- Czterosuwowy cykl Otto/Diesel zamienia paliwo na moc poprzez cztery fazy.
- Najważniejsze elementy to tłok, cylinder, zawory, wał korbowy, świeca zapłonowa lub wtryskiwacz.
- Ssanie i sprężanie generują podciśnienie, temperaturę i ciśnienie w cylindrze.
- Spalanie daje moc poprzez wysokie ciśnienie i temperaturę.
Silnik czterosuwowy stanowi fundament większości współczesnych pojazdów, będąc sprytnym systemem, który zamienia energię chemiczną paliwa na energię mechaniczną poprzez cztery odrębne fazy. Ten cykl pracy, znany również jako cykl Otto dla silników benzynowych lub cykl Diesel dla silników wysokoprężnych, powtarza się nieustannie, aby generować moc potrzebną do poruszania pojazdu.
Silniki spalinowe tłokowe dzielą się na dwie główne kategorie: silniki z zapłonem przez sprężanie (Diesel) oraz silniki z zapłonem iskrowym (benzyna). Oba typy wykorzystują tę samą podstawową zasadę czterech suwów, różniąc się sposobem zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej.
Struktura i kluczowe elementy
- Tlok: ruchomy element, który przemieszcza się w cylindrze
- Cylinder: przestrzeń, w której przebiega proces spalania
- Zawory dolotu i wylotu: kontrolują dopływ powietrza i gazów
- Wal korbowy: przekształca ruch liniowy tloka w ruch obrotowy
- Swieca zaplonowa (benzyna) lub Wtryskiwacz (diesel): zapewniają zapłon paliwa
Czas 1: Ssanie – zasysanie mieszanki
- Tlok porusza się w dół, tworząc w cylindrze podciśnienie, co umożliwia zasysanie mieszanki paliwowo-powietrznej
- Zawory dolotu są całkowicie otwarte
- Zawory wylotowe pozostają szczelnie zamknięte
- W silnikach benzynowych mieszanka paliwowo-powietrzna jest przygotowywana z wyprzedzeniem
- W silnikach diesel do cylindra trafia tylko powietrze
- Efektywność tego etapu bezpośrednio wpływa na moc końcową silnika. Niewłaściwe ssanie może znacząco ograniczyć osiągi pojazdu.
Czas 2: Sprężanie – przygotowanie do spalania
- W tym czasie zawory dolotu i wylotu są zamknięte, tworząc całkowicie szczelny objętość
- Tlok zaczyna się przesuwać w górę, sprężając mieszankę do ułamka objętości początkowej
Parametry sprężania:
- Stopień sprężania: waha się od 8:1 do 12:1 dla benzyny i 14:1 do 23:1 dla diesla
- Wzrost temperatury: powietrze nagrzewa się wskutek sprężania do 300–500°C
- Ciśnienie: rośnie do 12–20 bar dla benzyny i 30–55 bar dla diesla
W silnikach diesel wysoka temperatura wynikająca z ekstremalnego sprężania wystarcza do samozapłonu paliwa wtryskanego w kolejnej fazie.
Czas 3: Spalanie i rozprężanie – generowanie mocy
To moment, w którym energia chemiczna zamienia się w energię mechaniczną. Mieszanka paliwowo-powietrzna w cylindrze zostaje zapalona:
- W benzynie: zapłon iskrowy generowany przez świecę zapłonową
- W dieslu: samozapłon dzięki wysokiej temperaturze sprężania
Ekstremalne parametry spalania:
- Ciśnienie: osiąga 30–40 bar w benzynie i do 150 bar w diesel
- Temperatura: przekracza 2200°C, sięgając nawet 2500°C
- Czas trwania: pełne spalanie trwa tylko kilka milisekund
Dzięki tej ogromnej presji, tłok jest zmuszony do szybkiego opuszczenia cylindra, przekazując siły generowane przez wybuch na wał korbowy poprzez korbowód.
Czas 4: Wydech – usuwanie gazów spalinowych
W ostatniej fazie cyklu zawór dolotu pozostaje zamknięty, natomiast zawór wydechowy otwiera się, aby usunąć gazy powstałe podczas spalania.
Ważne szczegóły techniczne:
- Zawór wydechowy otwiera się przed osiągnięciem tłoka w punkcie dolnego martwego położenia
- To wczesne otwarcie zapewnia optymalny wydech gazów spalinowych
- Gazy wydechowe mają temperatury 400–900°C
- Ciśnienie wydechowe waha się od 1,2 do 1,8 bar
Synchronizacja i powtarzanie cyklu
Cztery suwowe cykle mieszczą się w dwa pełne obroty wału korbowego (720 stopni). Idealna synchronizacja jest zapewniana przez:
- Wałek rozrządu: kontroluje otwieranie i zamykanie zaworów
- Układ rozrządu: pasek lub łańcuch rozrządu
- Koło zamachowe: utrzymuje bezwładność między cyklami
W silniku pracującym z 3000 obr./min, ten cykl powtarza się 1500 razy na minutę dla każdego cylindra, co ilustruje niezwykłą precyzję potrzebną do prawidłowego działania.
Wydajność i nowoczesne optymalizacje
Nowoczesne silniki czterosuwowe korzystają z licznych ulepszeń:
- Wtrysk bezpośredni: poprawia wydajność spalania
- Turbo doładowanie: zwiększa moc poprzez podniesienie gęstości powietrza
- Zmienny rozrząd: optymalizuje otwieranie zaworów w zależności od pracy silnika
- Systemy recyrkulacji spalin: redukują emisje szkodliwych gazów
Zrozumienie tych czterech fundamentów cyklu czterosuwowego daje solidną podstawę do analizy działania każdego silnika spalinowego, istotną zarówno dla entuzjastów motoryzacji, jak i osób pragnących lepiej zrozumieć pojazd, którym się poruszają.