Spokojnie, nie będziemy tu przeprowadzać wykładu, po którym zostaniecie inżynierami. Naszym celem było przygotowanie strawnego i nieprzesadnie długiego materiału, który będzie wyjaśniał w przystępny i zrozumiały sposób jak działa silnik spalinowy, czyli to coś, co znajduje się pod maską olbrzymiej większości aut poruszających się na naszych drogach. Zresztą – nie tylko aut.
Silnik spalinowy – co to właściwie jest? Wersja krótka
Silnik spalinowy to znacznie szersze pojęcie, niż powszechnie się sądzi. Większość z nas silniki spalinowe kojarzy przede wszystkim z motoryzacją. Tymczasem ujmując rzecz technicznie, silnik spalinowy jest jedną z form tzw. silnika cieplnego. Czym zatem jest silnik cieplny? Bez wchodzenia w zawiłości termodynamiki, to maszyna/urządzenie, które jest zdolne do zamiany energii cieplnej w energię mechaniczną. Gdy się dobrze zastanowimy, to w naszym otoczeniu znajdziemy bardzo wiele takich maszyn cieplnych. Ba, nawet cała nasza planeta jest swego rodzaju potężnym silnikiem cieplnym, w którym atmosfera i hydrosfera Ziemi napędzane energią Słońca nieustannie pracują nad tym, by temperatury po nieoświetlonej stronie planety nie były skrajnie odmienne od tych po stronie oświetlonej, jeżeli jesteście tym zainteresowani głębiej poszukajcie informacji o tzw. komórkach Hadleya, a tutaj wróćmy do naszego silnika spalinowego.
Silnik spalinowy jest szczególną formą silnika cieplnego, w którym ciepło wygenerowane w procesie spalania paliwa jest zamieniane na pracę. Innymi słowy spalenie mieszanki paliwa z utleniaczem powoduje powstanie ciśnienia oddziałującego na istotne dla wykonywanej pracy elementy silnika, co w interesującym nas tu przypadku silnika tłokowego przekłada się na pracę mechaniczną. Silnik tłokowy jest szczególną formą silnika spalinowego, bo spalinowe są również inne rodzaje silników, takie jak m.in. silniki turbinowe (turbina gazowa), silniki wirnikowe (np. silnik Wankla), silniki odrzutowe czy silniki rakietowe – wszystko to są de facto silniki spalinowe. Zresztą ta podstawowa zasada: zamiana energii cieplnej na energię mechaniczną jest również cechą… każdej broni palnej. Broń jednak zostawmy, skupmy się na tłokowym silniku spalinowym – jak to się w ogóle zaczęło?
Jak powstał silnik spalinowy? Szczypta historii
Z pewnością wielu pasjonatów motoryzacji kojarzy takie nazwiska jak Nikolaus Otto, Carl Benz, Rudolf Diesel, warto jednak mieć w pamięci jeszcze jedno nazwisko: Jean-Joseph Étienne Lenoir. Ten uważany za Francuza wynalazca (tak naprawdę urodził się w 1822 roku na terenie dzisiejszej Belgii, a obywatelstwo francuskie otrzymał dopiero, gdy miał 49 lat) był pierwszym, który fizycznie zbudował użyteczny, dwusuwowy, jednocylindrowy silnik spalinowy wykorzystany w jakimkolwiek pojeździe. Silnik Lenoira pracował na mieszance tzw. gazu miejskiego (nazywana w XIX wieku gazem świetlnym łatwopalna mieszanina węglowodorów otrzymywana w procesie odgazowania węgla lub z gazu ziemnego, wykorzystywana była wówczas do oświetlania ulic). Miał on sporą jak na owe czasy moc 8,8 kW, ważna jest też data: Lenoir otrzymał francuski patent na swój wynalazek w 1860 roku. Na długo przed powstaniem znacznie bliższej nowoczesnym silnikom spalinowym konstrukcji, jaką był pierwszy użyteczny tłokowy, czterosuwowy silnik spalinowy Nikolausa Otto, który zaczęto używać od 1876 roku. Choć Otto pracował nad silnikami spalinowymi od początku lat 60. XIX wieku (już w 1863 roku zbudował swój pierwszy silnik benzynowy), to właśnie jego konstrukcję czterosuwową, tłokową o zapłonie iskrowym i ze sprężaniem mieszanki paliwowej uznaje się za przełom w dziedzinie napędów dla motoryzacji.
Natomiast protoplastą dzisiejszych silników wysokoprężnych jest oczywiście Rudolf Diesel, to od jego nazwiska jednostki silnikowe o spalaniu samoczynnym (zapłon następuje na skutek wysokiego sprężenia mieszaniki paliwa z powietrzem, a nie na skutek iskry) o takich silnikach mówimy “silnik Diesla”. Patent na swój silnik Diesel uzyskał w 1893 roku, ale dopiero drugi prototyp, uruchomiony 17 lutego 1894 roku był pierwszym silnikiem wysokoprężnym, który pracował o własnych siłach. O historii silników spalinowych można pisać bardzo wiele, jednak skupmy się na tym, jak właściwie pracuje czterosuwowy silnik spalinowy? Czyli najczęściej spotykane rozwiązanie we współczesnych samochodach spalinowych?
Silnik spalinowy – niezbędne elementy
W naszym tekście zajmujemy się przede wszystkim silnikiem czterosuwowym. Ale czym właściwie jest ten suw? To po prostu ruch tłoka w cylindrze, tzw. ruch posuwisto-zwrotny, bo tłok porusza się w jedną lub w drugą stronę wzdłuż jednej osi ruchu. W klasycznym czterosuwowym tłokowym silniku spalinowym cykl pracy składa się właśnie z czterech suwów: suwu ssania, suwu sprężania, suwu pracy i suwu wydechu. Po zakończeniu suwu wydechu cały cykl rozpoczyna się od nowa. I tak w kółko: ssanie, sprężanie, praca, wydech, ssanie, sprężanie, praca, wydech. Co jednak się dzieje w każdym z tych etapów? Zanim odpowiemy sobie na to pytanie, potrzebujemy odrobiny wiedzy na temat tego, jak skonstruowany jest silnik spalinowy, chodzi o najważniejsze jego elementy.
Wiesz już, że każdy współczesny silnik spalinowy w samochodach to silnik tłokowy, zatem tłoki i cylindry to elementy nieodzowne w takiej konstrukcji. Kolejna niezwykle istotna część to wał korbowy. Jest to element z charakterystycznymi wykorbieniami, w którym ruch posuwisto-zwrotny tłoków pracujących w cylindrach jest zamieniany za pośrednictwem korbowodów (elementów łączących cylindry z wałem korbowym) na ruch obrotowy samego wału sprzężonego z kołem zamachowym.
Następny niezbędny element każdego silnika spalinowego to głowica z zaworami, które sterują otwarciem i zamknięciem układu dolotowego silnika, jak i układu wydechowego. Każdy zawór jest elementem sprężynowym, który w pozycji spoczynkowej zamyka kontrolowany przez niego układ (dolotowy, lub wydechowy). W trakcie pracy silnika, ruch wału korbowego jest za pośrednictwem napędu rozrządu (paskowego lub łańcuchowego, więcej o tym przeczytacie w innym naszym poradniku) przenoszony m.in. na wałek rozrządu, charakterystyczny element z krzywkami/popychaczami zaworów. W odpowiednim momencie ruch krzywki wałka rozrządu popycha zawór dolotowy lub wydechowy danego cylindra, co powoduje otwarcie kanałów dolotowych/wydechowych. W przypadku nowszych silników z czterema zaworami na cylinder, zawory otwierane i zamykane są parami. Wszystko to musi być ze sobą idealnie zgrane, za co z kolei odpowiada układ rozrządu. Oczywiście to olbrzymie uproszczenie, ale wymienione elementy: tłoki, cylindry, korbowody, wał korbowy, głowica z zaworami i układ rozrządu stanowią podstawowe elementy silnika w niemal każdym samochodzie spalinowym.
Silnik spalinowy – cztery suwy, jak to działa?
Zacznijmy może od animacji, bo w tym przypadku działa maksyma: obraz wart tysiąca słów. Poniższa animacja przedstawia cztery suwy silnika spalinowego. W odpowiednich momentach zobaczycie numer danego suwu. Poniżej wyjaśniam co się dzieje na poszczególnych etapach.
Cykl pracy czterosuwowego silnika spalinowego (animacja przedstawia działanie silnika z zapłonem iskrowym, czyli po prostu silnika benzynowego, ale wyjaśnię różnice pomiędzy zapłonem iskrowym, a silnikiem diesla, czyli z zapłonem samoczynnym) rozpoczyna się od suwu ssania. Wówczas w silniku benzynowym do cylindra zasysana jest mieszanka paliwowo-powietrzna. Paliwo do powietrza przekazywane jest z w starszych silnika z gaźnika, w nowszych, z układu wtryskowego. W silniku diesla do cylindra zasysane jest czyste powietrze. Mieszanka (w benzyniaku) lub powietrze (w dieslu) trafia do pustej przestrzeni pomiędzy denkiem tłoka a głowicą cylindra. Tłok przesuwa się do tzw. dolnego martwego punktu (miejsca, w którym denko tłoka jest najbardziej oddalone od głowicy cylindra. Gdy tylko tłok przekroczy ten punkt i rozpocznie powrotną wędrówkę, zawór lub zawory dolotowe zostają zamknięte.
W trakcie przesuwania się tłoku bliżej głowicy cylindra rozpoczyna się suw sprężania. Nazwa wiele wyjaśnia, po prostu mieszanka paliwowo-powietrzna (benzyniak) lub powietrze (diesel) nie może się wydostać (zawory są zamknięte), więc przesuwający się tłok ściska zawartość cylindra do bardzo dużego ciśnienia. Tuż przed tym jak tłok osiągnie górny martwy punkt (położenie denka tłoka najbliżej głowicy) do skompresowanej zawartości cylindra trafia iskra (w silnikach benzynowych) lub porcja oleju napędowego (w silnikach diesla). Iskra powoduje zapłon, co rozpoczyna kolejny suw silnika. Z kolei w dieslach zapłon następuje samoczynnie, bo bardzo wysoko sprężone powietrze ma temperaturę wystarczającą do zapłonu oleju w cylindrze. Stąd też o benzyniakach mówimy “silniki z zapłonem iskrowym” a w przypadku diesli: “silniki z zapłonem samoczynnym”.
Suw pracy rozpoczyna się od kontrolowanego wybuchu wewnątrz cylindra. Słowo “wybuch” należy tu rozumieć jak najbardziej dosłownie, bo siły oddziałujące na denko tłoka (i dalej na korbowód) bezpośrednio po zapłonie są równie wielkie, jakbyśmy na denko tłoka naciskali masą kilku ton! Tłok wędruje zatem znowu do dolnego martwego punktu, ale na krótko przed jego osiągnięciem rozpoczyna się kolejny suw.
Mowa oczywiście o suwie wydechu. Tuż przed tym jak tłok osiągnie najdalsze położenie od głowicy cylindra, otwierany jest zawór (lub zawory) wydechowe, dzięki czemu część jeszcze nie rozprężonych gazów powstałych podczas spalenia porcji paliwa znajduje ujście, a tłok siłą bezwładności uzyskaną podczas suwu pracy powraca do górnego martwego punktu wypychając z cylindra resztkę gazów spalinowych i po jego przekroczeniu cykl rozpoczyna się od początku, tj. od suwu ssania. Dwa ostatnie suwy wyglądają z grubsza identycznie zarówno w silniku benzynowym, jak i silniku diesla. Oczywiście poszczególne cylindry nie działają identycznie, każdy ma swój suw pracy w nieco innym momencie, dzięki czemu im więcej cylindrów, tym większe szanse na równą pracę silnika. Na przykład w niedawno przez nas testowanym Audi RS3 Sportback, wyposażonym w pięciocylindrową, znakomitą jednostkę 2.5 TFSI, cylindry pracują w kolejności: 1, 2, 4, 5, 3. Piękna symfonia dla uszu.
Zobacz nasz test Audi RS3 Sportback
No dobrze, ale jak to wszystko rusza?
To dobre pytanie. Uważni czytelnicy z pewnością dostrzegają, że aby silnik spalinowy w ogóle mógł ruszyć, trzeba mu z zewnątrz dostarczyć energię mechaniczną na suw ssania. Urządzeniem, które to umożliwia jest po prostu rozrusznik, czyli niewielki silnik elektryczny (są też rozruszniki pneumatyczne, hydrauliczne, ale tu skupmy się na rozwiązaniach obecnych w samochodach osobowych), który w momencie przekręcenia kluczyka (lub wciśnięcia przycisku “Start”) pobiera energię z akumulatora pojazdu. Ruch rozrusznika przekazywany jest na wał korbowy, znany już nam element, za pośrednictwem wałka zdawczego rozrusznika i koła zamachowego. Wał korbowy rozpędzony do odpowiedniej prędkości inicjuje normalną pracę silnika spalinowego. Pracę silnika w suwach innych niż suw pracy również zapewnia sprzężone z wałem korbowym koło zamachowe pełniące rolę magazynu energii mechanicznej. Jak widać zrozumienie tej pięknej maszynerii wcale nie powinno być trudne. Oczywiście diabeł tkwi szczegółach, ale nie trzeba wiedzieć wszystkiego, by rozumieć podstawy działania silnika spalinowego.