Jak działa silnik spalinowy? Klasyczny model czterosuwowy
Silnik spalinowy to wynalazek, który zrewolucjonizował świat, stając się sercem motoryzacji, lotnictwa i wielu gałęzi przemysłu. Choć współczesne silniki są konstrukcyjnie coraz bardziej złożone, ich podstawowa zasada działania pozostaje niezmienna od ponad wieku. W tym artykule wyjaśniam, jak działa najprostszy, modelowy, klasyczny silnik spalinowy – czterosuwowy silnik tłokowy, będący fundamentem napędu większości samochodów osobowych XX i XXI wieku.
Czym jest silnik spalinowy?
Silnik spalinowy to maszyna zamieniająca energię chemiczną paliwa na energię mechaniczną. Kluczowy proces zachodzi wewnątrz cylindra, gdzie spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej powoduje gwałtowne rozprężenie gazów, które wprawia w ruch tłok, a ten – poprzez układ korbowy – napędza wał korbowy i dalej przekazuje energię do napędu pojazdu lub maszyny.
W przeciwieństwie do silników parowych, gdzie spalanie zachodziło poza cylindrem, w silniku spalinowym paliwo spala się bezpośrednio w komorze roboczej. To właśnie stąd pochodzi określenie „spalanie wewnętrzne”.
*Model silnika spalinowego. Zdjęcie poglądowe: Fale Inspiracji
Budowa klasycznego silnika spalinowego
Najprostszy modelowy silnik spalinowy składa się z kilku podstawowych elementów:
- Cylinder – przestrzeń, w której porusza się tłok.
- Tłok – element wykonujący ruch posuwisto-zwrotny w cylindrze.
- Korbowód – łączy tłok z wałem korbowym, zamieniając ruch tłoka na ruch obrotowy.
- Wał korbowy – przekazuje energię mechaniczną dalej.
- Głowica – zamyka cylinder od góry, zawiera zawory i (w silnikach benzynowych) świecę zapłonową.
- Zawory – ssący i wydechowy, sterujące przepływem mieszanki i spalin.
- Układ rozrządu – synchronizuje otwieranie i zamykanie zaworów.
- Układ smarowania i chłodzenia – zapewniający odpowiednie warunki pracy i trwałość silnika.
W uproszczonym modelu wystarczy jeden cylinder, tłok, korbowód, wał korbowy oraz dwa zawory sterowane wałkiem rozrządu.
Zasada działania: cykl czterosuwowy (cykl Otta)
Najbardziej klasycznym i rozpowszechnionym typem silnika spalinowego jest silnik czterosuwowy. Jego cykl pracy składa się z czterech wyraźnych faz (suwów), które tłok wykonuje podczas dwóch pełnych obrotów wału korbowego:
1. Suw ssania
Tłok przesuwa się z górnego martwego położenia (GMP) do dolnego martwego położenia (DMP). W tym czasie zawór ssący jest otwarty, a do cylindra zasysana jest mieszanka paliwowo-powietrzna (w silnikach benzynowych) lub samo powietrze (w dieslach). Wytwarza się podciśnienie, które „wciąga” świeżą porcję ładunku do komory spalania.
2. Suw sprężania
Tłok wraca z DMP do GMP, oba zawory są zamknięte. Mieszanka zostaje sprężona do niewielkiej objętości, co powoduje wzrost jej ciśnienia i temperatury – kluczowy warunek efektywnego spalania.
3. Suw pracy (rozprężania)
Tuż przed osiągnięciem GMP następuje zapłon mieszanki – w silnikach benzynowych dzięki iskrze ze świecy zapłonowej, w dieslach przez samoczynny zapłon pod wpływem wysokiego ciśnienia. Spalanie powoduje gwałtowny wzrost ciśnienia, który odpycha tłok w dół. To jedyny suw, w którym silnik wykonuje pracę użyteczną – energia chemiczna paliwa zamienia się w energię mechaniczną ruchu tłoka.
4. Suw wydechu
Tłok ponownie przesuwa się w górę z DMP do GMP, tym razem przy otwartym zaworze wydechowym. Spaliny zostają wypchnięte z cylindra do układu wydechowego. Po osiągnięciu GMP cykl rozpoczyna się od nowa.
Graficzne podsumowanie cyklu
Suw | Ruch tłoka | Zawory | Co się dzieje? |
---|---|---|---|
Ssanie | w dół | ssący otwarty | Zasysanie mieszanki/powietrza |
Sprężanie | w górę | oba zamknięte | Sprężanie ładunku |
Praca | w dół | oba zamknięte | Spalanie i rozprężanie gazów |
Wydech | w górę | wydechowy otw. | Wydmuchiwanie spalin |
Przemiana energii: od chemii do mechaniki
Kluczowym procesem w silniku spalinowym jest przemiana energii chemicznej paliwa w energię mechaniczną. Spalanie mieszanki w zamkniętej przestrzeni powoduje gwałtowny wzrost temperatury i ciśnienia gazów, które rozprężając się, wykonują pracę na tłoku. Ruch tłoka zamieniany jest przez układ korbowy na ruch obrotowy wału korbowego, który następnie napędza koła pojazdu lub inne urządzenia.
Dlaczego cztery suwy?
Czterosuwowy cykl pracy zapewnia wysoką sprawność i równomierność działania. Każdy suw jest precyzyjnie zsynchronizowany z pracą zaworów, co pozwala na efektywne napełnianie cylindra, dokładne spalanie i skuteczne usuwanie spalin. Dzięki temu silnik czterosuwowy jest bardziej ekonomiczny, cichszy i mniej awaryjny niż prostsze silniki dwusuwowe, choć jest od nich konstrukcyjnie bardziej złożony.
Rola podstawowych układów pomocniczych
Aby silnik mógł pracować niezawodnie, niezbędne są dodatkowe układy:
- Układ rozrządu – steruje zaworami, synchronizując ich otwieranie/zamykanie z ruchem tłoka.
- Układ smarowania – minimalizuje tarcie i zużycie ruchomych części.
- Układ chłodzenia – odprowadza nadmiar ciepła, chroniąc silnik przed przegrzaniem.
- Układ zapłonowy (w silnikach benzynowych) – generuje iskrę zapłonową w odpowiednim momencie cyklu pracy.
Warianty i uproszczenia
Opisany powyżej silnik czterosuwowy stanowi modelowy przykład. W praktyce istnieją też silniki dwusuwowe, w których cykl pracy jest krótszy (dwa suwy zamiast czterech), a konstrukcja prostsza, lecz kosztem wyższej emisji spalin i zużycia paliwa. Współczesne silniki mogą mieć wiele cylindrów, zaawansowane układy wtryskowe i elektroniczne sterowanie rozrządem, lecz ich zasada działania pozostaje niezmieniona.
Podsumowanie
Klasyczny, modelowy silnik spalinowy to fascynujące urządzenie, będące przykładem genialnego połączenia fizyki, chemii i inżynierii. Jego istota tkwi w cyklu czterosuwowym, gdzie w zamkniętej przestrzeni cylindra energia chemiczna paliwa zamieniana jest na ruch mechaniczny. Zrozumienie tej zasady pozwala docenić nie tylko techniczną elegancję silnika, ale i jego fundamentalną rolę w rozwoju współczesnej cywilizacji.
Literatura i źródła
- Wikipedia: Silnik spalinowy
- ZPE: Silniki elektryczne i spalinowe. Budowa i zasada działania
- Wazcar: Budowa silnika samochodowego — z czego się składa i jak działa?
- Auto-Szlif: Jak działa silnik spalinowy?
- PDF: Silniki spalinowe – budowa i zasada działania
- Bryk.pl: Silnik spalinowy, budowa i zasada działania