresu obrotów poprzez zawory wydechowe zmieniające efektywną geometrię kanału. Rozwiązania tego rodzaju stosowano w wielu wysokoobrotowych silnikach motocyklowych. Pozwalały one częściowo pogodzić osiągi przy wysokich obrotach z bardziej użyteczną charakterystyką przy niższych.

Pokazuje to, jak bardzo dwusuw różni się od intuicyjnego wyobrażenia o silniku spalinowym. Układ wydechowy nie jest tutaj jedynie drogą, którą spaliny opuszczają pojazd. Jest częścią procesu wymiany ładunku i dlatego jego konstrukcja może decydować o tym, czy jednostka będzie stosunkowo łagodna, czy zmieni się w wysokoobrotowy silnik o bardzo dużej mocy jednostkowej.

Prosty i lekki, ale niekoniecznie prymitywny

Niewielka liczba ruchomych części sprawia, że klasyczny dwusuw jest mechanicznie prostszy od czterosuwu. Nie należy jednak utożsamiać prostoty konstrukcji z prymitywnym sposobem działania. Zaprojektowanie wydajnego dwusuwu wymaga bardzo precyzyjnego określenia geometrii i czasów otwarcia kanałów oraz uwzględnienia dynamicznych zjawisk zachodzących w dolocie i wydechu.

Dwusuw ma również inne interesujące właściwości. Przy podobnych założeniach może być mniejszy i lżejszy od czterosuwowej jednostki o porównywalnych osiągach. Nie potrzebuje rozbudowanego mechanizmu rozrządu, a w najprostszych odmianach również klasycznego ciśnieniowego układu smarowania. Właśnie te cechy sprawiły, że konstrukcje dwusuwowe znalazły zastosowanie nie tylko w pojazdach, lecz także w pilarkach, kosach spalinowych czy innych urządzeniach, w których masa i możliwość pracy w różnych położeniach mają duże znaczenie.

Dwusuw ma jednak również ograniczenia wynikające z tej samej konstrukcji. Jednoczesne opróżnianie cylindra ze spalin i napełnianie go świeżym ładunkiem jest procesem trudniejszym do kontrolowania niż wymiana gazów realizowana przez zawory w czterosuwie. W klasycznych konstrukcjach problem dodatkowo pogłębia sposób smarowania, w którym olej dostarczany jest wraz z paliwem lub bezpośrednio do układu dolotowego i zostaje następnie spalony.

Z punktu widzenia mechaniki dwusuw może być więc rozwiązaniem niezwykle efektywnym. Problem pojawia się wtedy, gdy kryterium oceny przestaje być wyłącznie moc, masa i prostota, a zaczynają nim być również zużycie paliwa oraz skład spalin.

Emisja spalin stała się największym przeciwnikiem dwusuwu

Największą wadą klasycznego dwusuwu jest możliwość przedostawania się części mieszanki paliwowo powietrznej bezpośrednio do układu wydechowego. Podczas przepłukiwania cylindra kanały dolotowe lub przelotowe oraz wydechowy przez pewien czas pozostają otwarte jednocześnie. Nawet bardzo dobrze zaprojektowany układ nie jest w stanie całkowicie wyeliminować strat wynikających z tego procesu w każdych warunkach pracy.

W przypadku jednostek z mieszankowym układem smarowania dochodzi do tego spalanie oleju. Efektem może być podwyższona emisja węglowodorów, cząstek stałych i innych produktów niepełnego spalania. Charakterystyczny dym i zapach starszych dwusuwów są najbardziej widocznym skutkiem procesów, które z punktu widzenia współczesnych regulacji emisji stanowią poważny problem.

Rozwój bezpośredniego wtrysku paliwa, precyzyjnego dozowania oleju, elektronicznego sterowania i zaawansowanych układów oczyszczania spalin pozwolił znacząco ograniczyć część wad dwusuwów. Nie zmienia to jednak faktu, że uzyskanie parametrów wymaganych od współczesnego drogowego silnika spalinowego jest w przypadku klasycznej konstrukcji dwusuwowej znacznie trudniejsze. Dodatkowa komplikacja techniczna odbiera natomiast część przewagi wynikającej z pierwotnej prostoty takiej jednostki.

Dlatego właśnie dwusuwy niemal zniknęły z samochodów i drogowych motocykli, choć sama zasada działania nie przestała być interesująca. Czterosuw okazał się znacznie łatwiejszą podstawą do budowy jednostek spełniających kolejne normy emisji, zachowujących niskie zużycie paliwa i zapewniających szeroki zakres użytecznych obrotów.

Dwusuw pokazuje, jak wiele można osiągnąć dzięki fizyce

Silnik dwusuwowy jest jednym z ciekawszych przykładów wykorzystania zjawisk fizycznych do poprawy osiągów jednostki napędowej. Szczególnie dobrze widać to na przykładzie komory rozprężnej, w której odpowiednio wykorzystane fale ciśnienia mogą poprawiać wymianę ładunku bez zastosowania dodatkowego mechanicznego urządzenia doładowującego.

Właśnie dlatego strojenie dwusuwów przez dziesięciolecia było tak fascynującą dziedziną. Zmiana kształtu kanałów, ich wysokości, układu dolotowego czy wydechu potrafiła całkowicie przeobrazić charakter tej samej jednostki. Jednocześnie łatwo było przesunąć osiągi z jednego zakresu obrotów do drugiego, tworząc silnik bardzo mocny, ale trudny w codziennym użytkowaniu.

Współczesne czterosuwy z turbodoładowaniem, zmiennymi fazami rozrządu, bezpośrednim wtryskiem i zaawansowanym sterowaniem elektronicznym oferują osiągi, których dawniej wymagałyby bardzo wysilonych konstrukcji. Dwusuw pozostaje jednak wyjątkowy ze względu na sposób, w jaki osiąga wysoką moc. Zamiast rozbudowanego mechanizmu rozrządu wykorzystuje odpowiednio zaprojektowane kanały, ruch tłoka i zjawiska falowe zachodzące w gazach.

Dwusuw nie został wyparty dlatego, że pod każdym względem był gorszym silnikiem. Pod względem prostoty, masy oraz możliwej do uzyskania mocy jednostkowej nadal ma istotne zalety. Szczególną cechą pozostaje ogromny wpływ konstrukcji wydechu na osiągi, dzięki czemu odpowiednio zaprojektowana komora rozprężna staje się integralnym elementem działania silnika. Problemem okazała się emisja spalin. To, co pozwala dwusuwowi być lekkim, prostym i bardzo wydajnym pod względem osiągów, jednocześnie utrudnia spełnienie wymagań stawianych współczesnym jednostkom napędowym. Dlatego dziś dwusuw jest przede wszystkim przypomnieniem czasów, w których konstruktorzy mogli znacznie bardziej koncentrować się na mocy, masie i mechanicznej pomysłowości niż na składzie gazów opuszczających rurę wydechową.