Co dzieje się w silniku czterosuwowym w ciągu jednej sekundy?
Udostępnij tę stronę
W silniku czterosuwowym jedna sekunda to intensywna sekwencja mechaniczna: tłok wykonuje dziesiątki pełnych suwów między górnym a dolnym położeniem martwym, zawory otwierają się i zamykają w idealnym synchronizmie, a spalanie wytwarzające pracę zachodzi tylko raz na dwa obroty wału korbowego. SSANIE, SPRAWANIE, PRACA I WYDMUCH: każdy z tych czterech suwów odpowiada dokładnie 180 stopniom obrotu wału korbowego, a im wyższe obroty silnika, tym dany suw jest ściskany w coraz mniejszym ułamku sekundy.
Najważniejsze informacje
- Pełny cykl trwa 720°, czyli dwa obroty wału korbowego; każdy suw zajmuje 180°.
- Praca jest wytwarzana tylko w jednym z czterech suwów: suw pracy przypada raz na 2 obroty.
- Świeca zapłonowa rozpoczyna iskrę zazwyczaj około 20° kąta wału przed górnym położeniem martwym.
- Silnik spalinowy przetwarza średnio tylko 40-45% dostarczonej energii na pracę mechaniczną.
- W silnikach przemysłowych średnia prędkość tłoka jest ograniczona do około 10 m/s.
Jak działa silnik czterosuwowy: Cztery kroki wewnątrz cylindra
Wszystko zaczyna się od definicji "suwu": suw to pełny ruch tłoka w jednym kierunku wzdłuż cylindra. Gdy tłok znajduje się w najwyższym położeniu, mówi się o górnym położeniu martwym (GMP), a w najniższym - o dolnym położeniu martwym (DMP). Cykl czterosuwowy obejmuje cztery suwy i dwa pełne obroty wału korbowego między tymi dwoma punktami. Ruch postępowy tłoka obraca wał korbowy za pośrednictwem korbowodu; na potrzeby całych czterech suwów wał korbowy obraca się o 720 stopni.
Rola zaworów w tym cyklu jest kluczowa. Zawory ssące i wydechowe są sterowane przez wałek rozrządu obracający się z połową prędkości wału korbowego. Ten stosunek półobrotowy to nie przypadek, lecz konieczność: ponieważ zdarzenia zaworowe muszą być zsynchronizowane z kątem wału korbowego, wałek rozrządu podąża za każdym cyklem z pół obrotu wału korbowego.
1. SSANIE: Zasysanie powietrza do środka przy częściowej próżni
Gdy tłok zaczyna opadać od górnego położenia martwego, zawór ssący jest otwarty. Opadanie tłoka powiększa objętość cylindra i wytwarza w środku częściową próżnię, czyli podciśnienie. Ta różnica ciśnień zasysa mieszankę powietrzno-paliwową do cylindra. Suw ssania to pełne opadnięcie tłoka od GMP do DMP i obejmuje pierwsze 180 stopni cyklu.
2. SPRAWANIE: Kondensacja energii
W dolnym położeniu martwym zawór ssący się zamyka i rozpoczyna się sprawanie. Teraz oba zawory są zamknięte; tłok, unosząc się ku górze, sprasowuje mieszaninę powietrzno-paliwową do małej objętości komory spalania. Sprasowanie pełni dwie funkcje: zapewnia dalsze odparowanie paliwa i uwalnia więcej energii podczas zapłonu. Energia zużyta na sprasowanie stanowi tylko około jedną czwartą energii wytworzonej podczas spalania; inwestycja jest więc opłacalna.
Zmierzenie stopnia sprasowania to jeden z najszybszych sposobów zrozumienia charakteru silnika. W silnikach benzynowych typowy zakres mieści się między 6:1 a 10:1; im wyższy stopień sprasowania, tym większa sprawność, ale rośnie też ryzyko samoistnego zapłonu benzyny, czyli spalania stukowego. Dlatego liczba oktanowa benzyny to miara odporności na samozapłon: wyższa liczba oktanowa pozwala na wyższy stopień sprężania.
3. Moc: Jedyne suw cyklu, który wytwarza pracę
Pod koniec suwu sprężania, około 20° kąta wału przed górnym punktem martwym świeca zapłonowa inicjuje iskrę. Dlaczego nie dokładnie w szczycie? Ponieważ czoło płomienia potrzebuje czasu, aby przejść przez komorę spalania; iskra zapala wcześniej tak, aby szczyt ciśnienia wypadał dokładnie wtedy, gdy tłok jest u góry, zapewniając skuteczny odcisk. Paląca się mieszanka pcha tłok w dół ku dolnemu punktowi martwemu, wytwarzając pracę mechaniczną, która obraca wał korbowy. W całym cyklu tylko ten suw wytwarza pracę; niezależnie od liczby cylindrów, każdy silnik czterosuwowy otrzymuje jeden suw pracy na 720 stopni. Sekret płynnej pracy silników wielocylindrowych polega na zestrojeniu tych suwów pracy na wale korbowym.
4. Wydech: Opróżnienie komory spalania
Gdy tłok osiąga dolny punkt martwy, zawór wydechowy się otwiera i w ostatnich 180 stopniach cyklu tłok, przesuwając się w górę, wypycha spaliny przez kanał wydechowy na zewnątrz. Po osiągnięciu górnego punktu martwego cylinder jest oczyszczony, zawór ssący jest gotów ponownie się otworzyć i cykl zaczyna się od nowa. Każde napełnienie cylindra oznacza ponowne ustanowienie dwuobrotowego cyklu.
Jak Długo Trwa Jeden Suw Przy Wyższych Obrotach?
Odpowiedź na to pytanie znajduje się za pomocą czystej arytmetyki. Ponieważ jeden cykl pracy trwa dwa obroty wału korbowego, obroty silnika bezpośrednio wyznaczają czas trwania suwu. Na przykład przy 1.000 obr./min silnik wykonuje około 16,7 obrotów na sekundę; pełny cykl trwa około 60 milisekund, czyli jeden suw trwa 15 milisekund. Przy 6.000 obr./min jest 100 obrotów na sekundę, a każdy suw, w tym suw pracy, spada do około 2,5 milisekundy. Spalanie, ruch zaworów i przepływ gazów muszą być zsynchronizowane w tych skalach.
Limit obrotów również wyznacza fizyka. Średnia prędkość tłoka jest funkcją skoku i obrotów; w silnikach przemysłowych prędkość ta jest ograniczona do około 10 m/s, aby nie zaburzyć smarowania ścianki cylindra. Przy wysokich obrotach pojawiają się dwa typowe problemy: jeśli sprężyny zaworowe nie nadążają, występuje " UNSUPAPfloatowanie zaworu", a kontakt tłok-zawór może poważnie uszkodzić silnik. Ponadto drgania pierścieni tłokowych mogą powodować utratę ciśnienia w cylindrze i mocy. Krótko mówiąc, granica tego, jak mały wycinek sekundy może pomieścić jeden suw, wyznaczona jest przez wytrzymałość materiałów i smarowanie.
Benzyna czy diesel: Ten sam cykl, inne zapłonowanie
Etapy cyklu czterosuwowego są takie same w obu silnikach; różnica polega na metodzie zapłonu inicjującej suw pracy. Silnik benzynowy ma zapłon iskrowy: świeca zapłonowa podpala sprężoną mieszankę. Diesel natomiast ma zapłon samoczynny; wysokie ciepło powstałe wskutek sprężania samoczynnie zapala olej napędowy, który może ulec zapłonowi pod ciśnieniami panującymi w silniku, więc świeca zapłonowa nie jest potrzebna. Skłonność oleju napędowego do zapłonu określa liczba cetanowa; działa na zasadzie dokładnie odwrotnej do liczby oktanowej benzyny. Ze względu na niską lotność oleju napędowego najczęstszą metodą uruchamiania na zimno jest użycie świec żarowych.
| Cecha | Silnik benzynowy | Silnik diesla |
|---|---|---|
| Zapłon | Zapłon iskrowy (świece zapłonowe) | Zapłon samoczynny od sprężania (ciepło sprężania) |
| Cykl | Cykl Otta | Cykl Diesla |
| Miara odporności paliwa | Liczba oktanowa | Liczba cetanowa |
| Stopień sprężania | Typowo 6:1 – 10:1 | Wysoki, sprzyjający zapłonowi od ciepła sprężania |
| Charakter obrotów | Pracuje na wyższych obrotach | Pracuje na niższych obrotach; paliwo spala się wolniej |
Fakt, że olej napędowy spala się wolniej niż benzyna, wyjaśnia, dlaczego silniki diesla pracują na niższych obrotach; a niskie obroty zmniejszają zużycie silnika. Różnica w charakterze obu silników wynika więc nie z samego cyklu, lecz z szybkości spalania paliwa.
Jak nowoczesne technologie poprawiają te 720 stopni?
Podstawowy cykl nie zmienił się od 1876 roku; zmienia się to, jak wydajnie wykorzystywany jest każdy 180-stopniowy wycinek. Na pierwszy plan wysuwają się trzy nowoczesne rozwiązania.
Zmienna faza rozrządu (VVT)
Stały wałek rozrządu optymalizuje zdarzenia zaworowe tylko w jednym zakresie obrotów. Zmienna faza rozrządu natomiast w czasie rzeczywistym dostosowuje moment otwarcia zaworów do obrotów silnika, zapewniając optymalny rozkład mocy i płynniejsze przyspieszanie. Lepsze zarządzanie mieszanką paliwowo-powietrzną poprawia sprawność spalania; przy częściowym obciążeniu zmierzono poprawę ekonomii paliwa nawet do 5%.
Wtrysk bezpośredni (GDI)
We wtrysku bezpośrednim, stosowanym obecnie w wielu czterosuwowych silnikach benzynowych, dysza wtryskiwacza sięga do komory spalania, a benzyna jest wtryskiwana do cylindra pod bardzo wysokim ciśnieniem w fazie sprężania, gdy tłok znajduje się w górnym położeniu. Paliwo nie jest już więc podawane w fazie ssania, lecz w najbardziej krytycznym wycinku cyklu, z dokładnością co do milimetra.
Turbosprężarka: Kradzież mocy z fazy wydechu
Turbosprężarka to umieszczona przy wylocie wydechu dwuczłonowy zespół turbinowy pracujący na wysokich obrotach: jedna strona zasilana jest strumieniem spalin, druga spręża powietrze doładowujące. Faza wydechu niesie energię, która w większości idzie na marne; turbosprężarka wykorzystuje to ciśnienie, więc pracuje wydajniej, wtłaczając do cylindra więcej powietrza i umożliwiając uzyskanie większej mocy z każdego suwu pracy. W konstrukcji z turbodoładowaniem zmiennym moc wyjściowa została poprawiona o 165% w porównaniu z wersją wolnossącą. Znanym ograniczeniem tej konstrukcji jest turbodziura: moc nie przychodzi natychmiast, potrzebuje obrotów i wzrostu ciśnienia; na biegu jałowym oraz przy niskich i średnich prędkościach silnik pracuje niemal jak wolnossący.
Pułap wydajności i krótka historia
Silnik spalinowy przekształca w pracę mechaniczną średnio tylko 40-45% dostarczonej energii; najbardziej sprawne silniki o cyklu Otta pracują z wydajnością cieplną około 30%, a reszta ciepła tracona jest na tarcie i w osprzęcie. Co więcej, silniki mogą być celowo budowane nieco mniej wydajnie, aby umożliwić kontrolę emisji, taką jak katalizator. Cykl Atkinsona natomiast zapewnia wydajność kosztem gęstości mocy i jest stosowany we współczesnych układach hybrydowych; wiele nowoczesnych silników realizuje tę oszczędność dzięki niekonwencjonalnym fazom rozrządu zaworów, które wytwarzają efekt krótkiego sprężania i długiego suwu pracy.
Historia również jest pouczająca: Otto w 1861 roku, testując silnik Lenoira, zauważył wpływ sprężania na wydajność; w 1876 roku Otto i Langen stworzyli pierwszy udany silnik spalinowy, który sprężał mieszankę paliwową przed spalaniem. W 1883 roku Daimler i Maybach zbudowali pierwszy szybki silnik Otto, a w 1885 roku Daimler Reitwagen stał się pierwszym na świecie pojazdem z silnikiem spalinowym; w 1886 roku Karl Benz opracował swój pojazd z silnikiem czterosuwowym, uznawany za pierwszy samochód. Silnik wysokoprężny jest technicznym udoskonaleniem cyklu Otto z 1876 roku: Rudolf Diesel stworzył swój udany silnik w 1893 roku. Dziś konstrukcja czterosuwowa jest najpowszechniejszą architekturą silników spalinowych w pojazdach drogowych - od samochodów osobowych po ciężarówki, od spalinowych pociągów po lekkie samoloty i motocykle.
Podsumowanie: Cztery suwy o 180 stopniach
Cała fizyka silnika czterosuwowego sprowadza się do czterech segmentów, na które dzieli się 720-stopniowy obrót wału korbowego: napełnianie podciśnieniem, sprężanie w zamkniętej objętości, spalanie jednorazowo wytwarzające pracę oraz oczyszczanie. Rozrząd zaworowy, wtrysk i turbosprężarki - wszystkie te technologie służą temu samemu celowi; wyciśnięciu większej wydajności z każdej milisekundy tych segmentów. Gdy ta podstawa jest jasna, reszta technologii silnikowych - od stopnia sprężania po turbodziurę - staje się znacznie bardziej czytelna.