Od czasu pojawienia się na rynku silników tłokowych intensywne badania rozwojowe skupiają się na opracowaniu możliwie najbardziej wydajnych komór spalania. Wielu producentów zrezygnowało co prawda z produkcji silników spalinowych zasilanych benzyną i olejem napędowym, ale niektóre firmy nadal pracują nad stworzeniem nowych modeli. Chociaż na chwilę obecną nie wiemy, która grupa podjęła właściwą decyzję, to oczywistym jest, że na tę technologię istnieje spore zapotrzebowanie. Dlatego też temat naszej dzisiejszej prezentacji należy uznać za ciągle aktualny. W tym artykule przedstawiamy historię rozwoju komór spalania, koncentrując się na najważniejszych przykładach wykonania.

Komory spalania – definicja, podstawowe różnice

Komora spalania silnika spalinowego to miejsce, w którym dochodzi do sprężenia, a następnie zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej (w przypadku silników wysokoprężnych mamy do czynienia z samozapłonem), co powoduje rozszerzanie się gazów.

Kwestia osiąganej wówczas wydajności jest ważna, ponieważ determinuje moc wyjściową na wale korbowym. Nie bez znaczenia jest również geometria komory spalania.

Musimy przede wszystkim pamiętać o różnicy między silnikami Otta i Diesla, ponieważ ich komory spalania muszą spełniać zupełnie inne wymagania. Jeśli chodzi o silniki benzynowe, należy również rozróżnić je ze względu na sposób doprowadzenia benzyny do komory spalania. Wyróżniamy wtrysk do kolektora dolotowego, wtrysk bezpośredni (z pominięciem kolektora) oraz wtrysk mieszany. W przypadku silników benzynowych czas potrzebny na wymieszanie się mieszanki jest bardzo ważny, więc musimy dostosować pod tym kątem konstrukcję komory spalania.

Komora spalania silników benzynowych

Na początku, gdy zapłon wysokociśnieniowy i wtrysk bezpośredni nie były jeszcze stałym elementem silników benzynowych, zaprojektowanie komory spalania było znacznie trudniejsze niż w przypadku silników Diesla.

Przy projektowaniu komory głównym czynnikiem technologicznym, który należało rozważyć, była krótka i równomierna ścieżka zapłonu, która pozwoliłaby uzyskać jak największy moment obrotowy ze spalanej mieszanki. Równie ważne jest wirowanie, ponieważ wpływa na szybsze spalanie i chłodzenie gorących punktów, a także na dokładność dalszego mieszania. Nie tylko umożliwia to dalsze mieszanie, ale także przyspiesza spalanie i chłodzi gorące miejsca. Ponieważ konstrukcja bloku silnika nie może być geometrycznie idealna, a spalanie jest również skoncentrowane w stosunkowo małej objętości, wydzielanie ciepła przez silnik jest dalekie od jednolitego.

Ponadto istotne jest również, aby zbyt duża ilość ciepła powstałego przy spalaniu nie uciekała do otoczenia, ponieważ ilość oddawanego do środowiska ciepła jest odwrotnie proporcjonalna do sprawności cieplnej, co z kolei wpływa na moc wyjściową silnika.

Nie bez znaczenia są także nasadki zaworów, które muszą mieć wystarczający rozmiar i pasować do komory spalania, zapewniając możliwość ich bezproblemowego otwarcia.

Istotność tej kwestii obrazują motocykle ze znakiem towarowym HEMI, należącym obecnie do grupy Stellantis. Swoją nazwę zawdzięczają półkulistej (po ang. HEMIspherical) komorze spalania. Z inżynieryjnego punktu widzenia taka komora spalania ma praktycznie idealny kształt, jednak jak we wszystkich rozwiązaniach technicznych i tutaj konieczny był kompromis.

Największą wadą półkulistej komory spalania jest to, że niemożliwe jest umieszczenie w niej więcej niż dwóch nasadek zaworowych. Dlatego też silniki HEMI nadal pracują z jednym zaworem ssącym i jednym wydechowym.

Oczywiście są od tego wyjątki, ale w przypadku rozwiązań wielozaworowych, idealnie półkulista forma zwykle musiała być nieco zniekształcona, aby pomieścić wszystkie nasadki zaworowe.

Oprócz marek takich jak Stellantis, Aston Martin i Ford, z rozwiązania skorzystały też Lamborghini, Toyota i wielu innych producentów.

Ponadto światło dzienne ujrzała już ogromna liczba innych projektów, pośród których są również nieco starsze rozwiązania.

Wszystkie rozwiązania mają swoje wady i zalety, więc ogólnie można powiedzieć, że jakość konstrukcji w dużej mierze zależy od sposobu użytkowania. Na przykład komora spalania oznaczona literą „f” jest specjalnie zaprojektowana dla układu, w którym to sam korpus tłoka zamyka i otwiera wlot paliwa.

Komora spalania silników wysokoprężnych

W późniejszym etapie komora spalania w silnikach benzynowych również zaczęła przypominać swój odpowiednik z silnika Diesla ze względu na bezpośredni wtrysk i stale rosnący stopień kompresji.

Ogólnie można powiedzieć, że silniki wysokoprężne mają komory spalania dzielone lub niedzielone.

W dawniejszych czasach dzielona komora spalania wydawała się bardziej praktycznym rozwiązaniem, właśnie dlatego, że nie było potrzeby precyzyjnego rozpylania.

Kluczowym elementem wersji dzielonej jest komora wstępna. Stanowi ona 25-40 % całkowitej objętości komory spalania i to do niej trafia rozpylony olej napędowy. W szczytowym momencie sprężania mieszanka zapala się w komorze wstępnej, a następnie powstałe ciśnienie wyciska rozprężający się gaz z komory wstępnej, która nadal zawiera dużo niespalonego paliwa. Ponieważ jednak temperatura i ciśnienie są bardzo wysokie, mieszanka nadal się pali, gdy napotka świeży tlen w pozostałej części komory spalania.

Szczególnym rozwiązaniem jest tzw. komora wirowa, która jest większa niż komora wstępna, ponieważ powietrze wtłaczane do niej przez tłok zaczyna wirować, dzięki czemu komora nie musi być aż tak drastycznie zmniejszona, aby osiągnąć wysokie natężenia przepływu, jak w wersjach z komorą wstępną. Tutaj jednak kierunek wtrysku nie jest już obojętny. Ponadto, przy odpowiedniej konfiguracji można osiągnąć znaczne oszczędności paliwa w porównaniu z wersjami z komorą wstępną.

W nowoczesnych silnikach wysokoprężnych całkowicie zrezygnowano z tych rozwiązań, ponieważ precyzyjny wtrysk jest obecnie rozwiązaniem standardowym, a silniki bez podziału komór spalania są w stanie osiągnąć znacznie wyższe prędkości spalania, a tym samym znacznie lepszą wydajność.

W tym przypadku wtrysk jest prawie zawsze bezpośredni, więc zawirowanie służy do dokładnego wymieszania oleju napędowego z powietrzem przed zapłonem. Ułatwia to fakt, że paliwo jest rozpylane w kilku dawkach i z dużą dokładnością.

Ponieważ wtrysk bezpośredni doprowadził do znacznego wzrostu wydajności, rozwój zarówno silników benzynowych, jak i wysokoprężnych poszedł właśnie w tym kierunku. W rezultacie konstrukcja komór spalania nie różni się już tak bardzo między tymi dwoma typami silników.