Silnik spalinowy

Silnik spalinowy – silnik wykorzystujący sprężanie i rozprężanie czynnika termodynamicznego (gazu) do wytworzenia momentu obrotowego lub siły. Sprężany jest gaz „zimny”, a rozprężany – „gorący”. Do sprężenia gazu zimnego zużywana jest mniejsza ilość energii mechanicznej niż uzyskuje się z rozprężania. Z tego powodu energia uzyskana z rozprężania zużywana jest do sprężania gazu i do napędu dowolnej maszyny. Gorący gaz uzyskuje się w wyniku spalenia paliwa, stąd nazwa: silnik spalinowy.

Czynnik „zimny”, często powietrze zassane z otoczenia, jest sprężane, a w wyniku sprężania rośnie jego ciśnienie i temperatura. Sprężony gaz ogrzewany jest poprzez spalanie paliwa do stosunkowo wysokiej temperatury. „Gorący” gaz rozprężany jest w cylindrze z ruchomym tłokiem lub turbinie. Uzyskana z rozprężania gorącego gazu energia mechaniczna wystarcza na pokrycie zapotrzebowania energii do sprężenia gazu „zimnego” i do napędu dowolnej maszyny.

Sprężanie i rozprężanie gazu może odbywać się zarówno w maszynach przepływowych, jak i tłokowych. Jeśli wykorzystujemy maszyny przepływowe mamy do czynienia z silnikiem turbinowym, składającym się z osobnych elementów: sprężarki, komory spalania i turbiny. Jeśli silnikiem naszym jest maszyna tłokowa, to proces sprężania, spalania paliwa i rozprężania gorącego czynnika odbywa się cyklicznie w jednej przestrzeni ograniczonej tłokiem, głowicą i ściankami cylindra (silnik tłokowy).

Istnieje kilka podziałów silników spalinowych, według różnych kryteriów. Poszczególne konkretne silniki zazwyczaj daje się sklasyfikować w kilku z tak powstałych klasyfikacji.

Ze względu na sposób spalania można wyróżnić:

• silnik spalania otwartego – substancja (czynnik roboczy) może mieć stan gazowy o niezmienionym składzie; silnik gazowy o zewnętrznym spalaniu (zewnętrzne źródło ciepła); np. silnik Stirlinga,
• silnik spalania zamkniętego – substancja (czynnik roboczy) może mieć stan gazowy o zmiennym składzie; silnik spalinowy lub silnik gazowy o wewnętrznym źródle ciepła (wewnętrzne spalanie).

Ze względu na ciśnienie w kolektorze ssącym silnika, można wyróżnić:

• silniki wolnossące (niedoładowane),
• silniki doładowane, które ze względu na ciśnienie w kolektorze ssącym dzieli się na:
  • silniki niskodoładowane (nadciśnienie 0–0,5 bara),
  • silniki średniodoładowane (nadciśnienie 0,5–1 bara),
  • silniki wysokodoładowane (nadciśnienie powyżej 1 bara).

Ze względu na czynnik roboczy (gaz o stałym, jak i zmiennym składzie lub substancja zmieniająca stan skupienia z ciekłego na gazowy) można wyróżnić silniki spalinowe tłokowe, turbinowe oraz odrzutowy.

W silnikach tłokowych cykl pracy realizowany jest najczęściej w czterech suwach (ssanie, sprężanie, praca, wydech – silnik czterosuwowy) albo w dwóch (silnik dwusuwowy), w którym wymiana ładunku odbywa się w okolicach zwrotu zewnętrznego tłoka. Silniki czterosuwowe dominują w motoryzacji, dwusuwowe stosuje się z jednej strony w prostych urządzeniach przenośnych, z drugiej – w największych wolnoobrotowych silnikach okrętowych^[1].

Ze względu na sposób zapłonu silniki tłokowe dzieli się na:

• silniki o zapłonie iskrowym (ZI), w których sprężoną mieszankę paliwowo-powietrzną zapala iskra świecy zapłonowej – zasilane zwykle benzyną lub gazem,
• silniki o zapłonie samoczynnym (ZS, wysokoprężne, Diesla), w których paliwo wtryskiwane do silnie sprężonego, gorącego powietrza zapala się samoczynnie^[1].

Najczęściej spotykane konfiguracje:

• silnik spalinowy tłokowy o ruchu posuwisto-zwrotnym tłoka – najczęściej spotykany silnik samochodów, jako napęd główny i pomocniczy siłowni okrętowych, a nawet jako napęd generatorów awaryjnych w elektrowniach atomowych. Moce największych spalinowych silników okrętowych sięgają 80 MW, a średnice cylindra 1050 mm. Jest to silnik spalania zamkniętego.
• silnik spalinowy tłokowy o tłoku rotacyjnym – zwany też silnikiem Wankla, spotykany rzadko w motoryzacji, jest to silnik spalania zamkniętego
• silnik Stirlinga o chemicznym źródle ciepła (silnik tego typu może też korzystać z innych źródeł ciepła niż spalanie), jest to silnik spalania otwartego.
• silnik turbowałowy jest to silnik turbinowy, z którego moc mechaniczna odbierana jest z wału wirnika turbiny, używany głównie w lotnictwie (silniki turbośmigłowe, śmigłowcowe), w energetyce (siłownia gazowa, układ gazowo-parowy), do napędu śrub okrętowych, sporadycznie w kolejnictwie, jeszcze rzadziej w motoryzacji.

• Objętość skokowa (dla silników tłokowych) – zsumowana różnica pomiędzy maksymalną a minimalną objętością każdego z cylindrów w silniku spalinowym wyrażana w centymetrach sześciennych (cm³, ccm).
• Stopień sprężania (dla silników tłokowych) – stosunek przestrzeni nad tłokiem w końcowej fazie ssania do przestrzeni nad tłokiem w końcowej fazie sprężania. Stopień sprężania obliczamy ze wzoru:

${\displaystyle E={\frac {V_{c}}{V_{k}}}}$

gdzie ${\displaystyle V_{c}}$ to objętość nad tłokiem po suwie ssania, a ${\displaystyle V_{k}}$ to objętość nad tłokiem po suwie sprężania.

• Prędkość obrotowa – wielkość określająca ilość obrotów wału korbowego na minutę. Jednostka:

${\displaystyle \omega ={\frac {n}{t}}\,\,\left[{\frac {\text{obr.}}{\text{min.}}}\right]}$

• Maksymalny moment obrotowy – maksymalny moment obrotowy przekazywany z wału silnika do układu napędowego.
• Moc silnika – stosunek wykonywanej pracy do czasu jej wykonania. Jednostki mocy:
  • 1 KM = 0,736 kW
  • 1 kW = 1,36 KM
• Objętościowy wskaźnik mocy (dla silników tłokowych) – stosunek mocy silnika do objętości wszystkich cylindrów w końcowej fazie suwu ssania.

${\displaystyle Pr={\frac {P}{Vss}}\,\,\left[{\frac {\text{kW}}{{\text{dm}}^{3}}}\right]}$

• Jednostkowa moc wewnętrzna (dla silników turbinowych) – stosunek mocy wewnętrznej silnika turbowałowego do strumienia masy czynnika na wlocie do silnika:

${\displaystyle N_{w}={\frac {N_{i}}{G_{0}}}}$

gdzie ${\displaystyle N_{i}}$ – moc wewnętrzna turbiny [W], ${\displaystyle G_{0}}$ – strumień masy czynnika na wlocie do układu samochodu.

Za wczesnych prekursorów silnika spalinowego uważa się konstrukcje przełomu XVIII i XIX wieku. W 1791 roku John Barber opatentował koncepcję turbiny gazowej, a w 1794 roku Robert Street opisał silnik na paliwo ciekłe^[2]. W 1807 roku bracia Nicéphore i Claude Niépce napędzali łódź na Saonie silnikiem Pyréolophore, wykorzystującym kontrolowane wybuchy pyłu, a François Isaac de Rivaz zbudował silnik wodorowy z zapłonem elektrycznym, który w 1808 roku zamontował w prymitywnym pojeździe^[3]. Autorem koncepcji silnika gazowego z zapłonem elektrycznym był też Philippe Lebon (patent z 1801 roku), a w 1823 roku Samuel Brown opatentował pierwszy silnik spalinowy zastosowany przemysłowo, montowany później m.in. w łodzi i pojeździe doświadczalnym^[4].

W latach 1854–1857 Eugenio Barsanti i Felice Matteucci opatentowali silnik gazowy w Wielkiej Brytanii, a w 1860 roku Belg Étienne Lenoir zbudował pierwszy silnik gazowy produkowany seryjnie i stosowany w praktyce^[5]. W 1864 roku Nikolaus Otto opatentował silnik atmosferyczny, a w 1872 roku Amerykanin George Brayton skonstruował pierwszy komercyjny silnik na paliwo ciekłe^[2].

W 1876 roku Otto, współpracujący już z Gottliebem Daimlerem i Wilhelmem Maybachem, skonstruował działający czterosuwowy silnik ze sprężaniem mieszanki, w którym cykl pracy obejmował ssanie, sprężanie, pracę i wydech^[6]. Konstrukcja ta odegrała kluczową rolę w rozwoju silników o zapłonie iskrowym. W latach 80. XIX wieku Daimler i Maybach rozwijali lekkie, szybkoobrotowe silniki czterosuwowe przystosowane do pojazdów^[7], a Carl Benz, posiadacz patentu na dwusuwowy silnik benzynowy z 1879 roku, rozpoczął w 1886 roku pierwszą komercyjną produkcję pojazdów z silnikiem spalinowym^[2].

Pod koniec XIX wieku Rudolf Diesel opracował silnik o zapłonie samoczynnym. Patent uzyskał w 1893 roku, a w latach 1893–1897 rozwijał konstrukcję w zakładach Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg, doprowadzając do uruchomienia pierwszego sprawnego egzemplarza^[8]. Silniki wysokoprężne znalazły później szerokie zastosowanie w transporcie drogowym, żegludze, kolejnictwie i przemyśle.

W XX wieku silnik spalinowy zdominował transport. W 1939 roku oblatano Heinkel He 178 – pierwszy samolot z napędem odrzutowym^[9]. W 1957 roku w zakładach NSU uruchomiono pierwszy silnik z tłokiem obrotowym konstrukcji Felixa Wankla^[10]. Drugą połowę stulecia wyznaczał rozwój wtrysku paliwa, doładowania i elektronicznego sterowania, a od lat 90. – układów ograniczania emisji^[1].

Silnik spalinowy jest silnikiem cieplnym, więc jego teoretyczną granicę sprawności wyznacza cykl Carnota, zależny od różnicy temperatur czynnika. W praktyce znaczna część energii paliwa jest tracona z ciepłem odprowadzanym przez układ chłodzenia i ze spalinami. Przeciętna sprawność samochodowych silników o zapłonie iskrowym w rzeczywistej eksploatacji wynosi około 18–20%^[11], choć najbardziej zaawansowane konstrukcje wyścigowe Formuły 1 przekroczyły 50% sprawności cieplnej^[12]. Silniki o zapłonie samoczynnym osiągają sprawności wyższe niż iskrowe, a rekordzistami są wielkie wolnoobrotowe dwusuwy okrętowe, jak Wärtsilä RT-flex96C, przekraczające 50% sprawności cieplnej^[13].

Spaliny silników zawierają – obok dwutlenku węgla i pary wodnej – substancje szkodliwe: tlenek węgla, tlenki azotu, niespalone węglowodory i cząstki stałe. Do ich ograniczania służą m.in. trójfunkcyjny reaktor katalityczny, filtr cząstek stałych oraz selektywna redukcja katalityczna z użyciem roztworu mocznika^[1]. W Unii Europejskiej dopuszczalne emisje pojazdów określają kolejne normy Euro, zaostrzane od normy Euro 1 z 1992 roku. Obowiązująca obecnie norma Euro 7, ustanowiona rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2024/1257, ma zastosowanie do nowych typów samochodów osobowych i dostawczych od 29 listopada 2026 roku, a do wszystkich nowo rejestrowanych egzemplarzy tych kategorii – od 29 listopada 2027 roku; po raz pierwszy obejmuje także emisję cząstek z hamulców i opon oraz trwałość akumulatorów trakcyjnych^[14][15].

Rozporządzenie (UE) 2023/851 wprowadziło wymóg stuprocentowej redukcji emisji CO₂ nowych samochodów osobowych i dostawczych od 2035 roku, co w praktyce oznaczało zakończenie sprzedaży nowych aut spalinowych w Unii Europejskiej, z rozważanym wyjątkiem dla pojazdów zasilanych wyłącznie paliwami syntetycznymi^[16]. W grudniu 2025 roku Komisja Europejska zaproponowała jednak złagodzenie tych przepisów: zamiast całkowitego zakazu producenci mieliby od 2035 roku redukować emisje o 90%, a pozostałą część kompensować m.in. użyciem niskoemisyjnej stali, biopaliw i paliw syntetycznych, co umożliwiłoby dalszą sprzedaż hybryd typu plug-in; propozycja wymaga jeszcze akceptacji Parlamentu Europejskiego i Rady UE^[17]. Równolegle rośnie udział samochodów elektrycznych i hybrydowych, a silniki spalinowe pozostają dominującym napędem w lotnictwie, żegludze i maszynach roboczych^[1].

• Jan Aleksander Wajand, Jan Tomasz Wajand: Tłokowe silniki spalinowe średnio- i szybkoobrotowe. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2005. ISBN 83-204-3054-2.
• PiotrP. Zając PiotrP., Leon MariaL.M. Kołodziejczyk Leon MariaL.M., Silniki spalinowe, Warszawa: Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, 2001, ISBN 83-02-07987-1, OCLC 749296845 .