Silnik spalinowy, budowa i zasada działania

1. Ogólne informacje na temat silnika spalinowego

Silnik - jest to urządzenie energetyczne wykorzystywane do zamiany jakiegoś innego typu energii na pracę mechaniczną. W porównaniu, jaki typ energii bierzemy pod uwagę przy zmianie na pracę, wyróżniamy silniki cieplne, elektryczne, wodne i inne. Niniejsza praca poświęcone jest jednym z silników cieplnych. Zasadą działania silnika spalinowego polega na zamianie w środku cylindra energii chemicznej paliwa na pracę mechaniczną. Odbywa się to w opisany sposób: ciepło wyprodukowane podczas spalania paliwa jest skutkiem ogromnego wzrostu ciśnienia w cylindrze, rozprężające się gazy spalinowe przemieszczają tłok, który za pomocą korbowodu wymusza obrót wału korbowego silnika. Czynności te są przez tłoki wykonywane non stop.
R E K L A M A czytaj dalej Ą

Ogromną grupę silników spalinowych prezentują silniki tłokowe. Do grupy tej zaliczamy przede wszystkim silniki z tłokiem tradycyjnym ale także i z krążącym (silnik Wankla).

Każdy z nas kto posiada samochód wie ile równa jest pojemność skokowa takiego samochodu. Mała grupa osób zorientowana jest co to tak w rzeczywistości jest pojemność skokowa i skąd się bierze się jej wartość. W silniku tłokowym podczas każdego pełnego ruchu tłoka, tłok jest dwukrotnie w skrajnym położeniu. Położenie gdzie tłok jest najbardziej oddalony od wału korbowego nazywane jest górnym martwym położeniem, natomiast moment maksymalnego zbliżenia do wału korbowego dolnym martwym położeniem. Przemieszczenie pomiędzy tymi dwoma położeniami nazywa się skokiem tłoka, natomiast ruch suwem. Pojemność całkowita cylindra jest wtedy gdy tłok jest w dolnym martwym położeniu, natomiast pojemność komory sprężania jest wtedy gdy pojemność cylindra znajduje się w górnym martwym położeniu. Pojemność skokowa jest to różnica pomiędzy pojemnością całkowitą cylindra, a pojemnością komory sprężania. Wcześniej podane określenia będą wykorzystywane przez nas do słusznego zinterpretowania pracy silnika.

2. Budowa omawianych silników

Wszystkie silniki spalinowe zbudowane są z takich samych elementów przystosowanych tylko do konkretnego mu zadania. Podstawowym elementem silnika jest kadłub, gdzie umieszczone są cylindry z tłokami, gdzie dochodzi do zamiana energii chemicznej na mechaniczną. Oprócz tego do sprawnej pracy silnika wykorzystywane są różnego typu układy odpowiedzialne za konkretne zadania. Wyróżniamy:

układ korbowy - jego funkcja polega na zamianie posuwisto-zwrotnego ruchu tłoka w cylindrze na ruch obrotowy wału korbowego;

układ rozrządu - manewruje procesem napełniania cylindrów świeżą mieszaniną paliwowo-powietrzną albo samym powietrzem a także opróżnianiem cylindrów ze spalin;

układ zasilania - dzięki niemu cylinder jest zaopatrywany w mieszankę paliwa oraz powietrza albo osobno paliwo i powietrze

układ smarowania - uzupełnia olej pomiędzy współpracujące ze sobą części silnika, w celu zmniejszenia oporów oraz tarcia;

układ chłodzenia - dzięki niemu utrzymywana jest najlepsza temperatura silnika, która daje możliwość ekonomicznej pracy;

układ zapłonowy (wykorzystuje się go jedynie w silnikach z zapłonem iskrowym) - wywołuje zapłon mieszaniny, zbudowany jest z maszyny, która wywołuje iskrę zapłonową;

układ rozruchowy - wykorzystuje się go do uruchamiania silnika, bardzo często jest to rozrusznik elektryczny.

3. Typy silników spalinowych

Silniki te dzieli się ze względu na ich odmienne cechy, które w fundamentalny sposób odróżniają jedne silniki od drugich. Najpierw podzielimy silniki ze względu na stopień sprężenia mieszaniny w cylindrze. Podział jest następujący:

niskoprężne,

wysokoprężne.

W silnikach niskoprężnych stopień sprężenia jest w przedziale 6,5-11, natomiast wysokoprężnych 14-22. Tak faktycznie o przynależność do konkretnej grupy ma wpływ sposób zapalania mieszaniny. W silnikach z zapłonem iskrowym jako paliwa wykorzystuje się benzyny albo jej mieszaniny. Do silnika zasysana jest z gaźnika mieszanina paliwowo-powietrzna, później pod wpływem iskry dochodzi do jej spalenia. Silniki niskoprężne można nazywać także(wymiennie): benzynowymi, gaźnikowymi albo iskrowymi. W silnikach wysokoprężnych zapłon następuje automatycznie. Odbywa się to w ten sposób, że do cylindra zasysane jest czyste powietrze, które pod wpływem sprężenia ogrzewa się do takiego stopnia, że dochodzi do automatycznego zapłonu paliwa. Silniki stosujące tą zasadę działania nazywamy silnikami Diesla.

Następna klasyfikacja wynika ze rodzaju pracy. Wyróżniamy silniki:

dwusuwowe - suw pracy w nich przypada na każdy obrót wału korbowego,

czterosuwowe - suw pracy przypada na dwa obroty wału korbowego.

Następna klasyfikacja uwzględnia liczbę cylindrów. Rozróżniamy:

jednocylindrowe,

wielocylindrowe.

Natomiast ze względu na sposób chłodzenia dzielimy silniki na:

chłodzone powietrzem,

chłodzone cieczą (na ogół wodą).

Natomiast zależnie od ulokowania zaworów rozróżniamy:

dolnozaworowe,

górnozaworowe.

4. Zasada działania silnika z zapłonem samoczynnym (silnik wysokoprężny).

Czterosuwowe albo dwusuwowe silniki z zapłonem samoczynnym zwane także silnikami Diesla cechują się mniejszym niemal o 30% spalaniem paliwa, tańszym użytkowaniem a także dużą wytrzymałością. Ich główną cechą jest to, że nie mają świecy, która produkuje iskrę. Zapłon mieszaniny paliwowej następuje automatycznie pod wpływem wysokiego ciśnienia. Zasada pracy takiego silnika podzielona jest na cztery suwy i przedstawia się następująco:

1.Suw dolotu - Podczas przemieszczania się tłoka z górnego maksymalnego położenia w stroną wału korbowego przez otwarty zawór dolotu zasysane jest do cylindra oczyszczone powietrze

2.Suw sprężenia - w momencie gdy tłok ułoży się w dolnym maksymalnym położeniu zmienia swój kierunek. Jednocześnie zostaje zamknięty zawór dolotu powietrza. Występuje sprężenie powietrza do ciśnienia 3-4,5 Mpa, i co za tym idzie ogrzanie do temperatury 530-730C. Przy końcu tego suwu, w momencie gdy powietrze jest maksymalnie sprężone dochodzi do wtryśnięcia rozpylonego paliwa, które następnie zostaje wymieszane z powietrzem, gwałtownie odparowuje a także automatycznie się zapala.

3.Suw pracy - Podczas spalania temperatura oraz ciśnienie wzrasta się niemal trzy razy. Pod działaniem tak wysokiego ciśnienia tłok przemieszczony zostaje z górnego maksymalnego położenia do dolnego maksymalnego położenia. Wykonywana jest wówczas praca dzięki temu silnik może dalej pracować. Gazy podczas tego suwu rozprężają się do całego cylindra.

4.Suw wylotu - Końcowy etap pracy silnika polega na otwarciu zaworu wylotowego przez który wydobywają się spaliny poza silnika. Tłok przemieszcza 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 podczas suwu ssania mieszanina wyprodukowana w odrębnym pojemniku - gaźniku. Złożona jest ona z pary oraz drobnych kropel paliwa pomieszanych z powietrzem. Podczas kolejnego suwu mieszanina ta zostaje sprężona, rośnie jej ciśnienie a także temperatura. Pod koniec suwu sprężania pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej przeskakuje iskra elektryczna, zapalająca przyrządzoną mieszaninę. Płomień gwałtownie rozchodzi się po całej przestrzeni spalania, ciśnienie gazów rośnie do 30-50 kg/cm2, natomiast temperatura zawiera się w przedziale 1800-25000C.

Suw pracy i wydechu odbywa się w silniku gaźnikowym tak samo, jak w silniku wysokoprężnym.

Obciążenie silnika gaźnikowego normuje się ilością dostarczanej do cylindra mieszaniny paliwa z powietrzem. Kompozycja mieszaniny, tj. stosunek ilości paliwa i powietrza, jest niemal stały, co jest konieczne, by był możliwy zapłon mieszaniny od iskry świecy.

6. Zasada działania silnika dwusuwowego z zapłonem iskrowym.

Dwusuwowy silnik z zapłonem iskrowym wykorzystywany jest na ogół w motocyklach. Czasami wykorzystuje się go także do napędu maszyn rolniczych o małym zmówieniu na moc. W silniku dwusuwowym dokonanie pełnego cyklu pracy odbywa się podczas dwóch suwów tłoka, zatem w czasie jednego obrotu wału korbowego. Jest to możliwe przy zastosowaniu skrzyni korbowej silnika do wstępnego sprężania mieszaniny paliwowo-powietrznej.

Zasadę działania silnika pokazana jest na rysunku.

1.W momencie gdy tłok silnika przemieszcza się z DMP do GMP, w uszczelnionej skrzyni korbowej powstaje podciśnienie. Gdy tłok odsłoni tłok okna kanału dolotowego, połączonego z rurą dolotową, do skrzyni korbowej zostaje zassana mieszanka paliwowo-powietrzna wyprodukowana w gaźniku.

2.W cylindrze ma miejsce w tym czasie sprężanie ładunku zassanego w poprzednim cyklu pracy. Jest to suw sprężania. Na krótko przed dojściem tłoka do GMP następuje zapłon mieszaniny i zaczyna się suw pracy. Tłok, przemieszczając się od GMP do DMP, zamyka okno kanału dolotowego i sprawia że wstępne sprężanie mieszaniny będącej w skrzyni korbowej.

Przy końcu suwu rozprężania tłok odsłania na początek okno kanału wylotowego, dzięki temu umożliwia wylot spalin z cylindra, a później natomiast okno kanału przelotowego, łączącego cylinder ze skrzynią korbową. Przez kanał przelotowy przepływa teraz sprężona wstępnie w skrzyni korbowej mieszanina, która zajmuje cylinder silnika i wypycha do kanału wylotowego resztki spalin. Nazywano zostało tzw. przepłukiwaniem cylindra. Zakańcza się ono, w momencie tłok przemieści się po raz kolejny w górę i zamknie na początku okno kanału przelotowego, a później okno kanału wylotowego. Od tego momentu zaczyna się w cylindrze sprężanie mieszaniny. W skrzyni korbowej produkuje się w tym momencie podciśnienie. Przy kolejnym ruchu tłoka do GMP dolna jego krawędź odsłania okno kanału dolotowego i do skrzyni korbowej napływa mieszanina, konieczna do wykonania kolejnego cyklu pracy.

7. Zasada działania silników z krążącym tłokiem.

Silnik z krążącym tłokiem zbudowany został przez Feliksa Wankla w 1960r., nazwa jego pochodzi od jego nazwiska. Silnik nazwano silnikiem Wankla. Posiada ona całkowicie inną konstrukcję niż inne jednostki napędowe .Ogromną zaletą jest usunięcie masy układu korbowego przez co silnik jest o wiele lżejszy. Tłok ma kształt trójgraniasty dokonuje planetarnego ruchu względem obudowy silnika i można podzielić go na trzy komory robocze.

W czasie jednego pełnego obrotu tłoka w każdej komorze roboczej wykonywane są cztery zmiany objętości odpowiadające czterem suwom czterosuwowego silnika.

Każda z przestrzeni roboczych połączona jest po kolei z kanałem dolotowym, umożliwiając proces zasysania mieszaniny. Przy dalszym ruchu tłoka objętość komory maleje, co sprawia sprężenie mieszaniny. Pod koniec sprężania mieszanina zapala się od iskry elektrycznej. Sprężone gazy napierają na tłok wprawiając go tym samym w ruch obrotowy. Pojemność komory powiększa się sukcesywnie, a w momencie gdy tłok odsłoni okno kanału wylotowego, sprężone gazy wydostają się do atmosfery. Po otwarciu kanału dolotowego do komory napływa świeża mieszanina i obieg powtarza się od nowa.

8. Porównanie silników spalinowych, ich zastosowanie

Silniki wysokoprężne są bardziej ekonomiczne od niskoprężnych. Jednorazowe wykorzystanie paliwa w silnikach niskoprężnych jest równe ok. 250 G/kMh, natomiast silniki wysokoprężne wykorzystują zaledwie ok. 200G/kMh. Jeżeli chodzi o nasze warunku musimy uwzględnić jeszcze różnice w cenach paliwa. Do wad cech silnika wysokoprężnego zaliczamy trudny rozruch, konieczność wykorzystywania dokładnych oraz bardzo drogich urządzeń wtryskowych, mocniejsza i cięższa konstrukcja oraz mniejsza moc, jaką silnik może uzyskać w takiej samej objętości skokowej. Wszystkie te rzeczy przyczyniły się do tego, że silniki z zapłonem samoczynnym są szerzej i częściej wykorzystywane szerokie w ciągnikach rolniczych oraz ciężkich samochodach, przy napędzie pomp, sprężarek, kombajnów a także wszędzie tam, gdzie zużycie paliwa ma ogromny wpływ na kształtowanie się cen użytkowania. Czterosuwowe silniki gaźnikowe wykorzystuje się aktualnie do napędu samochodów osobowych, ciężarowych, agregatów prądotwórczych itp. Silniki dwusuwowe są niestety mniej ekonomiczne niż silniki czterosuwowe i dochodzi do tego, że 400 g paliwa na 1KM godz. Benzynowe dwusuwowe silniki gaźnikowe z ładowaniem przez skrzynie korbową wykorzystuje się w napędach motorowerów, motocykli, popularnych samochodów a także do rozruchu dużych silników wysokoprężnych, ze względu na małą moc a także małe godzinne zużycie paliwa. Największymi zaletami dwusuwowych silników niskoprężnych są przede wszystkim niska cena i nieskomplikowana obsługa.

9. Części silnika.

Silnik spalinowy poza głównymi częściami posiada także dodatkowe układów, które gwarantują prawidłową pracę. Ogólny opis tych układów opisany jest się w punkcie 2.

Kadłub silnika to element konstrukcyjny, stanowiący trzon, podstawę, łączący w całość pozostałe fragmenty oraz przejmujący obciążenia działające na części maszyny.

Głowica jest to część silnika spalinowego zamykająca od góry wnętrze jednego lub kilku cylindrów, złączona z blokiem cylindrów przy pomocy śrub dwustronnych. Głowice cylindrowe produkowane są jako odlewy żeliwne albo ze stopów aluminium. Szczegóły konstrukcji głowicy cylindrowej uzależnione są od typu silnika, sposobu chłodzenia, systemu oraz napędu rozrządu, kształtów komór spalania a także wielu innych czynników.

Wał korbowy jest to obrotowa część silnika tłokowego, do którego przymocowane są korbowody, które przekazują energię ruchu posuwisto-zwrotnego tłoków. Wykorbienia wału o liczbie odpowiadającej liczbie cylindrów (przy układzie rzędowym i boxer), połowie liczby cylindrów (układ widlasty) albo liczbie rzędów cylindrów (układ gwiazdowy) przesunięte są równolegle do osi wału o odległość będącą połową skoku tłoka. Z wału korbowego zabierany jest moment obrotowy do napędu kół samochodu, śmigła samolotu itp.

Układ rozrządu to zespół urządzeń wykorzystywanych do sterowania napełnianiem oraz opróżnianiem cylindrów spalinowych. W silnikach spalinowych wykorzystywane są rozrządy silnika: tłokowe (w silnikach dwusuwowych), suwakowe (kiedyś popularne, aktualnie prawie całkowicie wyszły z użycia) a także zaworowe (bardzo często spotykane). Zaworowe rozrządy silnika można podzielić na : dolnozaworowe, górnozaworowe oraz mieszane (bardzo rzadko stosowne, zawory dolotowe ulokowane w głowicy, zawory wylotowe w kadłubie silnika). Bardzo często spotykany górnozaworowy rozrząd silnika złożony jest z wałka rozrządu napędzanego od wału korbowego silnika przy pomocy łańcucha albo paska zębatego, zaworów i popychaczy, drążków popychaczy oraz dźwigienek umożliwiających przekazywanie ruchu z krzywek wałka na zawory. Aktualnie wykonywane są prace nad wykorzystaniem elektromagnetycznego uruchamiania zaworów.

Gaźnik inaczej zwany karburatorem to zespół maszyn oraz mechanizmów w silniku spalinowym o zapłonie iskrowym, których podstawowym zadaniem jest produkowanie, regulowanie składu oraz dawkowanie konkretnej mieszaniny paliwa z powietrzem w zależności od obciążenia i prędkości obrotowej silnika.

Na skutek kierunku przepływu powietrza wyróżniamy gaźniki:

1) opadowe (dolno-ssące), bardzo często spotykane, przepływ powietrza zachodzi od góry ku dołowi,

2) górno-ssące, przepływ powietrza zachodzi od dołu ku górze,

3) poziome (boczno-ssące), przepływ powietrza następuje w poziomie.

Ostatnio często spotkać można tzw. gaźniki wtryskowe, które są rozwiązaniem pośrednim pomiędzy gaźnikiem a wtryskiem paliwa.

Wtrysk paliwa jest to system zasilania silnika spalinowego, który dostarcza konkretną ściśle porcję paliwa płynnego pod ciśnieniem bezpośrednio do cylindra (wtrysk bezpośredni), do kanału ssącego każdego z cylindrów (wtrysk pośredni wielopunktowy) albo do kolektora ssącego (wtrysk pośredni jednopunktowy). Niezastąpiony w silnikach wysokoprężnych i turbinowych, bardzo często wykorzystywany przy zapłonie iskrowym.