mały|Schemat cylindra (silnik czterosuwowy): C – wał korbowy, E – wydechowy wałek rozrządu, I – wałek rozrządu ssania, P – tłok, R – korbowód, S – świeca zapłonowa, V – zawory silnikowe (czerwony – wylot, niebieski – wlot), W – chłodzący płaszcz wodny, szara struktura – blok silnika. 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.
framed|right|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.
W silnikach tłokowych cykl pracy realizowany jest najczęściej w czterech suwach (ssanie, sprężanie, praca, wydech – silnik czterosuwowy) albo w dwóch (silnik dwusuwowy), w którym wymiana ładunku odbywa się w okolicach zwrotu zewnętrznego tłoka. Silniki czterosuwowe dominują w motoryzacji, dwusuwowe stosuje się z jednej strony w prostych urządzeniach przenośnych, z drugiej – w największych wolnoobrotowych silnikach okrętowych.
Ze względu na sposób zapłonu silniki tłokowe dzieli się na: silniki o zapłonie iskrowym (ZI), w których sprężoną mieszankę paliwowo-powietrzną zapala iskra świecy zapłonowej – zasilane zwykle benzyną lub gazem, silniki o zapłonie samoczynnym (ZS, wysokoprężne, Diesla), w których paliwo wtryskiwane do silnie sprężonego, gorącego powietrza zapala się samoczynnie.
Najczęściej spotykane konfiguracje: silnik spalinowy tłokowy o ruchu posuwisto-zwrotnym tłoka – najczęściej spotykany silnik 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 Objętość 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:
gdzie to objętość nad tłokiem po suwie ssania, a to objętość nad tłokiem po suwie sprężania. Prędkość obrotowa – wielkość określająca ilość obrotów wału korbowego na minutę. Jednostka:
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.
Jednostkowa moc wewnętrzna (dla silników turbinowych) – stosunek mocy wewnętrznej silnika turbowałowego do strumienia masy czynnika na wlocie do silnika:
gdzie – moc wewnętrzna turbiny [W], – strumień masy czynnika na wlocie do układu samochodu.
Historia Za wczesnych prekursorów silnika spalinowego uważa się konstrukcje przełomu XVIII i XIX wieku. W 1791 roku John Barber opatentował koncepcję turbiny gazowej, a w 1794 roku Robert Street opisał silnik na paliwo ciekłe. W 1807 roku bracia Nicéphore i Claude Niépce napędzali łódź na Saonie silnikiem Pyréolophore, wykorzystującym kontrolowane wybuchy pyłu, a François Isaac de Rivaz zbudował silnik wodorowy z zapłonem elektrycznym, który w 1808 roku zamontował w prymitywnym pojeździe. Autorem koncepcji silnika gazowego z zapłonem elektrycznym był też Philippe Lebon (patent z 1801 roku), a w 1823 roku Samuel Brown opatentował pierwszy silnik spalinowy zastosowany przemysłowo, montowany później m.in. w łodzi i pojeździe doświadczalnym.
W latach 1854–1857 Eugenio Barsanti i Felice Matteucci opatentowali silnik gazowy w Wielkiej Brytanii, a w 1860 roku Belg Étienne Lenoir zbudował pierwszy silnik gazowy produkowany seryjnie i stosowany w praktyce. W 1864 roku Nikolaus Otto opatentował silnik atmosferyczny, a w 1872 roku Amerykanin George Brayton skonstruował pierwszy komercyjny silnik na paliwo ciekłe.
W 1876 roku Otto, współpracujący już z Gottliebem Daimlerem i Wilhelmem Maybachem, skonstruował działający czterosuwowy silnik ze sprężaniem mieszanki, w którym cykl pracy obejmował ssanie, sprężanie, pracę i wydech. Konstrukcja ta odegrała kluczową rolę w rozwoju silników o zapłonie iskrowym. W latach 80. XIX wieku Daimler i Maybach rozwijali lekkie, szybkoobrotowe silniki czterosuwowe przystosowane do pojazdów, a Carl Benz, posiadacz patentu na dwusuwowy silnik benzynowy z 1879 roku, rozpoczął w 1886 roku pierwszą komercyjną produkcję pojazdów z silnikiem spalinowym.
Pod koniec XIX wieku Rudolf Diesel opracował silnik o zapłonie samoczynnym. Patent uzyskał w 1893 roku, a w latach 1893–1897 rozwijał konstrukcję w zakładach Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg, doprowadzając do uruchomienia pierwszego sprawnego egzemplarza. Silniki wysokoprężne znalazły później szerokie zastosowanie w transporcie drogowym, żegludze, kolejnictwie i przemyśle.
W XX wieku silnik spalinowy zdominował transport. W 1939 roku oblatano Heinkel He 178 – pierwszy samolot z napędem odrzutowym. W 1957 roku w zakładach NSU uruchomiono pierwszy silnik z tłokiem obrotowym konstrukcji Felixa Wankla. Drugą połowę stulecia wyznaczał rozwój wtrysku paliwa, doładowania i elektronicznego sterowania, a od lat 90. – układów ograniczania emisji.
Sprawność Silnik spalinowy jest silnikiem cieplnym, więc jego teoretyczną granicę sprawności wyznacza cykl Carnota, zależny od różnicy temperatur czynnika. W praktyce znaczna część energii paliwa jest tracona z ciepłem odprowadzanym przez układ chłodzenia i ze spalinami. Przeciętna sprawność samochodowych silników o zapłonie iskrowym w rzeczywistej eksploatacji wynosi około 18–20%, choć najbardziej zaawansowane konstrukcje wyścigowe Formuły 1 przekroczyły 50% sprawności cieplnej. Silniki o zapłonie samoczynnym osiągają sprawności wyższe niż iskrowe, a rekordzistami są wielkie wolnoobrotowe dwusuwy okrętowe, jak Wärtsilä RT-flex96C, przekraczające 50% sprawności cieplnej.
Emisja zanieczyszczeń i normy Spaliny silników zawierają – obok dwutlenku węgla i pary wodnej – substancje szkodliwe: tlenek węgla, tlenki azotu, niespalone węglowodory i cząstki stałe. Do ich ograniczania służą m.in. trójfunkcyjny reaktor katalityczny, filtr cząstek stałych oraz selektywna redukcja katalityczna z użyciem roztworu mocznika. W Unii Europejskiej dopuszczalne emisje pojazdów określają kolejne normy Euro, zaostrzane od normy Euro 1 z 1992 roku. Obowiązująca obecnie norma Euro 7, ustanowiona rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2024/1257, ma zastosowanie do nowych typów samochodów osobowych i dostawczych od 29 listopada 2026 roku, a do wszystkich nowo rejestrowanych egzemplarzy tych kategorii – od 29 listopada 2027 roku; po raz pierwszy obejmuje także emisję cząstek z hamulców i opon oraz trwałość akumulatorów trakcyjnychRozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2024/1257 z dnia 24 kwietnia 2024 r. w sprawie homologacji typu pojazdów silnikowych i silników w odniesieniu do ich emisji i trwałości akumulatorów (Euro 7) ().
Perspektywy Rozporządzenie (UE) 2023/851 wprowadziło wymóg stuprocentowej redukcji emisji CO2 nowych samochodów osobowych i dostawczych od 2035 roku, co w praktyce oznaczało zakończenie sprzedaży nowych aut spalinowych w Unii Europejskiej, z rozważanym wyjątkiem dla pojazdów zasilanych wyłącznie paliwami syntetycznymiRozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2023/851 z dnia 19 kwietnia 2023 r. zmieniające rozporządzenie (UE) 2019/631 w odniesieniu do wzmocnienia norm emisji CO2 dla nowych samochodów osobowych i dostawczych (). W grudniu 2025 roku Komisja Europejska zaproponowała jednak złagodzenie tych przepisów: zamiast całkowitego zakazu producenci mieliby od 2035 roku redukować emisje o 90%, a pozostałą część kompensować m.in. użyciem niskoemisyjnej stali, biopaliw i paliw syntetycznych, co umożliwiłoby dalszą sprzedaż hybryd typu plug-in; propozycja wymaga jeszcze akceptacji Parlamentu Europejskiego i Rady UE. Równolegle rośnie udział samochodów elektrycznych i hybrydowych, a silniki spalinowe pozostają dominującym napędem w lotnictwie, żegludze i maszynach roboczych.
Przypisy
Bibliografia
Kategoria:Silniki cieplne