Sprawność energetyczna stała się istotnym tematem na przestrzeni ostatnich 10-20 lat, przede wszystkim w kontekście paliw samochodowych. Silniki spalinowe nie są w stanie przekształcić znacznej części energii zawartej w paliwie w ruch. Niewiele osób jednak wie, że to właśnie najbardziej sprawne pod względem energetycznym silniki spalinowe są spotykane najrzadziej na drogach.

Grupy silników spalinowych

Silniki spalinowe można pogrupować na podstawie szeregu parametrów, np. wielkości i prędkości, z czego można również wywnioskować ich przeznaczenie.

Należy dodać, że granice poszczególnych grup są nieco rozmyte, dlatego nawet zawarte w fachowej literaturze definicje nie zawsze są ze sobą zgodne. Odkąd istnieją silniki spalinowe, powszechnie przyjmuje się, że wraz ze wzrostem wymiarów, spadają ich obroty, co wynika przede wszystkim z coraz bardziej ograniczonej średniej prędkości tłoka.

Silniki średnie i wysokoobrotowe

Średnia klasa wielkości to głównie silniki instalowane w lokomotywach kolejowych i statkach. Dodatkowo stosowane są one również w agregatach (wytwarzanie energii elektrycznej, napęd pomp).

Do tej grupy można zaliczyć również agregaty większe niż silniki pojazdów pasażerskich stosowane w wyjątkowo dużych pojazdach przemysłowych, takich jak lokomotywy kopalniane, równiarki, pojazdy gąsienicowe. Ich pojemność skokowa jest zazwyczaj większa niż 30 000 centymetrów sześciennych, a średnica cylindra wynosi od 130 do 300 milimetrów. Ich moc wyjściowa może wynosić od 400 do 4000 kW przy prędkości obrotowej około 900-2000 obr./min.

Silniki te wykorzystują zasadę działania silników wysokoprężnych stosowanych w pojazdach pasażerskich. Mimo różnic w szczegółowych wymaganiach dotyczących osiągów to ogólne kryteria dla tych dwóch typów silników są podobne – wysoki moment obrotowy i wysoka wydajność paliwowa. Oba obszary wywierają na siebie obopólnie korzystny wpływ: zastosowanie silników wysokoprężnych w działalności kolejowej zaowocowało rozwojem technicznym silników, którego rezultaty można było później przenieść do pojazdów osobowych i odwrotnie.

Średniej wielkości silniki wysokoprężne są cięższe niż ich mniejsze odpowiedniki: na każdy kilowat mocy przypada od 2,5 do 25 kilogramów masy. Oczywiście w dużej mierze zależy to od ilości doładowania i stopnia wykorzystania silnika. Średnia wartość wynosi około 5,5-8 kg/kW.

Pod względem rozmieszczenia cylindrów korzystne są konstrukcje o dużej gęstości mocy, co pozwala na umieszczenie jak największej liczby cylindrów w przestrzeni o danej wielkości. Z tego powodu najczęstszym wariantem jest układ w kształcie litery „V”. W odróżnieniu od rozwiązań drogowych, jednolity zapłon jest zazwyczaj realizowany dzięki ustawieniu kąta cylindrów. Dlatego zamiast kątów 60-90 stopni obserwowanych w samochodach pasażerskich, tutaj najczęstszą konfiguracją jest 40-50 stopni. Oprócz tego spotkamy się także z silnikiem o pojemności skokowej W, trzycylindrowym dwusuwowym silnikiem typu delta, a także czterorzędowym układem H i X.

Skrzynia korbowa wykazuje wiele różnic w porównaniu z wersjami drogowymi, ponieważ musi przenosić znacznie większe obciążenia, więc często jest dodatkowo wzmacniana. Wykonana jest ze stali spawanej.

Sterowanie wolnoobrotowego silnika wysokoprężnego różni się od rozwiązań stosowanych dzisiaj w pojazdach pasażerskich. Są one wyposażone bowiem w układ OHV, a więc ich sterowanie odbywa się z boku, a nie z góry. Po obu stronach obudowy znajdują się dwa wałki rozrządu zamontowane jak najwyżej w skrzyni korbowej. Ma to na celu zapewnienie łatwego dostępu do mechanizmu sterującego zaworami przez otwór montażowy z boku obudowy.

Duże silniki wolnoobrotowe

Coraz większa dostępność mocy dzięki turbodoładowaniu stworzyła nowe możliwości w zakresie zwiększania rozmiarów silników czterosuwowych. Czterosuwowe silniki wysokoprężne o dużej gęstości mocy, które są bardziej niezawodne niż silniki dwusuwowe, są produkowane z mocą 200-1400 kilowatów na cylinder. Ich prędkość obrotowa wynosi 400-750 obr./min., a średnica cylindra mieści się w zakresie od 320 do 650 milimetrów. Ich głównym rynkiem zbytu jest żegluga, ale można je znaleźć również w wielu innych obszarach zastosowań: służą one jako jednostki napędowe do generatorów energii elektrycznej, sprężarek, maszyn roboczych, pomp i urządzeń nawadniających.

Różnice konstrukcyjne są tutaj znacznie większe chociażby ze względu na ekstremalnie wysokie naprężenia termiczne. Jest to spowodowane przede wszystkim niewiarygodnie wysokim ciśnieniem ładowania wynoszącym ponad 20 barów.

Ze względu na stosowanie ciężkich paliw olejowych, żywotność zaworów wydechowych jest krótka i zazwyczaj nie przekracza 6000 godzin pracy. Demontaż głowic cylindrów jest praktycznie niemożliwy ze względu na wąską przestrzeń i ogromną masę, więc zawory są umieszczane w tzw. koszu zaworowym, który można wyjąć razem z zaworem z głowicy cylindrów bez demontażu tej ostatniej. Silniki mają cztery zawory na cylinder, komora spalania jest niepodzielona.

Ponieważ obciążenie cieplne jest z powyższych powodów bardzo wysokie, należy zwracać szczególną uwagę na chłodzenie zaworów i tulei cylindrowych. Bez znaczenia nie jest również obciążenie mechaniczne: szczytowe ciśnienie spalania przekracza często 120 barów, dlatego w silniku znajdziemy podobne wzmocnienia, jak w wersjach średniej wielkości. Tłoki i korbowód również składają się z kilku części — jest to ważne głównie ze względu na łatwość montażu.

Ogólnie rzecz biorąc, można stwierdzić, że są to obecnie najbardziej wydajne silniki spalinowe na świecie. Podczas gdy silniki wysokoprężne w samochodach osobowych ledwo osiągają 30% sprawności, duże silniki wolnoobrotowe z łatwością plasują się na poziomie 40-50%.

Zmiana kierunku obrotu

Być może najbardziej oczywistą różnicą w porównaniu z wersjami stosowanymi w samochodach pasażerskich jest to, że wolnoobrotowe silniki wysokoprężne – zwłaszcza silniki okrętowe – muszą być w stanie szybko zmieniać kierunek obrotów, aby umożliwić manewrowanie.

Przeciwny kierunek obrotów oznacza przeciwny ruch tłoka, a wraz z nim inny skok w cylindrze. Aby elementy silnika mogły działać w odwrotnym kierunku, krzywki odpowiadające obu kierunkom obrotów silnika są umieszczone jedna za drugą na wałku rozrządu, a kierunek obrotów można zmienić, przesuwając wałek. Zjawisko to nazywamy rewersowaniem.