Budowa silnika czterosuwowego

Silnik czterosuwowy składa się z następujących głównych części: kadłuba, głowicy, mechanizmu korbowego oraz rozrządu i koła zamachowego.

Kadłub, to obudowa silnika. W nim poruszają się tłoki i wał korbowy. Od góry przykrywa go głowica, która zawiera zawory i pozostałe części mechanizmu rozrządu. Kadłub również zawiera w swej budowie elementy, które pozwalają przymocować sam silnik do napędzanego mechanizmu, jak również do niego zostają przytwierdzone elementy osprzętu potrzebne do funkcjonowania silnika. W skład kadłuba i głowicy wchodzą również takie elementy, jak kanały dolotowe mieszanki paliwowo-powietrznej, wylotowe spalin, kanały układu chłodzenia i smarowania. Kanały dolotowe, którymi przemieszcza się mieszanka muszą być odpowiedniej średnicy, aby mogła ona w sposób swobodny przejść do komory spalania silnika. Kanały wylotowe również musza mieć odpowiednią średnicę, aby sprawnie odprowadzać spaliny. Ich temperatura może osiągać poziom 800ºC a ich ciśnienie około 20 atmosfer, a liniowa prędkość uchodzenia jest bliska prędkości dźwięku, czyli około 1200 km/h. Wynika z tego, że kanał wylotowy musi działać w zdecydowanie bardziej ekstremalnych warunkach, niż kanał dolotowy. Dodatkowo oba kanały muszą biec w odpowiedniej odległości od siebie. Wynika to z faktu, że kanał dolotowy nie może być zbyt ogrzewany. Wyższa temperatura powoduje spadek gęstości gazu, a więc w tej samej objętości powietrza będzie znajdować się mniej tlenu. Jego niedobór spowoduje zmniejszenie wydajności i osłabienie jego mocy.

Kadłub i głowica zbudowane są zwykle z żeliwa. Jest to dobry materiał na ten cel ze względu na słabe przewodzenie fal akustycznych, czyli mniej głośna praca niż w przypadku stali, bardzo dobre właściwości ślizgowe, odporność na siły ściskające oraz podatność na obróbkę. Nowsze technologie pozwalają obniżyć masę silnika przez zastosowanie do jego budowy aluminium. Ten materiał jednak, ze względu na słabe właściwości ślizgowe wymaga stosowania na ściankach cylindrów specjalnych powłok poślizgowych.

Mechanizm korbowy jest kolejną zasadniczą częścią silnika. W jego skład wchodzą wał korbowy, korbowód, tłok oraz koło zamachowe. Mechanizm korbowy przekształca liniowy ruch tłoka na obrotowy ruch wału korbowego.

Tłok porusza się wewnątrz cylindra. Jego średnica jest nieco mniejsza niż średnica cylindra, więc dla uszczelnienia komory spalania stosuje się pierścienie uszczelniające, które zakłada się w zagłębieniach w górnej części tłoka. Jest to konieczne, gdyż w komorze spalania powstają ogromne ciśnienia gazów w czasie spalania mieszanki. Powoduje to nadanie prędkości tłokowi rzędu 200 km/h. Brak uszczelnienia komory powodowałby znaczny spadek mocy silnika oraz jego zwiększoną awaryjność poprzez przedostawanie się spalin do wnętrza kadłuba, zmiany własności smarnych olejów smarujących mechanizmy ruchome oraz przegrzewanie silnika poprzez dodatkowe ogrzewanie jego części ciepłem spalin. Pierścienie silnika, poza zadaniem uszczelniania komory silnika, mają za zadanie również przekazywać ciepło ogrzanego do bardzo wysokich temperatur tłoka. Energia cieplna przenika przez pierścienie i oddawana jest ściankom cylindra, który jest zaopatrzony w układ chłodzący. Chłodzenie tego elementu może następować za pomocą przepływającej w ściankach cylindra cieczy lub opływającego cylinder gazu (najczęściej powietrza). Tłok do korbowodu przymocowany jest poprzez sworzeń. Materiałem stosowanym zwykle do budowy tłoków jest aluminium, choć część jego elementów może być stalowa.

Tłok połączony jest z wałem korbowym za pomocą korbowodu, który przenosi energię eksplozji mieszanki paliwowo-powietrznej na wał korbowy wprowadzając go w ruch. Korbowód zbudowany jest z lekkich materiałów, jednak bardzo wytrzymałych, jak np. uszlachetnione żeliwo lub uszlachetniona stal. Jest to konieczne ze względu na ogromne obciążenia jakie narażony jest korbowód. Silniki sportowe najczęściej zaopatrywane są w wały korbowe wykonane z tytanu.

Korbowód przymocowany jest do wału korbowego w miejscu zwanym wykorbieniem wału korbowego. Każdy korbowód przymocowany jest do innego wykorbienia. Elementy te umieszczone są do siebie kątowo. Pozwala to uczynić pracę silnika równomierną - tłoki znajdują się w tym samym czasie w różnych położeniach, pracują w różnych suwach. Bardzo duże obciążenia, które występują przy zamianie posuwistego ruchu tłoka na moment obrotowy wału korbowego powodują, że wał korbowy musi być wykonany z bardzo wytrzymałych materiałów. Jest to zwykle żeliwo z dodatkiem grafitu, który zwiększa jego wytrzymałość. Wał korbowy podparty jest również w kilku miejscach panewkami. Są nimi zazwyczaj łożyska ślizgowe. Dwa z nich znajdują się w zewnętrznych ściankach kadłuba a kolejne umieszczane są pomiędzy wykorbieniami wału. Co najmniej jedno z tych łożysk stabilizuje również wzdłużnie wał korbowy. Na wale korbowym znajdują się również przeciwwagi równoważące siłę bezwładności korbowodów z tłokami, które działają na wał korbowy.

Ostatnim elementem mechanizmu korbowego jest koło zamachowe. Umieszczone jest ono tuż za blokiem silnika. Spełnia ono bardzo istotną rolę w pracy silnika - bez niego praca silnika nie byłaby możliwa. Ponieważ tylko jeden z czterech suwów funkcjonującego silnika jest suwem dającym energię do obrotu, pozostałe takty wymagają innej siły. Obracające się ciężko koło zamachowe daje właśnie tę siłę, która zgromadzona jest w energii kinetycznej ruchu tego elementu silnika. Koło obrotowe wytwarzane jest zwykle z żeliwa. Wymaga ono dokładnego wyważenia, gdyż w przeciwnym wypadku silnik pracuje niemiarowo, łatwiej ulegając awariom i zużyciu.

Funkcjonowanie mechanizmu rozrządu polega na dostarczaniu do komory silnika mieszanki paliwowo-powietrznej i odbieraniu spalin. Aktualnie stosuje w silnikach czterosuwowych się wyłącznie jeden rodzaj rozrządu, a mianowicie rozrząd górnozaworowy. Oznacza to, że zawory umieszczone są w górnej części silnika, tj. w głowicy. Dawniej funkcjonowały konstrukcje silnikowe, w których zawory były umieszczone w dolnej jego części, w kadłubie (rozrząd dolnozaworowy). Konstrukcje te nie są już dziś używane.

Mechanizm rozrządu składa się z: zaworów, wałka lub wałków rozrządu, popychaczy, dźwigienek zaworowych oraz napędu wałka (wałków) rozrządu w postaci paska bądź łańcucha rozrządu.

Na każdy cylinder przypadają co najmniej dwa otwory w głowicy, w których umieszczone są zawory. Jeden z nich zamyka dyszę, przez którą dostarczana jest mieszanka paliwowo-powietrzna, natomiast drugi zamyka ujście gazów spalinowych. Jednak konstrukcje dwuzawodowe stosowane są coraz rzadziej. Aktualnie wykorzystuje się mechanizmy trzy do pięciozaworowe. W takim przypadku dwa do trzech zaworów służy zasilaniu komory silnika w mieszankę paliwowo-powietrzną, a jeden do dwóch odprowadza spaliny. Takie konstrukcje pozwalają na sprawniejsze dostarczanie mieszanki i usuwanie produktów spalania, co zwiększa moc jednostek silnikowych.

W budowie zaworu możemy wyróżnić dwie części. Jedną z nich jest trzonek, a drugim grzybek. Na trzonek przekazywana jest siła z wałka rozrządu. Porusza się on posuwiście obniżając położenie grzybka, otwierając w ten sposób światło przewodów dostarczających mieszankę paliwowo-powietrzną oraz odprowadzających gazy spalinowe.

Wałek rozrządu ma postać wydłużonego walca z umieszczonymi nań w różnych kierunkach wypustkami. Kierunki ich umieszczenia nie są przypadkowe. Wypustki te przemieszczając się wraz z obracającym się wałkiem rozrządu naciskają na trzonek zaworu otwierając go, więc ruch ten musi być ściśle zsynchronizowany z ruchem tłoków w cylindrze. Na każdy zawór przypada jedna wypustka.

Siła napędzająca wałek rozrządu jest przenoszona z wału korbowego. Jej transmiterem może być łańcuch lub, co stanowi nowsze rozwiązanie, pasek zębaty. Ten ostatni wymaga stosowania napinaczy, aby nie uniemożliwić mu zesunięcie się z koła zębatego. Obie konstrukcje mają swoje wady i zalety. Łańcuchowe przeniesienie napędu uchodzi za głośniejsze, natomiast jest bardziej trwałe. W przypadku napędu paskiem zębatym, ten element należy częściej wymieniać i naciągać.

Działanie silnika czterosuwowego

Spośród wszystkich znanych typów silników spalinowych, najlepszym jest ten zwany czterosuwowym. Nazywany jest on czterosuwowym, gdyż jego praca polega na cyklicznym wykonywaniu czterech suwów przez tłok. Suwy te, to: ssanie-sprężanie-praca-wydech.

Pierwszym suwem jest ssanie. Tłok w cylindrze przesuwa się wtedy z górnego położenia do dolnego, a przez otwarty zawór ssący wytworzone podciśnienie powoduje zassanie mieszanki paliwowo-powietrznej. W chwili, gdy tłok dojdzie do swego najniższego położenia zawór ssący zostaje zamknięty, a dalszy ruch tłoka to już suw sprężania. Znajdująca się w tym czasie w cylindrze mieszanka paliwowo-powietrzna zostaje sprężona do objętości około 10% objętości początkowej. Zapłon mieszanki, wywołany iskrą lub samoczynny następuje tuż przed przejściem tłoka w najwyższe położenie. Poruszający się dalej tłok powoduje doprężenie wybuchającej już mieszanki, co pozwala na jej pełniejsze spalenie, a więc i uzyskanie większej wydajności względem dostarczonego paliwa. Od momentu, gdy tłok przejdzie przez swe najwyższe położenie zaczyna się faza działania silnika zwana suwem pracy. Eksplodująca mieszanka paliwowo-powietrzna powoduje silny wzrost ciśnienia w cylindrze i odepchnięcie tłoka. Siła ta jest wystarczająca, aby wałowi korbowemu nadać rozpęd, który pozwali mu przesuwać tłok jeszcze przez pozostałe trzy suwy. Z takiego stylu pracy wynika fakt, że z im większej liczby cylindrów zbudowany jest silnik, tym jego praca jest bardziej miarowa. Odepchnięty eksplozją mieszanki paliwowo-powietrznej tłok mija dolne najniższe położenie i od tego momentu zaczyna, przez otwarty zawór wydechowy, wypychać powstałe w wyniku spalania mieszanki spaliny. Działanie to, to suw wydechu. Po przekroczeniu zaś swego górnego położenia, tłok ponownie zasysa mieszankę paliwowo-powietrzną rozpoczynając swój cykl na nowo.

Układ smarowania

Układ smarowania jest układem niezbędnym do funkcjonowania silnika. Przy jego braku silnik niemal natychmiast uległby zniszczeniu, tzw. zatarciu. Każda ruchoma część silnikach musi być intensywnie smarowana, aby obniżyć występujące tam na ich kontakcie tarcie. Idealnym smarowaniem jest taki stan, gdzie wszystkie ruchome części rozdzielone są cienką warstwą oleju. Oczywiście poziom tarcia zależy również od właściwości smarnych oleju. Układ smarowania odpowiada za doprowadzanie do wszystkich ruchomych części silnika oleju pod takim ciśnieniem, aby powyższy warunek był spełniony.

Układ smarowania składa się z następujących części: pompa olejowa, filtr oleju oraz rurki, którymi dostarczany jest olej do poszczególnych elementów.

Pompa ciśnieniowa zasysa olej ze zbiornika, który następnie filtrowany jest na filtrze olejowym, gdzie wyłapywane są ewentualne cząstki stałe, szczególne niebezpieczne w postaci metalicznych drobin. Następnie olej pod ciśnieniem dostarczany jest do wszystkich elementów wymagających smarowania, po czym swobodnie spływa z powrotem do miski. Miska stanowi pewien bufor, gdzie znajduje się zawsze zapas oleju, z którego jest uzupełniana robocza objętość ciągle znajdująca się w przewodach i dostarczana pod ciśnieniem do m.in. do łożysk wału korbowego, łożysk wałka rozrządu i innych części tego układu.

Oprócz zmniejszania tarcia elementów ruchomych, układ smarowania spełnia także częściowo funkcje chłodzące. Części ruchome, bezpośrednio ocierające o siebie nagrzewają się, poza komorą spalania najmocniej. Przepływający przez nie olej dobiera od nich ciepło, chłodząc je. Ilość odbieranego w ten sposób ciepła wynosi około kilku procent, jednak ze względu na bezpośredni dostęp do nagrzewających się części stanowi to znaczne wsparcie układu chłodzenia.

Układ chłodzenia

Układ chłodzenia silnika zabezpiecza jego działanie przed przegrzaniem i zatarciem. Krążące medium chłodzące odbiera ciepło wydzielane w czasie jego pracy (spalanie, tarcie) schładzając go i utrzymując jego temperaturę na mniej więcej stałym poziomie, bez względu na obciążenie silnika. Medium chłodzącym może być gaz lub ciecz. Zdecydowanie częściej w konstrukcjach silnikowych czterosuwowych stosuje się rozwiązania oparte na chłodzeniu cieczą.

Typowy układ chłodzenia składa się z: pompy, termostatu, chłodnicy, przewodów rozprowadzających ciecz chłodzącą.

Pompa służy do utrzymywania ruchu medium chłodzącego. Układ chłodzenia składa się z dwóch obiegów: krótkiego i pełnego. Krótki obieg omija chłodnicę i krąży jedynie w obrębie pompy i kanałów chłodniczych silnika. W przypadku pełnego obiegu, ciecz kierowana jest na chłodnicę, gdzie poruszający się wentylator schładza ją do odpowiedniej temperatury. Kierowaniem cieczy na odpowiedni układ zajmuje się zawór. Współpracuje z nim termostat, który w zależności od temperatury cieczy chłodzącej spływającej z silnika przełącza zawór, który otwiera odpowiedni obieg. Zarówno ciśnienie wytwarzane przez pompę, jaki i prędkość obracającego się wirnika chłodnicy zależą od szybkości obrotów silnika. Im szybciej silnik pracuje, tym mocniej się nagrzewa, a więc potrzeba więcej cieczy w jednostce czasu na odebranie ciepła z silnika i tym samym w chłodnicy proces schładzania cieczy musi zachodzić intensywniej.

Obecnie stosowane w silnikach czterosuwowych są pompy wirowe. Ustawione promieniście w stosunku do osi wirnika łopatki obracając się, nadają cieczy wpływającej do pompy ruch wytwarzaną siłą odśrodkową. Odrzucona ciecz wypływa pod ciśnieniem otworem umiejscowionym w bocznej ściance pompy.

Termostat z definicji stanowi mechanizm pozwalający utrzymywać daną temperaturę działając w sposób czynny (w odróżnieniu działania biernego, jak w przypadku np. termosu). Budowa termostatu w silniku spalinowym czterosuwowym powoduje, że przełącza on zawór z obiegu krótkiego na pełny w temperaturze powyżej 85ºC.

Jak wspomniano wcześniej, chłodnica jest elementem pełnego obiegu chłodzenia silnika. Zbudowana jest ona z licznych wąskich przewodów aluminiowych, które poprzecznie poprzetykane są cienkimi blaszkami z tego samego materiału. Tak silnie rozwinięta powierzchnia intensywnie odbiera ciepło od nagrzanej cieczy chłodzącej. Ruch powietrza w obrębie blaszek i rurek wspomaga wspomniany również wcześniej wentylator.