Dla naszych średniowiecznych przodków jadący samochód mógłby wydać się tworem magicznym. Zasada działania silnika spalinowego nie ma jednak nic wspólnego z magią.
W samochodach najczęściej wykorzystywany jest spalinowy silnik czterosuwowy o zapłonie iskrowym – czyli taki, którego tłok wykonuje cztery ruchy, a reakcja spalania paliwa jest wywoływana przez iskrę.
Ruchy tłoka to tzw. cykl Otta, którego nazwa pochodzi nazwiska wynalazcy Nikolausa Otto. To one sprawiają, że samochód się porusza. Na czym polega ten proces? W skrócie: paliwo zostaje pobrane do cylindra i spalone. Powstała przy tym energia zostaje przełożona na układ napędowy, a spaliny są wydalane. Wszystko to odbywa się z przeogromną prędkością i w stosunkowo niewielkiej skali. Takie wytłumaczenie nam jednak nie wystarcza, toteż nieco bardziej zagłębmy się w szczegóły.
Jak napędzany jest samochód?
Pierwszy z czterech ruchów tłoka to ssanie. Tłok porusza się w głąb hermetycznego cylindra, zasysając do niego mieszankę powietrza z paliwem. Mieszanka doprowadzana jest do cylindra dzięki układowi wtryskowemu, również wykorzystującemu niewielki tłok. Przepycha on drobne porcje paliwa przez wąską dyszę, w wyniku czego do cylindra trafiają one w postaci mgiełki.
Drugi ruch to sprężanie. Tłok, obecnie głęboko w cylindrze, zaczyna poruszać w kierunku zewnętrznym, co sprawia, że pobrane paliwo zostaje „ściśnięte”. Wówczas świeca zapłonowa generuje iskrę i następuje eksplozja mieszanki.
Trzeci ruch to praca. Eksplozja odpycha tłok z powrotem do wnętrza cylindra. Jako że tłok łączy się z wałem korbowym za pomocą specjalnie ukształtowanego korbowodu, jego praca powoduje obrót wału. Mówiąc po ludzku: odepchnięty tłok porusza wał, który zaczyna się kręcić. Tym samym wytworzona przez eksplozję energia może zostać przeniesiona do układu napędowego, a kierowca za pomocą sprzęgła i skrzyni biegów może kontrolować przyspieszenie.
Czwarty ruch to wydech. Na końcu cyklu Otta otwarty zostaje zawór, przez który pozostałe po spalaniu gazy są wyprowadzane z cylindra. Tłok wówczas znów porusza się w kierunku zewnętrznym. Dodajmy, że za doprowadzanie powietrza i odprowadzanie spalin na zewnątrz odpowiada nie sam cylinder, ale układ rozrządu, czyli – w uproszczeniu – pasek zębaty, koło zębate lub wałek z wystającymi elementami, który obraca się i w odpowiednich chwilach otwiera lub zamyka właściwe zawory.
Po zakończeniu czwartego ruchu proces się powtarza. Kolejna porcja mieszanki jest zasysana, sprężana, eksplozja powoduje odepchnięcie tłoka i poruszenie wałem korbowym, resztki gazów są odprowadzane. I tak dalej, dopóki nie dojedziemy do celu. Wszystko to odbywa się niezwykle szybko – wał obraca się od kilkunastu do stu razy na sekundę.
Co jeszcze jest w silniku?
Cylindry, wał korbowy, wałek rozrządu – wszystko to umieszczone jest w kadłubie wykonanym z żeliwa. Warto jeszcze wspomnieć o kole zamachowym. Co prawda wałem korbowym porusza tylko jeden ruch tłoka (praca), ale sam tłok wykonuje ich cztery. Szczególnie problematyczne jest sprężanie, które wymaga dużej energii – co przekłada się na zmniejszenie prędkości, z jaką obraca się wał. Aby pracował równo, stosuje się ważące ok. 10 kg koło zamachowe, które siłą rozpędu podtrzymuje prędkość obrotową silnika.
Podczas pracy silnik się rozgrzewa, toteż wykorzystywany jest płyn chłodniczy. Chłodziwo płynie różnymi kanałami. O tym, do których trafia, decyduje termostat, czyli urządzenie, które pod wpływem temperatury otwiera lub zamyka daną ścieżkę. Z kolei olej silnikowy jest potrzebny po to, aby zmniejszyć tarcie, powstające przy ruchu licznych elementów. Przy okazji pochłania część ciepła generowanego przez silnik, podobnie jak płyn chłodniczy.
Można by mówić jeszcze o takich elementach, jak głowica silnika, miska i pompa olejowa; można wspomnieć o szczegółach konstrukcji mechanizmu korbowego, czy o fakcie, że precyzyjne sterowanie całym tym złożonym mechanizmem obecnie odbywa się z wykorzystaniem komputera… ale to już szczegóły, które nie są zbyt ciekawe ani potrzebne do zrozumienia zasady działania silnika.
Czym benzynowy silnik spalinowy różni się od diesla?
Wynalazek Rudolfa Diesla to silnik wysokoprężny, który nie wykorzystuje świecy zapłonowej do wywołania iskry zapalającej dawkę paliwa. Więcej: on wcale nie wykorzystuje iskry. Zapłon następuje w nim samoczynnie. Paliwo zapala się głównie w wyniku wysokiego sprężenia mieszanki – znacznie wyższego niż w silniku benzynowym – a po części także dzięki świecy żarowej, która działa jak grzałka.
Który silnik jest lepszy? Każdy ma wady i zalety. Diesel zużywa mniej paliwa i jest bardziej odporny na wilgoć, ale konstrukcja jest cięższa, głośniejsza i droższa w produkcji. Co więcej, choć silnik wysokoprężny spala mniej paliwa, generowane przez niego spaliny są około dwudziestokrotnie bardziej toksyczne.