Eshop roka 2025 s vykurovacou technikou
Wsparcie klienta:0917 133 662info@atria.sk
    Ceny w:
    Home / Słownik terminów / silnik spalinowy

    silnik spalinowy

    Motor spalinowy (w szerszym znaczeniu) to maszyna, która poprzez spalanie paliwa przemienia jego energię chemiczną na pracę mechaniczną. Do spalania paliwa, albo paliwowej mieszanki może dochodzić w silniku, ale również poza silnikiem. W węższym znaczeniu pod pojęciem silnika spalinowego zwykle rozumie się silnik tłokowy spalinowy.[1]. Artykuł odnosi się do silnika spalinowego w szerszym znaczeniu.

     

    Zasada działania

    Niektóre substancje, ogólnie nazywane paliwami, są zdolne do reakcji chemicznej spalania, w której uwalnia się ciepło. Jeśli uwalniane ciepło ogrzewa czynnik plynowy, zgodnie z równaniem stanu zwiększa się jego ciśnienie, albo objętość, w zależności od tego, czy znajduje się w zamkniętym, czy otwartym przestrzeni. Ten stan gazu możemy wykorzystać do wykonania pracy mechanicznej, albo poprzez działanie ciśnienia na ruchomą część silnika, albo poprzez wykorzystanie zasady akcji i reakcji przy wypływie czynnika roboczego z silnika. Wyjęcie uzyskanej pracy mechanicznej w wykorzystalnej formie jest już tylko kwestią odpowiedniego rozwiązania konstrukcyjnego. Cały proces przebiega zgodnie z drugą zasadą termodynamiki z pewną sprawnością.

    Jedna z wariantów ogólnego zasady jest obecna w realizacji każdego silnika spalinowego. W tym przypadku obowiązuje:

    • paliwa mogą być stałe, ciekłe lub gazowe,
    • środowisko, w którym spalają się najczęściej jest powietrze ale może to być również inna substancja,
    • spalanie może przebiegać wewnątrz lub poza silnikiem,
    • czynnik plynny może być samodzielny, albo może to być bezpośrednio spaliny,
    • czynnik plynny wymienia się stopniowo, albo jest zamknięty w silniku,
    • ruchoma część silnika, na którą działa czynnik plynny może się poruszać różnym sposobem,
    • do uzyskania pracy mechanicznej można wykorzystać jeden, drugi, albo oba sposoby razem.

    Z powyższego wynika, że grupa silników spalinowych obejmuje dużą liczbę typów i różnych rozwiązań konstrukcyjnych, dlatego jest przydatne zastosowanie odpowiednich kryteriów do ich podziału.

     

    Podział

    Silniki spalinowe dzielą się według kilku kryteriów. Poszczególne kryteria są wzajemnie niezależne, dlatego w tym przypadku nie da się stworzyć prostej struktury drzewiastej

    Podstawowy podział

    Silniki spalinowe dzielą się:

    1. zgodnie z tym, gdzie dochodzi do spalania (w silniku czy poza nim) na
    2. zgodnie z cyklem pracy na
    3. Zgodnie z podstawowym zasadą działania na:
    4. Silniki tłokowe spalinowe zgodnie z sposobem wywołania spalania dzielą się na:

    W codziennej praktyce dziś pod silnikiem spalinowym rozumie się silnik spalinowy z wewnętrznym spalaniem.

    Dalsze podziały

    Istnieją również bardziej szczegółowe kryteria. Poniższa lista kryteriów nie jest kompletna, ponadto poszczególne kategorie silników spalinowych, np. turbiny, mają własne specyficzne kategorie.

    • zgodnie z rodzajem spalanych paliw silniki dzielą się na:
    • zgodnie z miejscem przygotowania mieszanki:
      • z tworzeniem mieszanki poza przestrzenią roboczą - np. w karburatorze, komorze spalania
      • z tworzeniem mieszanki w przestrzeni roboczej - np. w cylindrze silników samozapłonowych
    • zgodnie z sposobem przygotowania mieszanki:
    • zgodnie z sposobem, w jaki powietrze dostaje się do cylindrów:
      • silniki z naturalnym wypełnieniem cylindrów (atmosferycznym), kiedy wciąganie zapewnia tylko podciśnienie wywołane ruchem tłoka w cylindrze,
      • przepompowany silnik, kiedy wypełnienie cylindra pod wyższym ciśnieniem niż ma otaczająca atmosfera zapewnia dodatkowe urządzenie w systemie wypełnienia. Urządzeniami wypełniającymi mogą być mechaniczne wentylatory albo również sprężarki, np. w samochodzie VW Corrado (G-Lader), albo sprężarki używane w samochodach Bentley (Bentley Blower) turbołopatek, np. w silnikach TDI od firmy VW.
    • zgodnie z przeznaczeniem pracy na: stacjonarne, mobilne, przemysłowe, elektrowniowe, łódzkie, kolejowe, pojazdowe, traktorowe, specjalne i inne.

    Silnik tłokowy spalinowy

    Więcej informacji w głównym artykule: Silnik tłokowy spalinowy

    Te silniki są największą grupą silników spalinowych w urządzeniach technicznych. Praktycznie wyłącznie stosuje się je do napędu pojazdów motorowych. Ich podstawową częścią jest tłok, który wykonuje ruch posuwisty albo ruch obrotowy i pośredniczy w zamianie energii ciśnienia gazu na energię mechaniczną obrotowego wala.

    Silnik zapłonowy

    Więcej informacji w głównym artykule: Silnik zapłonowy spalinowy

    Podstawową cechą silników zapłonowych jest to, że mieszanka nad tłokiem w cylindrze zapala się najczęściej iskrą między elektrodami świeczki. Mieszanka do zapalenia potrzebuje zewnętrznego źródła energii. Silnik zapłonowy może pracować jako dwuprzestronny, albo czteroprzestronny.

    Silnik samozapłonowy

    Więcej informacji w głównym artykule: Silnik samozapłonowy

    Podstawową cechą silników samozapłonowych jest to, że mieszanka, która tworzy się dopiero bezpośrednio w przestrzeni spalania, zapala się od tzw. ciepła sprężenia. Te silniki mają taki wysoki stosunek sprężania, że przy sprężeniu powietrza wciągniętego do cylindra jest w momencie wtrysku paliwa w przestrzeni spalania temperatura wyższa, niż jest temperatura zapłonu paliwa. Również silnik samozapłonowy może pracować jako dwuprzestronny, albo czteroprzestronny.

    Silnik rakiety

    Więcej informacji w głównym artykule: Silnik rakiety

    Silnik rakiety ma specjalne miejsce między innymi silnikami spalinowymi:

    • czynnik roboczy nie jest pobierany podczas działania z atmosfery, ale oprócz paliwa musi mieć w zapasie wystarczającą ilość tlenku
    • użytecznym wyjściem silnika nie jest praca mechaniczna, ale efekt reaktywny spalin
    • oprócz systemów pomocniczych (np. pompy, obracanie dyz) nie zawiera w głównym systemie zamiany energii ruchomych części.

    Z uwagi na wymienione zasadnicze różnice niektóre części poniższego tekstu nie odnoszą się do silników rakietowych.

    Historia

    Pierwsze projekty wykorzystania prochu strzelniczego, jako źródła energii mechanicznej pojawiły się już w XVII wieku. W Francji zajmowali się tym Hautefeuille i Denis Papin, w Holandii Christian Huygens. Na końcu XVIII wieku zaprojektował Street w Wielkiej Brytanii wykorzystać mieszanke paliwa ciekłego z powietrzem i Barber zaprojektował pierwszą turbinę spalania. W XIX wieku zaopatrzył Lebon dwastronną turbinę gazową, S. Brown zbudował turbinę gazową i w roku 1826 zaadaptował ją do pojazdu. Étienne Lenoir skonstruował w roku 1860 dwastronną turbinę gazową na gaz świetlny. W roku 1867 Nikolaus Otto i Langen skonstruowali atmosferyczną turbinę gazową, w roku 1873 Reithmann czteroprzestrzenną turbinę gazową, w roku 1878 znowu Otto leżącą czteroprzestrzenną turbinę gazową jednostronną. W roku 1879 skonstruował Kostovič zapłonowy silnik o mocy nawet 60 kW do napędu statków powietrznych. W roku 1884 Gottlieb Daimler skonstruował pierwszy czteroprzestrzenny silnik zapłonowy o wysokich obrotach. W roku 1893 opisał Rudolf Diesel obieg pracy do wykorzystania pyłu węgla, albo innych ciężkich paliw. W 10 lata XX wieku przeprowadzano eksperymenty z wtryskiem paliwa pompą, a nie przez sprężone powietrze. Seryjną produkcję samochodów, a więc również ich silników rozpoczęła w roku 1908 firma Ford. W roku 1912 zbudowała szwajcarska firma Sulzer pierwsze lokomotywy, napędzane naftą.

    Zalety i wady silników spalinowych

    Każdy typ silnika spalinowego ma swoje zalety i wady, dlatego jest bardziej lub mniej odpowiedni do napędu poszczególnych urządzeń.

    Główne zalety silników spalinowych to:

    • w wersji tłokowej osiągają wysokie sprawności zamiany energii. Turbiny spalania osiągają wysoką sprawność tylko w jednostkach o wysokiej mocy
    • można je szybko włączyć do pracy (z wyjątkiem silników o dużych mocach)
    • można je skonstruować dla różnych paliw, celów i wielkości
    • najbardziej z paliwami ciekłymi umożliwia osiąganie niskich zużyc paliwa, wysokiego promienia działania, niskich mas mocy, tzn. są odpowiednie do napędu środków transportu.

    Główne wady silników spalinowych to:

    • niewłaściwe działanie na środowisko naturalne
    • wymagają zewnętrznego źródła energii do startu (oprócz rakietowych)
    • silniki tłokowe mają niekorzystny przebieg charakterystyk mocy
    • niedoskonała żywotność

    Podsystemy

     
    Elektryczny starter

    Do prawdziwej pracy silnika potrzebne są dodatkowe podsystemy.

    • System paliwa zapewnia przechowywanie, dystrybucję i filtrowanie paliwa.
    • System przygotowania mieszanki zapewnia przygotowanie mieszanki spalania powietrza i paliwa w wystarczającej ilości, jakości i odpowiednim składzie.
    • System chłodzenia zapewnia odprowadzenie resztkowego ciepła i pracę silnika w optymalnym termicznym trybie.
    • System smarowania zapewnia smarowanie ruchomych części silnika.
    • System sterowania (dzisiaj prawie wyłącznie elektroniczny) zapewnia regulację pracy silnika na podstawie warunków zewnętrznych i samego stanu silnika.
    • System elektryczny zapewnia wystarczającą energię dla systemów napędzanych energią elektryczną.
    • System zapłonowy (u silników zapłonowych) zapewnia niezawodne zapalenie mieszanki w przestrzeni spalania.

    Regulacja mocy

    Moc silnika spalinowego zależy głównie od ilości energii uwolnionej przez spalanie paliwa. Ilość uwolnionej energii można regulować dwoma sposobami.

    1. Regulacja ilości mieszanki, inaczej nazywana również ilościową regulacją. Przy mniejszej ilości mieszanki uwolni się mniej energii i dlatego silnik odda mniejszą moc. Tę regulację wykorzystują silniki zapłonowe bez działania z homogeniczną mieszanką. Najczęściej ta regulacja jest realizowana przez zawór przepustowy w rurze ssącej.
    2. Regulacja składu mieszanki, inaczej nazywana również jakościową regulacją. Ta sama ilość mieszanki, która zawiera mniej paliwa, uwolni mniej energii. Tę regulację wykorzystują głównie silniki samozapłonowe z heterogeniczną mieszanką. Najczęściej ta regulacja jest reprezentowana przez zmianę długości wtrysku paliwa.

    Składniki mieszanki

    Paliwa

    Jako paliwa najczęściej stosuje się węglowodory: lekko parowalne (benzyna), ciężko parowalne (nafta), sprężony gaz ziemny (CNG), skroplony propan-butan (LPG), alkohole (metanol, etanol).

    Stosuje się również ich różne mieszankie, albo silnik jest wielopaliwowy z przełączaniem paliwa podczas jazdy. W ostatnich czasach do paliw zaczynają dodawać się biologiczne dodatki, jak np. metylester rzepakowy (MERO).

    Intensywnie pracuje się nad zastąpieniem ropnych paliw wodorem.

    Powietrze

    Ponad paliwo, konieczną składnikiem mieszanki dla większości silników spalinowych jest powietrze, ponieważ zawiera tlen wymagany do spalania.

    Bilans energetyczny

    Ciepło wprowadzone w paliwie w silniku spalinowym dzieli się następująco:

    Qd = Qe + Qch + Qv + Qns + Qol + Qzv

    • Qd - ciepło dostarczone w paliwie
    • Qe - ciepło równoważne pracy użytecznej silnika
    • Qch - ciepło odprowadzone do systemu chłodzenia
    • Qv - ciepło odprowadzone gazami spalinowymi
    • Qns - ciepło nie wykorzystane z powodu niekompletnego spalenia paliwa, nazywane również stratami chemicznymi
    • Qol - ciepło odprowadzone olejem smarnym
    • Qzv - ciepło nie uwzględnione w poprzednich członach (inne straty)

    Podział najbardziej wyraźnych składników równania jest przedstawiony w tabeli, przy czym Qd odpowiada 100 %.

    Rodzaj silnika % Qe % (Qch + Qol) % Qv
    zapłonowy 21 do 28 12 do 27 30 do 55
    samozapłonowy 29 do 42 15 do 35 25 do 45

    Energię cieplną, która powoduje ogrzewanie silnika i spalin (Qch, Qv, Qol) jest nie wykorzystalna i nazywa się stratową energią.

    Z powyższego porównania wynika, że silnik samozapłonowy wykorzystuje dostarczoną energię bardziej efektywnie, pracuje więc z wyższą sprawnością.

    Z energii cieplnej równoważnej pracy użytecznej Qe jest jeszcze część zużywana na straty mechaniczne (tarcie i napęd pomocniczych agregatów).

    Emisje

     
    Silniki spalinowe to ważne źródło emisji
    Więcej informacji w głównym artykule: Emisje środków transportu

    Silnik spalinowy z uwagi na jego masowe rozprzestrzenienie należy do ważnych źródeł zanieczyszczenia środowiska naturalnego. Naturalnym produktem idealnego spalania paliwa węglowodorowego są

    Oprócz nich powstają również inne szkodliwe związki:

    • NOx - tlenki azotu, najbardziej zastępowane tlenkiem azotu (IV). Powstają dysocjacją azotu przy wysokich temperaturach i jego późniejszą oksydacją.
    • NH3 - amoniak. Powstają z powodu niedostatecznego spalania paliwa.
    • CO - tlenek węgla (II). Powstaje z powodu niekompletnego spalania bez dostatecznego dostępu powietrza (tlen).
    • CHx - niespalone węglowodory. Powstają z powodu niedostatecznego spalania paliwa.
    • SO2 - tlenek siarki (IV). Powstaje z powodu spalania zanieczyszczeń siarki w paliwie.
    • O3 - ozon. Powstaje w reakcjach NOx i CHx.
    • cząstki stałe - rozpuszczalne, albo nierozpuszczalne (sadza) - głównie w silnikach spalających ciężko parowalne paliwa (dieselowe silniki).
    • aldehydy - częściowo naoksydowane węglowodory.

    Silnik spalinowy jest również ważnym źródłem emisji hałasu.

    Zmniejszanie emisji

    Przy obecnej poziomie wiedzy nie jest możliwe zastąpienie silnika spalinowego masowo innym alternatywnym napędem, odpowiednim dla ruchu drogowego, któryby zachował zalety silnika spalinowego i nie miałby jego wad. Dlatego producenci silników i pojazdów motorowych intensywnie pracują nad zmniejszeniem negatywnych skutków stosowania silników spalinowych.

    Przy zmniejszaniu emisji można wykorzystać niektóre z poniższych technik:

    • Zwiększenie sprawności silnika. Ta technika przynosi zmniejszenie zużycia paliwa, co proporcjonalnie zmniejsza również objętość emisji wytworzonych przez silnik przy innych równych warunkach. Dla zmniejszenia emisji C02 jest to jedyna możliwa technika, ponieważ tlenek węgla (IV) jest produktem idealnego (i zatem czystego) spalania.
    • Użycie dodatkowych urządzeń. Zadaniem tych urządzeń jest zwiększenie czystości gazów spalinowych przed wypuszczeniem do atmosfery. Techniczną realizacją są katalizatory (trójdrogowe, albo reagujące tylko na określony składnik) albo filtracja spalin.
    • Zmiany konstrukcyjne silnika. Chodzi głównie o zmiany stosunku sprężania, czasowania wentylów, wielkości i kształtu otworów wtryskowych, zwiększenie liczby wentylów, zmiana kształtu przestrzeni spalania, zmniejszenie strat tarcia.
    • Wpływ na przebieg spalania. Realizuje się to zmianą czasowych i objętościowych przebiegów wtrysku, wykorzystaniem świeczek żarzących się również przy niskich obciążeniach, zmianą przepływu napełnienia w cylindrze.
    • Zmiana paliw. Pożądane są paliwa z wyższym udziałem wodoru, niższym zawartością siarki i wielocyklicznych węglowodorów, z podwyższonym cetanową i oktanową liczbą.
    • Zmiana cyklu pracy. Dla silników z ilościową regulacją można wykorzystać technikę wyłączania cylindrów CDA (Cylinder DeActivation).
    • Wpływ na napełnianie cylindrów. Przy częściowych obciążeniach można wykorzystywać technikę recyrkulacji gazów spalinowych - EGR (Exhaust Gas Recilculation).
     
    Vytvořil Shoptet | Design Shoptak.cz.