Silniki spalinowe
Co to jest silnik spalinowy?
Silnik spalinowy można zdefiniować jako silnik cieplny tłokowy, w którym czynnikiem wykonującym pracę są gazy spalinowe, powstałe ze spalania paliwa w przestrzeni roboczej cylindra. Najbardziej znanym podziałem silników spalinowych jest podział ze względu na zapoczątkowanie spalania-na silniki z zapłonem: iskrowym, samoczynnym i posiadające głowicę żarową.
Jak działa silnik spalinowy?
Służy on do zamiany energii cieplnej, zawartej w paliwie, na pracę mechaniczną. Zamiana energii odbywa się przez spalanie paliwa w cylindrze silnika. Powstałe podczas spalania gazy, posiadające duże ciśnienie i wysoką temperaturę, rozprężając się przesuwają tłok w cylindrze i wykonują tym samym pracę mechaniczną.
Historia silnika spalinowego
Pierwszy silnik spalinowy, zasilany gazem świetlnym, zbudował w 1878r. Nikolaus Otto. Silnik ten jest pierwowzorem dzisiejszego czterosuwowego silnika spalinowego. Otto zrealizował w swoim silniku obieg cieplny ze spalaniem przy stałej objętości, podany przez francuskiego inżyniera Beau de Rochas (1862r.).
Począwszy od ukazania się silnika Otto rozwój silników spalinowych postępuje szybko naprzód. W 1879r. ukazały się pierwsze silniki pracujące na benzynie. Produkcją pracujących na zasadzie obiegu Otto zajmowały się liczne firmy, budujące silniki o coraz większej mocy. W 1895r. spotyka się już silniki o mocy 1000 KM. Ze względu na to, że zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej w tych silnikach odbywa się za pomocą iskry elektrycznej, noszą one ogólną nazwę silników z zapłonem iskrowym.
Nowy kierunek w budowie silników spalinowych zapoczątkował Rudolf Diesel, który w 1897r. (patent z 1893r.) zbudował pierwszy zdolny do pracy silnik z zapłonem samoczynnym. Silnik ten nie miał zapłonowej instalacji elektrycznej. W cylindrze roboczym czyste powietrze było sprężane do tego stopnia, że uzyskana w końcu suwu sprężania temperatura powodowała samozapłon wtryskiwanego paliwa (oleju napędowego). Nieodłączną częścią silnika Diesla była kilkustopniowa sprężarka powietrza, dostarczająca powietrze o ciśnieniu 60 kG / cm do wtrysku paliwa.
Ze względu na duży ciężar w stosunku do rozwijanej mocy i małą prędkość obrotową, silnik Diesla był stosowany jako silnik stacyjny. Dopiero wynalezienie wysokociśnieniowej pompy paliwowej (Mc Kennie 1927r.), umożliwiającej bezpośredni wtrysk paliwa, zapoczątkowało szybki rozwój lekkich silników z zapłonem samoczynnym.
Ogólny podział i zastosowanie silników spalinowych
Silniki spalinowe
1)Odrzutowe 2)Tłokowe
2a)z głowicą żarową 2b)z zapłonem iskrowym 2c)z zapłonem samoczynnym
2ba)z tłokiem wirowym 2bb)dwusuwowe 2bc)czterosuwowe
1) Stosowane głównie w lotnictwie i eksperymentalnie w motoryzacji.
2a) Stosowane w modelarstwie – do napędu różnych modeli
2b) Bardzo szerokie zastosowanie w:
- lotnictwie
- motoryzacji
- urządzenia typu kosiarki, łódki, małe agregaty, piły spalinowe itp.
2ba) Nie ma większego zastosowania – ciągle trwają próby i doświadczenia.
2c)Bardzo szerokie zastosowanie ma w:
- różnego rodzaju maszynach i urządzeniach wymagających dużej mocy (np. duże agregaty, koparki, spychacze itp.)
- do napędu parowozów, dużych łodzi (okrętów), ciągników, ciężarówek itp.
- ze względu na ciągłe modernizacje (zmniejszanie gabarytów) coraz częściej stosowany w samochodach osobowych
Cykl pracy silników spalinowych
Silniki działają dzięki spalaniu się mieszanki substancji łatwopalnych i powstawaniu dzięki temu gazów spalinowych. Różnią się one konstrukcją oraz różnymi cyklami pracy. Np. silnik dwusuwowy pracuje w cyklu:
a) zapłon – tłok wędruje w dół, wykonując pierwszy suw, sprężając jednocześnie mieszankę paliwową zgromadzoną nad tłokiem. Po osiągnięciu pewnej wysokości odsłania się zawór wydechowy, przez który „uciekają” gazy spalinowe, a następnie odsłania zawór, przez który mieszanka paliwowa – wstępnie sprężona – przedostaje się nad tłok.
b) Tłok wędruje w górę, sprężając mieszankę w komorze spalania (po osiągnięciu najwyższego punktu nastąpi kolejny zapłon). Jednocześnie podczas ruchu w górę otwiera się zawór zasysający mieszankę pod tłok.
Silnik czterosuwowy jest bardziej złożony mechanicznie, a jego cykl wygląda następująco:
1) suw ssania: tłok przesuwa się w dół, a do cylindra zasysa się paliwo (lub jeśli jest to silnik z zapłonem samoczynnym powietrze)
2) suw sprężania: tłok wędruje w górę, sprężając znajdujące się nad nim paliwo lub powietrze. W najwyższym położeniu następuje zapłon (przy pomocy iskry elektrycznej) lub wtrysk paliwa (silniki z samozapłonem), które w zetknięciu z bardzo gorącym sprężonym powietrzem zapala się.
3) suw rozprężania (pracy). Rozprężanie trwa do chwili otwarcia zaworu wydechowego.
4) suw wydechu: tłok, wędrując do góry wypycha gazy spalinowe przez w / w zawór. I wszystko zaczyna się od nowa.
W silnikach wirowych tłok nie porusza się „góra – dół”, lecz wiruje, a zapłon następuje w komorach bocznych.
W silnikach odrzutowych wykorzystuje się różnicę ciśnień, występującą przed i za silnikiem. Gazy spalinowe, powstałe po spaleniu się mieszanki w specjalnej komorze, wydobywają się pod olbrzymim ciśnieniem, powodując przesunięcie silnika (i oczywiście umocowanego nań np. samolotu) w kierunku przeciwnym do wydechu.