1. Podstawowe wiadomości o silniku spalinowym
Silnik jest maszyną energetyczną służącą do zamiany jakiegokolwiek innego rodzaju energii na pracę mechaniczną. W zależności od tego, jaki rodzaj energii podlega zamianie na pracę, rozróżnia się silniki cieplne, wodne, elektryczne itp. W naszej pracy zajmiemy się jednym z silników cieplnych. Zasadą działania silnika spalinowego jest zamiana we wnętrzu cylindra energii chemicznej paliwa na pracę mechaniczną. Przebiega to w następujący sposób: ciepło wytworzone w czasie spalania paliwa powoduje znaczny wzrost ciśnienia w cylindrze, rozprężające się gazy spalinowe przesuwają tłok, który za pośrednictwem korbowodu zmusza do obrotu wał korbowy silnika. Czynności te są wykonywane przez tłoki bez przerwy.
Największą grupę silników spalinowych stanowią silniki tłokowe. Do grupy tej należą zarówno silniki z tłokiem tradycyjnym jak i krążącym (silnik Wankla).
Każdy z użytkowników samochodu jest w stanie powiedzieć ile wynosi jego pojemność skokowa. Niewiele osób zapewne wie jednak co to tak naprawdę jest pojemność skokowa i z czego wynika jej wartość. Tak więc w silniku tłokowym w czasie każdego pełnego ruchu tłoka, tłok znajduje się dwa razy w skrajnym położeniu. Położenie w którym tłok jest najbardziej oddalony od wału korbowego nazywa się górnym martwym położeniem, a moment maksymalnego zbliżenia do wału korbowego dolnym martwym położeniem. Droga między tymi dwoma pozycjami nazywana jest skokiem tłoka, a ruch suwem. Pojemność całkowita cylindra to pojemność gdy tłok znajduje się w dolnym martwym położeniu, a pojemność komory sprężania jest to pojemność cylindra w czasie górnego martwego położenia. Pojemność skokowa natomiast jest to różnica między pojemnością całkowitą cylindra, a pojemnością komory sprężania. Wyżej przytoczone definicje będą potrzebne nam do prawidłowego zrozumienia działania silnika.
2. Ogólna budowa silników spalinowych
Każdy silnik spalinowy składa się z tych samych elementów dostosowanych tylko do danego mu zadania. Główną częścią silnika jest kadłub w którym znajdują się cylindry z tłokami w których zachodzi zamiana energii chemicznej na mechaniczną. Poza tym do prawidłowej pracy silnika potrzebne są różnego rodzaju układy odpowiedzialne za ściśle określone zadania.
Wyróżnia się:
- układ korbowy – ma za zadanie zmieniać posuwisto-zwrotny ruch tłoka w cylindrze na ruch obrotowy wału korbowego;
- układ rozrządu steruje procesem napełniania cylindrów świeżą mieszanką paliwowo-powietrzną bądź samym powietrzem oraz opróżnianiem cylindrów ze spalin;
- układ zasilania dostarcza do cylindra mieszankę paliwa i powietrza lub oddzielnie paliwo i powietrze
- układ smarowania doprowadza olej między współpracujące ze sobą części silnika, w celu zmniejszenia oporów i tarcia;
- układ chłodzenia ma za zadanie utrzymać optymalną temperaturę silnika umożliwiającą najekonomiczniejszą jego pracę;
- układ zapłonowy (występuje tylko w silnikach z zapłonem iskrowym) wywołuje zapłon mieszanki, w jego skład wchodzą urządzenia wywołujące iskrę zapłonową;
- układ rozruchowy służy do uruchamiania silnika, najczęściej jest to rozrusznik elektryczny.
3. Rodzaje silników spalinowych
Silniki spalinowe dzieli się ze względu na ich odmienne cechy, które w zasadniczy sposób odróżniają jedne silniki od drugich. Po pierwsze ze względu na stopień sprężenia mieszanki w cylindrze silniki dzielimy na:
- niskoprężne,
- wysokoprężne.
W silnikach niskoprężnych stopień sprężenia mieści się w granicach 6,5-11, a wysokoprężnych 14-22. Tak naprawdę jednak o przynależności do danej grupy decyduje sposób zapalania mieszanki. W silnikach z zapłonem iskrowym jako paliwa używa się benzyny lub jej mieszanek. Do silnika zasysana jest z gaźnika mieszanka paliwowo-powietrzna, a następnie pod wpływem iskry następuje jej spalenie. Silniki niskoprężne wymiennie mogą być nazywane: benzynowymi, gaźnikowymi lub iskrowymi. W silnikach wysokoprężnych zapłon następuje samoczynnie. Polega to na tym że do cylindra zasysane jest czyste powietrze, które pod wpływem sprężenia tak się nagrzewa że dochodzi do samoczynnego zapłonu paliwa. Silniki wykorzystujące tą zasadę działania noszą nazwę silników Diesla.
Drugi podział wynika z sposobu pracy i rozróżniamy silniki:
- dwusuwowe – w których suw pracy przypada na każdy obrót wału korbowego,
- czterosuwowe – w których suw pracy przypada na dwa obroty wału korbowego.
Kolejny podział wynika z liczby cylindrów. Wyróżniamy:
- jednocylindrowe,
- wielocylindrowe.
Ze względu na sposób chłodzenia można podzielić silniki na:
- chłodzone powietrzem,
- chłodzone cieczą (najczęściej wodą).
Zależnie od umieszczenia zaworów wyróżniamy:
- odolnozaworowe,
- ogórnozaworowe.
4. Zasada działania silnika z zapłonem samoczynnym (silnik wysokoprężny).
Czterosuwowe lub dwusuwowe silniki z zapłonem samoczynnym tak zwane silniki Diesla charakteryzują się mniejszym prawie o 30% spalaniem paliwa, tańszą eksploatacją oraz większą wytrzymałością. Ich charakterystyczną cechą jest to że nie posiadają świecy, która wytwarza iskrę. Zapłon mieszanki paliwowej następuje samoczynnie pod wpływem wysokiego ciśnienia. Sposób pracy takiego silnika podzielony jest na cztery suwy i wygląda następująco:
1. Suw dolotu – W czasie przesuwania się tłoka z górnego maksymalnego położenia w stroną wału korbowego przez otwarty zawór dolotu zasysane jest do cylindra oczyszczone powietrze
2. Suw sprężenia – Gdy tłok znajduje się w dolnym maksymalnym położeniu zmienia swój kierunek.Równocześnie zostaje zamknięty zawór dolotu powietrza. Następuje sprężenie powietrza do ciśnienia 3-4,5 Mpa, a tym samym ogrzanie do temperatury 530-730ºC. Przy końcu tego suwu, gdy powietrze jest maksymalnie sprężone następuje wtryśnięcie rozpylonego paliwa, które miesza się z powietrzem, szybko odparowuje i samoczynnie się zapala.
3. Suw pracy – W czasie spalania temperatura i ciśnienie podnoszą się prawie trzykrotnie. Pod działaniem tak wysokiego ciśnienia tłok zostaje przesunięty z górnego maksymalnego położenia do dolnego maksymalnego położenia. Wykonywana jest praca dzięki której silnik może dalej pracować. Gazy podczas tego suwu rozprężają się do całego cylindra.
4. Suw wylotu – Ostatni etap pracy silnika polega na otwarciu zaworu wylotowego przez który wypychane są spaliny na zewnątrz silnika. Tłok porusza się w tym czasie z dolnego do górnego maksymalnego położenia. Gdy tłok jest w górnym położeniu proces zaczyna się powtarzać i następuje po raz kolejny suw dolotu.
5. Czterosuwowe silniki niskoprężne.
W czterosuwowym silniku gaźnikowym do cylindra zasysana jest w czasie suwu ssania mieszanka wytworzona w specjalnym urządzeniu – gaźniku. Składa się ona z pary i drobnych kropelek paliwa wymieszanych z powietrzem. W czasie następnego suwu mieszanka ta zostaje sprężona, wzrasta jej ciśnienie i temperatura. Pod koniec suwu sprężania miedzy elektrodami świecy zapłonowej przeskakuje iskra elektryczna, zapalająca przygotowaną mieszankę. Płomień szybko rozchodzi się po całej przestrzeni spalania, ciśnienie gazów wzrasta do 30-50 kg/cm2, a temperatura podnosi się do 1800-25000C.
Suw pracy i wydechu przebiega w silniku gaźnikowym identycznie, jak w silniku wysokoprężnym.
Obciążenie silnika gaźnikowego reguluje się ilością doprowadzanej do cylindra mieszanki paliwa z powietrzem. Skład mieszanki, tj. stosunek ilości paliwa i powietrza, jest prawie stały, co jest niezbędne, aby był możliwy zapłon mieszanki od iskry świecy.
6. Zasada działania silnika dwusuwowego z zapłonem iskrowym.
Dwusuwowy silnik z zapłonem iskrowym stosowany jest często w motocyklach. Niekiedy bywa również wykorzystywany do napędu maszyn rolniczych o małym zapotrzebowaniu na moc. W silniku dwusuwowym wykonanie pełnego cyklu pracy następuje w czasie dwóch suwów tłoka, czyli w ciągu jednego obrotu wału korbowego. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu skrzyni korbowej silnika do wstępnego sprężania mieszanki paliwowo-powietrznej.
1. Gdy tłok silnika przesuwa się z DMP do GMP, w uszczelnionej skrzyni korbowej powstaje podciśnienie. Po odsłonięciu przez tłok okna kanału dolotowego, połączonego z rurą dolotową, do skrzyni korbowej zostaje zassana mieszanka paliwowo-powietrzna wytworzona w gaźniku.
2. W cylindrze odbywa się w tym czasie sprężanie ładunku zassanego w poprzednim cyklu pracy. Jest to suw sprężania. Krótko przed dojściem tłoka do GMP następuje zapłon mieszanki i rozpoczyna się suw pracy. Tłok, przesuwając się od GMP do DMP, zamyka okno kanału dolotowego i powoduje wstępne sprężanie mieszanki znajdującej się w skrzyni korbowej.
Przy końcu suwu rozprężania tłok odsłania najpierw okno kanału wylotowego, umożliwiając wylot spalin z cylindra, a nieco później okno kanału przelotowego, łączącego cylinder ze skrzynią korbową. Przez kanał przelotowy przepływa teraz sprężona wstępnie w skrzyni korbowej mieszanka, która wypełnia cylinder silnika i wypycha do kanału wylotowego resztki spalin. Jest to tzw. Przepłukiwanie cylindra. Kończy się ono, gdy tłok przesunie się ponownie w górę i zamknie najpierw okno kanału przelotowego, a następnie okno kanału wylotowego. Od tej chwili zaczyna się w cylindrze sprężanie mieszanki. W skrzyni korbowej wytwarza się w tym czasie podciśnienie. Przy dalszym ruchu tłoka do GMP dolna jego krawędź odsłania okno kanału dolotowego i do skrzyni korbowej napływa mieszanka, potrzebna do wykonania następnego cyklu pracy.
7. Zasada działania silników z krążącym tłokiem.
Silnik z krążącym tłokiem skonstruowany przez Feliksa Wankla w 1960r. i nazwany od jego nazwiska silnikiem Wankla. Ma on całkowicie odmienną budowę niż inne jednostki napędowe. Dużą zaletą jest wyeliminowanie masy układu korbowego przez co silnik jest dużo lżejszy. Tłok ma kształt trójgraniasty wykonuje planetarny ruch względem obudowy silnika i dzieli go na trzy komory robocze.
Podczas jednego pełnego obrotu tłoka w każdej komorze roboczej następują cztery zmiany objętości odpowiadające czterem suwom czterosuwowego silnika.
Każda przestrzeń robocza łączy się kolejno z kanałem dolotowym, umożliwiając proces zasysania mieszanki. Przy dalszym ruchu tłoka objętość komory zmniejsza się, co powoduje sprężenie mieszanki. Pod koniec sprężania mieszanka zapala się od iskry elektrycznej. Sprężone gazy naciskają na tłok i wprawiają go w ruch obrotowy. Pojemność komory zwiększa się stopniowo, a gdy tłok odsłoni okno kanału wylotowego, sprężone gazy uchodzą do atmosfery. Po otwarciu kanału dolotowego do komory zaczyna napływać świeża mieszanka i obieg zaczyna się od nowa.
8. Porównanie i zakres stosowania silników spalinowych
Silniki wysokoprężne są znacznie ekonomiczniejsze od niskoprężnych. Jednostkowe zużycie paliwa w silnikach niskoprężnych wynosi ok. 250 G/kMh, podczas gdy silniki wysokoprężne zużywają tylko ok. 200G/kMh. W naszych warunkach trzeba jeszcze do tego doliczyć różnice w cenach paliwa. Do ujemnych cech silnika wysokoprężnego należy trudniejszy rozruch, konieczność stosowania precyzyjnych i drogich urządzeń wtryskowych, mocniejsza i cięższa konstrukcja oraz mniejsza moc, jaką silnik może osiągnąć w tej samej objętości skokowej. Wszystkie te czynniki spowodowały, że silniki z zapłonem samoczynnym znalazły szerokie zastosowanie w ciągnikach rolniczych i ciężkich samochodach, przy napędzie pomp, sprężarek, kombajnów i wszędzie tam, gdzie zużycie paliwa ma duży wpływ na kształtowanie się kosztów eksploatacji. Czterosuwowe silniki gaźnikowe stosuje się powszechnie do napędu samochodów osobowych, ciężarowych, agregatów prądotwórczych itp. Silniki dwusuwowe są mniej ekonomiczne niż silniki czterosuwowe i nawet 400 g paliwa na 1KM godz. Benzynowe dwusuwowe silniki gaźnikowe z ładowaniem przez skrzynie korbową stosowane są w napędach motorowerów, motocykli, popularnych samochodów oraz do rozruchu dużych silników wysokoprężnych, ze względu na małą moc oraz niewielkie godzinne zużycie paliwa. Najistotniejszymi zaletami dwusuwowych silników niskoprężnych są niska cena oraz prosta obsługa.
9. Inne części silnika.
Silnik spalinowy oprócz podstawowych części składa się również z dodatkowych układów umożliwiających prawidłową pracę. Krótki opis tych układów znajduje się w punkcie 2.
Kadłub silnika to element konstrukcyjny, stanowiący trzon, podstawę, łączący w jedną całość pozostałe elementy oraz przejmujący obciążenia działające na części maszyny.
Głowica to część silnika spalinowego zamykająca od góry wnętrze jednego lub kilku cylindrów, połączona z blokiem cylindrów za pomocą śrub dwustronnych. Głowice cylindrowe wykonywane są jako odlewy żeliwne lub ze stopów aluminium. Szczegóły budowy głowicy cylindrowej zależne są od rodzaju silnika, sposobu chłodzenia, systemu i napędu rozrządu, kształtów komór spalania i innych czynników.
Wał korbowy to obrotowy element silnika tłokowego, do którego zamocowane są korbowody, przekazujące energię ruchu posuwisto-zwrotnego tłoków. Wykorbienia wału o liczbie odpowiadającej liczbie cylindrów (przy układzie rzędowym i boxer), połowie liczby cylindrów (układ widlasty) lub liczbie rzędów cylindrów (układ gwiazdowy) przesunięte są równolegle do osi wału o odległość równą połowie skoku tłoka. Z wału korbowego odbierany jest moment obrotowy do napędu kół samochodu, śmigła samolotu itp.
Układ rozrządu to zespół mechanizmów służących do sterowania napełnianiem i opróżnianiem cylindrów spalinowych. W silnikach spalinowych stosowane są rozrządy silnika: tłokowe (w silnikach dwusuwowych), suwakowe (niegdyś popularne, obecnie niemal zupełnie wyszły z użycia) oraz zaworowe (najczęściej spotykane). Zaworowe rozrządy silnika dzieli się na: dolnozaworowe, górnozaworowe i mieszane (rzadko używane, zawory dolotowe umieszczone w głowicy, zawory wylotowe w kadłubie silnika). Najczęściej spotykany górnozaworowy rozrząd silnika składa się z wałka rozrządu napędzanego od wału korbowego silnika za pośrednictwem łańcucha lub paska zębatego, zaworów oraz popychaczy, drążków popychaczy i dźwigienek umożliwiających przekazywanie ruchu z krzywek wałka na zawory. Obecnie prowadzone są prace nad zastosowaniem elektromagnetycznego uruchamiania zaworów.
Gaźnik inaczej karburator to zespół urządzeń i mechanizmów w silniku spalinowym o zapłonie iskrowym, których zadaniem jest wytwarzanie, regulowanie składu i dawkowania odpowiedniej mieszanki paliwa z powietrzem w zależności od obciążenia i prędkości obrotowej silnika.
Ze względu na kierunek przepływu powietrza rozróżnia się gaźniki:
1) opadowe (dolnossące), najczęściej spotykane, przepływ powietrza odbywa się od góry ku dołowi,
2) górnossące, przepływ powietrza odbywa się od dołu ku górze,
3) poziome (bocznossące), przepływ powietrza odbywa się w poziomie.
Coraz częściej spotyka się tzw. gaźniki wtryskowe, będące rozwiązaniem pośrednim między gaźnikiem a wtryskiem paliwa.
Wtrysk paliwa to system zasilania silnika spalinowego, dostarczający ściśle określoną dawkę paliwa płynnego pod ciśnieniem wprost do cylindra (wtrysk bezpośredni), do kanału ssącego każdego z cylindrów (wtrysk pośredni wielopunktowy) lub do kolektora ssącego (wtrysk pośredni jednopunktowy). Konieczny w silnikach wysokoprężnych i turbinowych, coraz częściej spotykany przy zapłonie iskrowym.