Warto przeczytać

Najważniejszą częścią silnika spalinowego jest jego komora spalania. Jest to przestrzeń, w której dochodzi kolejno do:

• wtrysku paliwa (ssanie),

• sprężenia gazu w komorze poprzez ruch tłoka pionowo do góry (sprężanie),

• wywołania iskry przez świecę zapłonową, co powoduje eksplozję i odepchnięcie tłoka pionowo w dół (praca),

• po odepchnięciu tłoka spaliny są usuwane i cykl pracy się zamyka (wydech).

Uwolniona w procesie spalania paliwa energia zamieniana jest na energię kinetyczną pojazdu. Aby zrozumieć, w jaki sposób następuje ta przemiana, musimy przyjrzeć się konstrukcji silnika i układu napędowego. Zacznijmy od przyjrzenia się elementom budowy układu napędowego na Rys. 1.

R1ZmM1iEdRPVe

Rys. 1. Ilustracja zawiera trzy elementy. Pierwszy z lewej pokazuje zbliżenie tłoka. Jest to walec zamknięty z jednej strony i otwarty z drugiej, z dwoma otworami w powierzchni bocznej, położonymi naprzeciwko siebie. Drugi element ilustracji to ten sam tłok, ale połączony z korbowodem, który składa się ze spłaszczonego pręta, czyli płaskownika, wychodzącego z wnętrza tłoka i pierścienia na jego końcu. Płaskownik umocowany jest w tłoku za pomocą trzpienia przechodzącego przez otwory w tłoku. Trzeci element ilustracji pokazuje wał korbowy. Jest to pręt, wzdłuż którego wystają cztery poprzeczne, krótkie elementy ustawione pod różnymi kątami względem siebie i służące do umocowania korbowodu.

Element po lewej stronie to wspomniany wcześniej tłok. Jest to element, który jest ruchomą częścią komory spalania. Na etapie sprężania porusza się on do góry, a w etapie pracy porusza się do dołu. Wykonuje on zatem tak zwany ruch posuwisto‑zwrotny, czyli ruch, w którym ciało porusza się ruchem prostoliniowym w jednym kierunku, ale zmieniając okresowo zwrot. W jaki sposób to możliwe? Przyjrzyjmy się środkowej części Rys. 1. – widoczny jest tu tłok z korbowodem. Korbowód to element łączący tłok z widocznym po prawej stronie wałem korbowym. Przez otwór w tłoku przechodzi trzpień, na którym osadzona jest górna część korbowodu, umożliwiając mu ruch na boki. Te trzy elementy połączone razem tworzą mechanizm korbowy. To właśnie konstrukcja mechanizmu korbowego umożliwia zamianę ruchu obrotowego jednego elementu na ruch posuwisto‑zwrotny innego elementu. W przypadku silnika to ruch posuwisto‑zwrotny tłoka zamieniany jest na ruch obrotowy wału korbowego. Możliwe jest też działanie odwrotne, np. w przypadku maszyny do szycia ruch obrotowy elementów silnika elektrycznego zamieniany jest na ruch posuwisto‑zwrotny igły. Na Rys. 2. przedstawiono poglądowo konstrukcję silnika spalinowego z sześcioma tłokami.

R1R3E1KG5EXg0

Rys. 2. Rysunek przedstawia konstrukcję silnika spalinowego z sześcioma tłokami. U góry znajduje się poziomy wałek rozrządu przedstawiony dokładniej na rysunku trzecim. Pod nim widoczny jest wał korbowy równoległy do wałka rozrządu. Od wałka rozrządu wychodzi pionowo w dół dwanaście prętów po dwa na każdy tłok. Do końców tych prętów przymocowane są zawory o kształcie małych, płaskich walców. Tuż pod każdą parą zaworów znajduje się tłok, połączony korbowodem z wałem korbowym. Tłoki są w różnych położeniach. Najwyżej położone są tłoki drugi i piąty od lewej, a najniżej trzeci i czwarty. Pozostałe tłoki: pierwszy i szósty są w pośrednich położeniach.

Na Rys. 2. widzimy na dole wał korbowy oraz korbowód łączący go z tłokami. Pusta przestrzeń nad tłokiem to komora spalania (dla czytelności obrazu usunięto z rysunku blok silnika, czyli metalową konstrukcję, w środku której znajdują się widoczne na rysunku elementy). Elementy na górze to zawory, które otwierają się sekwencyjnie – wpuszczając do komory spalania paliwo lub wypuszczając z niej spaliny. W jaki sposób zapewnić sekwencyjne, mechaniczne otwieranie tych zaworów? Służy temu wałek rozrządu. Jest to podłużny walec, na którym osadzone są krzywki. Schematyczną konstrukcję krzywki zaprezentowano w środkowej części Rys. 3., a zdjęcie wałka rozrządu znajduje się w górnej części tego rysunku.

Rheji5D0ZC5z8

Zdjęcie pierwsze, stanowiące część Rys. 3., przedstawia wał rozrządu. Jest to poziomy pręt, na którym osadzone są krzywki.

R1bJhHFmMHZAz

Rysunek drugi (stanowi część Rys. 3.) poglądowo przedstawia schemat przekrojowy konstrukcji krzywki, która jest elementem wałka rozrządu.

RXr8wCuKAPpA9

Rys. 3. Ilustracja składa się z trzech części. Pierwsza część to zdjęcie wałka rozrządu. Jest to poziomy pręt, na którym osadzone są krzywki. Druga część to schemat przedstawiający krzywkę. Krzywka ma kształt zbliżony do spłaszczonego jajka zwężonego i wydłużonego z jednej strony. W szerszej części krzywki znajduje się kolisty otwór umieszczony centralnie. Gdy krzywka osadzona na pręcie obraca się, odległość od jej powierzchni do osi obrotu zmienia się – największa jest dla jej zwężonej, wydłużonej części. Zdjęcie "podsumowujące" pokazuje jak obracające się krzywki powodują otwieranie i zamykanie zaworów. Dwa zawory umieszczone są u góry komory spalania, jeden z lewej, a drugi z prawej strony. Zawory osadzone są na sprężynach dociskających je do góry i zamykających otwory w komorze spalania. Od góry nad zaworami znajdują się krzywki. Gdy wydłużona część obracającej się krzywki znajdzie się na dole, zawór zostanie popchnięty w dół i otwór zostanie otwarty. Krzywka z prawej strony jest w takim położeniu, że wydłużona część znajduje się na górze. Wydłużona część lewej krzywki jest skierowana ukośnie w lewo i górę.

Co wynika z zastosowania krzywki? Wyobraźmy sobie, że krzywka osadzona jest na wale, obracającym się ze stałą prędkością kątową. Dłuższy koniec krzywki będzie regularnie powracał do wyjściowej pozycji, z częstotliwością

gdzie $\omega$ to prędkość kątowa wału, na którym osadzona jest krzywka. Jak widać w dolnej części Rys. 3., kąt, pod jakim krzywka jest osadzona względem wałka, może być różna, krzywka z lewej strony jest widocznie obrócona bardziej w lewą stronę niż krzywka z prawej – znaczy to, że przy równomiernym ruchu wałka, najpierw jedna, a potem druga krzywka dotknie zaworu. W ten sposób, regulując kąt, pod jakim ustawione są krzywki, możemy regulować odstęp w czasie, w jakim otworzą się kolejne zawory.

Wróćmy do mechanizmu korbowego – na Rys. 4. zaprezentowano schematyczną konstrukcję czterocylindrowego silnika. Po lewej stronie zaprezentowano widok w przekroju bocznym, a pośrodku widok od przodu. W prawej części wprowadzono oznaczenia opisujące geometrię poszczególnych elementów: długości korbowodu – $l$, promień wału korbowego – $r$, kąt, o jaki obrócił się wał korbowy – $\alpha$, kąt, jaki tworzy korbowód z osią ruchu tłoka – $\beta$, odległość, o jaką przemieszcza się tłok – $S$.

REV0XFNkFINKJ

Rys. 4. Rysunek pokazuje schematyczną konstrukcję czterocylindrowego silnika. Po lewej stronie zaprezentowano widok w przekroju bocznym. Na dole znajduje się wał korbowy, którego oś obrotu przedstawiono jako poziomą linię. Powyżej znajdują się 4 tłoki przedstawione jako kwadraty umieszczone w cylindrach o kształcie podłużnych, pionowych prostokątów. Tłoki połączone są prętami z wypustkami wału korbowego. Tłoki znajdują w cylindrach silnika w różnych położeniach. Pierwszy oraz czwarty tłok od lewej połączone są z wypustkami wału korbowego znajdującymi się poniżej osi obrotu. Te tłoki znajdują się najniżej w swoich cylindrach. Tłoki trzeci i czwarty połączone są z wypustkami wału korbowego znajdującymi się powyżej osi obrotu. Te tłoki znajdują się najwyżej w swoich cylindrach. Środkowa część rysunku pokazuje widok silnika od przodu. Korbowód jest tu prostopadły do płaszczyzny rysunku. Widoczny jest jeden tłok w cylindrze. Ma on taki sam wygląd jak na poprzednim rysunku – jest to kwadrat umieszczony w cylindrze o kształcie podłużnego, pionowego prostokąta. Tłok połączony jest prętem, czyli korbowodem, z wałem korbowym w pewnej odległości od osi obrotu wału. Narysowano okrąg, po którym porusza się dolny koniec korbowodu podczas pracy silnika. Odcinek łączący dolny koniec korbowodu z osią obrotu wału przedstawia pręty łączące te elementy. Odcinek ten jest promieniem okręgu i skierowany jest w górę i w prawo. Dolny koniec korbowodu dochodzi do okręgu w prawej, górnej ćwiartce okręgu. Tłok znajduje się w środkowej części cylindra. Rysunek z prawej strony zawiera elementy rysunku środkowego, do których dodano oznaczenia różnych wielkości. Narysowano przerywaną linię pionową, łączącą środek tłoka i oś obrotu wału. Długość korbowodu oznaczono literą małe L. Odległość górnego końca korbowodu od jego najwyższego położenia oznaczono literą wielkie S. Kąt między korbowodem i przerywaną linią pionową oznaczono grecką literą beta. Kąt między przerywaną linią pionową i promieniem okręgu, dochodzącym do dolnego końca korbowodu, oznaczono grecką literą alfa. Długość promienia oznaczono literą małe r.

Przeanalizujemy cykl pracy silnika zgodnie z tymi oznaczeniami: w momencie, gdy następuje eksplozja mieszanki paliwowej, ciśnienie rozprężającego się gazu sprawia, że tłok jest odpychany w dół. Przesuwa się on o $S$, pionowo w dół. To powoduje przyłożenie siły do połączonego z tłokiem korbowodu o długości $l$. Tłok i korbowód tworzą kąt $\beta$, zatem siła działająca na koniec korbowodu wyniesie: $F_k=F_{0}cos\beta$. Siła ta przyłożona jest również do wału korbowego o promieniu $r$ – wytwarzany jest zatem moment siły, który wprawia wał korbowy w ruch. Wał obraca się o kąt $\alpha$, po czym po osiągnięciu położenia $\alpha$ = 180° ruch tłoka zmienia swój kierunek. Teraz siłą napędzającą dalszy obrót wału korbowego jest eksplozja w kolejnej komorze spalania (omawiamy silnik czterocylindrowy!), a dalszy obrót wału powoduje ruch tłoka pionowo do góry. W tym momencie dochodzi do sprężenia przez tłok mieszanki paliwa w komorze spalania i cykl pracy się zamyka. Poniższa animacja podsumowuje cały cykl pracy silnika.

Istotną wielkością, która pozwala zrozumieć pracę układu napędowego jest moment obrotowy silnika. Wielkość ta to wartość momentu siły, który przez korbowód przykładany jest do wału korbowego. Wielkość ta jest o tyle istotna, że znając moment obrotowy silnika i liczbę obrotów na minutę (wyświetlane na desce rozdzielczej w samochodzie), możemy obliczyć moc silnika, jako:

Należy pamiętać, że wartość momentu obrotowego zależy m.in. od liczby obrotów na minutę. Stąd chwilowa moc wyjściowa samochodu (wyrażana w koniach mechanicznychKoń mechaniczny (ang. horespower)koniach mechanicznych, gdzie 1 KMKoń mechaniczny (ang. horespower)KM ≈ 735 W) zależy nie tylko od samej konstrukcji silnika, ale tego, na jakim biegu aktualnie znajduje się samochód i z jaką liczbą obrotów na minutę pracuje układ silnika.

Słowniczek