Najczęściej spotykaną konstrukcją silników spalinowych stosowanych w samochodach osobowych są silniki czterosuwowe z zapłonem iskrowym. Co to znaczy? Oznacza to, że silnik samochodu wyposażony jest w tłok wykonujący cztery ruchy w jednym cyklu pracy i że zapalanie paliwa w komorze silnika inicjowane jest przez iskrę.
By zrozumieć, czym jest ruch tłoka, inaczej nazywany cyklem Otta (nazwa cyklu pochodzi od nazwiska wynalazcy Nikolausa Otto), należy przyjrzeć się istocie działania silnika spalinowego. Do cylindra wtłaczane jest paliwo, które się zapala, to wywołuje ruch tłoka, który przekazuje energię do układu napędowego i samochód zaczyna się poruszać. Efektem ubocznym spalania są spaliny, które wydalane są z silnika przez układ wydechowy. Cały cykl realizuje się w schemacie pętli, z bardzo dużą szybkością, co przekłada się na wysoką moc oferowaną przez współczesne, w zasadzie niewielkie rozmiarem silniki samochodowe.
Co napędza samochód?
Ruch tłoka w cylindrze dzieli się na cztery etapy.
Etap pierwszy to ssanie – tłok przesuwa się w głąb hermetycznego cylindra, zasysając do jego wnętrza paliwo i powietrze (mieszankę powietrzno-paliwową). Paliwo przekazywane jest przez układ wtryskowy, który również korzysta z niewielkiego tłoka. Układ wtryskowy wciska niewielką ilość paliwa do cylindra przez wąską dyszę, przez co paliwo ma formę mgiełki i łatwiej się spala.
Etap drugi to sprężanie – tłok wraca do pozycji wyjściowej, sprężając znajdującą się w cylindrze mieszankę powietrzno-paliwową. Po uzyskaniu odpowiedniego ciśnienia świeca zapłonowa generuje iskrę, która zapala mieszankę i następuje jej eksplozja.
Etap trzeci to praca – eksplozja odpycha tłok z powrotem w głąb cylindra, a że ten za pomocą korbowodu połączony jest z wałem korbowodu, wał zaczyna się obracać. Inaczej mówiąc, wypchnięty tłok porusza wał, który wykonuje obrót. W ten sposób mini eksplozja wywołana w cylindrze przekazuje swoją energię na układ napędowy samochodu i ten może zacząć się poruszać – we współczesnych samochodach do kontrolowania mocy auta wykorzystuje się skrzynię biegów i sprzęgło.
Etap czwarty to wydech – po spaleniu mieszanki powietrzno-paliwowej w cylindrze pozostają spaliny, które trzeba odprowadzić na zewnątrz. Służy do tego specjalny zawór uruchamiany przez układ rozrządu, który reguluje częstotliwość otwierania zaworu. Po otwarciu zaworu spaliny wydostają się na zewnątrz przez układ wydechowy, a tłok wraca do pozycji wyjściowej i cykl Otta może zostać powtórzony ponownie.
Choć opisany cykl wydaje się powolny, w rzeczywistości całość powtarzana jest z olbrzymią szybkością. We współczesnych silnikach spalinowych ten cykl może powtarzać się od kilkunastu do kilkuset razy na sekundę. Dzięki temu wał korbowy obraca się bardzo szybko, a my możemy jechać autem.
Co znajdziemy w silniku?
Prócz wspomnianych już wcześniej cylindrów i poruszających się w ich wnętrzu tłoków, w zamkniętej skorupie silnika znajduje się również wałek rozrządu (odpowiedzialny za otwieranie i zamykanie zaworu odprowadzającego spaliny) i wał korbowy, który przekazuje energię na układ napędowy auta. Dodatkowym elementem silnika spalinowego jest koło zamachowe, które podtrzymuje stałą prędkość na wale korbowym, gdy tłok wykonuje sprężanie mieszanki powietrzno-paliwowej – koło zamachowe jest ciężkie i siłą rozpędu pomaga utrzymać obroty silnika na stałym poziomie, gdy tłok wykonuje najbardziej obciążającą pracę, czyli sprężanie.
Warto pamiętać, że podczas spalania paliwa generowane są duże ilości ciepła i silnik wymaga stałego chłodzenia. Za jego chłodzenie odpowiada układ chłodniczy. We wnętrzu silnika znajdują się specjalne kanaliki, przez które przepływa płyn chłodniczy. By silnik był chłodzony w optymalny sposób, coś musi sterować otwieraniem i zamykaniem tych kanalików i tę funkcję realizuje termostat. Dodatkowo elementy ruchome silnika smarowane są przez olej silnikowy, który zmniejsza tarcie i częściowo chłodzi silnik.
Innymi elementami konstrukcyjnymi silnika są również miska i pompa olejowa, a także głowica silnika. Współcześnie za sterowanie pracą całego silnika odpowiada komputer, ale są to już te elementy, które nie mają już większego wpływu na zrozumienie istoty tego, jak działa silnik spalinowy w samochodzie.
Silnik benzynowy i diesel – czym się różnią?
Inna nazwa dla silnika diesel to silnik wysokoprężny i jak sama nazwa wskazuje, jego cechą charakterystyczną jest zdolność do mocniejszego sprężania mieszanki powietrzno-paliwowej. Dzięki temu w takim silniku zapłon (zapalenie mieszanki) nie musi być realizowany przez iskrę pochodzącą ze świecy zapłonowej. W silniku wysokoprężnym dochodzi do samoczynnego zapłonu w wyniku ekstremalnego sprężenia mieszanki i działania świecy żarowej, która pełni funkcję grzałki.
Każdy silnik ma swoje wady i zalety. Zaletą silników diesel jest mniejsze zużycie paliwa, wadą większa ilość produkowanych spalin, bardziej kosztowna i cięższa konstrukcja. Silniki benzynowe są lżejsze i bardziej ekologiczne (emitują mniej szkodliwych dla środowiska spalin), ale mniej trwałe i bardziej energochłonne.