FAQ

Bardzo wiele pytań dotyczyło zastosowania silnika diesla jako bazy do przeróbki. Głównym argumentem podnoszonym w tych zapytaniach był większy stopień sprężania takich jednostek. Przypominamy, że stopień sprężania to stosunek objętości cylindra + objętości komory spalania do objętości komory spalania. W związku z tym, że komora spalania w silniku spalinowym znajduję się z reguły w głowicy, którą w przypadku przeróbki wymienimy na taką wyposażoną w zawory sprężarkowe, fabryczny stopień sprężania silnika nie ma żadnego znaczenia. Nowoczesne silniki diesla wyposażone są z reguły we wtrysk bezpośredni paliwa do cylindra. W takim przypadku najczęściej w tłoku znajduje się komora spalania zwiększająca objętoś szkodliwą cylindra. Nie ma możliwości jej wyeliminowania, a przekłada się ona na zmniejszenie sprawności sprężarki, czyli zwiększenie zużycia prądu.

Wiele osób kwestionowało wybór silnika FSO w związku z jego nie najlepszą sławą, jeśli chodzi o trwałość. Silniki FSO w Polonezach i Fiatach 125p osiągały przebiegi 100-150 tys. km pomiędzy remontami, podczas gdy silniki zachodnich i japońskich aut osiągają bez trudu przebiegi rzędu 500 tys. i więcej. Kolejną „wadą” silnika są trzy podpory wału korbowego zwiększające obciążenie panewek głównych w stosunku do rozwiązania z pięcioma podporami. Wszystko to jest prawdą, ale spójrzmy na to z punktu widzenia pracy jako sprężarki. Z uwagi na fakt, że FSO to krajowa produkcja, dostępność części, mimo zakończenia produkcji tych silników jest bardzo dobra. Zestawy nadwymiarowych tłoków i panewek można nabyć za kilkaset złotych. Gdy doliczymy do tego koszty pracy zakładu obróbki, cena remontu generalnego takiego silnika wyniesie około 1000 zł. Remont jakiegokolwiek silnika zagranicznych producentów zamknie się w kwocie wielokrotnie większej. Wspomniane wcześniej 3 podpory wału przekładają się na mniejsze opory obrotu. Biorąc pod uwagę, że silniki do przeróbki pochodzą z rynku wtórnego, gdzie stan zakupowanego silnika to czysta loteria, w przypadku FSO mamy komfort zakupu jakiegokolwiek silnika, który z założenia wyremontujemy zapewniając sobie spokój na wiele lat pracy sprężarki.

Na podstawie dostępnej wiedzy technicznej i doświadczeń ze sprężarkami tłokowymi zdeterminowaliśmy kilka elementów, które są ważne z punktu widzenia sprawności i trwałości urządzenia:
1 Możliwie mała objętość szkodliwa sprężarki
2 Możliwie duże przekroje kanałów powietrznych w głowicy
3 Chłodzenie wodne.
Ad 1. Objętość szkodliwą opisujemy w osobnym punkcie.
AD 2. Wyobraźmy sobie, że mamy przez dwie rurki o długości 10 cm przelać jak najszybciej 1 litr wody. Jedyna różnica pomiędzy rurkami to ich średnica; pierwsza ma 1 mm średnicy, a druga 10 mm. Przelanie litra wody przez rurkę o średnicy 10 mm nie stanowi wyzwania. Natomiast, jeśli chcielibyśmy przez rurkę o średnicy 1 mm przelać litr wody w takim samym czasie jak większą rurką, będziemy musieli wygenerować bardzo duże ciśnienie i nadać wodzie w rurce bardzo dużą prędkość. Sytuacja w sprężarce powietrza wygląda bardzo podobnie. Sprężarka pracuje z określoną prędkością, dlatego powietrze znajdujące się w cylindrze musi go opuścić w określonym czasie. Gdy kanały odprowadzające powietrze mają mały przekrój, przepływające powietrze potrzebuje większej prędkości, żeby opuścić cylinder, dlatego w cylindrze generuje się wyższe ciśnienie. Przekłada się to na wzrost temperatury, wzrost chwilowego obciążenia sprężarki oraz obniżenie sprawności sprężarki wynikające z tego, że przy większym ciśnieniu szczytowym więcej powietrza pozostaje w objętości szkodliwej sprężarki w trakcie suwu wydechowego.
Ad 3. W trakcie rewizji i napraw sprężarek chłodzonych powietrzem wielokrotnie natknęliśmy się na złogi nagaru znajdujące się w kanałach wylotowych i na listwach wydechowych sprężarki. W trakcie pracy sprężarki ilość generowanego ciepła jest bardzo duża. Często chłodzone powietrzem głowice sprężarek mają problem z odprowadzeniem go. Duża temperatura ścianek głowicy i samych listew zaworowych powoduje, że zawarty w powietrzu olej „spieka” się na ściankach i osadza w formie nagaru. Powstały narost nagaru ogranicza przepływ w kanałach wylotowych zmniejszając sprawność sprężarki i powodując dalszy wzrost temperatury pracy. Rewizja naszej prototypowej głowicy ujawniła, że po roku intensywnej eksploatacji w kanałach powietrznych nie znaleźliśmy najmniejszych śladów nagaru. Sytuacja taka była możliwa właśnie dzięki wydajnemu chłodzeniu wodnemu.

W trakcie projektowania każdego urządzenia produkowanego na masową skalę brane są pod uwagę wymagania wytrzymałościowe, ale też ekonomiczne. Układ korbowo-tłokowy silnika spalinowego zmuszony jest do przenoszenia potężnych sił i znoszenia wysokich temperatur. Obciążenia w sprężarkach są o rząd wielkości mniejsze, stąd też fabryczne sprężarki mają znacznie delikatniejszą budowę od silników spalinowych o podobnej pojemności. Ciśnienie w cylindrze pracującej sprężarki nie przekracza kilkunastu bar, natomiast ciśnienie w cylindrze silnika spalinowego w trakcie spalania osiąga wartości rzędu 50-100 bar. Bezpośrednio przekłada się to na obciążenie wszystkich elementów ruchomych. Wykorzystanie bloku silnika jako sprężarki daje nam korzyść w postaci znacznie przewymiarowanych elementów ślizgowych. Zmniejszony nacisk na panewki znacznie zwiększa ich trwałość. Również obciążenie pierścieni tłokowych jest mniejsze, co zwiększa trwałość pierścieni i cylindrów. Gdy do powyższych faktów dołożymy brak zanieczyszczeń z procesu spalania i stałe bardzo dobre ciśnieniowe smarowania możemy być spokojni o trwałość sprężarki zbudowanej na bazie silnika spalinowego.

Objętość szkodliwa to objętość powietrza, jaka pozostaje w cylindrze w jego górnym martwym położeniu (GMP). Wielkość objętości szkodliwej determinuje, ile powietrza nie zostanie wydmuchane z cylindra po zakończeniu suwu wydechowego. Ciśnienie, które panuje w objętości szkodliwej w GMP jest ciśnieniem maksymalnym, jakie występuje w trakcie pracy cylindra. Zasada działania zaworów sprężarkowych jest taka, że steruje nimi różnica ciśnień. Oznacza to, że otwierają się one dopiero wtedy, gdy ciśnienie w cylindrze spadnie poniżej ciśnienia atmosferycznego. W GMP ciśnienie ma maksymalną wartość i powoli spada w miarę jak tłok porusza się w kierunku dolnego martwego położenia. Dlatego w początkowej fazie, zanim otworzy się zawór ssący ciśnienie, jakie zostało nadane objętości szkodliwej musi zostać rozładowane. Opóźnia to moment otwarcia zaworów ssących. Pozostawione w cylindrze powietrze powoduje, że w trakcie suwu ssania pozostaje mniej miejsca w cylindrze na zassanie świeżego powietrza przez listwy ssące, co przekłada się na spadek sprawności sprężarki. Idealnym rozwiązaniem byłoby całkowite wyeliminowanie objętości szkodliwej, ale jest to technicznie niemożliwe. Można jedynie dążyć do minimalizacji jej objętości.

Nie ma sensu porównywać dostępności części samochodowych do części do sprężarek. Gdy zaczniemy szukać części zamiennych do choćby popularnych sprężarek powietrza okaże się, że jest kilka firm w Polsce zajmujących się ich sprzedażą. Dostępność części często nie jest natychmiastowa, a do tego musimy doliczyć czas i koszt wysyłki. W przypadku części samochodowych, w każdym małym mieście znajdzie się sklep motoryzacyjny, w którym zamawiając rano części na popołudnie będziemy je mieli na miejscu. Konstrukcja naszej sprężarki maksymalnie czerpie z rozwiązań stosowanych w samochodach właśnie dlatego, żeby naszym klientom ułatwić eksploatację urządzenia. Jedynymi elementami samej głowicy, które mogłby kiedyś ulec uszkodzeniu są listwy zaworowe. Zastosowane w naszej sprężarce listwy są zaworami listwowymi stosowanymi fabrycznie w sprężarkach HS31 stosowanych w układzie hamulcowym między innymi ciężarówek Jelcz, dzięki czemu zapewniony jest dobry dostęp do tych części.

Dobierając zawory do głowicy postawiliśmy przede wszystkim na niezawodność. Wykorzystano zawory ze sprężarki polskiej produkcji HS31, która jest stosowana w układzie hamulcowym ciężarówek Jelcz. Wybór ten przy projektowaniu głowicy wygenerował specyficzne problemy wynikające ze sposobu montażu tych zaworów. Uznaliśmy jednak, że niezawodność jest najważniejsza i dostosowaliśmy konstrukcję głowicy do tych zaworów. Trudno sobie wyobrazić lepiej przetestowane rozwiązanie z uwagi na to, że układ hamulcowy w wielotonowej ciężarówce po prostu nie może zawieźć. Kolejnym aspektem wpływającym na ten wybór były własne doświadczenia ze sprężarkami z tych ciężarówek, które po wielkich przebiegach, mimo zaniedbania przez użytkowników, nadal sprawowały się dobrze. Konstrukcja zaworów ogranicza ilość ruchomych części do dwóch blaszek wykonanych z wysokogatunkowej stali wymyślonej specjalnie do tego zastosowania. Mała bezwładność tych zaworów umożliwia sprężarce pracę z dużymi obrotami. Sprężarka HS31 wyposażona w te zawory ma obroty dopuszczalne przez producenta na poziomie 2200 obr/min. Znajdziemy też sprężarki wyposażone w tego typu zawory osiągające jeszcze wyższe obroty.

Sprężanie powietrza to proces, który jako efekt uboczny generuje bardzo duże ilości ciepła. Ciepło to powoduje, że elementy sprężarek osiągają temperatury znacznie przewyższające 200 °C. W przypadku sprężarek chłodzonych powietrzem ciepło to jest odprowadzane przez żebrowanie cylindra i głowicy do otaczającego je powietrza. Często tego typu chłodzenie jest niewystarczające. Efektem tego, który mieliśmy okazję obserwować w sprężarkach z ciężarówek, jest spiekanie oleju przedostającego się przez pierścienie do sprężonego powietrza na powierzchniach głowicy i zaworach wydechowych. Efekt ten powoduje „zarastanie” kanałów wydechowych nagarem i zmniejszenie ich przekroju. Powoduje to dalszy wzrost temperatury wynikający ze zwiększonych oporów przepływu powietrza, pogorszenie pracy listew zaworowych i w efekcie stopniowy spadek wydajności sprężarki. Rozwiązaniem tego problemu jest chłodzenie wodne. Nasza testowa głowica po rozbiórce po roku intensywnego użytkowania nie miała najmniejszych śladów nagaru na powierzchniach kanałów wydechowych i listew ssących. Temperatura głowicy nawet przy długotrwałej pracy przy ciśnieniach rzędu 7-8 bar nie przekracza 100 °C w związku z czym, nie osiąga temperatury, przy której olej mógłby „spiec” się na jej ściankach. Głowica skonstruowana jest w taki sposób, aby maksymalnie zwiększyć powierzchnię wymiany ciepła pomiędzy płynem chłodzącym a elementami głowicy, w szczególności w obrębie kanałów wydechowych.

Dobierając silnik napędowy do naszej sprężarki warto zdać sobie sprawę, że ilość mocy potrzebnej do sprężania powietrza przy większych przepływach jest naprawdę duża. W trakcie testów sprężarka była w stanie osiągnąć wydajność rzędu 2500 litrów na minutę. Napędzający ją silnik 11 kW był już wtedy skrajnie przeciążony. Oczywiście można połączyć sprężarkę z silnikiem małej mocy redukując jej obroty i wydajność, ale naszym zdaniem w takim wypadku budowa sprężarki z silnika w pewnym sensie traci uzasadnienie. Nasza głowica była projektowana z założeniem długotrwałej pracy przy dużych wydajnościach, dlatego jako silnik napędowy zalecamy wybierać silniki o mocach z zakresu 7,5 -15 kW. Mocniejszy silnik pozwoliłby wykorzystać maksimum potencjału sprężarki, ale pobór prądu takich silników wymaga przyłączy elektrycznych, które są rzadko spotykane w gospodarstwach domowych czy mniejszych firmach.

Jeśli naszym celem jest osiągnięcie maksymalnej wydajności pracy sprężarki dla posiadanego silnika, warto się zastanowić jaki zakres ciśnień nas realnie interesuje. Obciążenie, jakie generuje sprężarka jest wprost proporcjonalne do generowanego ciśnienia i osiąga szczyt w momencie zadziałania presostatu, czyli w chwili osiągnięcia maksymalnej jego wartości. Przełożenie sprężarki powinno być tak dobrane, aby zapotrzebowanie mocy sprężarki nie przekraczało mocy silnika. Jeśli założymy, że oczekujemy od sprężarki maksymalnego ciśnienia np. 10 bar, a w przyszłości sprężarka będzie pracować z piaskarką przy ciśnieniu 5 bar, okaże się, że w takiej konfiguracji nie wykorzystujemy maksymalnego potencjału zamontowanego silnika. Nastawa presostatu o wartości 10 bar (czyli maksymalne wymagane ciśnienie) wymusi od nas zastosowania przełożenia umożliwiającego osiągnięcie tej wartości. Gdyby nastawa presostatu wynosiła np. tylko 6 bar, moglibyśmy uzyskać znacznie większe obroty sprężarki i tym samym jej wydajność. Pozwoliłoby to pracować przy ciśnieniu 5 bar większą dyszą i uzyskać lepszą efektywność pracy zestawu.

Oferowana głowica składa się z pięciu stalowych płyt, z których każda ma określone zadanie. Pierwsza z płyt, stykająca się z blokiem sprężarki, bierze udział w pracy zaworów ssących oraz tworzy komorę, w którą zagłębia się tłok w górnym martwym położeniu. Umożliwia to pomniejszenie objętości szkodliwej oraz prawidłowe zamocowanie zaworów ssących. Druga płyta, tzw. płyta zaworowa bezpośrednio współpracuje z zaworowymi blaszkowymi. W jej obrębie wyfrezowany jest radiator wodny, który znajduje się pod kanałem odprowadzającym sprężone powietrze. Ma on na celu maksymalne ochłodzenie pompowanego powietrza. Kolejna płyta to płyta dystrybucji, która doprowadza świeże powietrze do zaworów ssących i odprowadza sprężone powietrze do wylotu sprężarki. Nad płytą dystrybucji znajdziemy płytę wodną z wyfrezowanym radiatorem. Odbiera ona ciepło od sprężonego powietrza i przekazuje do płynu chłodzącego. Ostatnią płytą znajdującą się na wierzchu głowicy jest płytą, do której przyspawane są króćce ssące: wydechowy oraz wodny. Ma ona za zadanie uszczelnienie płyty wodnej i połączenie sprężarki z pozostałymi elementami urządzenia. Wszystkie elementy głowicy wykonywane są na obrabiarkach CNC. Jej wykonanie wymaga wywiercenia setek otworów i wyfrezowania wielu kanałów. Łącznie głowica ma grubość ponad 5 cm i waży około 30 kg. Przed korozją chroni ją warstwa cynku. Uszczelnienie zapewniają wycinane na CNC uszczelki z materiału wzmacnianego włóknami kewlaru odpornego na wysokie ciśnienia i duże temperatury.

Oferowaną głowicę zaprojektowaliśmy z myślą o małych firmach wchodzących na rynek i potrzebujących wydajnego i pewnego źródła sprężonego powietrza, ale niedysponujących środkami na zakup nowej drogiej sprężarki śrubowej. Nasza głowica może też być dobrym rozwiązaniem dla wielu hobbystów odrestaurowujących pieczołowicie zabytkowe auta i motocykle potrzebujących możliwości wypiaskowania elementów swoich maszyn.