Jak działają silniki spalinowe?

Jak działają silniki spalinowe?

Bez wątpienia można powiedzieć, że silnik spalinowy zrewolucjonizował transport już na samym początku poprzedniego wieku. Bardzo szybko maszyny parowe i silniki gazowe ustąpiły miejsca m.in. na drogach, właśnie silnikom benzynowym.

Dodatkowo trzeba też pamiętać, że to właśnie dzięki temu wynalazkowi człowiekowi udało się wzbić w przestrzeń powietrzną.

Silnik spalinowy – definicja

Silnik spalinowy to silnik o spalaniu wewnętrznym, tzn. taki, wewnątrz którego spalane jest paliwo dostarczające energii cieplnej. Energia cieplna jest w silniku zamieniana na mechaniczną.

W silniku benzynowym, tzn. silniku spalinowym o zapłonie iskrowym, pary benzyny mieszane są z powietrzem, a potem zapalane za pomocą iskry elektrycznej. Mieszanka paliwowo-powietrzna spala się bardzo szybko, aż eksploduje, a powstałe gazy rozprężają się gwałtownie.

W większości konstrukcji silników gazy spalinowe popychają tłok w cylindrze. Posuwisto-zwrotny ruch tłoka zamieniany jest na ruch obrotowy poprzez mechanizm korbowy. Duże silniki składają się zwykle z wielu zsynchronizowanych cylindrów. W silnikach rotacyjnych, czyli w tzw. silnikach Wankla, nie ma natomiast cylindrów. Gazy spalinowe bezpośrednio obracają wirnik.

Silniki dwusuwowe

Silniki dwusuwowe to najprostsze rozwiązania silnika spalinowego. Wykorzystywane są obecnie na przykład w wielu motocyklach oraz większości spalinowych pił i kosiarek do trawy. Cykl pracy takiego silnika składa się z dwóch etapów, a każdy z nich nazywany jest suwem. Schemat pracy silnika dwusuwowego przedstawiony został na grafice po prawej.

Z początku tłok porusza się w górę cylindra, w ten sposób sprężając znajdującą się nad nim mieszankę paliwowo-powietrzną. W tym samym czasie do powiększającej się przestrzeni pod tłokiem jest zasysana poprzez odsłonięty otwór wlotowy nowa porcja mieszanki. Jest tzw. suw sprężania.

W kolejnym suwie sprężona mieszanka jest zapalana od iskry elektrycznej, która przeskakuje pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej. Następuje gwałtowne spalanie i ekspandujące gazy popychają tłok ku dołowi. W tym czasie tłok przepycha znajdującą się pod nim świeżą porcję mieszanki do kanału przepływowego, łączącego przestrzeń pod i nad tłokiem. W pewnym momencie tłok odsłania otwór w ścianie cylindra, którym mieszanka z kanału przepływowego dostaje się nad tłok. Równocześnie przez odsłonięty właśnie otwór wydechowy zostają wypchnięte spaliny. Cały proces powtarza się, gdy tłok znowu rozpoczyna wędrówkę ku górze.

W swym górnym położeniu tłok zasłania otwór wydechowy. Dzieje się tak dlatego, aby rozprężające się gazy spalinowe nie uciekały nim, lecz popychały tłok w dół. Równocześnie odsłonięty jest otwór wlotowy prowadzący do przestrzeni pod tłokiem, gdzie zasypana jest świeża mieszanka. W dolnym położeniu tłoka sytuacja jest odwrotna. Ruch tłoka steruje też otwieraniem się kanału przepływowego.

Tłok poprzez korbowód obraca wałem korbowym. Na korbowodzie osadzone jest ciężkie koło zamachowe, które magazynuje energię uwolnioną w suwie pracy, by wykorzystać jej część do sprężenia mieszanki. Jego obecność sprawia również, że wał korbowy nie zwalnia i nie przyspiesza obrotów podczas poszczególnych faz ruchu tłoka.

Silniki czterosuwowe

Cykl pracy silnika czterosuwowego składa się z czterech suwów, przedstawionych na grafice po prawej.

Na początku, w suwie ssania, tok porusza się ku dołowi. Zasysa wówczas mieszankę poprzez jeden lub kilka otwartych zaworów wlotowych bezpośrednio do górnej części cylindra. Przestrzeń pod tłokiem nie jest tu wykorzystywana. Po zamknięciu zaworów wlotowych tok porusza się do góry, sprężając mieszankę w suwie sprężania. Sprężona mieszanka jest zapalana przez iskrę elektryczną, a tłok popychany przez rozprężające się gazy wędruje w dół w suwie pracy. W ostatniej fazie, w suwie wydechu, tłok, poruszając się ku górze, wypycha spaliny przez otwarte w tym czasie zawory wydechowe.

Potem cały cykl pracy powtarza się. Mimo iż silnik czterosuwowy jest znacznie sprawniejszy od dwusuwowego, to zaledwie około trzeciej części energii spalonego paliwa przekształcana jest w efektywną energię mechaniczną. Reszta, ponad 60%, jest tracona, ponieważ rozpędzane tłoki zatrzymywane są w skrajnych położeniach, po czym rozpędzane w stronę przeciwną.

Silniki Wankla

Silnik Wankla, trzeci z silników spalinowych, o których koniecznie należy wspomnieć, powstał głównie po to, aby zwiększyć efektywność silnika spalinowego.

Zasada jego pracy jest w ogólnym zarysie podobna do pracy silnika czterosuwowego, jednakże zamiast tłoka rozprężające się gazy spalinowe obracają trójścienny wirnik, poruszający się wciąż w tym samym kierunku.

Okazało się, że poważną wadą tego typu silnika jest zużywanie się krawędzi wirnika, które z kolei prowadzi do nieszczelności i przepływu gazów pomiędzy poszczególnymi częściami komory spalania.

Silniki Wankla zużywają więcej paliwa od porównywalnych czterosuwowych silników tłokowych. Są jednak niewielkie, ważą niedużo i mają prostą konstrukcję, są ciche i sprawne, co sprawiło, że początkowo były pożądane, obecnie jednak raczej się z nich nie korzysta. Warto pamiętać, że niedawno, bo 22 czerwca 2012 roku, Mazda zakończyła produkcję modelu RX-8, który był ostatnim na świecie samochodem z silnikiem Wankla.

Źródło obrazków i gifów wykorzystanych w artykule: Wikipedia.