Silnik spalinowy

Silnik spalinowy – silnik wykorzystujący sprężanie i rozprężanie czynnika termodynamicznego (gazu) do wytworzenia momentu obrotowego lub siły. 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 dowolnej maszyny. Gorący gaz uzyskuje się w wyniku spalenia paliwa, stąd nazwa: silnik spalinowy.

Zasada działania

Czynnik "zimny", często powietrze zassane z otoczenia, jest sprężane, a w wyniku sprężania rośnie jego ciśnienie i temperatura. Sprężony gaz ogrzewany jest poprzez spalanie paliwa do stosunkowo wysokiej temperatury. "Gorący" gaz rozprężany jest w cylindrze z ruchomym tłokiem lub turbinie. Uzyskana z rozprężania gorącego gazu energia mechaniczna wystarcza na pokrycie zapotrzebowania energii do sprężenia gazu "zimnego" i do napędu dowolnej maszyny.

Sprężanie i rozprężanie gazu może odbywać się zarówno w maszynach przepływowych jak i tłokowych. Jeśli wykorzystujemy maszyny przepływowe mamy do czynienia z silnikiem turbinowym, składającym się z osobnych elementów: sprężarki, komory spalania i turbiny. Jeśli silnikiem naszym jest maszyna tłokowa, to proces sprężania, spalania paliwa i rozprężania gorącego czynnika odbywa się cyklicznie w jednej przestrzeni ograniczonej tłokiem, głowicą i ściankami cylindra (silnik tłokowy).

Rodzaje silników spalinowych

Istnieje kilka podziałów silników spalinowych, według różnych kryteriów. Poszczególne konkretne silniki zazwyczaj daje się sklasyfikować w kilku z tak powstałych klasyfikacji.

Silnik czterosuwowy o zapłonie iskrowym - zasada działania

Ze względu na sposób spalania można wyróżnić:

• silnik spalania otwartego - substancja (czynnik roboczy) może mieć stan gazowy o niezmienionym składzie; silnik gazowy o zewnętrznym spalaniu (zewnętrzne źródło ciepła); np. silnik Stirlinga
• silnik spalania zamkniętego - substancja (czynnik roboczy) może mieć stan gazowy o zmiennym składzie; silnik spalinowy lub silnik gazowy o wewnętrznym źródle ciepła (wewnętrzne spalanie).

Ze względu na ciśnienie w kolektorze ssącym silnika, można wyróżnić:

• silniki wolnossące (niedoładowane)
• silniki doładowane, które ze względu na ciśnienie w kolektorze ssącym dzieli się na:
  • silniki niskodoładowane (nadciśnienie 0–0,5 bara)
  • silniki średniodoładowane (nadciśnienie 0,5–1 bara)
  • silniki wysokodoładowane (nadciśnienie powyżej 1 bara)

Ze względu na czynnik roboczy (gaz o stałym jak i zmiennym składzie lub substancja zmieniająca stan skupienia z ciekłego na gazowy) można wyróżnić silniki spalinowe tłokowe, turbinowe oraz odrzutowy.

Najczęściej spotykane konfiguracje:

• silnik spalinowy tłokowy o ruchu posuwisto-zwrotnym tłoka - najczęściej spotykana jednostka napędowa samochodów, jako napęd główny i pomocniczy siłowni okrętowych a nawet jako napęd generatorów awaryjnych w elektrowniach atomowych. Moce największych spalinowych silników okrętowych sięgają 80 MW a średnice cylindra 1050 mm. Jest to silnik spalania zamkniętego.
• silnik spalinowy tłokowy o tłoku rotacyjnym - zwany też silnikiem Wankla, spotykany rzadko w motoryzacji, jest to silnik spalania zamkniętego
• silnik Stirlinga o chemicznym źródle ciepła (silnik tego typu może też korzystać z innych źródeł ciepła, niż spalanie), jest to silnik spalania otwartego.
• silnik turbowałowy jest to silnik turbinowy, z którego moc mechaniczna odbierana jest z wału wirnika turbiny, używany głównie w lotnictwie (silniki turbośmigłowe, śmigłowcowe), w energetyce (siłownia gazowa, układ gazowo-parowy), do napędu śrub okrętowych, sporadycznie w kolejnictwie, jeszcze rzadziej w motoryzacji.

Wielkości charakteryzujące silniki spalinowe

• Pojemność skokowa (dla silników tłokowych) - zsumowana różnica pomiędzy maksymalną a minimalną objętością każdego z cylindrów w silniku spalinowym wyrażana w centymetrach sześciennych (cm³, ccm).
• Stopień sprężania (dla silników tłokowych) - stosunek przestrzeni nad tłokiem w końcowej fazie ssania do przestrzeni nad tłokiem w końcowej fazie sprężania. Stopień sprężania obliczamy ze wzoru:

$E = \frac{V_c}{V_k}$

gdzie V_c to objętość nad tłokiem po suwie ssania, a V_k to objętość nad tłokiem po suwie sprężania.

• Prędkość obrotowa - wielkość określająca ilość obrotów wału korbowego na minutę. Jednostka:

$\omega =\frac{n}{t} \,\,\left[ \frac{\text{obr}}{\text{min}}\right]$

• Maksymalny moment obrotowy - maksymalny moment obrotowy przekazywany z wału silnika do układu napędowego.
• Moc silnika - stosunek wykonywanej pracy do czasu jej wykonania. Jednostki mocy:
  • 1 KM = 0,736 kW
  • 1 kW = 1,36 KM
• Objętościowy wskaźnik mocy (dla silników tłokowych) - stosunek mocy silnika do objętości wszystkich cylindrów w końcowej fazie suwu ssania.

$Pr = \frac{P}{Vss} \,\, \left[\frac{\text{kW}}{\text{dm}^3}\right]$

• Jednostkowa moc wewnętrzna (dla silników turbinowych) - stosunek mocy wewnętrznej silnika turbowałowego do strumienia masy czynnika na wlocie do silnika:

$N_w = \frac{N_i}{G_0}$

gdzie N_i - moc wewnętrzna turbiny [W], G₀ - strumień masy czynnika na wlocie do układu samochodu

Bibliografia

• Piotr Zając & Leon Maria Kołodziejczyk, Silniki spalinowe ISBN 83-02-07987-1