Konstrukcje silników spalinowych stosowanych w samochodach
REKLAMA
REKLAMA
Dziewiętnasty wiek był „wiekiem pary”, a parowe maszyny stały się napędem gospodarki. Jednak niektórzy zaczęli dostrzegać potrzebę skonstruowania lekkich silników, które posłużyłyby do napędu pojazdów zastępujących karety ciągnięte przez konie. Pojawiały się próby udoskonalenia silników parowych m.in. poprzez konstrukcje silników dwusuwowych spalających gaz ziemny (silnik Lenoir'a). Tłok takiego silnika był napędzany naprzemiennie z obu stron przez zapalający się gaz.
REKLAMA
Zobacz też: Turbosprężarka o zmiennej geometrii łopatek
Silnik dwusuwowy – obieg Clerka
Wczesny rozwój silników dwusuwowych to właśnie konstrukcje będące rozwinięciem zasady działania maszyn parowych. Konstrukcję dwusuwowego silnika Lenoir'a rozwijał m.in. Nikolaus Otto, który znacznie podniósł jego sprawność, jednak swoje miejsce w historii motoryzacji zapewnił dzięki konstrukcji silnika czterosuwowego. Jego jednostka dwusuwowa była jedynie wykorzystywana w celach przemysłowych. Pod koniec lat siedemdziesiątych dziewiętnastego wieku Dugald Clerk przedstawił silnik, którego obieg odpowiada dzisiejszym silnikom dwusuwowym. Jednak był to silnik zasilany gazem świetlnym. Istotną cechą silnika tej konstrukcji było wstępne sprężanie mieszanki, które realizowane było przez pompę sprężającą (dodatkowy cylinder i tłok). Podczas suwu pracy, inaczej zwanego suwem rozprężania, drugi tłok podążał w górę sprężając gaz i wprowadzając go do cylindra głównego. W tym samym czasie następowało opróżnienie cylindra ze spalin kanałem wydechowym. Silnik dwusuwowy o zwartej konstrukcji zasilany destylatami ropy naftowej, skonstruował Karl Benz. Zastosował go w dwukołowym pojeździe.
Zobacz też: Jakie są sposoby zwiększenia ciśnienia powietrza w układzie dolotowym?
Silniki dwusuwowe mają następującą zasadę działania:
-
jeden cykl pracy równa się jednemu obrotowi wału korbowego
-
najprostsze silniki dwusuwowe nie posiadają zaworów ssących, ani wydechowych – kanały są otwierane i zamykane przez poruszający się tłok
-
Gdy tłok porusza się w górę, następuje wymiana ładunku w cylindrze, która rozpoczęła się już podczas suwu pracy. Spaliny uchodzą do kanału wylotowego, natomiast w tym samym czasie zasysana jest świeża, sprężona mieszanka ze skrzyni korbowej. Tłok przemieszczając się w górę zasłania kanał wydechowy oraz kanał łączący komorę spalania ze skrzynią korbową. Otwiera natomiast kanał ssący powodując napływ świeżej mieszanki do skrzyni korbowej.
-
Gdy tłok znajduje się w górnym martwym położeniu, następuje zapłon mieszanki i ruch tłoka w dół. Jest to suw pracy, podczas którego jednocześnie następuje sprężanie mieszanki zgromadzonej w skrzyni korbowej.
Zobacz też: Co oznacza, że mieszanka jest uwarstwiona? Jak ją uzyskać?
Silniki dwusuwowe ze względu na ograniczenia w zwiększaniu pojemności, wysokie spalanie oraz emisję spalin (za sprawą spalania oleju dodawanego do paliwa) i niską kulturę pracy, począwszy od lat 80 przestały być używane w samochodach osobowych. Jednak mniej lub bardziej skomplikowane konstrukcje stosowane są w jednośladach. Niektóre z nich są chłodzone cieczą, posiadają zawory ssące i wylotowe, co zmniejsza zużycie paliwa. Czasem posiadają także układ olejenia z odseparowaną miską.
Silnik czterosuwowy – obieg Otta
W drugiej połowie dziewiętnastego wieku pracowano również nad innymi projektami wydajnego silnika mogącego zastąpić napęd parowy. Nikolaus Otto podszedł do koncepcji napełniania cylindra mieszanką w inny sposób. Skonstruował silnik czterosuwowy, w którym jeden cykl pracy równy jest czterem suwom pracy tłoka, a co za tym idzie dwóm obrotom wału korbowego. W silniku skonstruowanym przez Otta, gaz był wprowadzany do komory spalania w suwie ssania (gdy tłok porusza się w dół), następnie sprężany (tłok porusza się w górę) i dopiero wtedy następował zapłon oraz suw pracy. Czterosuwowym cyklem pracy zainteresował się inny konstruktor, Gottlieb Daimler. Również on, podobnie jak w Karl Benz w silniku dwusuwowym, użył paliwa uzyskanego z ropy naftowej.
Zobacz też: Świece żarowe. Problemy i eksploatacja
Cykl pracy silnika czterosuwowego:
-
Suw ssania – zawór ssący jest otwarty, tłok porusza się w dół i zasysa mieszankę.
-
Suw sprężania – tłok mija dolne martwe położenie (DMP), zawór ssący zamyka się, następuje ruch tłoka w górę i sprężanie mieszanki
-
Suw pracy – gdy tłok osiąga górne martwe położenie następuje zapłon mieszanki, a wytworzona energia powoduje ruch tłoka w dół i kieruje się do DMP
-
Suw wydechu – zawór wydechowy otwiera się, tłok posuwa się do góry i kieruje spaliny do kanału wylotowego
Zobacz też: Dwusprzęgłowa skrzynia automatyczna Powershift
REKLAMA
Silniki czterosuwowe już na początku swojej drogi otrzymały gaźnik mieszający paliwo z powietrzem, układ chłodzenia, a po pewnym czasie pracowały z systemem zmiany przełożeń (skrzynią biegów) i pozwalały zwiększyć prędkość samochodu. Rozwijane przez wiele lat stały się cichsze, bardziej ekonomiczne, ale także niezmiernie skomplikowane. Poprzez turbodoładowanie zastosowano większe ciśnienie mieszanki zasysanej do cylindra. Zmieniano również charakterystykę przez bieżącą modyfikację kątów otwarcia i zamknięcia zaworów (zmienne fazy rozrządu). Natomiast pieczę nad dostarczeniem do cylindra odpowiednich proporcji powietrza i paliwa przejęły jednostki sterujące, otrzymujące sygnały z kilku lub nawet kilkunastu czujników.
Przez lata wypracowano również kilka rozwiązań ustawienia cylindrów względem siebie. Począwszy od cylindrów ustawionych równolegle (silnik rzędowy) poprzez układy cylindrów o osiach odchylonych o kilkadziesiąt stopni (układ V) do silników o tłokach ułożonych w jednej płaszczyźnie, działających przeciwsobnie (silniki typu bokser). Znane są również inne układy, które są nietypowymi rozwiązaniami łączącymi cechy dwóch silników, np. typu VR (widlasto-rzędowy) lub W (podwójnie widlasty).
Zobacz też: Jak działają zmienne fazy rozrządu? Dlaczego są stosowane?
Zarówno silniki dwusuwowe jak i czterosuwowe były rozwijane nie tylko jako konstrukcje spalające mieszankę paliwowo-powietrzną poprzez zapłon iskrowy. Skonstruowano także silnik o zapłonie samoczynnym, który jest nazywany silnikiem diesla (pierwszym konstruktorem był Rudolf Diesel). Silniki dwusuwowe o zapłonie samoczynnym obecnie znajdują zastosowanie w maszynowniach (np. wielkie statki – kontenerowce). Natomiast czterosuwowe diesle zdobyły uznanie wśród producentów i konsumentów i są powszechnie stosowane w samochodach osobowych i użytkowych.
Piąty suw – obieg Millera / Atkinsona
Tak naprawdę nie ma pojęcia piątego suwu. Jednak obieg przedstawiony przez Atkinsona różni się od cyklu Otta długością trwania suwów. James Atkinson zaproponował skrócenie suwu sprężania, co zmniejszyło ilość potrzebnej energii do napędzenia tłoka. Silnik stworzony w latach osiemdziesiątych dziewiętnastego wieku posiadał nietypowy mechanizm korbowy, który pozwalał na realizację czterech suwów tłoka podczas jednego obrotu wału korbowego. Silniki te niestety mają pewną wadę. Osiągają niższą moc z jednego litra pojemności niż ich odpowiedniki pracujące w obiegu Otta. Aby wykorzystać dużą sprawność silnika Atkinsona i dodatkowo zapewnić moc porównywalną z innymi silnikami, pojawił się pomysł zwiększenia ciśnienia w układzie dolotowym. Konstrukcja taka została rozwinięta przez Ralpha Millera. W takim silniku zawory ssące są otwarte dłużej niż w obiegu Otta. Dzięki temu tłok do pewnego momentu wypycha część zassanej mieszanki do kanału dolotowego. Ten etap pracy silnika jest czasem nazywany piątym suwem. Sprężanie mieszanki nadal odbywa się na krótszym odcinku (jak w rozwiązaniu Atkinsona), ale poprawiono parametry napełnienia cylindra. Stan ten osiągnięto dzięki mechanicznej sprężarce. Taki silnik w wersji z bezpośrednim wtryskiem z powodzeniem jest stosowany m.in przez Nissana (DIG-S). Ważnym faktem jest to, że zastosowanie obiegu Atkinsona-Millera jest możliwe także przy układzie korbowo-tłokowym, nie odbiegającym budową od standardowych rozwiązań tak znacznie, jak w pierwszym silniku Atkinsona.
Zobacz też: Jak działają zmienne fazy rozrządu? Dlaczego są stosowane?
Silnik z tłokiem obrotowym
Inny typ silnika, który zaznaczył swoje miejsce w motoryzacji, jest silnik Wankla. Dzięki samochodom sportowym Mazdy, do nieobecnych już w produkcji silników Wankla wielu podchodzi z sentymentem. Koncepcja silnika całkowicie odbiega od wszystkich opisanych powyżej. Tłok nie porusza się ruchem posuwisto-zwrotnym, ale obraca się mimośrodowo w zamkniętej przestrzeni cylindra. Kształt tłoka (trójkąt z wypukłymi trzema bokami) podczas obrotu powoduje sprężenie zassanej mieszanki w części cylindra o wypłaszczonej ściance, a następnie wydech spalin po przeciwnej stronie. Lekkie silniki Wankla uzyskują wysokie moce z niewielkiej pojemności, jednak charakteryzują się wysokim zużyciem paliwa.
Zobacz też: Zasada działania gaźnika. Jak działa gaźnik?
Silnik został opracowany przez Felikxa Wankla w latach dwudziestych ubiegłego wieku. Wiele firm motoryzacyjnych posiadało licencję uprawniającą do prac nad rozwojem silnika o rotującym tłoku. Jednak często wdrożenie takiego rozwiązania do produkcji okazywało się ekonomicznie nieuzasadnione. Seryjnie pojawiły się one m.in. w niemieckich samochodach NSU, a także rosyjskich VAZ-ach, a później także w Mazdach RX-7 i RX-8. Jednak z powodu problemów ze spełnieniem norm emisji spalin, w 2008 roku zaprzestano ich produkcji.
REKLAMA
REKLAMA
© Materiał chroniony prawem autorskim - wszelkie prawa zastrzeżone. Dalsze rozpowszechnianie artykułu za zgodą wydawcy INFOR PL S.A.