Porównanie silników spalinowych.doc

Porównanie silników spalinowych „wczoraj i „dziś” – rozwiązania technologiczne, osiągi.

Silnik spalinowy można zdefiniować jako silnik cieplny tłokowy, w którym czynnikiem wykonującym pracę są gazy spalinowe, powstałe ze spalania paliwa w przestrzeni roboczej cylindra. Najbardziej znanym podziałem silników spalinowych jest podział ze względu na zapoczątkowanie spalania-na silniki z zapłonem: iskrowym, samoczynnym i posiadające głowicę żarową. Silnik ten jest pierwowzorem dzisiejszego czterosuwowego silnika spalinowego.

Jak działa silnik spalinowy?

Służy on do zamiany energii cieplnej, zawartej w paliwie, na pracę mechaniczną. Zamiana energii odbywa się przez spalanie paliwa w cylindrze silnika. Powstałe podczas spalania gazy, posiadające duże ciśnienie i wysoką temperaturę, rozprężając się przesuwają tłok w cylindrze i wykonują tym samym pracę mechaniczną.

W silnikach spalinowych tłokowych, ruch tłoka jest wywołany gwałtownym spalaniem się mieszanki paliwa z powietrzem wewnątrz cylindrów. Zapłon palnej mieszanki wywołuje odepchnięcie tłoków, i (co za tym idzie) obracanie się wału korbowego.

Historia silnika spalinowego:

Pierwszy silnik spalinowy (w dodatku ekologiczny, bo spalający mieszaninę wodoru z tlenem i wydalający jako spaliny czystą wodę!), pojawił się dzięki Brackenburgowi już w roku 1836, jednakże bezpieczeństwo jego wynalazku nie wzbudziło zaufania u potencjalnych nabywców i o pomyśle niemieckiego wynalazcy szybko zapomniano.

W roku 1860 powstał przodek silnika spalinowego. Był to silnik dwusuwowy, jednocylindrowy, pracujący na mieszance gazu ziemnego i powietrza, o zapłonie iskrowym i mocy 8,8 kW; działał na podobnej zasadzie, co maszyna parowa dwustronnego działania, tj. spalanie mieszanki zachodziło w jego cylindrze zarówno pod, jak i nad tłokiem dzięki układowi dwóch kanałów wlotowych i wylotowych doprowadzających i odprowadzających naprzemiennie mieszankę i spaliny. Nie zachodziło w nim natomiast sprężenie paliwa, a jedynie rozprężanie spowodowane jego wybuchem, i tłok powracał do pozycji wyjściowej.

Jego konstruktorem był francuski inżynier, belgijskiego pochodzenia Etienne Lenoir. Oczywiście wpadł on na pomysł, aby wmontować go w lekką bryczkę i przekształcić ją w samochód - parę nieudanych prób zniechęciło go jednak do dalszych eksperymentów. Silnik był niezbyt wydajny, zużywał ogromne ilości gazu i smaru, chodził nierówno i często się zatrzymywał.

Kilka lat później jego rodak Pierre Ravel skonstruował samochód z silnikiem w którym spalała się nafta. Niestety, wojna francusko-pruska udaremniła wypróbowanie gotowego pojazdu - został zasypany wraz z szopą w której powstał.

Dopiero w 1876 roku Niemiec Nikolaus Otto skonstruował pierwszy, czterosuwowy silnik spalinowy co zapoczątkowało erę samochodu, zrealizował on tam obieg cieplny ze spalaniem przy stałej objętości, który był opracowany, przez francuskiego inżyniera Beau de Rocha jeszcze w roku 1861. Również dzięki temu wynalazkowi człowiek po raz pierwszy zdołał wzbić się w powietrze samolotem. Od tej chwili nastąpił szybki rozwój silników różnego typu.
W latach 1878-79 Carl Benz skonstruował pierwszy silnik spalinowy benzynowy dwusuwowy.

W 1883 roku Wilhelm Maybach i Gottlieb Daimler budują swój pierwszy, nie nadający się jeszcze do wykorzystania w pojazdach ruchomych silnik benzynowy. 12 lutego 1884 roku Edouard Delamare-Deboutteville otrzymuje patent na swój samochód z silnikiem spalinowym, w którym jednak - zamiast benzyny - spala się ... gaz świetlny. A zabawy z gazem (szczególnie zmagazynowanym w skórzanych bukłakach) to nie przelewki: opatentowany samochód Delemare'a już w pierwszej jeździe wylatuje w powietrze.

Już w następnym roku pojawił się stalowy trójkołowiec benzynowy Carla Friedricha Benza z Mannheim. Moc jego silnika to zaledwie 2/3 konia mechanicznego, mógł on jednego kierowcę i jednego pasażera przewieźć z prędkością 12 km/h.

Nowy kierunek w budowie silników spalinowych zapoczątkował Rudolf Diesel, który w 1897r. (patent z 1893r.) zbudował pierwszy zdolny do pracy silnik z zapłonem samoczynnym. Silnik ten nie miał zapłonowej instalacji elektrycznej. W cylindrze roboczym czyste powietrze było sprężane do tego stopnia, że uzyskana w końcu suwu sprężania temperatura powodowała samozapłon wtryskiwanego paliwa (oleju napędowego). Nieodłączną częścią silnika Diesla była kilkustopniowa sprężarka powietrza, dostarczająca powietrze o ciśnieniu 60 kG / cm do wtrysku paliwa.

Ze względu na duży ciężar w stosunku do rozwijanej mocy i małą prędkość obrotową, silnik Diesla był stosowany jako silnik stacyjny. Dopiero wynalezienie wysokociśnieniowej pompy paliwowej (Mc Kennie 1927r.), umożliwiającej bezpośredni wtrysk paliwa, zapoczątkowało szybki rozwój bezsprężarkowych, a więc lżejszych, silników z zapłonem samoczynnym. Znalazły one zastosowanie w napędzie samochodów ciężarowych і ciągnikach.

Począwszy od ukazania się silnika Otto rozwój silników spalinowych postępuje szybko naprzód. W 1879r. ukazały się pierwsze silniki pracujące na benzynie. Produkcją pracujących na zasadzie obiegu Otto zajmowały się liczne firmy, budujące silniki o coraz większej mocy. W 1895r. spotyka się już silniki o mocy 1000 KM. Ze względu na to, że zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej w tych silnikach odbywa się za pomocą iskry elektrycznej, noszą one ogólną nazwę silników z zapłonem iskrowym.

Opracowane przez Otto i Diesla zasady działania tłokowych silników spalinowych z zapłonem iskrowym i samoczynnym do chwili obecnej nie uległy zmianie. Natomiast dzięki stałemu doskonaleniu konstrukcji znacznie zmieniły się ich parametry pracy.

Nową erę w dziedzinie silników spalinowych zapoczątkował Feliks Wankel, który na zjeździe inżynierów niemieckich w 1960 r zaprezentował skonstruowany przez siebie silnik spalinowy o tłoku obrotowym. Pomimo dość dużych początkowo trudności natury technologicznej silniki te osiągnęły obecnie dość wysoki stopień rozwoju. Niektóre wytwórnie, np. NSU, Koyo Togyo, Fichtel-Sachs, Curtiss Wright, Daimler-Benz i inne, rozpoczęły nawet seryjną ich produkcję. Silniki Wankla znalazły zastosowanie głównie w samochodach osobowych і ciężarowych.

Silniki spalinowe tłokowe mają szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach gospodarki narodowej. Najszersze zastosowanie znalazły one w napędzie pojazdów samochodowych, lokomotyw spalinowych, statków, łodzi motorowych oraz samolotów. Tłokowe silniki spalinowe są również powszechnie stosowane w budownictwie (dźwigi, maszyny robocze i zestawy prądotwórcze) oraz w rolnictwie (ciągniki rolnicze, kombajny oraz silniki małej mocy do napędu różnych urządzeń i maszyn).

W silnikach spalinowych tłokowych, ruch tłoka jest wywołany gwałtownym spalaniem się mieszanki paliwa z powietrzem wewnątrz cylindrów. Zapłon palnej mieszanki wywołuje odepchnięcie tłoków, i (co za tym idzie) obracanie się wału korbowego.

Szczególną odmianę silników spalinowy tłokowych stanowią silniki o tłoku obracającym się, czyli silniki spalinowe rotacyjne; w tych silnikach tłok wykonuje ruch obrotowy, poruszając się pod wpływem zmiennych nacisków czynnika roboczego.

W związku z różną budową i zasadą działania, silniki spalinowe tłokowe można podzielić na silniki:

-dwusuwowe (2T) - pozwalają uzyskać wyższą moc i moment obrotowy w stosunku do silników czterosuwowych o tej samej pojemności skokowej; najnowsze generacje silników dwusuwowych odznaczają się także niską toksycznością spalin; w nowoczesnych silnikach tłokowych dwusuwowych stosuje się m.in. szczelinowe zawory jednokierunkowe w kanałach wlotowych i zawory obrotowe w wylotowych, automatyczne smarowanie i sterowanie zasilaniem oraz dopalacze katalityczne. Powstaje nowa generacja silników dwusuwowych o bezpośrednim wtrysku paliwa (wspomaganym pneumatycznie) do cylindra, co umożliwia usunięcie większości wad silników dwusuwowych konwencjonalnych.

W pierwszej fazie suwu sprężania następuje „przepłukanie” przestrzeni roboczej silnika (1). Wtedy to spaliny powstałe w poprzednim cyklu pracy są wytłaczane przez kanał wydechowy (2), jednocześnie do przestrzeni roboczej przez kanał międzykomorowy (3) napływa mieszanka paliwowa zgromadzona wcześniej w przestrzeni korbowej silnika (4). W dalszej fazie suwu sprężenia tłok (5), pełniący także rolę zaworu, zamyka kanał wydechowy i międzykomorowy, odsłaniając jednocześnie kanał ssawny (6). W czasie sprężenia paliwa w  komorze spalania, świeża porcja mieszanki paliwowej napływa przez kanał ssawny do przestrzeni korbowej silnika.

-czterosuwowe (4T)- cykl pracy silnika czterosuwowego składa się z czterech suwów. Na początku, w suwie ssania tłok porusza się ku dołowi zasysając mieszankę poprzez jeden lub kilka otwartych zaworów wlotowych bezpośrednio do górnej części cylindra. Przestrzeń pod tłokiem nie jest tu wykorzystywana, w przeciwieństwie do silnika dwusuwowego. Następnie, po zamknięciu zaworów wlotowych, tłok porusza się do góry sprężając mieszankę w suwie sprężania. Sprężona mieszanka jest zapalana przez iskrę elektryczną, a tłok popychany przez rozprężające się gazy wędruje w dół w suwie pracy. W ostatniej fazie, w suwie wydechu, tłok poruszając się ku górze wypycha spaliny przez otwarte w tym czasie zawory wydechowe. Potem cały cykl pracy powtarza się. Pomimo tego, że silnik czterosuwowy jest znacznie sprawniejszy od dwusuwowego, to zaledwie około trzeciej części energii spalonego paliwa przekształcana jest w efektywną energię mechaniczną. Reszta, ponad 60%. jest tracona, ponieważ rozpędzane tłoki zatrzymywane są w skrajnych położeniach, po czym rozpędzane w stronę przeciwną.

j

-wysokoprężne (silnik Diesla lub silnik o zapłonie samoczynnym)- w silniku Diesla do cylindra zasysa się samo powietrze i spręża sieje tak silnie, że jego temperatura wzrasta nawet do 2480cC. W tym momencie do cylindra wtryskiwane jest rozpylone paliwo. Temperatura powstałej mieszanki jest tak wysoka, że zapłon odbywa się samoczynnie i świeca zapłonowa nie jest potrzebna. Z tego powodu silnik Diesla bywa również nazywany silnikiem z zapłonem samoczynnym.
Niektóre silniki wysokoprężne wyposaża się w świece żarowe, umieszczone wewnątrz cylindrów. Ich zadaniem jest wstępne ogrzanie cylindra, aby ułatwić rozruch zimnego silnika. Zapłon samoczynny czyni silnik Diesla prostszym i tym samym bardziej niezawodnym od silnika benzynowego. Paliwo używane w silniku wysokoprężnym - olej napędowy - nie wymaga tak skomplikowanej rafinacji jak benzyna, przez co jest od niej tańsze. Jest też mniej lotne i znacznie bezpieczniejsze, gdyż w przeciwieństwie do benzyny nie zapala się od otwartego płomienia.
Jednak wysoki stopień sprężania niesie ze sobą problemy konstrukcyjne. Silnik Diesla musi wytrzymywać wyższe ciśnienie, co czyni go masywniejszym, cięższym i droższym od benzynowego o podobnej mocy. Z drugiej strony wyższy stopień sprężania oznacza wyższą efektywność silnika i mniejsze zużycie paliwa.

        SSANIE          SPRĘŻANIE          PRACA             WYDECH

Parametry silnika diesla:

·         Stopień sprężania - od 12 do 25,

·         Ciśnienie sprężania - od 30 do 50 barów,

·         Ciśnienie spalania - od 50 do 80 barów,

·         Ciśnienie wtrysku paliwa - od 80 do 220 barów.

-z wirującym tłokiem (silnik Wankla)- by zwiększyć efektywność silnika, czyniono wiele przeróżnych prób ograniczenia liczby elementów poruszających się ruchem posuwisto-zwrotnym. Najszerzej znanym efektem tych prac jest silnik Wankla. Zasada jego pracy jest w ogólnym zarysie podobna do pracy silnika czterosuwowego. jednakże zamiast tłoka rozprężające się gazy spalinowe obracają trójścienny wirnik, poruszający się wciąż w tym samym kierunku.
Niestety okazało się, że poważnym niedomaganiem tego typu silnika jest zużywanie się krawędzi wirnika prowadzące do nieszczelności i przepływu gazów pomiędzy poszczególnymi częściami komory spalania. Silniki Wankla zużywają więcej paliwa od porównywalnych czterosuwowych silników tłokowych. Jednakże może w przyszłości uda się rozwiązać trudności konstrukcyjne i w efekcie na bazie silnika Wankla otrzymamy wydajniejszy silnik benzynowy.

Silniki spalinowe tłokowe klasyfikuje się także ze względu na:

a. sposób tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej; silniki z tworzeniem mieszanki zewn., czyli gaźnikowe (gaźnik) lub wtryskowe (wtrysk paliwa do przewodu dolotowego) bądź wewn. (wtrysk bezpośrednio do cylindra);

b. rodzaj paliwa: na paliwo ciekłe (benzynowe, na olej napędowy, na paliwo ciężkie), gazowe, dwu- i wielopaliwowe;

c.  liczbę i układ cylindrów (rzędowe, widlaste, przeciwsobne);

d. zastosowanie: samochodowe, przemysłowe, lotnicze.

O szerokim zastosowaniu silników spalinowych zadecydowały ich zalety, z których jako pierwszą należy wymienić najwyższą wśród silników cieplnych sprawność. Zwarta budowa umożliwia dostosowanie ich do napędu różnych urządzeń. Dużymi zaletami silników spalinowych są ponadto łatwość uruchamiania, natychmiastowa gotowość do pracy, prosta obsługa oraz niezależność od obcych źródeł energii.

Szybkiemu rozwojowi motoryzacji towarzyszy poważne zanieczyszczenie atmosfery, dlatego za główny cel prac rozwojowo-badawczych w dziedzinie silników spalinowych przyjęto obecnie zmniejszenie toksyczności gazów wylotowych.

Rys historyczny rozwoju silników spalinowych byłby niepełny, gdyby nie wspomniano o udziale w nim Polaków.

Już pod koniec XIX wieku na terenie dawnego Królestwa Polskiego silnıki spalinowe produkowały dwa zakłady — PERKUN i Ursus. W okresie tym do rozwoju konstrukcji silników spalinowych przyczynili się kierownicy biur technicznych wymienionych zakładów — późniejsi znani profesorowie — Jan Kunstetter i Karol Taylor.

Pierwsze próby stworzenia własnej produkcji silników samochodowych przypadają na okres międzywojenny. Centralne Warsztaty Samochodowe (CWS), a następnie Państwowe Zakłady Inżynierii (PZinż.) opracowały wiele własnych konstrukcji, z których kilka doczekało się realizacji. Na szczególną uwagę zasługują samochody osobowe CWS-T1 oraz CWS-T2 konstrukcji inż. Tadeusza Tańskiego. Pierwszym pojazdem jednośladowym polskiej konstrukcji był motocykl M-111 z silnikiem ...