Jednostki napędowe

Jednostki napędowe - silniki

Silniki spalinowe

Zasadniczo silniki spalinowe możemy podzielić na trzy typy: turbinowe (turbospalinowe), odrzutowe i silniki tłokowe.
Silniki turbinowe wyposażone są w turbinę napędzaną strumieniem gazów spalinowych posiadających dużą energię kinetyczną. Silniki tego typu często wykorzystują tzw. siłę ciągu czyli reakcję wypływających z dużą prędkością spalin. Silniki takie nazywamy turbospalinowymi.
Silniki odrzutowe wykorzystują wyłącznie opisaną wyżej siłę ciągu.
Silniki turbinowe i odrzutowe znalazły zastosowanie przede wszystkim budowie samolotów i statków kosmicznych. Silnik turbinowy zastosowano w amerykańskim czołgu Abrams
Do napędu samochodów wykorzystuje się przede wszystkim silniki tłokowe, w których, jak sama nazwa wskazuje zawierają od jednego do kilkunastu tłoków.

Silniki spalinowe tłokowe

silnik tłokowy - praca

Silniki spalinowe tłokowe stosowane w pojazdach samochodowych należą do grupy silników cieplnych o spalaniu wewnętrznym, w których energia cieplna powstała wskutek spalania paliwa zamieniana jest na energię kinetyczną. Powszechnie są stosowane silniki spalinowe tłokowe o posuwisto-zwrotnym ruchu tłoka (suwowe). W silnikach suwowych tłok uszczelniony pierścieniami tłokowymi zamyka cylinder silnika. Ruch tłoka jest wywołany ciśnieniem spalin powstających przez spalanie mieszanki palnej (paliwowo-powietrznej) wewnątrz cylindra silnika. Ruch posuwisto-zwrotny tłoka jest zmieniany przez mechanizm korbowy na ruch obrotowy wału korbowego. Każdy tłok stanowi ruchomą część komory cylindra. Powstające wskutek spalania gazy spalinowe wywierają nacisk na tłok i rozprężając się przesuwają go w dół wykonując pracę użyteczną. Sprężany jest gaz „zimny”, a rozprężany „gorący”. Do sprężenia gazu zimnego zużywana jest mniejsza ilość energii mechanicznej niż uzyskuje się z rozprężania. Z tego powodu energia uzyskana z rozprężania zużywana jest do sprężania gazu i do napędu pojazdu lub dowolnej maszyny.
Specyficzną odmianą spalinowego silnika tłokowego jest tzw. silnik Wankla. Jest to silnik z tłokami obracającymi się.
Silniki tłokowe możemy podzielić uwzględniając wiele kryteriów.

Ze względu na cykl pracy możemy wyróżnić:
-silniki czterosuwowe
-silniki dwusuwowe

Ze względu na ilość cylindrów:
-jednocylindrowe
-wielocylindrowe

Ze względu na sposób zapłonu ładunku rozróżniamy:
-silniki z zapłonem iskrowym (niskoprężne)
-silniki z zapłonem samoczynnym (wysokoprężne)

Ze względu na wytwarzanie mieszanki paliwowo-powietrznej:
- gaźnikowe (zewnętrzne);
- wtryskowe pośrednie (wtrysk paliwa do przewodu dolotowego);
- wtryskowe bezpośrednie (wtrysk paliwa bezpośrednio do cylindra);

Ze względu na sposób dostarczenie powietrza:
- wolno ssące;
- doładowane;

Ze względu na sposób chłodzenia mamy:
-silniki chłodzone pośrednio (cieczą);
-silniki chłodzone bezpośrednio (powietrzem);

Ze względu na układ cylindrów rozróżniamy:
-silniki rzędowe;
-silniki widlaste;
-silniki przeciwsobne;

Ze względu na rodzaj stosowanego paliwa mamy:
-silniki na paliwa ciekłe (np. benzyna, olej napędowy);
-silniki na paliwa gazowe(np. propan-butan, gaz ziemny);
-silniki wielopaliwowe (stosowane głownie w pojazdach wojskowych -np.czołgi);

Podział silników na cykle pracy

Silnik czterosuwowy to tłokowy silnik spalinowy, w którym podczas jednego cyklu pracy tłok wykonuje cztery suwy posuwisto-zwrotne (stąd nazwa silnik czterosuwowy), co odpowiada dwóm obrotom wału korbowego. Dopływ mieszanki (lub powietrza) do cylindrów silnika oraz usuwanie z nich spalin reguluje mechanizm rozrządu. Każdy z suwów tłoka to oddzielny etap cyklu pracy:

- suw ssania. Tłok sunie w dół od górnego do dolnego martwego punktu wytwarzając wewnątrz cylindra podciśnienie. W tym czasie otwarty jest zawór ssący, przez który zasysane jest czyste powietrze bądź mieszanka paliwowo-powietrzna. Gdy tłok dociera do DMP zawór ssący zostaje zamknięty.

- suw sprężania Zawory ssące i wydechowe cylindra są zamknięte. Tłok sunie w górę od dolnego martwego punktu sprężając wcześniej zassane powietrze lub mieszankę paliwowo powietrzną. Podczas sprężania następuje znacznym wzrost ciśnieniem do (zwykle) mniej więcej jednej dziesiątej początkowej objętości mieszanki. Ale zanim osiągnie minimalną objętość (na 1-2 milimetry – lub inaczej – na ok. 5 stopni obrotu wału korbowego, zanim tłok osiągnie GMP ), następuje zapłon. Celem jest doprowadzenie do spalenia całej mieszanki w chwili, gdy tłok przekroczył GMP i może zostać odepchnięty przez rozprężające się gazy spalinowe rozpoczynające suw pracy.

- suw rozprężania (pracy). Tuż przed osiągnięciem przez tłok GMP w cylindrze następuje zapłon sprężonej mieszanki paliwowo-powietrznej zainicjowany iskrą wytworzoną przez świecę zapłonową lub w przypadku silników wysokoprężnych zapłon następuje w momencie wtrysku paliwa do cylindra ze sprężonym powietrzem. W przypadku silników benzynowych z bezpośrednim wtryskiem paliwa zapłon następuje po wtryśnięciu paliwa i zainicjowaniu zapłonu przez iskrę świecy zapłonowej.

- suw sprężania.Zawory ssące i wydechowe cylindra są zamknięte. Tłok sunie w górę od dolnego martwego punktu sprężając wcześniej zassane powietrze lub mieszankę paliwowo powietrzną. Podczas sprężania następuje znacznym wzrost ciśnieniem do (zwykle) mniej więcej jednej dziesiątej początkowej objętości mieszanki. Ale zanim osiągnie minimalną objętość (na 1-2 milimetry – lub inaczej – na ok. 5 stopni obrotu wału korbowego, zanim tłok osiągnie GMP ), następuje zapłon. Celem jest doprowadzenie do spalenia całej mieszanki w chwili, gdy tłok przekroczył GMP i może zostać odepchnięty przez rozprężające się gazy spalinowe rozpoczynające suw pracy.



Silnik dwusuwowy to silnik spalinowy w którym cykl pracy odbywa się w dwóch suwach pracy (stąd nazwa silnik dwusuwowy), co odbywa się podczas jednego obrotu wału. W silnikach dwusuwowych procesy cykli pracy odbywają się po dwóch stronach tłoka, dla tego pełen cykl pracy odbywa się tylko w dwóch suwach tłoka. Silniki dwusuwowe najczęściej nie posiadają zaworów, a wymianą ładunku steruje tłok odsłaniając lub zasłaniając odpowiednie kanały umieszczone w cylindrze. Silniki dwusuwowe teoretycznie mogą osiągać dzięki temu wyższą moc jednostkową, niż czterosuwowe (w czterosuwie jeden cykl pracy przypada na dwa obroty wału). W praktyce jednak przyrost mocy jest nieznaczny z uwagi na kwestię mniej precyzyjnej wymiany ładunku w silniku, a w niektórych silnikach są straty ładunku podczas przepłukania, co przyczynia się do wzrostu zużycia paliwa. Kwestie te sprawiły, że ze względów ekologicznych (głównie emisja spalin) silniki dwusuwowe o zapłonie iskrowym - poza najmniejszymi pojemnościami do skuterów i lekkich motocykli zostały niemal zupełnie wyparte przez oszczędniejsze i czystsze (pod względem spalin) silniki czterosuwowe.
Zasada działania takiego silnika przedstawia się następująco:

SUW PIERWSZY (ssanie-sprężanie)- Tłok przemieszcza się z DMP do GMP. W pierwszej fazie do cylindra przetłaczana jest (poprzez otwarty kanał przelotowy) mieszanka wstępnie sprężona w skrzyni korbowej. Gdy tłok przymknie wszystkie kanały (przelotowy i wylotowy) następuje sprężanie mieszanki nad tłokiem. Jednocześnie do skrzyni korbowej, gdy tylko zostanie odsłonięty kanał dolotowy jest zasysana świeża mieszanka.

SUW DRUGI (praca-wydech) - Tuż przed dojściem tłoka do GMP następuje przeskok iskry pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej i zapłon mieszanki. Powstające gazy spalinowe rozprężając się przesuwają tłok w kierunku DMP. Gdy tłok przesuwając się odsłoni okno kanału wylotowego spaliny zaczynają opuszczać cylinder. Niemal równocześnie tłok odsłania również okno kanału przelotowego, którym do cylindra napływa świeża mieszanka. Świeża mieszanka zapełniając cylinder wypycha z cylindra resztę spalin. Jest to tzw. przepłukiwanie cylindra. Następnie cykl pracy silnika powtarza się.

Powyższy opis nieco odbiega od rzeczywistości, bo świeża mieszanka wypełniająca cylinder nie tylko wypycha z cylindra spaliny, ale także się z nimi miesza. W konsekwencji część Mieszanki wylatuje wraz ze spalinami niespalona, a część spalin zostaje w cylindrze pogarszając proces spalania. To jedna z największych wad tego typu silnika. Pewnym rozwiązaniem tego problemu było wprowadzenie w niektórych silnikach zaworów sterujących wymianą ładunku.