Rodzaje silników – Klasyfikacja silników spalinowych

Każdy kierowca i entuzjasta samochodów zna słowo „silnik”. Słowo to pochodzi z łaciny i oznacza „pęd”. Istnieje wiele rodzajów silników i wiele paliw, które je napędzają. Spróbujmy więc nieco uporządkować i skategoryzować silniki.

Tłokowy silnik spalinowy

Tłokowy silnik spalinowy jest najczęściej stosowanym silnikiem w samochodach. Jest to silnik, który zazwyczaj przenosi ruch tłoka (po detonacji w komorze, w której znajduje się tłok, powodując jego ruch) na wał korbowy, przekształcając w ten sposób energię cieplną w energię ruchu.

Podstawowa klasyfikacja silników spalinowych

Silniki spalinowe można podzielić na dwie kategorie. Jedna z nich jest tylko historyczna i nie jest już dziś spotykana, a są to silniki o spalaniu zewnętrznym. Obecnie wszystkie silniki są silnikami spalinowymi i można je podzielić na silniki dwusuwowe i czterosuwowe.

Silnik o spalaniu zewnętrznym

Silniki o spalaniu zewnętrznym mają oddzielną komorę spalania lub wymiennik ciepła w swoim układzie. Tutaj medium jest podgrzewane, co zwykle poprzez zmianę stanu tworzy następnie moc napędową, ale nie jest to wymóg, a mocą napędową może być również ciepło lub promieniowanie. Główną wadą tych silników jest ich rozmiar. Ze względu na oddzielenie spalania i potrzebę wymiennika, mają one duże rozmiary. Nie są one jednak tak wrażliwe na jakość paliwa i mogą osiągać niższe wartości emisji.

Silnik parowy

Pierwszym przedstawicielem silnika o spalaniu zewnętrznym był silnik parowy. Oddzielenie komór jest tutaj wyraźnie widoczne. Po rozpaleniu ognia w kotle, który następnie podgrzewał wymiennik wody, gdzie wysoka temperatura powodowała przejście wody w stan gazowy, gaz ten był rozprowadzany przez regulator, skąd najczęściej trafiał do zaworów suwakowych, a stamtąd do cylindrów. Tam ciśnienie pary powodowało ruch cylindra, gdzie zużyta para była ponownie odprowadzana przez suwak. Maszyna ta jest wyraźnym przykładem konwersji energii cieplnej w energię mechaniczną. Był to głównie ruch obrotowy. Pierwszy silnik parowy został zbudowany już w 1765 roku, a pierwszy samochód parowy przejechał przez ziemie polskie na początku XIX wieku.

Turbina gazowa

Turbina gazowa jest ponownie przykładem konwersji energii cieplnej w energię ruchu. Dlaczego w ogóle wspominamy o turbinie cieplnej? Wspominamy o niej przede wszystkim dlatego, że pojawiła się w motoryzacji, a niektóre firmy motoryzacyjne nawet rozważały i rozwijały jej zastosowanie w swoich samochodach. Przykładem samochodu z turbiną jest Chevrolet Corvette z 1979 roku o mocy 892 koni mechanicznych. Toyota nawet rozwijała i bawiła się pomysłem silników turbinowych i nie była w tym osamotniona.

Sposób działania turbiny polega na tym, że podgrzane gazy obracają jej łopatki, przenosząc w ten sposób ruch na wał. Sprężarka lub komora spalania w turbinie zajmuje się podgrzewaniem gazów. Turbiny są izobaryczne, gdzie gaz wchodzi do turbiny pod tym samym ciśnieniem, lub izochoryczne, gdzie ciśnienie wlotowe jest dozowane. Konstrukcje turbin są również osiowe, gdzie gaz przepływa równolegle do osi, lub promieniowe, gdzie gazy przepływają prostopadle do osi turbiny.

Turbina

Turbina gazowa dała początek turbosprężarce, którą dobrze znamy dzisiaj. Jest to piękne zjawisko turbiny gazowej, która wykorzystuje energię gazów spalinowych. Turbosprężarka zwykle działa jak turbina izobaryczna, ponieważ gazy są do niej doprowadzane w impulsach. Z pomocą zbiornika może jednak działać izobarycznie.

Silnik Stirlinga

Silnik Stirlinga jest znacznie bardziej wydajny niż silnik parowy, można nawet powiedzieć, że jest porównywalny pod względem wydajności do silnika spalinowego. Silnik jest tzw. gorącym powietrzem, czyli nie potrzebuje mieszanki wybuchowej wewnątrz cylindra do spalania. Powietrze, które porusza tłoki, jest podgrzewane, a następnie chłodzone. Gdy w jednym cylindrze jest gorące powietrze, a w drugim zimne, powietrze jest wtłaczane przez regulator. Silnik został wynaleziony przez pana Stirlinga w 1816 roku.

Silniki spalinowe

Jesteśmy teraz w teraźniejszości i opowiemy o najpopularniejszych silnikach spalinowych. Silnik ten spala paliwo, zwykle zmieszane z powietrzem w komorze spalania, za pomocą detonacji. Detonacja, która występuje podczas zapłonu paliwa, przekształca energię cieplną w energię ruchu.

Silnik żarowy, czyli coś specjalnego

Silnik żarowy jest czymś bardzo specyficznym i wyjątkowym. Ten typ silnika spalinowego charakteryzuje się specjalnym rodzajem procesu. Ten typ posiada tak zwaną „komorę żarową”, która jest połączona z przestrzenią cylindra. Komora musi zostać podgrzana, na przykład przez zewnętrzne źródło ciepła, aby zapalić paliwo w przestrzeni cylindra. Po uruchomieniu i lekkim rozgrzaniu silnika podgrzewanie komory nie jest już konieczne. W przeciwnym razie działa on na tej samej zasadzie, co silnik wysokoprężny.

Paliwo

Paliwo jest zawsze potrzebne do uruchomienia silnika. Paliwo jest klasyfikowane według stanu skupienia, a także według liczby oktanowej i, na przykład, według punktu zapłonu. Poniżej wymieniono najpopularniejsze paliwa.

Benzyna (silnik benzynowy)

Silnik benzynowy potrzebuje benzyny. Benzynę klasyfikujemy według liczby oktanowej, głównie benzynę 95 lub 100 oktanową. Im wyższa liczba oktanowa, tym wyższa temperatura wymagana do samozapłonu. Do benzyny można również dodawać dodatki w celu smarowania, na przykład do silników dwusuwowych, lub dodatek zastępujący „benzynę ołowiową” do silników zabytkowych.

Gaz – LPG/CNG (silnik benzynowy)

LPG

Skrót „LPG” oznacza skroplony gaz ropopochodny. Mieszanka ta jest stosowana w silnikach z zapłonem iskrowym, w których silniki benzynowe mogą być konwertowane na LPG w celu zmniejszenia zużycia paliwa, ponieważ jest on znacznie tańszy niż benzyna. Zwykle jednak powoduje to niewielki wzrost zużycia paliwa i spadek osiągów w starszych konwersjach, ale obecnie sytuacja jest inna, a konwersje są znacznie bardziej wyrafinowane.

CNG

CNG bazuje na metanie. W porównaniu z LPG jest bezpieczniejszy i bardziej przyjazny dla środowiska. Jego skład jest bardziej stabilny. Z drugiej strony, dzięki CNG osiągi silnika mogą wzrosnąć jeszcze bardziej.

Etanol E85 (silnik benzynowy z wtryskiem pośrednim)

Głównym składnikiem tego paliwa jest etanol. Silniki o zapłonie iskrowym mogą być zasilane etanolem (ale tylko silniki z wtryskiem pośrednim). Konwersje te są tańsze niż konwersje na gaz. Oszczędności, w porównaniu z benzyną, zmniejszają obciążenie emisjami nawet o 70%, nie jest wymagany dodatkowy zbiornik, a konwersja jest stosunkowo szybka. Wady to pogorszenie rozruchu zimnego silnika, pogorszenie jakości oleju i możliwy wzrost zużycia paliwa o około 30%.

Diesel / olej napędowy (silnik wysokoprężny)

Olej napędowy jest mieszaniną węglowodorów i jest produkowany z ropy naftowej. Służy jako paliwo do silników wysokoprężnych. Silniki wysokoprężne mają zwykle niższe zużycie paliwa i mogą obsługiwać większe obciążenia. Olej napędowy jest bardziej oleisty niż benzyna.

Energia elektryczna

Energia elektryczna jako źródło zasilania samochodów to najnowszy trend. Jest on preferowany ze względu na fakt, że samochody te nie wytwarzają spalin. Pytanie brzmi, jak rozwinie się elektromobilność i czy będzie to naprawdę pełnoprawna i przystępna cenowo alternatywa, ale tylko czas pokaże.

Samochody w pełni elektryczne

Samochody te wykorzystują wyłącznie energię elektryczną do napędu i są ładowane z sieci.

Hybrydowe i hybrydowe typu plug-in

Wykorzystują połączenie silnika elektrycznego i benzynowego.

Podział na silniki dwusuwowe i czterosuwowe

Dwusuwowe

Silnik dwusuwowy nie posiada rozrządu i wymaga dodawania oleju do paliwa. Używany np. w sprzęcie ogrodniczym, niektórych motocyklach, był również stosowany w samochodach, np. Trabant 601.

Silnik czterosuwowy

Silnik czterosuwowy ma własny obwód smarowania silnika i układ rozrządu. Wszystkie silniki w dzisiejszych samochodach są czterosuwowe, a 99% z nich jest czterosuwowych.

Klasyfikacja silników według liczby cylindrów i ich rozmieszczenia

Silniki mogą mieć różną liczbę cylindrów, od 1 do, na przykład, 16. Cylindry mogą być następnie rozmieszczone na różne sposoby.

Silnik rzędowy

W silniku rzędowym cylindry są ułożone w rzędzie jeden za drugim. Alternatywnie, mogą być ułożone w tak zwane „U” w dwóch rzędach obok siebie.

Widelec

W silniku widlastym cylindry są ułożone w literę „V” i są oddalone od siebie o 60 lub 90 stopni.

Układ cylindrów zwany „W”

Silniki typu „W” stanowią połączenie układu widlastego i rzędowego.

Boxer

Silnik typu Boxer typowy dla marki Subaru. Jest to silnik z dwoma rzędami cylindrów naprzeciwko siebie po obu stronach wału korbowego. Istnieje również tak zwany wariant „H”, który wykorzystuje dwa wały korbowe.

Silnik Wankla

Silnik Wankla to bardzo interesująca konstrukcja. Jest to silnik spalinowy, w którym trójkątny tłok obraca się w owalnej obudowie, dzięki czemu nie jest potrzebny wał korbowy. Nie potrzebuje nawet koła zębatego rozrządu, ale jest ono bardzo delikatne dla szczelności i podlega większemu zużyciu, stąd częste GO silnika. Może osiągnąć przyzwoite osiągi w stosunku do pojemności skokowej i bez potrzeby doładowania, niestety jest dość drogi w eksploatacji. Silniki te były używane na przykład przez Mazdę.

Atmosfera, turbo i doładowanie czyli napełnianie silnika

Te określenia można usłyszeć z ust wielu osób dyskutujących o tym pojeździe. Co oznaczają te slangowe określenia?

Silnik atmosferyczny

Silnik atmosferyczny działa tylko przy ciśnieniu powietrza atmosferycznego. Nie jest zatem turbodoładowany. Ma prostą konstrukcję i nie musimy martwić się o turbo czy kompresor.

Kompresor

Niektóre doładowane silniki mają kompresory, które wdmuchują do nich więcej powietrza niż byłoby to możliwe w przypadku konwencjonalnego doładowania atmosferycznego. Główną różnicą w stosunku do turbosprężarki jest to, że jest ona obracana za pomocą napędu korbowego, przekładni pasowej lub silnika elektrycznego i sama zużywa część mocy. Turbosprężarka jest obracana przez gazy spalinowe. Moc sprężarki zależy od prędkości obrotowej silnika i im wyższe obroty silnika, tym większe obroty sprężarki, a zatem jej moc wyjściowa jest dość liniowa. Sprężarka nie jest tak oszczędna jak turbosprężarka.

Turbosprężarka

Turbosprężarka, jak już wspomniano, obraca układ wydechowy, ma zarówno optymalną, jak i maksymalną wydajność przy określonych prędkościach. Może pozytywnie wpływać na zużycie paliwa (oczywiście w zależności od perforacji samochodu), na przykład w silnikach wysokoprężnych. Jest bardziej delikatny niż kompresor.

Sprężarka/turbosprężarka

Ta kombinacja również istnieje. Kompresor optymalizuje wydajność przy niższych obrotach, a turbo działa przy wyższych obrotach. Jest to idealna kombinacja doładowania.

Podwójne doładowanie (bi-turbo)

Są to dwie turbosprężarki. Każda z nich obraca się z określoną prędkością, co eliminuje tak zwaną „turbo dziurę”. Ten wariant stał się dość powszechny w tak zwanym „downsizingu”, w którym wysokie osiągi można osiągnąć przy mniejszych silnikach dzięki podwójnemu turbodoładowaniu. Wadą jest zwiększony koszt awarii i większa złożoność systemu.

Metoda napełniania i przygotowania mieszanki

Wtrysk paliwa za pomocą pompy paliwowej obejmuje zarówno prosty system samozasysania grawitacyjnego, jak i pompy wysokociśnieniowe. Obecnie najczęściej występuje pompa wysokociśnieniowa, której zadaniem jest wtryskiwanie paliwa do cylindrów, oraz pompa niskociśnieniowa, która służy do transportu paliwa do pompy wysokociśnieniowej.

Wtrysk pośredni

Wtrysk pośredni odbywa się do kolektora dolotowego w pobliżu zaworu. Paliwo jest rozpraszane przed zaworami dolotowymi.

Gaźnik

Gaźnik jest urządzeniem czysto mechanicznym. Jego zadaniem jest mieszanie mieszanki paliwowo-powietrznej. Mówiąc prościej, gaźnik działa na zasadzie przepływu powietrza, gdzie w małej przestrzeni prędkość powietrza jest zmniejszona, a ciśnienie spada. Paliwo jest zasysane do tej sekcji przez mały otwór i jest kontrolowane przez mechaniczny pływak. Gaźnik działa również jako przepustnica silnika. Moc jest regulowana w prosty sposób. Jeśli potrzebna jest większa moc, zwiększa się wlot powietrza, a tym samym zwiększa się również dopływ paliwa.

SPi – wtrysk jednopunktowy

Tutaj paliwo jest wtryskiwane przez zawór elektromagnetyczny do kolektora dolotowego wszystkich cylindrów. Nazwa SPI „wtrysk jednopunktowy”, popularnie zwana „wtryskiem jednopunktowym”, bazuje na powyższym rozwiązaniu.

MPi – wtrysk wielopunktowy

Jest to metoda wtrysku podobna do SPi, jednak ma coś ekstra. Przewagą nad poprzednikiem jest „wtrysk wielopunktowy”. Tutaj paliwo jest wtryskiwane bezpośrednio przed zawór dolotowy, co skutkuje lepszymi osiągami i niższym zużyciem paliwa. Ponadto tworzona jest „jednorodna mieszanka”, co jest korzystne dla silnika.

Wtrysk bezpośredni

Wtrysk bezpośredni odbywa się bezpośrednio do przestrzeni cylindra.

GDi

Największa różnica polega na tym, że paliwo jest dozowane w innym punkcie. Wtrysk bezpośredni wtryskuje paliwo bezpośrednio do cylindra. Jest to również powód, dla którego stosuje się konstrukcję DOHV lub „dwa wałki rozrządu na cylinder”. W przypadku silników czterocylindrowych termin ten jest znany jako „16v – szesnastozaworowy”. Kanały dolotowe w tej metodzie wtrysku biegną pionowo, zapewniając bardziej wydajne napełnianie cylindrów. Ponadto tłoki mają inny kształt. Silniki GDi wykorzystują wysokociśnieniowe pompy Common Rail.

Połączone

Jest to połączenie dwóch poprzednich metod, w których wtrysk pośredni jest wykonywany przy niskim obciążeniu, ale jeśli silnik przechodzi do wyższego obciążenia, przełącza się na metodę wtrysku bezpośredniego.

Rodzaje układów rozdzielacza

OHV – zawory górnozaworowe

W tym układzie rozrządu zawory znajdują się w głowicy silnika, a wałek rozrządu w bloku silnika. Przeniesienie napędu między wałkiem rozrządu a zaworami zapewniają popychacze, drążki popychaczy i dźwigienki zaworowe.

OHC – górny wałek rozrządu

Wałek rozrządu i zawory znajdują się w głowicy silnika.

DOHC – podwójny górny wałek rozrządu

To to samo co OHC, ale dwa wałki rozrządu znajdują się w głowicy.

SV – zawory boczne

Rozrząd silnika z zaworami bocznymi. Znajdują się one po jednej lub obu stronach cylindra. Tutaj zawory nie mogą stykać się z cylindrami.

Kolektory silnika i ich połączenia

Rozdzielacze silnika mogą być połączone na różne sposoby, a mianowicie:

• Łańcuch
• Pasek rozrządu
• Koła zębate