5
1. BUDOWA l KLASYFIKACJA TŁOKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH
1.1. Historia rozwoju silników
Historia rozwoju silników spalinowych si ga 1860 roku, kiedy to francuski konstruktor Lenoir zbudował
swój pierwszy silnik nap dzany gazem wietlnym z zapłonem iskrowym (elektrycznym). W 1876 roku
niemiecki in ynier Otto skonstruował czterosuwowy silnik gazowy, który znalazł szerokie zastosowanie
przemysłowe. Pierwszy eksperymentalny silnik spalinowy z zapłonem samoczynnym zbudował niemiecki
konstruktor Rudolf Diesel w 1897 roku. Silnik ten nap dzany naft nie spełniał pokładanych w nim nadziei.
Opieraj c si na patencie Rudolfa Diesla, zbudowano w fabryce „E. Nobel" w Petersburgu pierwszy
przemysłowy silnik z zapłonem samoczynnym. Konstrukcja tego silnika ró niła si od swego pierwowzoru.
Został on przystosowany do pracy na surowej ropie naftowej i po tej modyfikacji uznano go za najbardziej
ekonomiczny silnik, jaki w tym okresie pracował. Silnik ten o mocy 18 kW zu ywał 0,3 kg paliwa na l kWh, to
znaczy o 30% mniej ni silnik pracuj cy na nafcie.
W 1908 roku zbudowano pierwszy na wiecie statek nap dzany silnikiem spalinowym. Była to barka do
przewozu ropy naftowej, na której zainstalowano trzy silniki spalinowe, ka dy o mocy 88 kW przy 240 obr/min,
pracuj ce poprzez elektryczn przekładni mocy na ruby nap dowe.
1.2. Podział i klasyfikacja silników spalinowych
Klasyfikacj silników spalinowych mo na przeprowadza według ro nych kryteriów. Na ogół stosuje si
nast puj ce kryteria podziału:
- sposób działania,
- sposób zapalania mieszaniny paliwowo-powietrznej,
- teoretyczny obieg porównawczy,
- rodzaj paliwa,
- sposób zasilania paliwem i tworzenia mieszaniny palnej,
- sposób zasilania powietrzem,
- cechy konstrukcyjne,
- przeznaczenie.
1.2.1. Podział według sposobu działania
Ze wzgl du na sposób działania wyró nia si silniki:
- czterosuwowe, w których jeden obieg pracy realizowany jest w czasie czterech suwów tłoka, to znaczy w
czasie dwóch obrotów wału korbowego,
- dwusuwowe, w których na jeden obieg pracy przypadaj dwa suwy tłoka, to znaczy jeden obrót wału
korbowego.
Ze wzgl du na kierunek nacisku czynnika roboczego na tłok wyró nia si równie silniki jednostronnego i
dwustronnego działania. Te ostatnie jako silniki wielkich mocy, dawniej szeroko stosowane na statkach, obecnie
nie s ju wykorzystywane do nap du statków.
1.2.2. Podział według rodzaju zapłonu
Ze wzgl du na sposób zapalania mieszaniny paliwowo-powietrznej wyró nia si silniki: z zapłonem
samoczynnym oraz z obcym ródłem zapłonu.
W silnikach z zapłonem samoczynnym, zwanych równie silnikami wysokopr nymi, zapłon nast puje po
podgrzaniu mieszaniny paliwowo-powietrznej do temperatury samozapłonu na skutek spr ania ładunku
czynnika roboczego w cylindrze. W silnikach tego typu paliwo doprowadzane jest zazwyczaj w ko cu suwu
spr ania powietrza, gdzie odparowuje, wówczas nast puje zapłon. Wyj tek stanowi wysokopr ne silniki
dwupaliwowe, w których paliwo gazowe doprowadzane jest na pocz tku suwu spr ania.
W silnikach z obcym ródłem zapłonu, zwanych cz sto silnikami z zapłonem iskrowym, zapłon
mieszaniny nast puje od iskry elektrycznej. Ci nienie spr ania w nich jest ni sze ni w silnikach z zapłonem
samoczynnym, a temperatura spr anego powietrza jest ni sza od temperatury zapłonu paliwa. Do grupy
silników z obcym ródłem zapłonu nale równie silniki dwupaliwowe (gaz/paliwo ciekłe), w których stosuje
si dawk zapłonow paliwa ciekłego.
6
1.2.3. Podział według obiegu porównawczego
Ze wzgl du na teoretyczny obieg porównawczy wyró nia si silniki ze spalaniem:
- przy stałej obj to ci (V = const); silniki o niskim stopniu spr ania z obcym ródłem zapłonu, silniki
iskrowe (obieg Otto),
- przy stałym ci nieniu (p = const); silniki o wysokim stopniu spr ania, paliwo rozpylane jest za pomoc
spr onego powietrza (obieg Diesla),
- przy stałej obj to ci i stałym ci nieniu (obieg Sabathe);
wszystkie współczesne wysokopr ne silniki spalinowe z hydraulicznym rozpylaniem paliwa w cylindrze.
Obiegi teoretyczne tych silników przedstawiono na rysunku 1.1.
Rys.1.1. Obiegi teoretyczne silników spalinowych: a) obieg Otto, b) obieg Diesla, c)obieg Sabathe
1.2.4. Podział według rodzaju paliwa
Według rodzaju stosowanego paliwa wyró nia si silniki:
- gazowe, zasilane gazem ziemnym, generatorowym lub innymi rodzajami gazu,
- na paliwo ciekłe, zasilane benzyn , naft , spirytusem, olejem nap dowym lub olejem opałowym,
- wielopaliwowe przystosowane do spalania paliw płynnych ró nego pochodzenia lub paliwa gazowego i
ciekłego.
Do tej ostatniej grupy nale silniki dwupaliwowe stosowane na zbiornikowcach do przewozu gazów LNG
(Liquid Natural Gas). Podczas spalania paliwa gazowego w tych silnikach paliwo ciekłe stosowane jest jako
paliwo zapłonowe. Zagadnienie to omówiono szerzej w pracy [10].
1.2.5. Podział według sposobu zasilania paliwem
Według sposobu zasilania paliwem i tworzenia mieszaniny palnej wyró nia si silniki:
- ga nikowe, zasilane mieszanin powietrza i par paliwa ciekłego lub mieszanin powietrzno-gazow .
Ilo ciowy skład mieszaniny zale y od warunków obci enia silnika, reguluje go samoczynnie urz dzenie
zwane ga nikiem (dla paliw płynnych) lub zaworem mieszankowym dla paliw gazowych,
- wtryskowe, zasilane powietrzem i oddzielnie paliwem płynnym; paliwo jest wtryskiwane do komory
spalania w ko cu suwu spr ania, gdzie powstaje mieszanina paliwowo-powietrzna. Wtrysk paliwa mo e
by skierowany bezpo rednio do komory spalania lub do komory wst pnej, która uczestniczy w
tworzeniu mieszaniny palnej (rys. 1.2).
Wtrysk paliwa stosuje si równie w silnikach z zapłonem iskrowym. W tym wypadku wtrysk nast puje do
kanału dolotowego powietrza. Skład mieszaniny reguluje elektroniczny układ regulacyjny.
Rys.1.2. Rodzaje wtrysku: a) bezpo redni, b) po redni
7
1.2.6. Podział według sposobu zasilania powietrzem
Według sposobu zasilania powietrzem wyró nia si silniki:
- niedoładowane, w których powietrze lub mieszanina palna dopływa do cylindra pod wpływem
podci nienia wywołanego ruchem tłoka - suw ssania (silniki czterosuwowe) lub niewielkiego
nadci nienia wystarczaj cego do pokonania oporów przepływu ładunku (silniki dwusuwowe). Tego typu
silniki nazywa si silnikami wolnoss cymi albo samozasysaj cymi,
- doładowane, w których ładunek jest wst pnie spr any przed doprowadzeniem do cylindra za pomoc
specjalnych spr arek. Silniki tego typu niekiedy nazywa si silnikami kombinowanymi, poniewa obok
silnika tłokowego posiadaj dodatkow spr ark , najcz ciej wirnikow , która podaje powietrze do
silnika pod zwi kszonym ci nieniem.
1.2.7. Podział według cech konstrukcyjnych
W tej grupie wyró nia si takie cechy, jak liczb i układ cylindrów, sposób prowadzenia tłoka, pr dko
obrotow wału i redni pr dko tłoka oraz nawrotno .
Ze wzgl du na liczb i układ cylindrów wyró nia si takie silniki, jak jedno- i wielocylindrowe. Silniki
jednocylindrowe budowane s wył cznie jako silniki małej mocy, silniki wielocylindrowe za jako rz dowe,
widlaste i w układzie gwia dzistym oraz silniki z tłokami przeciwbie nymi (rys. 1.3).
Silniki rz dowe mog by ustawione pionowo, poziomo lub pod pewnym k tem, w układzie od 2 do 12
cylindrów.
Silniki widlaste maj k t rozwidlenia 90, 60 lub 45°, a liczba cylindrów wynosi od 8 do 16. Silniki tego
typu s znacznie krótsze od silników rz dowych.
Rys.1.3. Układy cylindrów silników wielocylindrowych: a) rz dowy, b) widlasty
Silniki gwiazdowe budowane s jako jedno- i wielorz dowe, o nieparzystej liczbie cylindrów w rz dzie.
Stosowane s one do nap du małych, szybkich jednostek pływaj cych oraz w lotnictwie.
Silniki z tłokami przeciwbie nymi s silnikami dwusuwowymi budowanymi w ró nych układach.
Ze wzgl du na pr dko obrotow wału korbowego wyró nia si silniki [7], [l l]:
- wolnoobrotowe (n < 240 obr/min),
- rednioobrotowe (240 < n < 1200 obr/min),
- szybkoobrotowe (n > 1200 obr/min). W literaturze spotyka si tak e inny podział wyró niaj cy
dodatkowo grup silników o podwy szonych obrotach 750 < n < 1500 obr/min.
W tym wypadku granice silników rednio- i szybkoobrotowych s odpowiednio przesuni te. Ze wzgl du na
redni pr dko tłoka (Ct) wyró nia si silniki [4]:
- wolnobie ne (C
T
< 6 m/s),
- redniobie ne (6 < Ct < 9 m/s),
- szybkobie ne (9 < Ct < 15 m/s).
Ze wzgl du na nawrotno wyró nia si silniki:
- nienawrotne o jednym kierunku obrotów w „prawo" lub „lewo"; kierunek obrotów w „prawo" przyjmuje
si za zgodny z ruchem wskazówek zegara, widziany od strony koła zamachowego,
- nawrotne, mog ce si obraca w obu kierunkach; nawrotno jest cech charakterystyczn silników
nap dzaj cych rub okr towa stałym skoku.
8
1.2.8. Podział według przeznaczenia
Ze wzgl du na przeznaczenie wyró nia si silniki:
- nap du głównego (bezpo redniego i po redniego),
- zespołów pr dotwórczych,
- pomocnicze ró nego przeznaczenia.
Silniki poszczególnych grup, a tak e wewn trz tych grup, mog ró ni si cechami konstrukcyjnymi. Wspóln
cech tych silników jest wielocylindrowo , wtrysk i samozapłon paliwa, a tak e rodzaj paliwa (olej nap dowy
lub opałowy) oraz doładowanie.
Jako silniki nap du głównego bezpo redniego stosowane s zazwyczaj dwusuwowe, wolnoobrotowe silniki
wodzikowe jednostronnego działania, o mocy do 3000 kW/cyl. i rednicy cylindra do 800 mm (dawniej 1060
mm). Silniki takie wykonuje si jako nienawrotne, je eli przeznaczone s do bezpo redniego nap du ruby na-
stawnej oraz nawrotne - w wypadku ruby o stałym skoku.
Jako silniki nap du głównego po redniego, tak zwane silniki przekładniowe, wykorzystuje si
czterosuwowe, rednioobrotowe silniki doładowane o mocy do 1500 kW/cyl. i pr dko ci obrotowej od 400 do
1500 obr/min oraz rednicy cylindra od 250 do 650 mm.
Do nap du zespołów pr dotwórczych wykorzystuje si czterosuwowe, doładowane silniki rednioobrotowe
o mocy do 150 kW/cyl., pr dko ci obrotowej od 500 do 1200 obr/min i rednicy cylindra od 100 do 250 mm.