Pojęcia podstawowe
Posuwisto-zwrotny ruch tłoka. Tłok połączony przegubowo za pomocą korbowodu z wałem korbowym porusza się w cylindrze pracującego silnika spalinowego nieustannie tam i z powrotem między jego skrajnymi położeniami w cylindrze. Przebyta droga stanowi skok tłoka. Można również powiedzieć, że skok tłoka jest to droga o stałej długości, którą przebywa tłok podczas pracy silnika, na przemian zbliżając się do głowicy lub oddalając od niej.
Suw tłoka — prostoliniowy ruch o określonym kierunku, wykonywany przez tłok podczas przesuwania między położeniami skrajnymi. Posuwisto-zwrotny ruch tłoka w cylindrze polega więc na nieustannym powtarzaniu się jego suwów. Suw i skok tłoka mają oczywiście tę samą długość.
Zwrot zewnętrzny (w skrócie ZZ) — skrajne położenie tłoka w cylindrze, które odpowiada najmniejszej objętości wnętrza cylindra. Tłok znajduje się wówczas najdalej od wału korbowego, a więc najbliżej głowicy cylindra. Położenie takie bywa również nazywane górnym martwym punktem (GMP), górnym położeniem zwrotnym (GPZ), zewnętrznym położeniem zwrotnym (ZPZ) lub zwrotem głowicowym (ZG).
Zwrot wewnętrzny (w skrócie ZW) — skrajne położenie tłoka w cylindrze, które odpowiada największej objętości wnętrza cylindra. Tłok znajduje się wówczas najbliżej wału korbowego, a najdalej od głowicy
cylindra. Położenie to bywa również nazywane dolnym martwym punktem (DMP), dolnym położeniem zwrotnym (DPZ), wewnętrznym położeniem zwrotnym (WPZ) lub zwrotem korbowym (ZK).
Pojemność skokowa cylindra (symbol Vs) — stała objętość, o którą zmienia się pojemność cylindra wskutek przesunięcia tłoka od zwrotu wewnętrznego do zwrotu zewnętrznego lub odwrotnie. Pojemność skokowa określona jest zależnością:
n-D2S Vs = ~4000 ~ [cm ]
gdzie:
D — średnica cylindra w mm, ,
S — skok tłoka w mm.
Poszczególne cylindry tłokowego silnika spalinowego mają z reguły jednakową pojemność skokową.
Pojemność skokowa silnika (symbol Vss) — suma pojemności skokowych wszystkich jego cylindrów.
Całkowita pojemność cylindra (symbol Vc) — suma pojemności komory sprężania i pojemności skokowej cylindra. Inaczej — jest to objętość wnętrza cylindra ograniczonego ściankami głowicy i denkiem tłoka, który znajduje się w położeniu zwrotu wewnętrznego.
Pojemność komory sprężania (symbol Vk) — objętość wnętrza cylindra ograniczona ściankami głowicy i denkiem tłoka w chwili, kiedy tłok znajduje się w położeniu zwrotu zewnętrznego.
Omówione zagadnienia wraz z przyjętymi określeniami wyjaśnia i uzupełnia rysunek 1.1.
Stopień sprężania (symbol e) — stosunek całkowitej pojemności cylindra do pojemności komory sprężania. Określany jest zależnością:
Vs+Vk
Stopień sprężania podaje się zawsze jako liczbę bezwymiarową (np. 7,2; 8,5 lub 9). Niekiedy wartość tę określa się jako stosunek sprężania (rys. 1,2), np. 7,2 : 1; 8,5 : 1 lub 9 : 1.
Czterosuwowy obieg pracy. Wewnątrz każdego z cylindrów pracującego silnika czterosuwowego tłok wykonuje kolejno cztery suwy: ssania (dolotu), sprężania, rozprężania (pracy) i wydechu (wylotu). Jednocześnie wał korbowy silnika wykonuje dwa pełne obroty. Pracę mechaniczną (użyteczną) uzyskuje się tylko w trakcie jednego suwu — rozprężania. Pozostałe trzy suwy wykonuje tłok dzięki pracy innych cylindrów silnika oraz energii kinetycznej koła zamachowego. Obieg pracy yj cylindrze obejmuje pięć procesów fizyko-chemicznych odbywających się w niezmiennej kolejności (rys. 1.3).
Proces ssania (dolotu). Tłok przesuwając się od ZZ do ZW wytwarza w cylindrze podciśnienie, umożliwiające zasysanie mieszanki palnej do cylindra przez otwarty w tym okresie zawór ssący. Wskutek nagrzewania się świeżego ładunku od resztek spalin i gorących części silnika oraz z uwagi na opory przepływu w końcowym etapie procesu ssania ciężar świeżego ładunku mieszanki palnej w cylindrze jest
mniejszy niż ciężar ładunku, który mógłby się zmieścić teoretycznie. Aby zwiększyć napełnienie cylindra, wykorzystuje się ssące działanie uchodzących spalin oraz bezwładność napływającej mieszanki. Dlatego zawór ssący otwiera się nieco przed ZZ i zamyka się po ZW (rys. 1.4).
Proces sprężania. Tłok przesuwa się z powrotem w kierunku ZZ, dzięki czemu zmniejsza się przestrzeń nad tłokiem. Ponieważ oba
zawory są wówczas zamknięte, ładunek cylindra ulega sprężeniu. Wraz z wzrostem ciśnienia w cylindrze podwyższa się temperatura ładunku, co stwarza warunki sprzyjające jego spalaniu.
Proces spalania. Przed dojściem tłoka do ZZ następuje zapłon mieszanki wskutek wyładowania iskrowego między elektrodami świecy zapłonowej. Proces spalania trwa bardzo krótko. W tym czasie tłok zbliża się do położenia skrajnego, wykonuje zwrot zewnętrzny i nieco oddala się od położenia skrajnego. Podczas spalania się mieszanki w cylindrze powstają spaliny o wysokiej temperaturze i ciśnieniu.
Proces rozprężania. Ponieważ oba zawory są zamknięte, tłok pod wpływem ciśnienia gazów przesuwa się w kierunku ZW i za pośrednictwem korbowodu przekręca wał korbowy, a rozprężające się spaliny wykonują pracę użyteczną. W miarę oddalania się tłoka od ZZ ciśnienie i temperatura gazów maleją.
Proces wydechu. Tłok wraca do ZZ, wypychając z cylindra spaliny przez otwarty w tym czasie zawór wydechowy. Aby polepszyć opróżnienie cylindra, zawór wydechowy zamyka się później, tzn. po rozpoczęciu suwu ssania. Opory przepływu w układzie wydechowym, a zwłaszcza tłumik, powodują, że w cylindrze pozostają resztki spalin.
Przebieg spalania. Zapłon w cylindrze silnika następuje początkowo w bardzo małej objętości mieszanki otaczającej elektrody świecy. Wywołany jest wyładowaniem iskrowym między elektrodami w momencie, gdy tłok zbliża się do ZZ. Czoło płomienia rozszerza się równomiernie we wszystkich kierunkach ze stale rosnącą prędkością. Prędkość przesuwania się czoła płomienia zależy od takich czynników, jak: skład mieszanki, ciśnienie oraz temperatura. Ruch wirowy mieszanki w cylindrze zwiększa prędkość spalania. Oddalając się od początkowego punktu zapłonu, prędkość posuwania się czoła płomienia wzrasta wskutek podwyższania się ciśnienia i temperatury mieszanki, osiągając wartości rzędu 20-^40 m/s.
Zapłon mieszanki w silniku o zapłonie elektrycznym powinien nastąpić przed ogrzaniem całej masy mieszanki do temperatury samozapłonu (500-f-550°C). Nadmiernie nagrzane części silnika mogą wywołać samozapłon sprężanej mieszanki. Samozapłon jest zjawiskiem szkodliwym, gdyż zakłóca lub uniemożliwia normalną pracę silnika.
Podwyższenie stopnia sprężania powoduje zwiększenie mocy i sprawności silnika. Jednakże stopień sprężania powiększać można tylko do pewnej granicy. Nadmierne bowiem zwiększenie stopnia sprężania wywołuje zjawisko tzw. detonacji. Jest to spalanie o szczególnie gwałtownym przebiegu, przy którym prędkość rozszerzania się czoła płomienia dochodzi do 2000 m/s. Detonacja jest zjawiskiem szkodliwym, gdyż gwałtownie wzrastające ciśnienie działa niszcząco na mechanizm korbowy, powoduje nierównomierną pracę silnika, grzanie się głowicy oraz spadek mocy i sprawności silnika.