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
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
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
R1bJhHFmMHZAz
RXr8wCuKAPpA9
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 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 – , promień wału korbowego – , kąt, o jaki obrócił się wał korbowy – , kąt, jaki tworzy korbowód z osią ruchu tłoka – , odległość, o jaką przemieszcza się tłok – .
REV0XFNkFINKJ
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 , pionowo w dół. To powoduje przyłożenie siły do połączonego z tłokiem korbowodu o długości . Tłok i korbowód tworzą kąt , zatem siła działająca na koniec korbowodu wyniesie: . Siła ta przyłożona jest również do wału korbowego o promieniu – wytwarzany jest zatem moment siły, który wprawia wał korbowy w ruch. Wał obraca się o kąt , po czym po osiągnięciu położenia = 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.
Rryv54x81O8wd
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
Koń mechaniczny (ang. horespower)
Koń mechaniczny (ang. horespower)
dawna jednostka miary mocy, wynosząca około 1 KM = 735 W.