Budowa i Działanie Silnika Czterosuwowego

Silnik czterosuwowy, znany również jako silnik spalinowy czterotaktowy, to rodzaj silnika o spalaniu wewnętrznym, który powszechnie stosowany jest w różnorodnych maszynach. Jego zasada działania opiera się na cyklu czterech suwów: ssącym, sprężającym, rozprężającym (pracy) i wydechowym. Jest to jeden z najpopularniejszych rodzajów silników spalinowych, napędzający pojazdy osobowe, ciężarowe, motocykle, samoloty, łodzie, maszyny robocze, agregaty prądotwórcze, a także urządzenia ogrodnicze, takie jak kosiarki. Obecnie zdecydowana większość spalinowych silników tłokowych pracuje w obiegu czterosuwowym, co świadczy o ich wydajności i zdolności do spełniania norm czystości spalin.

Historia i Ewolucja Silnika Czterosuwowego

Dzieje silnika czterosuwowego mają swój początek w 1673 roku, kiedy Christian Huygens, holenderski fizyk i matematyk, zbudował urządzenie do pompowania wody, wykorzystując proch strzelniczy. Choć jego system zadziałał tylko raz, ten pierwszy ruch tłoka, zwany suwem pracy, stanowił istotny krok w kierunku stworzenia maszyny spalinowej.

W XIX wieku wielu wynalazców próbowało stworzyć nowy typ silnika. W 1862 roku Alphonse Beau de Rochas zdefiniował pracę takiej maszyny, a dziewięć lat później Reitchmann stworzył prototyp silnika oparty na jego koncepcji. Kluczowy moment nastąpił w 1876 roku, kiedy niemiecki konstruktor i przemysłowiec Nicolaus August Otto, wraz z inżynierem Eugenem Langenem, zbudowali gazowy silnik czterosuwowy, działający na podstawie cyklu, który nosi dziś nazwę cyklu Otta. Wcześniej, w 1854 roku, silnik spalinowy działający na podstawie cyklu Otta został po raz pierwszy opatentowany przez Eugenio Barsantiego i Felice Matteucciego, a w 1860 roku opatentowano pierwszy prototyp.

Zasada Działania Silnika Czterosuwowego

Zasada czterech suwów funkcjonalnych silnika jest aktualnie na całym świecie uważana za najbardziej użyteczną. Cykl obejmuje dwa obroty wału korbowego, co jest równoważne czterem ruchom posuwisto-zwrotnym tłoka w jednym cyklu roboczym. Te cztery fazy pracy to ssanie, sprężanie, praca (rozprężanie) i wydech.

Cykl Czterech Suwów

W silniku czterosuwowym (4T) jeden pełny cykl pracy obejmuje cztery suwy. Każdy suw to 180° obrotu wału korbowego, więc cały cykl to 720° (dwa pełne obroty wału).

Suw Ssania (1. suw)

Początek cyklu czterosuwowego zaczyna się od ruchu tłoka w dół cylindra, z Górnego Martwego Punktu (GMP) do Dolnego Martwego Punktu (DMP). W tym czasie zawór ssący jest otwarty, co umożliwia dostanie się do cylindra (pomiędzy tłok a głowicę) mieszanki paliwowo-powietrznej z gaźnika lub układu wtryskowego. Tłok, przesuwając się w dół, wytwarza w cylindrze podciśnienie, które zasysa mieszankę. Zawór wydechowy pozostaje zamknięty.

Suw Sprężania (2. suw)

Po zassaniu mieszanki, zawór ssący zamyka się, blokując dostęp świeżej mieszanki paliwowo-powietrznej. Następnie tłok porusza się w górę cylindra, w kierunku GMP, ściskając pobraną wcześniej mieszankę. Oba zawory (ssawny i wydechowy) są zamknięte. Sprężanie następuje pod znacznym ciśnieniem, zwykle do około jednej dziesiątej początkowej objętości mieszanki. Wraz z postępem tego procesu dochodzi do wzrostu ciśnienia i temperatury w cylindrze. Tuż przed osiągnięciem GMP (na 1-2 milimetry, czyli prawie 5 stopni obrotu wału korbowego) następuje zapłon mieszanki.

Suw Pracy (Rozprężania) (3. suw)

Po osiągnięciu maksymalnego sprężenia, zapala się mieszanka paliwowo-powietrzna. Iskra elektryczna generowana przez świecę zapłonową inicjuje reakcję chemiczną spalania paliwa, prowadzącą do gwałtownego wzrostu ciśnienia (do stu barów) i temperatury w cylindrze. Takie ciśnienie odpowiada sile nacisku na tłok równej 5 tonom. Energia wydzielona podczas spalania mieszanki przekształca się w ruch tłoka w dół cylindra, z GMP do DMP. Siły te są przenoszone z denka tłoka przez korbowód na wał korbowy, powodując jego obrót. Z tego jednego suwu pracy silnik musi uzyskać wystarczającą energię, by zrealizować pozostałe trzy suwy.

Suw Wydechu (4. suw)

Jeszcze zanim tłok osiągnie DMP, otwarty zostaje zawór wydechowy, umożliwiając wydostanie się spalinowych gazów, wciąż jeszcze nie do końca rozprężonych, z cylindra przez układ wydechowy. Przemieszczający się w górę tłok, aż do osiągnięcia GMP, wypycha z cylindra resztę gazów. Po zamknięciu zaworu wydechowego cykl zaczyna się od nowa, przygotowując silnik do kolejnego obiegu.

Budowa Silnika Czterosuwowego Kosiarki

Budowa silnika kosiarki spalinowej to kluczowy element dla zrozumienia jego działania. Silnik jest sercem każdej kosiarki spalinowej - odpowiada za generowanie mocy, która napędza nóż tnący i umożliwia sprawne koszenie trawy. Zrozumienie jego budowy pozwala nie tylko na efektywniejszą eksploatację, ale również ułatwia diagnozowanie i naprawę usterek. Budowa silnika spalinowego kosiarki opiera się najczęściej na jednostce jednocylindrowej, czterosuwowej, chłodzonej powietrzem.

Główne Komponenty

Podstawowe części, które tworzą budowę silnika kosiarki spalinowej, to cylinder, tłok, wał korbowy, głowica, zawory, gaźnik (lub układ wtryskowy) oraz układ zapłonowy. Współpraca tych elementów pozwala na prawidłowe spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej i wytwarzanie energii mechanicznej.

Kadłub i Głowica

Kadłub silnika razem z głowicą stanowią obudowę mechanizmów korbowego oraz rozrządu, a ponadto są wykorzystywane do zamocowania zewnętrznego osprzętu silnika. Kadłub utrzymuje wszystko razem w jednej całości, dźwiga wał korbowy, umożliwia powstawanie dużego ciśnienia w komorze spalania oraz udziela wsparcia większej części agregatów pomocniczych. Jest to największy i najcięższy fragment jednostki napędowej. Żeliwo do dzisiaj jest cenionym materiałem na kadłuby ze względu na niewielkie przewodzenie fal akustycznych (żeliwne jednostki napędowe są cichsze), wspaniałe własności ślizgowe i odporność na ściski. Aktualnie projektanci dążą do pomniejszenia ciężaru masy silnika, dlatego żeliwo jest często zastępowane przez aluminium, choć aluminium ma gorsze własności ślizgowe.

Głowica jest "przykrywką" na cylindry i pełni ogromnie ważną funkcję. Jest ona wyposażona w różnego rodzaju kanały i otwory. Przez przewód dolotowy dostarcza się do cylindra mieszankę paliwowo-powietrzną, a przewód wylotowy (wydechowy) zezwala na opuszczenie spalin z cylindra. Materiały te, z których zbudowany jest kanał wylotowy, muszą być ogromnie wytrzymałe, ponieważ gazy spalinowe osiągają temperaturę do 800°C i wydobywają się pod ciśnieniem 20 barów z prędkością zbliżoną do prędkości dźwięku. Odległość przewodów od siebie również nie jest obojętna - przewód wylotowy nie może być za blisko dolotowego, aby uniknąć zmniejszenia gęstości powietrza i zawartości tlenu w nim z powodu wzrostu temperatury.

Mechanizm Korbowy

Celem mechanizmu korbowego jest zamiana postępowego ruchu tłoka na ruch obrotowy wału korbowego.

• Tłok: Razem z głowicą cylindra oraz jego ściankami zamyka komorę spalania. Na skutek procesu spalania w silniku tworzą się duże ciśnienia, które stanowią siłę popychającą tłok z prędkością ponad 200 km/h w kierunku DMP. Tłok powinien zamieniać swobodne ciepło powstające na skutek spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w siłę powodującą kręcenie się wału korbowego. Ze względu na dużą temperaturę tłok bardzo się ogrzewa i powinien przekazywać ciepło przez swoje pierścienie na ścianki cylindra, skąd zabiera je płyn chłodzący lub obieg powietrza chłodzącego. Niezbędne są pierścienie tłokowe, które uszczelniają tłok w cylindrze, oraz sworzeń, który mocuje tłok do korbowodu.
• Korbowód: Łączy wał korbowy z tłokiem, zmienia ruch posuwisty tłoka w ruch obrotowy wału korbowego i przenosi siły powstałe po zapłonie mieszaniny w komorze spalania na wał korbowy, powodując powstanie momentu obrotowego. Korbowód jest niezwykle wytrzymały i lekki, dlatego produkuje się go z uszlachetnianej stali oraz żeliwa.
• Wał korbowy: Zmienia suw posuwisto-zwrotny tłoka na moment obrotowy. Aby tłoki nie przesuwały się jednocześnie, wykorbienia na wale są ustawione kątowo. Wał, skonstruowany z żeliwa z dodatkiem grafitu dla większej wytrzymałości, musi wytrzymywać ogromne obciążenia. Posiada czopy korbowe (do których montowany jest korbowód tłoka), panewki główne (łożyska ślizgowe podpierające wał w bloku silnika) oraz przeciwwagi, które równoważą siły bezwładności tłoków i korbowodów.
• Koło zamachowe: Ulokowane poza blokiem silnika, pełni ogromnie ważną rolę w pracy silnika. Gdyby nie ono, silnik nie byłby w stanie działać, gdyż energię do obrotu wału korbowego dodaje jedynie jeden suw - pracy. Koło zamachowe dostarcza tej siły w formie nagromadzonej wcześniej energii kinetycznej. Dokładność wyważenia koła jest bardzo istotna, ponieważ najmniejsze odchyły i nierówności powodują niespokojną pracę silnika. Koło zamachowe jest bardzo często budowane z żeliwa.

Mechanizm Rozrządu

Funkcją mechanizmu rozrządu jest sterowanie napływem świeżej mieszanki do cylindrów silnika oraz usuwanie z nich spalin. W nowoczesnych czterosuwowych silnikach spalinowych wykorzystuje się rozrząd górnozaworowy.

• Zawory: Ulokowane w głowicy silnika, otwierają i zamykają co najmniej dwa otwory: dolotowy (dla mieszanki paliwowo-powietrznej) i wylotowy (dla spalin). Zawór składa się z trzonka i grzybka. Grzybek zamyka otwór, a trzonek przekazuje mu ruch posuwisto-zwrotny, sterując otwieraniem i zamykaniem zaworu. Kiedyś stosowano jeden zawór dolotowy i jeden wydechowy na cylinder, obecnie często stosuje się formy czterech zaworów na cylinder (dwa dolotowe i dwa wydechowe) lub nawet pięciu (trzy dolotowe i dwa wylotowe).
• Wałek rozrządu: To układ wirujących krzywek (dźwigni), które naciskają na zawory, otwierając je w odpowiednim momencie. Na wałkach umieszczonych jest kilka takich krzywek, po jednej na każdy zawór, poprzestawiane we wszelkich kierunkach wokół osi wałka. Wałek rozrządu napędzany jest przez siłę pochodzącą z wału korbowego.
• Napęd rozrządu: Do lat 60. siłę z wału korbowego przenoszono przez łańcuch. W 1962 roku zaczęto wykorzystywać pasek zębaty w miejscu łańcucha. Zarówno pasek, jak i łańcuch mają swoich zwolenników i przeciwników. Paski wymagają częstszej wymiany i naciągania, natomiast łańcuchy bywają głośniejsze.

Rodzaje Rozrządu (OHV i OHC w Kosiarkach)

Konstrukcja silnika kosiarki spalinowej może różnić się w zależności od modelu i producenta, w tym pod względem rodzaju rozrządu.

• Rozrząd OHV (Over Head Valves - górne zawory): Jest to jedna z najstarszych i najprostszych konstrukcji rozrządu. W silniku OHV wałek rozrządu jest umieszczony w dolnej części silnika (w bloku) i napędzany przez łańcuch lub pasek zębaty od wału korbowego. Wałek rozrządu porusza popychacze, które poprzez drążki i dźwignie zaworowe wpływają na ruch zaworów w głowicy silnika. Zawory są dociskane do swoich gniazd przez sprężyny. Zazwyczaj silnik OHV ma dwa zawory na cylinder - jeden dolotowy i jeden wydechowy. Jest to rozwiązanie często spotykane w silnikach spalinowych o niewielkiej pojemności i mocy, stosowanych w urządzeniach ogrodniczych, takich jak kosiarki, glebogryzarki czy agregaty prądotwórcze. Silniki OHV w kosiarce mają zwykle jednocylindrową konstrukcję, chłodzenie powietrzem i gaźnik.
• Rozrząd OHC (Over Head Camshaft - wałek rozrządu w głowicy): W rozrządzie OHC wałek rozrządu oraz zawory znajdują się w głowicy. Krzywki wałka sterują otwarciem zaworów ssących i wydechowych, a napęd na wałek przenosi łańcuszek rozrządu. Wałek obraca się dwa razy wolniej niż wał korbowy. W odróżnieniu od OHV, mechanizm OHC jest bardziej skomplikowany, ale umożliwia lepsze sterowanie zaworami i wyższe obroty silnika.

Układ Smarowania i Chłodzenia

W silnikach czterosuwowych kosiarki stosuje się różne systemy smarowania, najczęściej rozbryzgowe lub ciśnieniowe, aby zmniejszyć tarcie i zapewnić odpowiednie chłodzenie ruchomych części. Wszelkie ruchome części silnika wymagają obecności oleju. Olej spełnia także dodatkowe zadanie czynnika odbierającego ciepło i rozpraszającego je.

Chłodzenie silników kosiarek jest zazwyczaj powietrzne. Obieg powietrza chłodzącego skutecznie odprowadza ciepło z cylindra i głowicy, zapewniając optymalną temperaturę pracy jednostki.

Specyfika Silnika STIHL 4-MIX®

Silnik STIHL 4-MIX® to innowacyjny czterosuwowy silnik, który uprzyjemnia nawet najtrudniejsze dni w pracy. Został zaprojektowany w taki sposób, aby wszystkie aspekty obsługi i funkcjonalności możliwie najlepiej wspierały użytkownika. Jest on tankowany zwykłym paliwem (mieszanka 1:50, jak w silnikach dwusuwowych), co umożliwia niezależną od położenia eksploatację z dobrym przyspieszeniem. Silnik STIHL 4-MIX® osiąga wysoki moment obrotowy przy stosunkowo niskim zużyciu paliwa i jest szczególnie niskoemisyjny. Kompaktowa konstrukcja silnika 4-MIX® firmy STIHL zapewnia dobry stosunek mocy do masy i pracę przy niskim poziomie wibracji.

Aby ułatwić uruchomienie, każdy silnik do kosy spalinowej STIHL 4-MIX® ma wbudowany automatyczny układ dekompresyjny. Działa on w ten sposób: podczas uruchamiania silnika 4-MIX® obciążniki odśrodkowe powodują minimalne otwarcie zaworu. Część ciśnienia sprężania może uciec przez ten minimalny otwór, skutecznie zmniejszając siłę potrzebną do uruchomienia silnika 4-suwowego. Dzięki tankowaniu przy użyciu mieszanki smarującej, części niezbędne w konwencjonalnych silnikach 4-suwowych, takie jak pompa olejowa, filtr oleju i miska olejowa, nie są już potrzebne, co sprawia, że jest bardzo lekki.

Zalety i Wady Silników Czterosuwowych

Silniki czterosuwowe są powszechnie stosowane w motoryzacji i różnych dziedzinach z powodu swojej wydajności i trwałości. W porównaniu do silników dwusuwowych, silnik czterosuwowy teoretycznie ma dwukrotnie mniejszą moc, ponieważ suw pracy przypada na dwa obroty wału korbowego, podczas gdy w silniku dwusuwowym praca użyteczna przypada na jeden obrót. Jednak silnik czterosuwowy nie wykazuje strat w paliwie (z uwagi na rozrząd zaworowy) i łatwiej spełnia normy czystości spalin.

Zalety

• Wydajność paliwowa: Silniki czterosuwowe są znane ze swojej wysokiej efektywności energetycznej i niskiego jednostkowego zużycia paliwa.
• Trwałość i niezawodność: Charakteryzują się solidną konstrukcją i, w porównaniu do niektórych innych typów silników, stabilniejszą pracą.
• Łagodna charakterystyka mocy: Dostarczają płynnej i stabilnej mocy, co jest istotne w warunkach normalnej jazdy i koszenia.
• Wszechstronność zastosowań: Używane są w szerokiej gamie pojazdów i maszyn.
• Mniejsze emisje spalin: Dzięki układowi rozrządu zaworowego, silniki czterosuwowe generują niższe emisje spalin i łatwiej spełniają normy środowiskowe.
• Prostota i bezawaryjność: W cyklu Otta, konstrukcja jest często prosta i niezawodna, co przekłada się na wysoką moc.

Wady

• Złożona konstrukcja: Silniki czterosuwowe mają skomplikowaną budowę, co zwiększa koszty produkcji i napraw. Wymagają układu rozrządu, którego konstrukcja jest bardziej złożona niż silnika dwusuwowego.
• Waga: W porównaniu do niektórych innych typów silników, silniki czterosuwowe mogą być stosunkowo ciężkie.
• Ograniczone obroty: Mogą wykazywać ograniczone startowe momenty mocy.
• Kompromis pomiędzy mocą a efektywnością.
• Mniejsza regularność biegu jałowego (w porównaniu do niektórych innych typów silników).

Konserwacja i Diagnostyka Silnika Czterosuwowego Kosiarki

Znajomość budowy silnika spalinowego do kosiarki ma kluczowe znaczenie dla prawidłowej konserwacji i eksploatacji urządzenia. Właściciele ogrodów doceniają kosiarki spalinowe za trwałość i możliwość wieloletniej eksploatacji przy odpowiedniej konserwacji.

Podstawowe Czynności Konserwacyjne

Regularna wymiana oleju, czyszczenie filtra powietrza, kontrola świecy zapłonowej i poziomu paliwa to podstawowe czynności, które zapewniają długą i bezawaryjną pracę silnika. W nowoczesnych konstrukcjach budowa silnika spalinowego kosiarki uwzględnia zastosowanie lekkich i wytrzymałych materiałów, takich jak aluminium, stal nierdzewna czy kompozyty, co pozwala na redukcję masy urządzenia i zwiększenie trwałości oraz odporności na korozję. Gaźniki w wielu modelach są zastępowane układami wtryskowymi, które zapewniają lepszą kontrolę spalania i mniejsze zużycie paliwa. Kontrola noży również jest ważna dla efektywności koszenia.

Diagnostyka Sprężania

Diagnozę silnika 4T zawsze zaczynamy od pomiaru ciśnienia sprężania i tzw. próby olejowej (wprowadzenie niewielkiej ilości oleju do cylindra i ponowny pomiar). Wynik względem wartości fabrycznych decyduje, czy konieczna jest rozbiórka.

• Niskie sprężanie, poprawa po dolaniu oleju - podejrzenie zużycia pierścieni/tłoka/cylindra.
• Niskie sprężanie, brak poprawy po oleju - zwykle nieszczelność zaworów/gniazd lub błędy w rozrządzie (np. wypalone, podparte lub krzywe zawory, uszkodzone gniazda, rozregulowane luzy).

Przy każdej rozbiórce głowicy bezwzględnie należy wymienić uszczelniacze trzonków zaworów, gdyż zużyte powodują pobór oleju i dymienie. Ważne jest także sprawdzenie stanu wałka rozrządu i łańcucha (jeśli występuje), aby wykryć zatarcia, wżery lub wyciągnięcie łańcucha, które mogą objawiać się metalicznymi stukami.

Dlaczego Kosiarki Spalinowe z Silnikami Czterosuwowymi Są Popularne?

Kosiarki spalinowe od lat cieszą się ogromną popularnością wśród właścicieli ogrodów i działek, którzy stawiają na niezawodność oraz wysoką wydajność. Dzięki mocnym silnikom spalinowym są w stanie poradzić sobie z trawą w każdym stanie - zarówno z równą, delikatną murawą, jak i z gęstymi, nieco wyrośniętymi źdźbłami. W odróżnieniu od kosiarek elektrycznych czy akumulatorowych, nie ograniczają użytkownika długością kabla czy koniecznością ładowania baterii. To sprawia, że kosiarka spalinowa świetnie sprawdza się na dużych powierzchniach, gdzie liczy się nie tylko skuteczność, ale i swoboda poruszania się. Producenci coraz częściej wyposażają swoje urządzenia w dodatkowe funkcje, takie jak regulacja wysokości koszenia, systemy łatwego rozruchu czy pojemne kosze na trawę. Kosiarki spalinowe to najbardziej uniwersalne narzędzia do pielęgnacji trawnika. Dzięki dostępności modeli o różnej cenie i przeznaczeniu, od lżejszych wersji do niewielkich działek po profesjonalne maszyny, każdy użytkownik może dobrać sprzęt do swoich potrzeb.

tags: #silnik #czterosuwowy #kosiarka