Spalanie w silnikach ZI

-W tej prezentacji zostanie omówiony:

-Proces spalania
-Przebieg spalania
-Spalanie stukowe i zapłon żarowy
-Wpływ czynników konstrukcyjnych i eksploatacyjnych na przebieg spalania
-Komory spalania

by Łukasz Piwkowski

Najpierw trochę historii

Narodzona w XIX wieku technika motoryzacyjna w XX–tym 

stuleciu rozwijała się w sposób błyskawiczny a na progu XXI wieku 
końca jej rozwoju nie widać. Samochód napędzany tłokowym 
silnikiem spalinowym jeszcze długo będzie stanowił podstawę 
transportu drogowego. Silnik benzynowy jako jednostka napędowa 
samochodów osobowych ciągle stanowi podstawowe ź–ródło 
energii napędzającej pojazd. O niezmiennym panowaniu silników 
benzynowych na rynku samochodów osobowych przesądził 
błyskawiczny rozwój systemów elektronicznego sterowania 
silnikami. Elektroniczny układ sterowania procesem roboczym 
silnika zgodnie z zapisanymi w pamięci sterownika algorytmami 
(opierając się na wynikach pomiarów dostarczanych przez czujniki 
pokładowe) dozuje paliwo, ilo–ć powietrza oraz ustawia kąt 
wyprzedzenia zapłonu. Dzięki temu znacznie ogranicza się 
szkodliwy wpływ spalin na –środowisko, ro–śnie również komfort 
prowadzenia samochodu i bezawaryjno–ć silnika.

• Rozwój elektronicznych układów sterowania nie zmienia jednak 

zasad działania silnika o zapłonie iskrowym, które liczą już sobie 
ponad 120 lat. Historia  pracy cylindrowego suwu zaczęła się już 
w 1673 roku, kiedy nadworny uczony króla Ludwika XIV zapalał 
proch strzelniczy w cylindrze maszyny pompującej wodę do 
ogrodów królewskich. Ci–nienie gazów powstałych w wyniku 
eksplozji przesuwały ku górze tłok umieszczony w cylindrze, a ten 
połączony systemem linek i bloczków poruszał przeciwwagę 
wyciągającą wodę ze studni. Pierwszy czterosuwowy silnik 
spalinowy o zapłonie iskrowym zaprezentował Nikolaus Otto na 
wystawie paryskiej w 1878 roku. Te cztery suwy nie zmieniły się do 
dzisiejszego dnia: zasysanie, sprężanie, praca i wydech.

• Od nazwiska twórcy pierwszego czterosuwowego silnika o zapłonie 

iskrowym porównawczy obieg termodynamiczny, w którym 
zachodzš przemiany izentropowego sprężania, izochorycznego 
doprowadzania ciepła, izentropowego rozprężania i 
izochorycznego odprowadzania ciepła nazywany jest obiegiem 
Otto.

Schemat zasady pracy czterosuwowego 

silnika tłokowego ZI

Sprawno–ć obiegu Otto roś–nie wraz ze wzrostem stopnia sprężania 

oraz wykładnika izentropy, nie zależy za–ś od ilo–ści 
doprowadzonego ciepła. Sprawno–ć obiegu Otto jest większa od 
sprawnoś–ci obiegu zawierającego obok izochorycznego 
doprowadzania ciepła również izobaryczne doprowadzanie ciepła. 

 W czterosuwowych silnikach tłokowych realizacja obiegu 

termodynamicznego wymaga dwóch pełnych obrotów wału 
korbowego. Pierwszy obrót służy do realizacji suwu sprężania i 
pracy, drugi obrót wału korbowego umożliwia przebieg suwu 
wydechu i zasysania (napełniania).

Ze względu na charakter procesów zachodzących w cylindrze 

rozróżnia się następujące suwy:

Suw ssania 
 Tłok zbliżający się do wału korbowego wytwarza w cylindrze 
podciśnienie; ponieważ w tym czasie zawór ssący umieszczony w 
kanale łączącym cylinder 
z gaźnikiem czyli urządzeniem wytwarzającym mieszankę paliwowo 
powietrzną, jest otwarty wskutek różnicy ciśnień mieszanka napływa 
do cylindra; napełnianie cylindra trwa do chwili zamknięcia zaworu 
ssącego.

Suw sprężania 
 W skutek oddalania się tłoka od wału korbowego, objętość mieszanki 
wypełniającej cylinder maleje, wzrasta natomiast jej ciśnienie od 7 do 
12 KG/cm2 (atm.) Mieszanka nagrzewa się do temp. Ok. 300st C .Im 
wyższy jest stopieni sprężania tym wyższy jest ciśnienie mieszanki 
przy końcu suwu sprężania i tym szybciej przebiega jej spalanie, co w 
rezultacie podwyższa moc i polepsza sprawność silnika.

Suw pracy 

 Sprężona w komorze spalania mieszanka paliwowo 

powietrzna pod koniec suwu sprężania zapala się w skutek 
wyładowania pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej; spalanie 
mieszanki przebiega bardzo szybko, przy prawie niezmiennej 
objętości komory spalania; wskutek wydzielania się bardzo dużej 
ilości ciepła znacznie wzrasta temperatura i ciśnienie produktów 
spalania (spaliny); pod naporem gazów spalinowych tłok przesuwa 
się w kierunku wału korbowego i za pośrednictwem korbowodu 
powoduje obrót wału korbowego.

 Suw wydechu 

 Oddalający się od wału korbowego tłok wypycha rozprężone 

gazy spalinowe znajdujące się w cylindrze. Spaliny uchodzą przez 
otwarty zawór wydechowy. Proces usuwania spalin z cylindra trwa 
aż do momentu zamknięcia zaworu wydechowego.

Spalanie stukowe

• Spalanie stukowe (spalanie detonacyjne) - zjawisko nieprawidłowego, 

nierównomiernego, wybuchowego spalania paliw w silnikach tłokowych o 
zapłonie iskrowym.

• Podczas prawidłowego procesu spalania ciśnienie nad tłokiem pod koniec 

suwu sprężania ma wartość około 10 kg/cm2. Mieszanka paliwowo-powietrzna 
po suwie sprężania zapala się od iskry świecy i płomień rozprzestrzenia się 
przez całą komorę spalania ze stałą prędkością około 30-60 m/s. Powstaje 
duża ilość gazów spalinowych, co powoduje wzrost ciśnienia w komorze do 
ponad 60 kg/cm2, wywołując odpowiedni ruch tłoka. Pojedynczy akt spalania 
mieszanki trwa około 0,001 s.

• Podczas spalania stukowego w momencie zapłonu iskra zapala mieszankę w 

okolicy świecy, co powoduje jednocześnie sprężenie pozostałego ładunku w 
komorze spalania. Wzrost ciśnienia oraz podwyższona temperatura wywołuje 
samozapłon i gwałtowne spalenie się mieszanki w przeciwległym końcu 
komory. Proces ma charakter detonacyjnej reakcji łańcuchowej i spalanie 
następuje nieprawidłowo, z wielokrotnie większą prędkością przekraczającą 
1000 m/s. Wywołuje to charakterystyczny stuk. Spalanie stukowe znacznie 
obciąża cieplnie oraz mechanicznie tłok, korbowód i inne elementy silnika.

Pośród przyczyn spalania stukowego wyróżnić 

można:

• zbyt wysoki stopień sprężania.
• za wczesny zapłon.
• za mała liczba oktanowa paliwa*.
• przegrzanie silnika.
• za małe zawirowanie mieszanki w komorze spalania.

* Liczba oktanowa, LO, umowny wskaźnik charakteryzujący 

przeciwstukowe własności paliwa używanego do napędu silników 
spalinowych z zapłonem iskrowym, oznaczana za pomocą silników 
wzorcowych.

 Liczba oktanowa danego paliwa równa jest liczbowo takiej procentowej 

zawartości izooktanu (LO = 100) w mieszaninie z n-heptanem (LO = 0), 
przy której własności przeciwstukowe tej mieszaniny są takie same, jak 
badanego paliwa.

 Liczba oktanowa przyjmuje wartości od 0 do 160 i jest ważnym wskaźnikiem 

oceny własności eksploatacyjnych benzyn silnikowych.

Zapłon żarowy

W silniku benzynowym do rozpoczęcia spalania mieszanki należy dostarczyć energię 
z zewnątrz. Źródłem tej energii jest iskra ze świecy. Pojawia się ona, gdy tłok spręża 
mieszankę i jest tuż przed górnym martwym położeniem. Wtedy spalanie i 
sprawność silnika są najlepsze. Ale nie zawsze zapalenie mieszanki następuje od 
świecy. W silnikach starszych mogą pojawić się w komorze spalania nagary. Są to 
osady powstające z niespalonego oleju. Te nagary mogą w czasie pracy silnika 
nagrzewać się do tak wysokich temperatur, że mieszanka zapala się od nich, a nie od 
świecy. Właśnie taki zapłon nazywamy żarowym. W komorze spalanie powstają 
wtedy dwa płomienie: jeden od nagaru, drugi od iskry świecy. Zwykle ten pierwszy 
pojawia się wcześniej. Dwa płomienie, dwie fale rozchodzące się w różnych 
kierunkach powodują gwałtowny wzrost ciśnienia i temperatury w komorze spalania. 
I ciśnienie, i temperatura są bardzo szkodliwe dla silnika, szczególnie dla układu 
korbowego. Ponadto wysoka temperatura może nawet doprowadzić do uszkodzenia  
różnych elementów tłoka.

Jak rozpoznać zjawisko zapłonu żarowego

Po wyłączeniu zapłonu, a nawet wyjęciu kluczyka ze stacyjki silnik jeszcze przez kilka 
sekund będzie pracował. To ostrzeżenie, że występuje zapłon żarowy i należy szy- 
bko pojechać do warsztatu, aby oczyścić wnętrze silnika. Najczęściej wystarczy 
zdjęcie głowicy i usunięcie nagarów z jej ścianek. Nie jest to zbyt skomplikowane ani 
kosztowne. Jeśli tego nie zrobimy, silnik może ulec uszkodzeniu, a jego naprawa 
będzie droga.

Komory spalania

Rodzaje komór spalania.

Komora spalania silnika o zapłonie samoczynnym musi 

zapewniać warunki odpowiednie do prawidłowego odparowania 
wtryśniętego paliwa, wymieszania go z powietrzem, zapalenia 
mieszanki oraz, w pewnym stopniu, do kontrolowania procesu 
spalania. Można podzielić je na dzielone, niedzielone.

W każdej z tych grup istnieje wiele odmian. Stosuje się także 

komory spalania stanowiące rozwiązania pośrednie, łączące cechy 
charakterystyczne dla obu grup. Wielka rozmaitość rozwiązań 
komór spalania sprawia, że nie sposób wszystkich opisać. Toteż 
poniżej zostanie przedstawionych zaledwie kilka zasadniczych, 
napowrzechniej stosowanych odmian.

Komory niedzielone – Silniki z takimi komorami są nazywane 

silnikami z wtryskiem bezpośrednim. Komora niedzielona składa 
się z jednej części, w której zarówno tworzy się, jak i spala cała 
objętość mieszanki. Właściwie wymieszanie paliwa z powietrzem 
zapewnia odpowiedni sposób wtrysku paliwa oraz zawirowanie 
powietrza w czasie napełniania nim cylindra i podczas sprężania. 
Kształt komory spalania ma tu ogromne znaczenie. 

     Komory otwarte

           Komory półotwarte

Komory wirowe – zalicza się do komór dzielonych, pomimo że 

mieści się w nich około 80% całkowitej ilości powietrza sprężanego 
w komorze spalania. Komora wirowa ma kształt kuli (niekiedy jest 
ona spłaszczona) i jest połączona z przestrzenią nad tłokiem za 
pomocą dosyć szerokiego kanału usytuowanego stycznie do 
ścianki komory. Styczne umieszczenie kanału sprawia że podczas 
suwu sprężania napływające do komory wirowej powietrze zostaje 
silnie zawirowane. Paliwo jest wtryskiwane wzdłuż promienia kuli 
komory wirowej, a więc wtryskiwany strumień paliwa przecina 
strugi wirującego w komorze powietrza. Powoduje to dobre 
rozproszenie drobin paliwa po całej komorze i przyspiesza proces 
jego odparowania i tworzenia się mieszanki palnej. Zasadniczo 
spalanie odbywa się w komorze wirowej. Jedynie w końcowej fazie 
proces ten przenosi się do cylindra.

Komora z zasobnikiem powietrza – rodzaj komory dzielonej 

obejmującej komorę główną (przestrzeń nad tłokiem) oraz komorę 
pomocniczą, zwaną zasobnikiem powietrza. W nowoczesnych 
silnikach objętość zasobnika powietrza stanowi około 25% całkowitej 
objętości komory spalania. Zasobnik powietrza jest połączony z 
komorą główną odpowiednio ukształtowanym przewężeniem.  
Wtryskiwacz paliwa jest umieszczony w komorze głównej, lecz 
skierowany w stronę przewężenia prowadzącego do zasobnika 
powietrza. W początkowym okresie spalanie strumień 
wtryskiwanego paliwa jest wtłaczany do zasobnika razem ze 
sprężanym jeszcze w tym czasie powietrzem. W chwilę potem 
produkty spalania oraz nie zużyte jeszcze w zasobniku powietrze 
gwałtownie 
wypływają z zasobnika, wyrzucane 
zeź przez ciśnienie nagle zwiększone 
w wyniku spalania. Ten palący się 
strumień napotyka resztę wtryskiwanego
 paliwa: zderzenie się tych dwóch 
strumieni płynących naprzeciw siebie
 znacznie ułatwia szybkie i dokładne 
spalenie reszty paliwa.

• Komory wstępne – Są to komory dzielone, składające się z 

dwóch części: z komory głównej, która stanowi przestrzeń nad 
tłokiem, i komory pomocniczej zwanej komorą wstępną. Objętość 
komory wstępnej stanowi od 25 do 40% całkowitej objętości 
komory spalania. Komora głóna jest połączona z komorą wstępną 
jednym lub kilkoma otworami o niewielkiej średnicy. Paliwo zawsze 
jest wtryskiwane do komory wstępnej. Spalanie w silniku z komorą 
wstępną odbywa się w dwóch fazach. W pierwszej – rozpylenie, 
odparowanie i zapalenie paliwa odbywa się w komorze wstępnej 
przy niedostatku powietrza. W drugiej fazie paląca się mieszanka 
wraz z nie spaloną dotychczas częścią dobrze odparowanego 
paliwa wpływa do komory głównej, gdzie następuje dalsze 
spalanie.

Bibliografia

• T. Rychter – Budowa pojazdów samochodowych, wydawnictwo 

PWN

•

http://budowasamochodow.republika.pl/

• Notatki z zajęć