Budowa i praca silnika czterosuwowego

Praca Silnika

Zasada czterech suwów funkcjonalnych silnika jest dziś na całym świecie uważana za najbardziej użyteczną. Ssanie–sprężanie–zapłon-praca-wydech. No tak, ale czy to nie jest pięć taktów? Owszem, ale silnik nazywa się czterosuwowych, ponieważ w jego funkcjonowaniu istotne są suwy, czyli te elementy działania, w których następuje przemieszczenie tłoka. A zapłon to tylko ułamek sekundy, w którym zostaje zapalona mieszanka paliwowo-powietrzna znajdująca się w komorze spalania.

Ssanie

Zawór ssący jest otwarty, tłok przesuwa się w stronę dolnego martwego punktu (DMP), wytwarzając we wnętrzu cylindra podciśnienie. Dzięki temu z kanału dolotowego, znajdującego się za zamykającym go zaworem ssącym, wciągnięta zostaje z gaźnika (lub układu wtryskowego i kanałów powietrznych) mieszanka paliwowo-powietrzna. Trafia ona do wnętrza cylindra, pomiędzy denko tłoka a głowicę cylindra. Kiedy tylko tłok przekroczy DMP, zawór ssący zostaje zamknięty.

Sprężanie

Tłok przemieszcza się w górę cylindra, ściskając (czyli sprężając) mieszankę paliwowo-powietrzną. Sprężanie następuje pod ogromnym ciśnieniem, do (zwykle) mniej więcej jednej dziesiątej początkowej objętości mieszanki. Ale zanim osiągnie ona ową minimalną objętość (na 1-2 milimetry - lub inaczej na ok. 5 stopni obrotu wału korbowego przedtem, zanim tłok osiągnie górny martwy punkt, GMP) następuje zapłon. Celem jest doprowadzenie do spalenia całej mieszanki w tej chwili, gdy tłok już przekroczył GMP i może zostać odepchnięty przez rozprężające się gazy spalinowe, rozpoczynając suw pracy.

Praca

Tłok zostaje odepchnięty - z siła wręcz niewyobrażalną, jako że we wnętrzu komory spalania po zapłonie powstaje ciśnienie o wartości do 100 barów, co odpowiada sile nacisku na tłok równej 5 tonom! I takie siły muszą być przeniesione z denka tłoka poprzez korbowód na wał korbowy. Z tego jednego suwu pracy silnik musi uzyskać wystarczający impet obracający wałem korbowym, by przeprowadzić pozostałe trzy suwy. Łatwo więc pojąć, dlaczego silniki pracują tym równiej im więcej mają cylindrów.

Wydech

Jeszcze zanim tłok osiągnie DMP, otwarty zostaje zawór wydechowy i wciąż jeszcze nie do końca rozprężone gazy spalinowe mogą opuścić cylinder, kierując się w stronę układu wydechowego. Przemieszczający się w górę tłok wypycha z cylindra resztę gazów, a po przekroczeniu rozpoczyna cykl od początku.

Budowa silnika czterosuwowego

Kadłub i głowica

Kadłub wraz z głowicą stanowią obudowę mechanizmów korbowego i rozrządu, a ponadto służą do zamocowania zewnętrznego osprzętu silnika. W skład tego układu wchodzą również: kanały dolotowe, tuleje cylindrowe oraz przewody dolotowe i wydechowe.

Kadłub utrzymuje wszystko razem w jednej całości, dźwiga wał korbowy, umożliwia powstawanie ogromnego ciśnienia w komorze spalania i udziela wsparcia większości agregatów pomocniczych. Smarowanie i chłodzenie zapewnia mu labirynt kanałów, kanalików i płaszczy.

Blok silnika to największy i najcięższy element jednostki napędowej. Aż po lata 20. składał się z dwóch lub więcej części - kadłub cylindrowy i skrzynia korbowa były od siebie oddzielone i skręcane śrubami. Postęp w technologii odlewniczej umożliwił potem sporządzanie obu tych fragmentów jako jednolitej części. Żeliwo do dziś nie straciło nic ze swej aktualności jako materiał na kadłub. Najważniejszymi zaletami są: słabe przewodzenie fal akustycznych (żeliwne jednostki napędowe są cichsze), znakomite własności ślizgowe, ogromna przydatność na łatwą obróbkę i odporności na ściski. Obecnie konstruktorzy rozmyślają nad zmniejszeniem ciężaru masy silnika, dlatego żeliwo zamieniane jest z czasem na aluminium. Jednakże aluminium ma bardzo kiepskie własności ślizgowe, zwiększające tarcie pomiędzy tłokiem a cylindrem. Stosowane są różnego rodzaju triki, np. pokrywanie ścianek cylindrów dwusiarczkiem molibdenu (ogromnie skuteczny środek smarny, który niemal się nie zużywa).

Kadłuby odpowiednio ukształtowane, wiążą w całość wszystkie cylindry silnika i punkty podparcia wału korbowego oraz wałka rozrządu. Odpowiednie ukształtowanie kadłuba stwarza ponadto warunki prawidłowego chłodzenia cylindrów oraz sprzyja doprowadzaniu oleju do wszystkich łożysk wymagających smarowania.

Głowica jest jakby przykrywką na cylindry. Jej rola w silniku jest bardzo ważna. Głowica jest zryta wszelakiej maści kanałami i otworami podzespołu. Musi być ona bardzo mocno dokręcona do bloku, aby ogromne ciśnienie (sięga 150 barów), które jest w cylindrach nie było przyczyną odłączenia się głowicy od reszty silnika.

Przez przewód dolotowy wpływa do wnętrza cylindra mieszanka paliwowo-powietrzna. Przepływ nie stanowi problemu. Mieszanka płynie pod ciśnieniem 1 baru, dlatego wszystko zależy tylko i wyłączenie od średnicy przewodu.

Przewód wylotowy, zwany też wydechowym pozwala opuścić spaliny z cylindra. Substancje te mają temperaturę dochodzącą nawet do 800C i wydostają się zaworem wydechowym pod ciśnieniem 20 barów. Ich szybkość jest mniej więcej równa prędkości dźwięku. Temperatura i ciśnienie spalin nie są stałe, dlatego materiał, z którego jest skonstruowany kanał wylotowy musi być bardzo wytrzymały. Odległość przewodów od siebie też nie jest obojętna. Przewód wylotowy nie może być za blisko dolotowego, gdyż wraz ze wzrostem temperatury maleje gęstość powietrza, a z nią zawartość tlenu. Mniej tlenu oznacza gorsze spalanie, co z kolei jest równe mniejszej mocy.

Mechanizm korbowy

Zadaniem tego mechanizmu jest zamiana postępowego ruchu tłoka na ruch obrotowy wału korbowego. Tłok jest sprzężony z wałem korbowym za pomocą korbowodu, który w czasie pracy silnika wykonuje ruch złożony. Ruch tłoka nadaje korbowodowi ruch postępowy, natomiast obracanie się korby wału korbowego wprawia korbowód w ruch wahadłowy wokół sworznia tłokowego, łączącego korbowód z tłokiem.

W skład mechanizmu korbowego wchodzą: tłok, korbowód, wał korbowy, koło zamachowe.

Tłok to serce silnika. Wraz z głowicą cylindra i jego ściankami zamyka komorę spalania. W wyniku procesu spalania w silniku powstają ogromne ciśnienia, które z kolei stanowią siłę popychającą tłok z prędkością ponad 200 km/h w stronę dolnego martwego punktu. Tłok musi zmienić powstające w wyniku spalania mieszanki paliwowo-powietrznej swobodne ciepło w siłę powodującą obracanie się wału korbowego. Ze względu na ogromną temperaturę wewnątrz cylindra tłok bardzo się nagrzewa. musi przekazywać ciepłotę poprzez swe pierścienie na ścianki cylindra, skąd odbiera je płyn chłodzący lub obieg powietrza chłodzącego. Mówiąc o tłoku nie można zapomnieć o jego „pomocnikach”, tzn. sworzeniu tłokowym i pierścieniach tłokowych. Pierścienie umożliwiają tłokowi przesuwanie się we wnętrzu cylindra, sworzeń zaś mocuje go do korbowodu. Tłoki z reguły wykonane są z aluminium, jednak mają co niektóre elementy wykonane ze stali.

Korbowód łączy wał korbowy z tłokiem, zamienia ruch posuwisty tłoka w ruch obrotowy wału korbowego oraz przenosi siły powstałe po zapłonie mieszanki w komorze spalania na wał korbowy, powodując powstanie na wale korbowym momentu obrotowego. Korbowód jest bardzo wytrzymały a zarazem lekki, dlatego wykonuje się go z uszlachetnianej stali i uszlachetnionego żeliwa. W silnikach wyczynowych najczęściej stosuje się korbowody tytanowe.

Wał korbowy zamienia suw posuwisto-zwrotny tłoka na moment obrotowy. Aby tłoki nie musiały przemieszczać się jednakowo wykorbienia na wale są przestawione wobec siebie kątowo. Wał zmuszony jest do wytrzymywania obciążeń, które trudno sobie wyobrazić, dlatego zbudowany jest z żeliwa, do którego dodaje się odrobinę grafitu dla większej wytrzymałości.

Wał w typowym czterocylindrowym silniku składa się z:
• czterech czopów korbowych (wykorbienie wału korbowego, do którego zamontowany jest korbowód tłoka), każdy na jeden korbowód;
• pięciu panewek głównych (z reguły łożyska ślizgowe, które podpierają wał korbowy w miejscach jego osadzenia w bloku silnika), przynajmniej jedno z nich pełni dodatkową rolę zapobiegania wzdłużnemu przesuwaniu się wału;
• przeciwwag, które równoważą siłę bezwładności tłoków i korbowodów działającą na wał korbowy.

Koło zamachowe jest umieszczone poza blokiem silnika. Pełni bardzo ważną funkcję w pracy silnika. Gdyby nie ono silnik nie mógłby pracować, ponieważ energii do obrotu wału korbowego dodaje tylko jeden suw – pracy. Pozostałe takty potrzebują siły z zewnątrz. Tej siły dostarcza koło zamachowe w postaci zgromadzonej wcześniej energii kinetycznej. Dokładność wyważenia koła jest bardzo ważna. Minimalne odchyły i nierówności powodują niespokojną pracę silnika, a komfort jazdy jest zerowy. Koło zamachowe najczęściej konstruowane jest z żeliwa. Ten materiał ma odpowiednią wagę oraz wytrzymałość na tarcie.

Mechanizm rozrządu

Zadaniem mechanizmu rozrządu jest sterowanie napływem do cylindrów silnika świeżej mieszanki oraz sterowanie, usuwanie z nich spalin. We współczesnych czterosuwowych silnikach spalinowych stosuje się wyłącznie rozrząd górnozaworowy. W skład takiego mechanizm rozrządu wchodzą następujące zasadnicze części: zawory, wałek rozrządu, popychacze, dźwigienki zaworowe oraz elementy napędu wałka rozrządu pasek rozrządu, łańcuch rozrządu. Zawory umieszczone są w głowicy silnika. Stąd nazwa rozrząd górnozaworowy, w odróżnieniu od nie stosowanego już obecnie układu dolnozaworowego, w którym zawory były osadzone w kadłubie silnika.

W głowicy umieszczone są przynajmniej dwa otwory. Służą one do zaopatrywania silnika w świeżą mieszankę oraz do opróżniania go z gazów spalinowych. Tam właśnie pracują zawory. Zawór dolotowy pozwala mieszance paliwowo-powietrznej wypełnić cylinder, natomiast dzięki zaworowi wylotowemu spaliny zużytej mieszanki mogą wydostać się z cylindra do rury wydechowej przez kanał wylotowy.

Zawór składa się z dwóch podstawowych części: trzonka i grzybka. Grzybek zamyka otwór w głowicy cylindra. Trzonek przekazuje grzybkowi ruch posuwiście zwrotny, a więc steruje zamykaniem i otwieraniem zaworu. Większość zaworów zbudowana jest z jednolitego metalu. Jeszcze w latach 80. najczęściej używano po jednym zaworze dolotowym i wylotowym na cylinder. Obecnie używa się formy czterech zaworów na cylinder (dwa dolotowe i dwa wydechowe) oraz pięciu zaworów (trzy dolotowe i dwa wylotowe). Większa ilość zaworów pozwala na skonstruowanie silnika o większej mocy.

W największym uproszczeniu wałek rozrządu to układ wirujących dźwigni. Za każdym razem kiedy dźwignia w trafi na zawór naciska nań. Na wałków znajduje się wiele takich dźwigni, ponieważ na każdy zawór przypada jedna dźwignia. Są one poprzestawiane we wszystkie strony wokół osi wałka.

Wałek rozrządu napędza siła pochodząca z wału korbowego. Do lat 60. siłę z wału korbowego przenoszono poprzez łańcuch podobny do takiego, jaki mamy w rowerze. W 1962 roku zastosowano pasek zębaty w miejscu łańcucha. Aby pasek się nie ześlizgnął z kół zębatych stosuje się napinacze, które zapobiegają temu. Obecnie pasek i łańcuch mają swoich zwolenników i przeciwników. Mercedes jest przeciw paskom i nigdy ich nie wprowadził, ponieważ trzeba je zbyt często wymieniać i naciągć. Japońscy producenci samochodów używają pasków, gdyż uważają, że łańcuchy są zbyt głośne. Konstruktorzy cały czas starają się stworzyć nowe optymalne rozwiązanie eliminujące doczesne problemy.

Układ smarowania

We wszystkich połączeniach ruchowych części silnika niezbędna jest obecność oleju, zmniejszającego tarcie towarzyszące ruchowi względnemu współpracujących elementów. Najmniejsze tarcie, zwane tarciem płynnym, występuje wówczas, gdy cienka warstewka oleju całkowicie oddziela od siebie powierzchnie współpracujących części.

W skład układu smarowania wchodzą: pompa oleju, filtr oleju, obieg oleju.

Zadaniem układu smarowania w silniku jest doprowadzenie oleju do wszystkich punktów wymagających smarowania oraz zapewnienie takiego ciśnienia tego oleju, które jest niezbędne do wytworzenia warstewki oddzielającej współpracujące części.

Olej spełnia również dodatkowe zadanie czynnika odprowadzającego ciepło od miejsc, z którymi się styka. Ilość ciepła odbieranego przez olej wynosi do kilku procent całego ciepła odprowadzanego od silnika. Stanowi to istotne odciążenie układu chłodzenia.

W silnikach czterosuwowych używanych do napędu pojazdów samochodowych do olejenia stosuje się system ciśnieniowy. W tym systemie olej jest czerpany ze zbiornika, pompowany pod ciśnieniem do wszystkich punktów smarowania, po czym spływa z powrotem do zbiornika. W ten sposób w silniku krąży stała ilość oleju.

Obieg olejowy: z miski olejowej olej jest zasysany przez pompę do filtra, skąd pompuje się go do głównego kanału olejowego. Stąd trafia kanalikami do łożysk głównych wału korbowego. Kanałem olej trafia do głowicy cylindrowej, skąd po zaopatrzeniu łożysk wałka rozrządu i popychaczy zaworowych (lub dźwigienek) olej spływa grawitacyjnie poprzez rynienki z powrotem do miski olejowej.

Układ chłodzenia

Zadaniem układu chłodzenia jest zapewnienie silnikowi właściwej temperatury pracy oraz utrzymywanie jej na stałym poziomie niezależnie od obciążenia silnika. Większość silników czterosuwowych jest chłodzona cieczą. W skład układu chłodzenia wchodzą: pompa wody, termostat, chłodnica.

Obieg płynu w układzie chłodniczym: ciecz chłodząca, której przepływ jest wymuszony przez pompę po opuszczeniu kanałów silnika wpływa do komory zaworu, który w zależności od temperatury cieczy kierują do krótkiego lub pełnego obiegu. Zawór sterowany jest termostatem. W krótkim obiegu ciecz wraca bezpośrednio do pompy i dalej do kanałów silnika. W obiegu pełnym ciecz przeprowadzana jest przez chłodnicę, w której jej temperatura jest obniżana. Z chłodnicą współpracuje wentylator. Ciecz po przejściu przez chłodnicę powraca do pompy i następnie do silnika.

Pompa, jak nazwa sama wskazuje, służy do pompowania płynu chłodniczego z chłodnicy. Szybkość pompowania cieczy jest zależna od obrotów silnika. Dzisiejsze typowe pompy działają na zasadzie wirówki. W obudowie wiruje koło łopatkowe o łopatkach rozchodzących się od środka (osi) na zewnątrz. Płyn trafia do czoła wirówki. Następnie łopatki pompy nadają mu ruch wirowy na zasadzie sił odśrodkowych. Z boku obudowy pompy znajduje się otwór wyjściowy, przez który - już pod ciśnieniem - woda wydostaje się z pompy i płynie do silnika.

Słowo termostat oznacza „urządzenie utrzymujące stałą temperaturę”. W układzie chłodzenia w samochodzie stanowi on w rzeczywistości swego rodzaju zwrotnicę w przewodach wodnych, która w zależności od temperatury całego układu odpowiednio ukierunkowuje przepływ cieczy chłodzącej. Kiedy temperatura wody nie przekracza 85 termostat jest zamknięty i pozwala wodzie krążyć w bloku silnika i głowicy, jednak jeśli temperatura jest wyższa termostat się otwiera i część wody odsyła do chłodnicy, aby się ochłodziła.

Chłodnica ma za zadanie schodzenie wody, która krąży w układzie chłodniczym. Chłodnica zbudowana jest z ogromnej ilości cienkich rurek zawierających pozostających w ciągłym ruchu wodę, a rurki te połączone są tysiącami pofałdowanych blaszek aluminiowych. Przez szczeliny pomiędzy blaszkami i rurkami przepływa powietrze. Taka budowa zapewnia znakomite efekty w schładzaniu. Na wypadek gdyby powietrze przepływało za wolno albo w małych ilościach przy chłodnicy konstruktorzy często montują specjalny wentylator.