Silnik spalinowy – jak działa i z czego jest zbudowany?

Silnik spalinowy spala mieszankę paliwa i powietrza wewnątrz cylindrów, a powstające w ten sposób ciśnienie gazów przesuwa tłoki i obraca wał korbowy. Jego podstawę tworzą blok, głowica, tłoki, korbowody, wał korbowy oraz zawory. Całość nie mogłaby funkcjonować bez układów pomocniczych odpowiedzialnych za zasilanie, smarowanie i chłodzenie. Określenie „samochód spalinowy” dotyczy po prostu auta, którego głównym źródłem energii mechanicznej jest spalanie paliwa w takim właśnie silniku. Poniżej zobaczysz dokładnie, z czego składa się ta skomplikowana maszyna, jak przebiegają cztery suwy jej pracy i w jaki sposób technologia ta ewoluowała przez dekady.

Co to jest samochód spalinowy i jak powstaje moment obrotowy?

Samochód spalinowy to pojazd napędzany silnikiem cieplnym o spalaniu wewnętrznym, w którym energia chemiczna paliwa jest zamieniana najpierw w ciepło i ciśnienie gazów, a następnie w użyteczną pracę mechaniczną. Nacisk rozprężających się gazów na denko tłoka wywołuje jego ruch posuwisto-zwrotny. Ten z kolei, za pośrednictwem korbowodu i wału korbowego, zmienia się w ruch obrotowy przekazywany do kół.

Od mieszanki paliwowo-powietrznej do ruchu tłoka

Aby silnik wygenerował moc, potrzebuje trzech elementów: paliwa, tlenu z zasysanego powietrza oraz inicjacji zapłonu odpowiedniej dla danej konstrukcji. Po zapłonie gazy gwałtownie się rozprężają i pchają tłok w dół, wykonując pracę. Warto wiedzieć, że niespalone do końca paliwo oraz ciepło oddawane do układu chłodzenia to czyste straty, które nie zwiększają momentu obrotowego Twojego samochodu.

Jak ruch wału trafia do kół?

Pojedyncze suwy pracy generują obroty wału, które są z natury pulsacyjne. Aby silnik nie szarpał, na końcu wału montuje się koło zamachowe, które swoją masą magazynuje energię i wyrównuje te skoki. Moment obrotowy z wału silnika przechodzi następnie przez sprzęgło (lub konwerter momentu), trafia do skrzyni biegów i ostatecznie, przez półosie lub wał napędowy, napędza koła Twojego auta.

Z czego jest zbudowany silnik spalinowy?

Nieruchomy szkielet silnika spalinowego tworzą blok z cylindrami, głowica zamykająca komory spalania od góry oraz miska olejowa zamocowana na samym dole. Z kolei główny mechanizm ruchomy to układ tłokowo-korbowy oraz współpracujący z nim rozrząd, który zarządza dopływem powietrza i odprowadzaniem spalin.

Kadłub, głowica i komora spalania

Blok silnika to jego największy element. Utrzymuje w sobie cylindry i podpory wału korbowego, a w jego wnętrzu wydrążone są kanały, w których krąży ciecz chłodząca oraz olej. Od góry blok zamyka głowica. To w niej znajdują się komory spalania, kanały dolotowe i wydechowe, zawory, a także świece zapłonowe lub wtryskiwacze.

Układ tłokowo-korbowy

W każdym cylindrze porusza się tłok. Na jego obwodzie znajdują się pierścienie tłokowe, które uszczelniają przestrzeń roboczą, odprowadzają ciepło do ścianek cylindra i zgarniają nadmiar oleju, nie pozwalając mu dostać się do komory spalania. Tłok połączony jest sworzniem z korbowodem, a korbowód obejmuje wykorbienie wału. Dzięki takiemu układowi dźwigni ruch w górę i w dół staje się płynnym obrotem wału.

Rozrząd i wymiana ładunku w cylindrze

Za oddychanie silnika odpowiada rozrząd. Wałek rozrządu swoimi krzywkami otwiera zawory w dokładnie wyliczonych momentach, a mocne sprężyny natychmiast je zamykają. Ponieważ pełny cykl pracy wymaga dwóch obrotów wału korbowego, w silniku czterosuwowym wałek rozrządu obraca się dokładnie dwa razy wolniej niż wał główny.

Jak działa czterosuwowy silnik spalinowy?

Pełny cykl pracy silnika czterosuwowego obejmuje ssanie, sprężanie, pracę oraz wydech. Wymaga to dwóch obrotów wału korbowego, czyli aż 720 stopni jego obrotu. Ponieważ użyteczny suw pracy przypada w cylindrze tylko raz na dwa pełne obroty, w jednostkach wielocylindrowych momenty zapłonu są przesunięte względem siebie, co ogranicza nierównomierność momentu obrotowego i wpływa na kulturę pracy silnika.

Ssanie i sprężanie mieszanki lub powietrza

• Ssanie: tłok wędruje z góry na dół cylindra. Otwiera się zawór dolotowy, a powstające podciśnienie zasysa świeże powietrze (lub mieszankę) do komory spalania.
• Sprężanie: wszystkie zawory są zamknięte. Tłok wraca do góry, gwałtownie sprężając ładunek. W silniku benzynowym sprężana jest gotowa mieszanka, a w dieslu samo powietrze, które od wysokiego ciśnienia mocno się nagrzewa.

Praca i usuwanie spalin

• Praca: w okolicach górnego położenia tłoka następuje zapłon. Gwałtowny wzrost ciśnienia spycha tłok w dół. Jest to jedyny moment, w którym silnik generuje użyteczną moc.
• Wydech: tłok ponownie idzie w górę, ale tym razem otwiera się zawór wydechowy. Wypycha on spalone gazy do układu wydechowego, uwalniając miejsce na kolejny cykl.

Silnik o zapłonie iskrowym: jakie paliwo stosuje?

Silnik o zapłonie iskrowym zasilany jest przede wszystkim benzyną, a spalanie za każdym razem wymusza iskra przeskakująca między elektrodami świecy zapłonowej. Konstrukcje te można też przystosować do zasilania paliwami gazowymi, takimi jak LPG czy CNG, pod warunkiem montażu odpowiedniej instalacji gazowej i zgodności z wymogami producenta auta.

Zapłon iskrowy a zapłon samoczynny

Różnica polega na sposobie inicjowania zapłonu w komorze spalania. W silniku benzynowym pełną kontrolę ma układ zapłonowy i to komputer decyduje, kiedy podać iskrę. Silnik wysokoprężny (Diesel) pracuje na zapłonie samoczynnym. Powietrze jest tam sprężane tak mocno, że staje się gorące. Wystarczy wtrysnąć pod wysokim ciśnieniem olej napędowy, by zapalił się on samoistnie. W dieslach występują co prawda świece żarowe, ale pełnią one tylko funkcję dogrzewacza podczas uruchamiania zimnego silnika, a nie inicjatora każdego cyklu pracy.

Dlaczego nie wolno tankować dowolnego paliwa?

Jakie układy pomocnicze są potrzebne do pracy silnika?

Sam szkielet mechaniczny to za mało. Aby silnik mógł działać, niezbędna jest równoczesna praca układów pomocniczych: zasilania paliwem, dolotowego, wydechowego, smarowania, chłodzenia, elektroniki oraz instalacji rozruchowej. Awaria zaledwie jednego z tych systemów prowadzi z reguły do unieruchomienia auta lub problemów z jego pracą.

Zasilanie paliwem, dolot i wydech

Układ paliwowy z dużą dokładnością dawkuje paliwo. Współczesny sterownik na bieżąco analizuje masę zasysanego powietrza, temperaturę i nacisk na pedał gazu, by wyliczyć optymalną dawkę. Równolegle układ dolotowy dostarcza przefiltrowane powietrze, a wydech musi bez przeszkód odprowadzić spaliny, przepuszczając je najpierw przez filtry cząstek stałych i katalizatory obniżające toksyczność.

Smarowanie i chłodzenie

Metalowe części pędzące tysiące razy na minutę potrzebują ochrony. Pompa oleju tłoczy środek smarny do łożysk i przestrzeni między tłokiem a cylindrem. Olej ogranicza tarcie i odbiera część ciepła. Za utrzymanie odpowiedniej ciepłoty odpowiada układ chłodzenia. Pompa cieczy wymusza obieg chłodziwa, a termostat decyduje, czy skierować je do dużej chłodnicy, dzięki czemu silnik szybko osiąga odpowiednią dla danej konstrukcji temperaturę roboczą i unika niebezpiecznego przegrzania.

Rozruch i sterowanie elektroniczne

Każdy silnik spalinowy musi zostać najpierw zakręcony przez maszynę zewnętrzną. Tę rolę pełni rozrusznik elektryczny zasilany z akumulatora. Gdy silnik „zagada”, alternator przejmuje zadanie ładowania baterii i zasilania auta. Nad całością czuwa elektronika: czujniki położenia wału korbowego oraz wałków rozrządu dostarczają komputerowi informacji niezbędnych do tego, by wtrysnąć paliwo i wygenerować iskrę dokładnie w momencie, gdy tłok jest we właściwym miejscu.

Jaka jest historia silnika spalinowego?

Historia silnika spalinowego sięga pierwszej połowy XIX wieku, kiedy to testowano pierwsze niszowe konstrukcje napędzane gazem. Przełomem było dopiero zbudowanie przez Nikolausa Otto w 1876 roku praktycznego silnika pracującego w oparciu o pełny cykl czterosuwowy, co nadało kształt dzisiejszej motoryzacji.

Od silników gazowych do cyklu Otto

Już w 1807 roku François Isaac de Rivaz opatentował koncepcję jednostki spalającej wodór i tlen. Kolejnym krokiem był rok 1860, w którym Étienne Lenoir zbudował praktyczny silnik gazowy. Choć sam cykl czterosuwowy opisał w teorii Alphonse Beau de Rochas w 1862 roku, to właśnie Nikolaus Otto jako pierwszy stworzył sprawnie funkcjonującą maszynę według tych założeń, czyniąc napęd spalinowy użytecznym na szerszą skalę.

Silnik spalinowy w samochodzie

Prawdziwa rewolucja na drogach wydarzyła się w 1886 roku. To wtedy Karl Benz opatentował słynny Benz Patent-Motorwagen. Był to pojazd od podstaw zaprojektowany dla silnika spalinowego, a nie zwykły wóz konny, do którego ktoś domontował maszynerię. Przejście do seryjnej produkcji na początku XX wieku (szczególnie za sprawą Forda) sprawiło, że samochód przestał być zabawką dla bogaczy, a stał się powszechnym środkiem transportu.

Rozwój jednostek benzynowych i wysokoprężnych

Nie możemy zapomnieć o Rudolfie Dieslu, który w 1892 roku opatentował koncepcję, a w 1897 zaprezentował działający silnik o zapłonie samoczynnym. Kolejne dekady to pościg za wydajnością: gaźniki ustąpiły miejsca wtryskom wielopunktowym, do gry weszło turbodoładowanie, a w XXI wieku bezpośredni wtrysk, zaawansowane systemy zmiennych faz rozrządu oraz rozbudowane układy oczyszczania spalin. Fizyczna zasada rozprężających się gazów naciskających na tłok pozostała jednak dokładnie ta sama, co 150 lat temu.

Ile energii paliwa wykorzystuje silnik spalinowy?

Typowa sprawność cieplna drogowego silnika benzynowego wynosi około 20–35%, natomiast w przypadku silnika Diesla jest to od 30% do 45%. Oznacza to, że zaledwie część energii chemicznej zmagazynowanej w baku rzeczywiście wędruje na asfalt w postaci użytecznej mocy pociągowej, a większość jest bezpowrotnie tracona na skutek specyfiki maszyn cieplnych.

Gdzie powstają straty energii?

Największym „złodziejem” energii jest ciepło. Ogromna część spalanego ładunku ogrzewa blok silnika, trafia do układu chłodzenia i wylatuje bezproduktywnie wydechem na zewnątrz. Do tego dochodzi pokonywanie oporów tarcia własnego podzespołów, pompowanie gazów oraz napędzanie osprzętu (pompa oleju, wody, alternator). Obecność turbosprężarki pozwala odzyskać część energii ciśnienia z uciekających spalin i wtłoczyć świeże powietrze do dolotu, poprawiając sprawność całego układu, ale wciąż nie eliminuje fundamentalnych strat mechanicznych.

Dlaczego liczba cylindrów nie decyduje wprost o sprawności?

Podsumowując, silnik spalinowy to precyzyjny system mechaniczno-cieplny. Od suwu ssania, przez obrót wału korbowego, aż po precyzyjne dawkowanie iskry – dziesiątki części i sterowników stale współpracują, by przekuć energię z dystrybutora w ruch kół. Choć zasada działania pozostaje niezmienna, układy konstrukcyjne wciąż ewoluują. Jeśli chcesz dowiedzieć się, jak tłoki współpracują ze sobą, gdy ustawimy je w kształt litery V, sprawdź silniki w układzie V. Z kolei szerszy przegląd różnych koncepcji napędowych, pozwalający umiejscowić rzędówki, V-ki czy silniki rotacyjne na jednej motoryzacyjnej mapie, znajdziesz w zestawieniu rodzaje silników samochodowych.