Stopień sprężania w silniku tłokowym

Jednym z parametrów, charakteryzujących silnik spalinowy, jest jego stopień sprężania. Jest to stosunek objętości komory spalania w chwili gdy tłok znajdzie się w dolnym położeniu zwrotnym do objętości, gdy osiągnie górne położenie zwrotne (GZP).

Aby w silniku spalinowym nastąpił zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej, musi się ona znajdować pod pewnym ciśnieniem. W silnikach o zapłonie iskrowym wynosi ono od kilkuset tysięcy kilopaskali do niewiele ponad 1 megapaskal, w silnikach o zapłonie samoczynnym jest ono kilkukrotnie wyższe.

Konieczność sprężenia mieszanki paliwa i powietrza przed zapłonem wynika z konieczności uzyskania jej odpowiedniej gęstości, poniżej której rozproszenie par i nieodparowanych kropli paliwa jest tak duże, że uniemożliwia zainicjowanie zapłonu. W silniku z zapłonem samoczynnym sprężenie powietrza ma dodatkowo podnieść jego temperaturę do takiej, przy której nastąpi zapalenie się wtryskiwanego paliwa.

W czasie sprężania powietrza lub mieszanki paliwowo-powietrznej ponad tłokiem na jego denko działa coraz większa siła, aż do momentu, kiedy tłok przekroczy górne położenie zwrotne. Gdyby wcześniej nie nastąpił zapłon, od tej chwili siła nacisku na denko tłoka malałaby aż do momentu, gdy osiągnie on dolne położenie zwrotne. Jeżeli nastąpi zapłon, to tuż po przekroczeniu GPZ wzrasta gwałtownie nacisk gazów spalinowych na denko tłoka. Popychają go one ku dołowi aż do chwili, gdy nastąpi otwarcie zaworu wydechowego.

Odwiedź nasz serwis Eksploatacja auta

Siły, działające na tłok można dość łatwo z pewnym przybliżeniem obliczyć, znając jego powierzchnię. Zakładając, że ciśnienie w GPZ jest równe stopniowi sprężania (co nie do końca odpowiada prawdzie), wystarczy pomnożyć go przez powierzchnię tłoka, wyrażoną w centymetrach kwadratowych. Rachunek ten nie uwzględnia zmniejszenia się ciśnienia w wyniku przedmuchów do komory korbowej przez nieszczelności między tłokiem i ściankami cylindra, ale w sprawnym silniku jest to wielkość, którą można pominąć.

Z chwilą gdy tłok przekroczy GPZ, ciśnienie w komorze spalania będzie wielokrotnie większe niż w chwili, gdy tłok będzie w GPZ. Teoretycznie ciśnienie to będzie się utrzymywało przez cały czas spalania mieszanki paliwowo-powietrznej. Gdyby tłok zatrzymał się nagle, zaczęłoby ono gwałtownie rosnąć aż do momentu całkowitego spalenia się mieszanki w cylindrze. Przemieszczanie się tłoka ku dołowi cylindra powoduje stałe rozprężanie gazów spalinowych, dzięki czemu mają one mniej więcej to samo ciśnienie w czasie całego suwu pracy, aż do chwili otwarcia zaworu wydechowego.  Orientacyjnie wynosi ono w granicach 3,5 do 6,5 MPa w silniku z zapłonem iskrowym, 6 do 10 MPa w silniku z zapłonem samoczynnym i od 10 do ponad 13 MPa w silniku z zapłonem samoczynnym z turbodoładowaniem. Znając te wartości można szybko obliczyć z dość dużym przybliżeniem, jaka siła działa na denko tłoka podczas prawie całego suwu pracy.

Zobacz też: Stopień sprężania silnika spalinowego