Warto przeczytać

Główną częścią silnika czterosuwowego jest cylinder z poruszającym się tłokiem (Rys. 1.). W czasie jednego cyklu tłok wykonuje cztery suwy, stąd nazwa silnika. W górnej części cylindra znajdują się dwa zawory. Przez zawór ssania (S) dostarczana jest mieszanka paliwowo‑powietrzna, będąca mieszaniną par paliwa i powietrza, która podlega przemianom termodynamicznym w cylindrze silnika. Zawór wydechu (W) służy natomiast do usuwania gazów powstałych podczas spalania paliwa.

R1F6VuiGJSVgG

Rys. 1. Grafika przedstawia cztery etapy pracy silnika czterosuwowego. Silnik jest widoczny w przekroju. Jego kształt przypomina kształt górnej części butelki ze zwężającą się szyjką. W górnej części silnika znajduje się kanał w kształcie walca, w którym porusza się tłok, przedstawiony jako wąski prostokąt wypełniający kanał. Od góry kanał zakończony jest dwoma zaworami, oznaczonymi wielkimi literami S i W. Patrząc w dół obrazka, kanał ten rozszerza się, tworząc kształt zbliżony do górnej połowy kuli. W obszarze półkuli narysowano okrąg, który przedstawia koło zamachowe silnika. Koło zamachowe połączone jest z tłokiem za pomocą dwuczęściowego ramienia. Dłuższa część ramienia jest połączona z tłokiem, a krótsza z kołem zamachowym. Podczas ruchu tłoka obydwa ramiona poruszają się powodując ruch koła. Kolejne etapy pracy silnika przedstawiono na grafice od lewej do prawej. W pierwszym etapie (rysunek oznaczony jako a), tłok znajduje się w górnej części kanału, a ramię łączące tłok z kołem jest praktycznie wyprostowane. Zawór oznaczony literą S jest otwarty, a oznaczony literą W – zamknięty. Dłuższa część ramienia wskazuje godzinę 11, a krótsza, umieszczona na kole – godzinę 1. Obok rysunku zaznaczono strzałkę w dół, która pokazuje kierunek tłoka. Na następnym rysunku (rysunek oznaczony jako b), widoczna jest sytuacja, w której tłok przesunął się już w dół, mniej więcej do połowy długości kanału. Spowodowało to częściowy obrót koła – teraz długa część ramienia wskazuje godzinę 1, a krótsza – godzinę 8. Zawory S i W są zamknięte. Obok rysunku znajduje się strzałka skierowana w górę. W trzecim etapie (rysunek oznaczony jako c), długie ramię ponownie wskazuje godzinę 11, a krótkie – godzinę 4. Umieszczona obok obrazka strzałka jest skierowana w górę. Zawory S i W są zamknięte. Tłok znajduje się w takim samym położeniu jak na rysunku b). W czwartym, ostatnim etapie (rysunek oznaczony jako d), tłok znajduje się w górnej części kanału. Długa część ramienia wskazuje godzinę 1, a krótka – godzinę 11. Zawór S jest zamknięty, a zawór W – otwarty. Obok obrazka zaznaczono strzałkę skierowaną w górę.

Suw ssania. Pierwszy suw silnika to suw ssania (Rys. 1a.). Podczas tego suwu zawór ssania jest otwarty, zaś zawór wydechu zamknięty. Tłok porusza się w dół, zasysając do cylindra mieszankę paliwowo‑powietrzną. Gdy tłok osiągnie najniższe położenie, zawór ssania zamyka się.

Suw sprężania. Teraz tłok porusza się do góry, sprężając mieszankę paliwowo‑powietrzną przy zamkniętych obu zaworach (Rys. 1b.). Zwiększa się ciśnienie i temperatura mieszanki. Gdy tłok zbliża się do swego najwyższego położenia, następuje zapłon, czyli zapalenie się mieszanki paliwowo‑powietrznej. Zapłon w silnikach benzynowych powodowany jest przez przeskok iskry elektrycznej w świecy.

Suw pracy. Gazy powstałe w wyniku spalania mieszanki paliwowej mają bardzo wysoką temperaturę i ciśnienie. Odpychają z ogromną siłą tłok, wykonując pracę mechaniczną (Rys. 1c.). Siła wywierana na tłok może dorównywać naciskowi ciała o masie kilku ton.

Suw wydechu. Ostatnim suwem cyklu jest suw wydechu (Rys. 1d.). Zawór wydechu jest otwarty, tłok porusza się do góry, wypychając gazy powstałe w wyniku spalania mieszanki paliwowej. Gdy tłok osiągnie najwyższe położenie, zawór wydechu zamyka się, a otwiera zawór ssania. Zaczyna się nowy cykl pracy silnika.

Z jednego suwu pracy silnik musi uzyskać wystarczającą energię, by zrealizować pozostałe trzy suwy. Posuwisty ruch tłoka przenoszony jest, za pomocą korbowodu (Rys. 2.), na ruch obrotowy koła zamachowego. Energia kinetyczna koła zamachowego pozwala na wykonanie pozostałych suwów.

R1ahxjFu16I8c

Rys. 2. Na rysunku przedstawiony uproszczony model elementu napędowego silnika. Składa się on z tłoka, przedstawionego w postaci krążka, korbowodu, przedstawionego jako linia łamana złożona z dwóch elementów i koła zamachowego. Korbowód jest połączony z tłokiem i kołem zamachowym. Dłuższy odcinek łamanej połączony jest ze środkiem tłoka i kończy się na obwodzie koła zamachowego. Krótszy odcinek łamanej łączy się ze środkiem koła zamachowego i jest poprowadzony po jego promieniu. Po lewej stronie rysunku zaznaczono strzałkę skierowaną w dół. Po prawej stronie podane są oznaczenia – tłok (przy krążku), korbowód (przy łamanej) oraz koło zamachowe (przy kole).

Cykl pracy czterosuwowego silnika benzynowego odpowiada, w przybliżeniu, termodynamicznemu cyklowi Otta, który schematycznie przedstawiono na Rys. 3.

R9RAanjxLbirq

Rys. 3. Na rysunku przedstawiono układ współrzędnych. Na osi poziomej przedstawiono objętość – oznaczeniem osi jest wielka litera V, a na osi zaznaczono dwie charakterystyczne wartości objętości, które opisano wielkimi literami V z indeksem dolnym 1 i 2. Punkt oznaczony jako V1 leży bliżej początku układu niż V2. Na osi pionowej zaznaczono ciśnienie – oznaczeniem osi jest mała litera p. W układzie współrzędnych zaznaczono pięć punktów, które odpowiadają kolejnym etapom pracy silnika czterosuwowego. Punkt 1 odpowiada objętości V1 i niskiej wartości ciśnienia. Punkt drugi odpowiada objętości V2 przy tym samym ciśnieniu. Pomiędzy punktami 1 i 2 poprowadzono poziomą linię, a na niej narysowano dwukierunkową strzałkę. Punkt 3 to punkt, który ponownie odpowiada objętości V1, lecz wyższemu ciśnieniu. Jest on połączony z punktem 2 za pomocą łuku skierowanego w lewo i w górę. Na łuku znajduje się strzałka zorientowana w lewo i w górę. Punkt 4 znajduje się nad punktem 3, odpowiada więc nadal objętości V1 i jeszcze wyższemu ciśnieniu. Od punktu 3 prowadzi do niego pionowa linia wraz ze strzałką skierowaną w górę. Punkt 5 odpowiada objętości V2 i ciśnieniu mniejszemu niż w punktach 3 i 4, lecz większemu niż w punktach 1 i 2. Od punktu 4 prowadzi do niego łuk skierowany w dół i prawo ze strzałką zwróconą w tym kierunku. Od punktu 5 do punktu 2 poprowadzona jest pionowa linia ze strzałką skierowaną w dół. Punkty 2, 3, 4 i 5 tworzą zatem zamkniętą figurę geometryczną.

Cylk Otta składa się z następujących po sobie procesów termodynamicznych:

• 1 → 2: Suw ssania. Zawór ssania (tj. wlotowy) jest otwarty, więc ciśnienie w cylindrze jest stałe i równe ciśnieniu atmosferycznemu (jest to przemiana izobarycznaPrzemiana izobarycznaprzemiana izobaryczna). Objętość wzrasta od minimalnej wartości VIndeks dolny 1₁ do maksymalnej wartości VIndeks dolny 2₂.

• 2 → 3: Suw sprężania. Ruch tłoka jest tak szybki, że nie zdąży zajść wymiana ciepła z otoczeniem. Jest to więc sprężanie adiabatyczne,Przemiana adiabatycznaadiabatyczne, podczas którego objętość zmniejsza się do wartości VIndeks dolny 1₁.

• 3 → 4: Wybuch mieszanki paliwowej, podczas którego następuje gwałtowny wzrost ciśnienia przy stałej objętości (proces ten odpowiada przemianie izochorycznejPrzemiana izochorycznaprzemianie izochorycznej).

• 4 → 5: Suw pracy. Gazy spalinowe ulegają adiabatycznemuprzemiana adiabatycznaadiabatycznemu rozprężeniu, objętość wzrasta do wartości VIndeks dolny 2₂. Gaz wykonuje pracę.

• 5 → 2: Otwarcie zaworu wydechu (tj. wylotowego). Ciśnienie spada do wartości ciśnienia atmosferycznego.

• 2 → 1: Suw wydechu. Gazy spalinowe zostają usunięte z cylindra wskutek ruchu tłoka. Objętość zmniejsza się do wartości VIndeks dolny 1₁ przy stałym ciśnieniu.

Słowniczek