Symfonia cylindrów

Pierwszym, co przyciąga nasza uwagę w napotkanym samochodzie prawie zawsze jest wygląd. Nie można się temu dziwić. Wysiłkiem specjalistów od stylistyki producenci prześcigają się w innowacjach, nieustannie poprawiając to, co do niedawna zdawało się idealne. Kiedy jednak ochłoniemy z pierwszego wrażenia, warto postarać się poznać lepiej charakter auta. Istoty motoryzacji należy przecież szukać głębiej! Pod szczelnym płaszczem karoserii skrywa się to od czego wszystko się zaczęło, to co niezmiennie wzbudza dreszczyk emocji, serce każdego samochodu, jego silnik.

Tutaj również rzesze inżynierów angażują swe siły, tocząc od lat nieustającą walkę o każdy koń mechaniczny mocy, o każdy gram zużywanego paliwa, o każdy decybel... Zwykle nie do końca zdajemy sobie sprawę, iż fakt że z coraz większą przyjemnością zasiadamy za kółkiem, jest w znacznym stopniu efektem ich wysiłku. By zrozumieć na czym polega ta praca, poznać trzeba choć w zarysie podstawy budowy i kinematyki silników, ugryźć choć kęs chleba powszedniego ich konstruktorów... Tutaj spróbuje przedstawić choć okruszek.

Grupa jednostek napędowych stosowana w pojazdach samochodowych obejmuje tak zwane silniki spalinowe tłokowe. Są to maszyny cieplne, przetwarzające w reakcji spalania energię chemiczną mieszanki paliwowej na energię cieplną, a następnie na mechaniczną za pomocą układu tłokowo-korbowego.

Zasadniczymi elementami roboczymi są tutaj tłoki. Wykonują one ruch postępowo zwrotny w cylindrach. Następnie ruch liniowy tłoków zamieniany jest na obrotowy przez mechanizm korbowy. Swoistą ramę a jednocześnie obudowę dla układu roboczego stanowi blok silnika. Ustala on tory posuwu tłoków i położenie wału korbowego. Blok zwieńczony jest głowicą zawierającą układ sterowania zaworami (tzw. rozrząd) Prace układu wymuszają siły nacisku na powierzchnie tłoków wywoływane przez następujące cyklicznie reakcje spalania paliwa. Do pełni szczęścia potrzeba jeszcze współpracy podzespołów doprowadzających paliwo, usuwających spaliny a także układów chłodzenia i smarowania.

Działanie silnika spalinowego tłokowego odbywa się w cyklu złożonym z kilku faz. Fazy te opisują przemiany zachodzące w komorze spalania, czyli przestrzeni ograniczonej górną powierzchnią tłoka, ścianami cylindra i głowicą. Pełny cykl może odbyć się w czasie czterech lub dwóch tak zwanych suwów, czyli ruchów tłoka w zakresie pomiędzy jego maksymalnymi położeniami. Stąd mówimy o silnikach cztero i dwusuwowych.

W cyklu czterosuwowym poruszający się w górę tłok zmniejsza objętość komory spalania, tym samym spręża mieszankę paliwową dostarczoną tam wcześniej. Jest to suw sprężania. Następnie, gdy tłok minie maksymalne górne położenie, przy najwyższym możliwym do osiągnięcia ciśnieniu paliwa, następuje zapłon. W komorze silnie wzrasta temperatura i ciśnienie, które wywierając nacisk na tłok przesuwa go w dół do maksymalnego dolnego położenia (suw rozprężania - pracy). Poruszając się znów w górę, tłok usuwa z cylindra gazy pozostałe po spaleniu mieszanki (suw wylotu), po czym opada, zasysając jej kolejną porcję (suw ssania).

W cyklu dwusuwowym faza sprężania i pracy przebiega analogicznie. Natomiast procesy zasysania mieszanki i usuwania spalin odbywają się z wykorzystaniem zmian ciśnienia w cylindrze i nie wymagają osobnych ruchów tłoka. By to umożliwić wykorzystywana jest przestrzeń pod tłokiem, do której niczym do strzykawki, zasysane jest paliwo podczas suwu sprężania. W czasie rozprężania natomiast dostaje się ono kanałem przelewowym do komory spalania, wypychając jednocześnie gazy spalinowe.

W praktyce w silniku czterosuwowym jeden suw roboczy przypada na trzy suwy bierne a w dwusuwowym relacja ta wynosi 1:1. Zdawałoby się, że wyższa proporcja pracy użytecznej uzyskiwana w dwusuwach postawi je wyżej od silników czterosuwowych, lecz aspekty ekologiczne i niska kultura pracy mocno ograniczają ich stosowanie. Kto jechał Trabantem, a zwłaszcza za Trabantem, wie o co chodzi...

Jeszcze dwa słowa o paliwach. Intuicyjnie każdy wie, że są to związki chemiczne podlegające w odpowiednich warunkach reakcji gwałtownego spalania. Najczęściej stosowanie są pochodne ropy naftowej: etylina, olej napędowy, LPG (Liqid Petroleum Gas - skroplony gaz ropopochodny), a także CNG (Compressed Natural Gas - gaz ziemny), oleje roślinne i alkohole (metanol, etanol). To jednak nie wystarczy, bo nawet najbardziej palna substancja nie zapali się w zamkniętej komorze bez dostępu tlenu. Dlatego instalacje dostarczające paliwo do silnika tworzą mieszankę paliwowo-powietrzną i rozpylają ją w cylindrach w postaci mgiełki, uzyskując efekt spalania wybuchowego.

Przez prawie 150 lat historii motoryzacji w silnikach wykorzystujących wyżej opisaną zasadę przemiany energii wyodrębniło się kilka rodzajów, zróżnicowanych pod względem zasady inicjowania reakcji spalania. i rozwiązań konstrukcyjnych budowy.

Ze względu na zasadę zapłonu wyróżniamy:
- silniki o zapłonie iskrowym
- silniki o zapłonie samoczynnym

Różnice w budowie dotyczą przede wszystkim położenia tłoków, można tu wskazać:
- silniki rzędowe
- silniki widlaste
- silniki przeciwsobne
- silnik Wankla

W silnikach o zapłonie iskrowym (ZI), zwanych również benzynowymi, niskoprężnymi lub silnikami Otta, zapłon realizowany jest za sprawą iskry wywoływanej na świecy zapłonowej przez impuls elektryczny. Jest to najstarsze i najprostsze rozwiązanie. Jako paliwa stosuje się tutaj etyliny i paliwa gazowe.

Nieco bardziej skomplikowane jest działanie silników o zapłonie samoczynnym (ZS). Tutaj w fazie ssania do komory spalania dostarczane jest jedynie powietrze. Następnie wraz ze wzrostem ciśnienia podczas sprężania gwałtownie rośnie jego temperatura, zwykle do około 700 °C. Dopiero wtedy wtryskiwane jest paliwo, które w atmosferze gorącego, sprężonego powietrza zapala się samoczynnie. Silniki tego typu są również nazywane wysokoprężnymi, lub Diesla, jako paliwa potrzebują oleju napędowego lub olejów roślinnych.

Chyba każdemu nasuwa się tutaj pytanie, co uzasadnia stosowanie skomplikowanego zapłonu samoczynnego wobec alternatywy prostego ZI? Otóż, eksperymenty nad pierwszymi silnikami Otta wykazywały, że wraz ze wzrostem stopnia sprężania, rośnie efektywność przemiany energii. Możliwość sprężania mieszanki paliwa z powietrzem jest jednak ograniczona jeśli mamy zamiar zapalić ją przy użyciu iskry. Po prostu przy pewnej wartości ciśnienia, na skutek rosnącej temperatury, nastąpi samozapłon. Dlatego powstała idea sprężania samego powietrza i zapłonu samoczynnego. Samo rozwiązanie techniczne na niewiele by się jednak zdało gdyby próbować spalać przy jego pomocy etylinę. Sprawę rozwiązał olej napędowy... Paliwo o wyższej temperaturze samozapłonu pozwoliło znacznie podnieść stopień sprężania i wykorzystać potencjał ciśnienia. By lepiej uwidocznić uzyskane tą drogą korzyści warto przywołać parametr sprawności. Jest to stosunek uzyskanej energii mechanicznej do dostarczonej w paliwie energii chemicznej wyrażony w procentach. Dla silników wysokoprężnych sprawność wynosi około 26%. Zdawało by się że mało a to i tak dwa razy więcej niż dla benzyniaków.

Oba typy silników mogą pracować zarówno w cyklu dwu, jak i czterosuwowym. Różnica w sposobie wywoływania zapłonu wymusza jednak rozbieżności konstrukcyjne. Diesle wymagają masywniejszej budowy by wytrzymywać duże ciśnienia (do około 7-8 MPa) i precyzyjnych, skomplikowanych układów dostarczających paliwo. Trzeba również rozwiązywać problemy z rozruchem przy niskich temperaturach, gdy sprężone powietrze ochładza się od zimnych ścianek cylindra.

Ewolucja technicznych rozwiązań kwestii zapłonu trwa jednak nadal i czasem przybiera postać rewolucji... Prezentowane ostatnio prototypowe koncepcje idą w kierunku połączenia cech silnika benzynowego i Diesla. Tzw. "Diesotto", stworzony przez Mercedesa, spala etylinę bezołowiową, lecz zmienny stopień sprężania i bezpośredni wtrysk paliwa sprawia, że zapłon mieszanki następować może, w zależności od potrzeb, na skutek iskry lub samoczynnie.

Ważnym problemem z jakim zmagają się twórcy silników od zarania dziejów motoryzacji są dynamiczne skutki wykorzystanej w nich zasady kinematycznej, czyli krótko mówiąc drgania. Już sama zasada cyklu czterosuwowego wykazuje tendencje do nierównej pracy spowodowanej zwalnianiem układu w czasie suwów biernych i przyspieszaniem przy rozprężaniu. Problem ten jest tym mniejszy im więcej zastosowano cylindrów i w zasadzie od sześciu w górę nie ma znaczenia. Ponadto skomplikowany kształt wału korbowego i konieczność gwałtownych zmian kierunku ruchu tłoków powodują powstanie złożonego układu sił i momentów bezwładności. Bezpośrednim ich skutkiem jest zwiększenie wartości obciążeń poszczególnych elementów silnika i połączeń między nimi, a w konsekwencji szybsze zużycie. Zatem odpowiednie wyważenie (zniwelowanie niekorzystnych sił bezwładności) skutkuje nie tylko poprawą kultury pracy, lecz także trwałości. Oto główny powód tworzenia silników o różnym wzajemnym ułożeniu tłoków. Główny, lecz nie jedyny...

Bezsprzecznie najczęściej stosowanym, chciałoby się powiedzieć powszechnym rozwiązaniem jest pionowe ustawienie tłoków czyli tzw. układ rzędowy (schemat powyżej). Pod względem dynamiki daleko mu jednak do ideału, a skala jego stosowania wynika z jednego prostego powodu - niskich kosztów wytwarzania. Silniki tego typu można dobrze wyważyć mając do dyspozycji co najmniej sześć cylindrów, to jednak rzadkość ze względu na gabaryty. Silnik rzędowy o takiej liczbie "garów" będzie po prostu długi i trudny do zamontowania w większości samochodów. Ponadto rynkowe tendencje do ograniczania zużycia paliwa, spowodowały ze niemal kanonem stały się rzędowe czwórki.

Próbą rozwiązania problemu gabarytów i wyważenia jest konstrukcja widlasta, czyli ustawienie cylindrów w dwóch rzędach pod kątem 90 lub 60 stopni (schematy powyżej). daje to znaczne skrócenie w stosunku do rzędówki i pozwala zabudować silnik o większej liczbie cylindrów w mniejszej przestrzeni. Jednak coś za coś, gdyż taka konstrukcja potrzebuje dwóch głowic, które wymagają precyzyjnej obróbki, co znacznie podnosi koszty. Układ widlasty nie jest ideałem, co najwyżej próbą zbliżenia się do niego. W kwestii dynamiki będzie górą, gdy jednostkę V6 porównamy z rzędową czwórką. Przeważają jednak opinie, że już sześć cylindrów w rzędzie pracuje lepiej niż ta sama ilość w układzie widlastym.

Ale można posunąć się jeszcze dalej i ustawić tłoki poziomo, tak, by pracowały ułożone przeciwsobnie, na tym samym poziomie co wał korbowy. Powstanie silnik o cylindrach rozchylonych o kąt 180 stopni (schemat powyżej). Tutaj również potrzebne są dwie głowice, lecz wydatek opłaca się znacznie bardziej. Wyważenie silnika jest bardzo dobre już przy czterech cylindrach, przy sześciu idealne. Tylko że... Nie jest to może wada, ale trzeba wspomnieć - silnik wprawdzie zajmuje mało miejsca, lecz jego nietypowy, płaski kształt ogranicza użycie do zastosowań "specjalnych" - stąd tego typu najczęściej siedzą z tyłu... a właściwie leżą. Jednostki, w których leżące naprzeciw siebie tłoki wykonują ruch w przeciwnych kierunkach nazywamy boxerami (ze względu na "boksujący" ruch właśnie). Często określenie to stosowane jest również mylnie do płaskich silników widlastych.

Na koniec pozostaje przedstawić konstrukcje Wankla, zaliczaną do rodziny silników spalinowych tłokowych ze względu na analogiczną zasadę przemiany energii, jej budowa i kinematyka jest jednak całkiem inna. Tłok ma tutaj kształt zbliżony do trójkąta, nie wykonuje ruchu postępowo zwrotnego lecz obrotowy, a komorę spalania tworzą jego zewnętrzne ścianki i powierzchnia cylindra. Zastosowany wał ma przekrój kołowy. Jest umieszczony mimośrodowo wewnątrz tłoka i zazębiony z nim. Powierzchnia cylindra jest ukształtowana w ten sposób, że obracanie się tłoka powoduje zmiany objętości komory spalania, co umożliwia realizację tego samego, czterofazowego cyklu działania, znanego z układów tłokowo korbowych. Paliwo zasysane jest w fazie zwiększenia rozmiarów, następnie objętość maleje powodując sprężanie, po zapłonie mieszanki przestrzeń komory znów się zwiększa, umożliwiając rozprężanie a następnie maleje by usunąć spaliny. Trójkątny tłok ma trzy powierzchnie robocze, dzięki czemu jednoczenie przebiegają trzy cykle, znajdujące się w danym momencie w różnych fazach. Ponadto w silnikach Wankla uzyskuje się od razu energię kinetyczną w postaci ruchu obrotowego, który wystarczy przekazać na wał za pomocą przekładni zębatej. Te czynniki w połączeniu z kołowym przekrojem wału i zastąpieniem ruchu postępowo-zwrotnego tłoka ruchem obrotowym, pozwalają osiągnąć niespotykany w innych konstrukcjach poziom kultury pracy. Z mechanicznego punktu widzenia wadę stanowi tu trudność realizacji uszczelnienia pomiędzy tłokiem a cylindrem.

Poznając zasadę pracy silników wyobrażaliśmy sobie dotąd jak tłok przesuwa się to w górę to w dół realizując kolejne fazy działania. A teraz wyobraźmy sobie, że gdy wskazówka obrotomierza zbliża się do niezbyt wysokiej przecież wartości 3000, nasz tłok wykonuje w każdej minucie prawie 6000 suwów, w tym samym czasie 1500 razy eksploduje mieszanka paliwowa! Wartości te trzeba przemnożyć przez liczbę cylindrów a cięższym butem można je jeszcze podwoić! Cały czas układ rozrządu wprowadza mieszankę i umożliwia ujście spalin, zapłon następuje w momencie największego ciśnienia. A to wszystko precyzyjnie wpasowane w poszczególne fazy posuwu tłoka, trwające setne części sekundy... Symfonia!

Tekst i rysunki: Michał Soja, 02.2008