Rodzaje silników samochodowych

Silniki samochodowe można podzielić według źródła energii, zasady działania, sposobu napełniania cylindrów oraz ich układu. Do najważniejszych kategorii należą silniki spalinowe, elektryczne i wodorowe. Wśród klasycznych konstrukcji spalinowych wyróżniamy między innymi jednostki rzędowe, widlaste, przeciwsobne oraz specyficzny silnik Wankla.

Jeden silnik bardzo rzadko należy tylko do jednej kategorii, ponieważ najczęściej definiuje go kombinacja kilku parametrów. Zapis „benzynowy, czterosuwowy, turbodoładowany R4 o pojemności 1998 cm³” to opis pojedynczej jednostki za pomocą szeregu różnych, niezależnych kryteriów. Warto pamiętać, że sam blok jest jedynie podstawowym źródłem momentu obrotowego.

Aby wprawić auto w ruch, potrzebny jest mechanizm przenoszący wygenerowany moment prosto na koła. Szerzej podział takich rozwiązań omawiamy w tekście o rodzajach napędów samochodowych. Szczegóły dotyczące transferu mocy opisuje z kolei osobny artykuł prezentujący budowę układu napędowego.

Jak dzielimy silniki samochodowe?

Silniki samochodowe dzielimy przede wszystkim ze względu na źródło energii, cykl pracy, układ przestrzenny oraz sposób zasilania powietrzem. Klasyfikacja ta pozwala precyzyjnie określić, w jaki sposób dany mechanizm zamienia energię zawartą w paliwie lub prądzie na użyteczną pracę mechaniczną.

Podział według źródła energii i zasady pracy

Podstawowy podział silników bazuje na tym, skąd dany napęd czerpie potrzebną mu energię. Głównymi źródłami stosowanymi w branży są paliwa ciekłe, paliwa gazowe, energia elektryczna gromadzona w akumulatorach trakcyjnych oraz wodór. Przedstawione kryterium jednoznacznie określa pożądany rodzaj paliwa zasilającego dany układ.

Z kolei zasada pracy opisuje procesy fizyczne i sposób, w jaki bezpośrednio inicjowany jest moment uwalniania tej energii. W klasycznych i szeroko znanych jednostkach tłokowych wyróżniamy głównie zapłon iskrowy oraz zapłon samoczynny.

Podział według konstrukcji mechanicznej

Konstrukcja mechaniczna opisuje fizyczną budowę silnika. Obejmuje ona liczbę i układ cylindrów, przebieg cyklu pracy (dwusuw lub czterosuw) oraz obecność układów doładowania. Oznaczenia takie jak R4, V6 czy B4 informują wyłącznie o geometrii bloku i liczbie tłoków wykonujących ruch posuwisto-zwrotny. Sam skrót oznaczający układ cylindrów nie zdradza, na jakie paliwo jeździ auto, jaką ma pojemność skokową ani jaką dysponuje mocą.

Silnik spalinowy, elektryczny i wodorowy: czym się różnią?

Silnik spalinowy wytwarza pracę poprzez spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrach, natomiast silnik elektryczny generuje moment obrotowy dzięki zjawiskom elektromagnetycznym. Konstrukcje wodorowe dzielą się z kolei na ogniwa paliwowe zasilające silnik elektryczny oraz rzadsze silniki spalające wodór w cylindrach.

Silniki benzynowe i wysokoprężne

W standardowym silniku benzynowym zapłon mieszanki inicjuje iskra pochodząca ze świecy zapłonowej. W silniku Diesla (wysokoprężnym) paliwo wtryśnięte pod ogromnym ciśnieniem zapala się samoczynnie od rozgrzanego, mocno sprężonego powietrza. Obie konstrukcje w nowoczesnych autach opierają się na cyklu czterosuwowym, który obejmuje cztery fazy (ssanie, sprężanie, pracę i wydech) realizowane podczas dwóch pełnych obrotów wału korbowego.

Silniki elektryczne i napędy hybrydowe

Silnik elektryczny całkowicie rezygnuje z cylindrów, tłoków i typowej pojemności skokowej. Składa się on głównie ze stojana i wirnika, a jego charakterystyczną cechą pozostaje dostępność wysokiego momentu obrotowego od najniższych prędkości obrotowych. Napęd hybrydowy to natomiast połączony układ wykorzystujący co najmniej dwa silniki, zazwyczaj w konfiguracji klasycznego spalinowego z jednostką elektryczną. Współpraca tych źródeł zależy od wybranej przez inżynierów architektury i stopnia zaawansowania całego układu, co szczegółowo analizujemy w artykule opisującym rodzaje napędów hybrydowych.

Dwa znaczenia określenia silnik wodorowy

Określenie „auto na wodór” bywa mylące. Zdecydowana większość takich pojazdów (typ FCEV) to samochody napędzane silnikiem elektrycznym, w których prąd nie pochodzi z wielkiej baterii, lecz powstaje na bieżąco w ogniwie paliwowym zasilanym sprężonym wodorem. Zupełnie odrębną, rzadszą gałęzią technologii jest wodorowy silnik spalinowy. Konstrukcyjnie to jednostka tłokowa bardzo zbliżona do benzynowej, która po prostu spala wodór wtrzyknięty wprost do cylindrów.

Silnik 2T i 4T oraz konstrukcja Wankla: jak przebiega cykl pracy?

Cykl pracy determinuje to, w ilu ruchach tłoka realizowane są poszczególne etapy wytwarzania mocy. W silniku czterosuwowym (4T) pełny cykl zamyka się w dwóch obrotach wału, natomiast w dwusuwie (2T) w zaledwie jednym. Alternatywą dla tradycyjnych tłoków jest silnik Wankla, w którym zamiast ruchu w górę i w dół wykorzystuje się specjalny wirnik obracający się wewnątrz komory.

Dwusuw a czterosuw

W silniku 4T faza ssania, sprężania, pracy i wydechu to wyraźnie oddzielone suwy. W silniku 2T fazy te nakładają się na siebie podczas jednego ruchu tłoka w górę i w dół. Ze względu na normy emisji spalin i kulturę pracy, dwusuwy zniknęły ze współczesnych samochodów osobowych, ustępując miejsca konstrukcjom czterosuwowym. Rozwinięcie różnic pomiędzy tymi cyklami znajdziesz w porównaniu silników 2T i 4T.

Silnik tłokowy a silnik Wankla

Klasyczny układ tłokowo-korbowy polega na wybuchach popychających tłoki w cylindrach, co poprzez korbowody wymusza obracanie się wału. Silnik Wankla eliminuje te elementy. Wykorzystuje trójkątny wirnik, który obraca się mimośrodowo w owalnej komorze. Taka praca naturalnie tworzy strefy o zmiennej objętości odpowiadające fazom cyklu.

Silnik rzędowy, widlasty i przeciwsobny: co oznacza układ cylindrów?

Układ cylindrów to sposób, w jaki komory spalania rozmieszczono w bloku względem wału korbowego. Litery R, V oraz B identyfikują geometrię kadłuba, a dodana do nich cyfra określa dokładną liczbę zastosowanych cylindrów. Dwa silniki o takiej samej pojemności mogą mieć całkowicie różny układ i liczbę komór. Silnik widlasty V6 wcale nie musi posiadać większej pojemności niż rzędowy układ R4. Dla przykładu, jednostka widlasta V6 bywa montowana wariancie dwulitrowym (2.0), podczas gdy duży, czterocylindrowy silnik w innym pojeździe może osiągnąć pojemność rzędu 2.5 litra.

Silniki rzędowe: R3, R4 i R6

W silniku rzędowym wszystkie cylindry ustawione są w jednej, prostej linii. Najpopularniejszym rozwiązaniem na rynku jest układ R4, liczący cztery komory spalania. Silnik rzędowy sześciocylindrowy (R6) cechuje się zrównoważoną i niezwykle płynną pracą, ale ze względu na ustawienie cylindrów gęsiego wymaga bardzo długiej komory pod maską auta.

Silnik V, czyli silnik widlasty

Silnik widlasty charakteryzuje się podziałem cylindrów na dwa rzędy, które spotykają się u dołu przy wspólnym wale korbowym, tworząc kształt litery V. Taka budowa pozwala mocno skrócić blok względem układu rzędowego o tej samej liczbie komór. Litera w zapisie V6 czy V8 mówi o geometrii, ale sam symbol nie określa kąta rozwarcia rzędów ani używanego paliwa.

Silnik przeciwsobny, czyli boxer

Silnik przeciwsobny stanowi układ całkowicie odrębny od tradycyjnej budowy widlastej. Cylindry leżą w nim naprzeciw siebie płasko, a tłoki wykonują zsynchronizowane ruchy w przeciwnych kierunkach, przypominające zderzające się ciosy bokserów na ringu. Nie każda jednostka z kątem rozwarcia 180 stopni kwalifikuje się jako boxer, o tej różnicy decyduje budowa czopów wału korbowego. Opisane rozwiązanie pozwala mocno obniżyć środek ciężkości auta, co sprzyja zrównoważonemu prowadzeniu w zakrętach, ale czyni korpus wyjątkowo szerokim.

Pojemność silnika w cm³: co oznacza i jak ją przeliczyć?

Pojemność skokowa to suma objętości roboczych wszystkich cylindrów pracujących w silniku, wyznaczona skrajnymi położeniami poruszających się wewnątrz tłoków. Oparto to o ścisły wzór matematyczny dla objętości walców: π/4 × (średnica cylindra)² × skok tłoka × liczba cylindrów. Wzór ten opisuje proces, w którym powierzchnię samego otworu komory (określoną przez średnicę) mnoży się przez głębokość, na jaką opada tłok, a następnie powiela ten wynik razy fizyczną liczbę komór obecnych w gotowym bloku. Uzyskaną wartość wyraża się zazwyczaj w centymetrach sześciennych (cm³).

Jak przeliczyć cm³ na litry?

Ponieważ jeden litr przestrzeni odpowiada równo 1000 cm³, przeliczenie wykorzystywanych w motoryzacji jednostek polega po prostu na podzieleniu uzyskanej wartości przez tysiąc. Przykładowo, niewielka jednostka generująca z wyliczeń 999 cm³ pojemności skokowej to 0,999 l, co niemal zawsze funkcjonuje na rynku jako wariant 1.0. Odpowiednio w tym schemacie silnik legitymujący się wynikiem 1598 cm³ w katalogu reklamowym zostanie opisany jako 1.6, a popularna objętość wielkości 1998 cm³ funkcjonować będzie jako wariant dwulitrowy. Uzyskaną matematycznie wartość naturalnie zaokrągla się na rynku na korzyść krótkiego oznaczenia handlowego.

Czy większa pojemność oznacza większą moc?

Zasada, według której pojemność determinuje osiągi odeszła do przeszłości w dobie rygorystycznych norm spalin. Pojemność cylindrów nie przesądza samodzielnie o generowanej mocy ani momencie obrotowym. Nowoczesny, wsparty doładowaniem silnik R3 o pojemności zaledwie 1.0 litra może bez trudu wygenerować więcej mocy i dynamiki niż wolnossąca jednostka dwulitrowa sprzed kilkunastu lat. Decyduje o tym prędkość obrotowa, stopień sprężania, budowa głowicy i zaawansowane mapy sterowania wtryskiem.

Silnik wolnossący czy doładowany: skąd trafia powietrze do cylindrów?

Silnik wolnossący dostarcza niezbędne powietrze za pomocą naturalnego podciśnienia generowanego ruchem tłoków w cylindrach, natomiast w silniku doładowanym powietrze wtłaczane jest pod wysokim ciśnieniem przez mechaniczną sprężarkę lub dedykowaną turbosprężarkę. Osiągi układu napędowego niezmiennie opierają się na ilości paliwa, które mechanizm zdoła spalić, a to wymaga zapewnienia odpowiedniej proporcji tlenu. Konstrukcja drogi dolotowej definiuje charakterystykę oraz parametry generowanej przez wóz siły pociągowej.

Jak działa silnik wolnossący?

W silniku naturalnie aspirowanym ciśnienie w kolektorze dolotowym podczas najwyższego obciążenia z reguły zbliża się jedynie do górnego pułapu ciśnienia atmosferycznego otoczenia. Powietrze pokonuje drogę przez filtr w wyniku podciśnienia wytwarzanego w samej komorze. Brak skomplikowanej turbosprężarki zmniejsza liczbę części mogących ulec awarii, ale nie oznacza to, że silnik jest całkowicie „analogowy”. Współczesne jednostki wolnossące naszpikowane są zaawansowaną elektroniką i korzystają ze zmiennych faz rozrządu.

Turbodoładowanie i sprężarka mechaniczna

Współczesne doładowanie przybiera na rynku najczęściej kształt turbosprężarki, potrafiącej skutecznie odzyskiwać utraconą energię kinetyczną i cieplną rozgrzanych gazów wylatujących kanałami wydechu. Kręcąca się pod presją spalin turbina napędza połączony z nią wspólnym wałem kompresor, który tłoczy gęstsze powietrze do cylindrów pod podwyższonym ciśnieniem. Alternatywą potrafi być sprężarka mechaniczna odbierająca moment obrotowy paskiem wprost od wału korbowego. Prędkość jej pracy rośnie proporcjonalnie do aktualnych obrotów silnika, dzięki czemu buduje wysokie ciśnienie płynnie z samego dołu. Trzeba liczyć się z tym, że tego typu rozwiązanie wykorzystuje część wygenerowanej na wale siły wyłącznie na własny napęd.

Silniki na paliwa alternatywne: LPG, CNG, wodór i inne rozwiązania

Paliwa alternatywne służą przede wszystkim jako zamiennik tradycyjnej benzyny lub oleju napędowego dla klasycznych jednostek tłokowych. Paliwa takie jak autogaz (LPG) lub sprężony gaz ziemny (CNG) wpuszczane są do tradycyjnych cylindrów rzędowych czy widlastych, nie wymagając od inżynierów wymyślania cyklu pracy od nowa.

Paliwa gazowe w silnikach spalinowych

Dwa najpopularniejsze paliwa gazowe mocno różnią się fizykochemią. LPG to mieszanina propanu i butanu przechowywana w stanie ciekłym przy relatywnie niskim ciśnieniu. CNG to z kolei sprężony pod wysokim ciśnieniem gaz ziemny. Montaż zbiornika i osprzętu na paliwo gazowe musi uwzględniać możliwości konkretnego silnika (np. stopień komplikacji wtrysku) i wymaga dopasowania przez specjalistów. Zagadnienie to opisujemy precyzyjnie omawiając przewodnik po instalacji LPG w samochodzie.

Wodór i paliwa niszowe

Obok powszechnych paliw oraz systemów hybrydowych funkcjonują projekty wybitnie niszowe oraz warianty ściśle eksperymentalne. Zalicza się do nich budzącą zainteresowanie instalację HHO produkującą w procesie elektrolizy gaz Browna, traktowaną jako rzadkie zjawisko na rynku wtórnym. Gaz drzewny powstający z pieców generatorowych albo bezpośrednio tankowany olej roślinny to równie niespotykane już koncepcje. Przydatność napędowa klasycznego oleju roślinnego ogranicza się ściśle do tolerancji samego układu wtryskowego i odpowiedniej temperatury spalania cieczy, co naturalnie wyklucza jego powszechne użycie w nowoczesnych, bardzo precyzyjnych i wyżyłowanych układach. Mocną pozycję badawczą zajął natomiast ostatnio wodór. Warto pamiętać, że brak emisji na drodze dotyczy głównie użytkowania ogniw paliwowych (FCEV). Spalanie wodoru w klasycznym silniku spalinowym może powodować powstawanie tlenków azotu (NOx), a całkowity bilans ekologiczny zależy od sposobu produkcji samego paliwa.

Jaki rodzaj silnika wybrać do sposobu użytkowania auta?

Wybór silnika pod kątem potrzeb kierowcy opiera się na udziale tras i jazdy miejskiej, rocznym przebiegu i wadze samochodu. Zastosowany rodzaj źródła energii nie ma ostatecznego wpływu na to, które koła wprawia w ruch: dany motor w zależności od platformy może napędzać oś przednią, tylną lub pracować z układami 4x4. Zależności między transferem na konkretne osie analizujemy omawiając wady i zalety napędów FWD, RWD i AWD.

Miasto, krótkie odcinki i jazda okazjonalna

Jeżdżąc wyłącznie w cyklu krótkich odcinków z domu do pracy, klasyczny blok spalinowy potrafi z łatwością pokonać całą taką trasę w stanie ciągłego niedogrzania oleju i płynu chłodzącego. Generuje to nierzadko szybszą degradację układów oczyszczania spalin oraz zwiększony apetyt wozu na paliwo. W tym konkretnym środowisku najlepiej odnajdują się wersje hybrydowe oraz w pełni elektryczne napędy bezemisyjne. Kluczem wyboru przy wariantach bateryjnych pozostaje jednak swobodny dostęp kierowcy do odpowiedniej infrastruktury stałego ładowania.

Trasy, duże przebiegi i wyższe obciążenia

Regularne, wielogodzinne odcinki autostradowe, praca z potężną przyczepą kempingową czy transportowanie ładunków niosą ze sobą zupełnie odmienne wyzwania termiczne. Samochód potrzebuje do takich działań wysokiego, stałego momentu obrotowego, tolerancji temperaturowej bloku oraz stosunkowo dobrego zasięgu podróżnego na jednym zbiorniku. Pomimo rozwoju nowoczesnych napędów na lżejsze frakcje, przy ogromnych i obciążających przebiegach autostradowych wybrane motory wysokoprężne potrafią pozostać bardzo praktyczną kosztowo alternatywą. Należy zachować świadomość, że trwałości nie należy utożsamiać tylko z byciem jednostką Diesla o wysokiej pojemności; decyduje dbałość serwisowa o dany model.

Macierz decyzji przed wyborem wersji silnikowej

By ułatwić dobór bazy technicznej napędu, dobrze jest stworzyć własną listę uwarunkowań eksploatacyjnych z uwzględnieniem takich detali jak dynamika i tolerancja skrzyni biegów:

• Ustal faktyczną długość codziennych, pojedynczych przejazdów miejskich oraz roczny dystans przelotowy,
• Przelicz czas, w jakim zgadzasz się czekać na uzupełnienie energii pojazdu w podróży przelotowej,
• Przeanalizuj infrastrukturę wokół siebie, szukając stacji dedykowanych wybranemu nośnikowi prądu lub gazu,
• Przeanalizuj sztywny budżet kosztów uwzględniając wymaganą historię obsługi i wiek maszyny.

Obiektywne rozdzielenie cech zależy w dużej mierze od tego, jak dobrano masę wozu i typ napędu. Tematykę optymalizacji wyborów podejmujemy szeroko opisując na naszych łamach, jaki silnik wybrać do własnego auta. Traktuj zestawienia w kategoriach wsparcia weryfikacji, gdyż na niezawodność najmocniej rzutuje zawsze historia poszczególnych wariantów modelowych. Osobny rozdział poświęcamy też napędowi na wodór: różnice między ogniwem paliwowym a spalaniem H2 opisuje artykuł o silniku wodorowym.