LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH. Ćwiczenie 1 BUDOWA I IDENTYFIKACJA ELEMENTÓW SILNIKA SPALINOWEGO

Transkrypt

1 Dr inŝ. Maciej Ziółkowski WYDZIAŁ MECHANICZNY POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPRĘśAREK Kierownik katedry: prof. dr hab. inŝ. Andrzej Balcerski, prof. zw. PG LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH Ćwiczenie 1 BUDOWA I IDENTYFIKACJA ELEMENTÓW SILNIKA SPALINOWEGO 1. Cel ćwiczenia Zapoznanie się z ogólną budową silnika spalinowego oraz identyfikacją podstawowych zespołów i części na przykładzie czterosuwowego silnika o zapłonie iskrowym Audi KP. Dane techniczne silnika Audi model KP Układ / liczba cylindrów rzędowy / 5 Pojemność skokowa 1994 cm 3 Średnica cylindra 81 mm Stopień spręzania 10 Moc nominalna / prędkość obrotowa 85 kw / 5200 obr/min Max. moment obrotowy / prędkość obrotowa 170 Nm / 3000 obr/min Układ zapłonowy Elektroniczny Bosch Układ zasilania paliwem Bosch K-Jetronic 2. Budowa silnika 2.1 Kadłub Kadłub jest częścią wiąŝącą wszystkie elementy i osprzęt silnika w jeden zespół. Składa się z bloku cylindrowego i skrzyni korbowej. Kadłub stanowi bazę konstrukcyjną silnika i nadaje mu odpowiednią sztywność. Blok cylindrowy stanowi górną część kadłuba, składa się z cylindrów i płaszcza wodnego ograniczonego dolną i górną płytą kadłuba. Prezentowany silnik posiada tuleje cylindrowe odlewane razem z kadłubem jako pięciocylindrowy Ŝeliwny monoblok (rys.1), wewnątrz którego poprowadzone są przestrzenie wodne umoŝliwiające chłodzenie części cylindrowej kadłuba. Dolną część monobloku stanowi skrzynia korbowa, w której mocowany jest wał korbowy. Zarówno w skrzyni korbowej jak i w bloku cylindrowym poprowadzone są kanały magistrali olejowej doprowadzającej olej smarujący do wału korbowego i do głowicy. Rys. 1. Kadłub prezentowanego silnika. 1 blok cylindrowy, 2 misa olejowa, 3 obudowa uszczelniacza wału korbowego, 4 uszczelka, 5 uszczelniacz wału korbowego, 6 separator oleju

2 2 2.2 Układ korbowo-tłokowy Układ korbowo-tłokowy (rys.2) składa się z wału korbowego, korbowodów oraz tłoków. Zadaniem układu korbowo-tłokowego jest zamiana ruchu posuwisto-zwrotnego tłoków na ruch obrotowy wału korbowego oraz przeniesie siły gazowej z denka tłoków na wał korbowy gdzie przybiera postać momentu obrotowego. Rys. 2. Układ korbowo-tłokowy silnika Audi KP 1- wał korbowy, 2 korbowód, 3 tłok, 4 pierścienie tłokowe, 5 sworzeń tłoka, 6 pierścień zabezpieczający sworzeń, 7 panewki korbowodowe, 8 panewki wału korbowego, 9 półpierścień ustalający, 10 koło zamachowe, 11 łoŝysko centrujące wałek sprzęgłowy, 12 koło zębate napędzające pasek rozrządu, 13 koło pasowe Wał korbowy Elementami składowymi wału są (rys.3): - czopy główne umoŝliwiają zamocowanie i ustalenie wału w kadłubie silnika, - czopy korbowe na nich zamocowane są korbowody, - ramiona wykorbień łączą czopy główne i korbowe (długość ramion determinuje skok tłoka), - przeciwcięŝary umoŝliwiają wyrównowaŝenie układu korbowo-tłokowego. Rys.3. Schemat budowy wału korbowego Podstawowym materiałem na wały korbowe jest stal węglowa o wyŝszej jakości lub stale stopowe. Ukształtowanie stalowego wału następuje przez kucie lub odlewanie, obrabiane (szlifowane) są tylko czopy. Obróbka cieplna sprowadza się do wyŝarzania i normalizowania w celu zmniejszenia twardości

3 3 powierzchni obrabianych i usunięcia napręŝeń wewnętrznych wywołanych kuciem. Przed szlifowaniem powierzchnie czopów są utwardzane poprzez hartowanie powierzchniowe Korbowody Korbowody przenoszą na wał korbowy siły nacisku wywoływane na tłoku gazami spalinowymi oraz biorą udział w zamianie ruchu posuwisto-zwrotnego tłoków na ruch obrotowy wału korbowego. ObciąŜenie korbowodu wynika z nacisku gazów na tłok oraz z siły bezwładności tłoka i korbowodu. Rys. Schemat budowy korbowodu Korbowód składa się z trzech części (rys.4): główki w której ułoŝyskowany jest sworzeń tłokowy, dzielonej stopy obejmującej czop korbowy i trzonu łączącego stopę z główką. Najczęściej stosowanym materiałem na korbowody jest stal węglowa do ulepszania. Śruby korbowodowe i nakrętki wykonywane są ze stali węglowych wyŝszych jakości, ulepszanych cieplnie. Korbowody odkuwane są w foremnikach razem z pokrywą stopy lub bez niej. Obróbka cieplna polega na stabilizowaniu i ulepszaniu cieplnym. Obróbce mechanicznej podlegają wewnętrzne i boczne powierzchnie stopy i główki Tłoki Tłoki przekazują siły, wynikające z działania ciśnienia gazów wewnątrz przestrzeni roboczej silnika, poprzez korbowody na wał korbowy. Zadaniem tłoków jest równieŝ prowadzenie górnej części korbowodów. Ukształtowanie tłoka musi zapewniać: wytrzymałość na wysokie obciąŝenia, moŝliwość odprowadzenia ciepła z denka, moŝliwość zamontowania i prowadzenia pierścieni tłokowych oraz odpowiednie połączenie korbowodem poprzez sworzeń tłokowy. Rys.4. Schemat budowy tłoka 1 denko, 2 korona, 3 część nośna, 4 piasta sworznia tłokowego Denko tłoka jest odpowiedzialne za przejmowanie siły gazowej, ze względu na znaczne obciąŝenia mechaniczne i termiczne bywa uŝebrowane od wewnątrz w celu związania go z piastami sworznia oraz

4 4 powiększenia powierzchni wymiany ciepła oddawanego do omywającego denko od spodu oleju silnikowego. Część pierścieniowa słuŝy wyłącznie do uchwycenia i prowadzenia pierścieni tłokowych. Sama nie uszczelnia przestrzeni roboczej cylindra, jej średnica jest mniejsza niŝ średnica części nośnej tłoka. Część nośna centruje tłok w tulei cylindrowej (jest w niej odpowiednio pasowana) oraz przenosi na tuleję siłę normalną powstającą na sutek podziału siły gazowej działającej na denko podczas wychylania się korbowodu od pozycji pionowej. Piasty sworznia tłokowego odpowiadają za połączenie, poprzez sworzeń, tłoka z korbowodem. Elementy te muszą być sztywne i jednoczenie na tyle elastyczne by odkształcenia, jakim podlega sworzeń, nie powodowały w tłoku nadmiernych napręŝeń miejscowych. Materiały, z których wytwarzane są tłoki to Ŝeliwa niestopowe i stopowe oraz stopy aluminium. Tłoki wykonuje się głównie jako odlewy, obróbka cieplna ma za zadanie polepszenie własności wytrzymałościowych i zwiększenie twardości powierzchni oraz usunięcie napręŝeń wewnętrznych i stabilizacja wymiarów Pierścienie tłokowe W silnikach tłokowych stosuje się dwa rodzaje pierścieni tłokowych (rys. 5): Rys. 5. Pierścienie tłokowe - uszczelniające (2 górne) - zgarniający (dolny) - uszczelniające mają za zadanie uszczelnienie przestrzeni roboczej ponad tłokiem oraz odprowadzanie ciepła z korony tłoka do chłodzonej tulei cylindrowej, - zgarniające zgarniają nadmiar oleju z gładzi cylindrowej uniemoŝliwiając przedostawanie się zbyt duŝych ilości oleju do komory spalania Sworzeń tłokowy Sworzeń tłokowy słuŝy do przeniesienia nacisku tłoka na korbowód i jednocześnie umoŝliwia korbowodowi ruch wahadłowy. Sworzeń zbudowany jest z odcinka rury grubościennej odpowiednio osadzonej w główce korbowodu i piastach tłoka. 2.3 Głowica Głowica słuŝy jako górne zamknięcie roboczej przestrzeni cylindra, wraz z tłokiem wyznacza kształt i wielkość komory spalania. Warunki pracy głowicy są cięŝkie ze względu na znaczne obciąŝenie mechaniczne i cieplne jakim podlegają. Dodatkowe obciąŝenia wywołuje nierównomierne nagrzewanie głowic (większe od strony kanału wylotowego) co wywołuje niesymetryczne odkształcenia cieplne powodujące powstawanie napręŝeń wewnętrznych.

5 5 Głowica silnika czterosuwowego jest skomplikowanym elementem spełniającym następujące funkcje: - doprowadzenie ładunku świeŝego powietrza i odprowadzenie spalin poprzez kanały dolotowe i wylotowe, - mocowanie zaworów i układu rozrządu, - chłodzenie gniazd zaworowych poprzez odpowiednio poprowadzone kanały z cieczą chłodzącą, - smarowanie elementów układu rozrządu poprzez poprowadzone wewnątrz głowicy kanały olejowe. Znaczne skomplikowanie kształtu głowic powoduje, Ŝe są one prawie wyłącznie odlewane. Głowice wykonywane są z Ŝeliwa lub stopów aluminium z krzemem (siluminy). Głowica jest przykręcana do bloku silnika za pomocą odpowiednio rozmieszczonych śrub. Szczelność przestrzeni roboczej cylindra zapewnia uszczelka umieszczona pomiędzy głowicą i blokiem Rys. 6. Zespół głowicy silnika Audi KP. 1 głowica, 2 uszczelka pod głowicę, 3 uszczelka pokrywy głowicy, 4 pokrywa głowicy, 5 el. układu smarowania, 6 uszczelniacz wałka rozrządu, 7 zaślepka, 8 prowadnica zaworu, 9 pokrywa łoŝyska wałka rozrzą- cylidrowym. du, 10 dysza natryskowa oleju, 11 śruba łącząca głowicę z kadłubem silnika 2.4 Układ rozrządu Rozrząd silnika stanowi zespół mechanizmów sterujących wlotem świeŝego ładunku powietrza do komory spalania i wylotem spalin. Rys.7. Układ rozrządu (z osprzętem) silnika Audi KP. 1 wał korbowy, 2 koło zębate napędzające pasek rozrządu, 3 pasek napędowy rozrządu, 4 pompa cieczy chłodzącej, 5 koło zębate napędzające wałek rozrządu, 6 wałek rozrządu, 7 koło zębate napędu aparatu zapłonowego, 8 obudowa paska rozrządu, 9 mechaniczny kompensator (z podkładkami) luzu zaworowego, 10 hydrauliczny kompensator luzu zaworowego, 11 zamek zaworu, 12 podkładki, 13 spręŝyna zaworu, 14 zawór, 15 uszczelniacz zaworu, 16 napinacz paska rozrządu

6 6 Na rys.7 zaprezentowano budowę i sposób napędu układu rozrządu prezentowanego na ćwiczeniu silnika. Podstawowe elementy tego układu to: - wałek rozrządu poprzez krzywki steruje otwieraniem i zamykaniem zaworów dolotowych i wylotowych. Napędzany wału korbowego poprzez pasek zębaty, który oprócz wałka napędza równieŝ pompę cieczy chłodzącej. Prawidłowe napięcie paska zapewniane jest przez rolkę napinacza; - zawór składa się z trzonka i grzybka, umoŝliwia wymianę ładunku i szczelne zamknięcie przestrzeni roboczej. Zamocowany głowicy poprzez prowadnicę i posadowiony na gnieździe zaworowym, - spręŝyna zaworowa zapewnia docisk zaworu do gniazda, - zespół hydraulicznego kompensatora luzu zaworowego, stanowi element przeniesienia napędu z krzywki wałka rozrządu na trzonek zaworu oraz zapewnia automatyczne kasowanie luzu zaworowego. 2.5 Układ smarowania Silniki tłokowe smarowane są ciśnieniowo, olej krąŝący w silniku spełnia waŝną rolę w zapewnieniu prawidłowej pracy silnika spełniając następujące zadania: - wypełnia nierówności współpracujących powierzchni i rozdziela je zmniejszając tarcie występujące między nimi zmniejszając ich zuŝycie, - chłodzi części silnika od wewnątrz, - poprawia szczelność komory spalania, - zapobiega korozji części silnika, w okresie gdy silnik nie jest eksploatowany, - rozpuszcza i zmywa osady, głównie powstające na tulei, tłoku i pierścieniach. Głównymi węzłami kinematycznymi, do których doprowadzany jest olej są łoŝyska ślizgowe główne i korbowe, łoŝyska ślizgowe wałka rozrządu oraz gładź tulei cylindrowych. Zbiornikiem oleju w silniku jest misa olejowa, z niej olej zasysany jest pompą zębatą napędzaną od wału korbowego i podawany dalej do magistrali olejowej w kadłubie silnika. Układ kanałów umoŝliwia doprowadzenie oleju do łoŝysk głównych wału korbowego a dalej kanałami wewnątrz wału (rys.3) do ło- Ŝysk korbowych. Odpowiednie kanały olejowe wewnątrz kadłuba łączą się z kanałami w głowicy umoŝliwiając doprowadzenie oleju do łoŝysk wałka rozrządu i hydraulicznych kompensatorów luzu zaworowego. W drodze powrotnej do misy olejowej olej przepływa przez filtr. 2.6 Układ chłodzenia Układ chłodzenia ma za zadanie utrzymywać stała temperaturę pracy silnika, co pozwala przede wszystkim na utrzymanie poprawnych parametrów smarnych oleju oraz utrzymanie załoŝonych przez projektanta luzów konstrukcyjnych wewnątrz silnika. Przepływ cieczy chłodzącej przez kanały wewnątrz silnika zapewnia pompa napędzana paskiem rozrządu od wału korbowego. Ciecz w pierwszej kolejności omywa tuleje cylindrowe, dalej przepływa odpowiednimi kanałami do głowicy. W głowicy głównymi elementami wymagającymi chłodzenia są gniazda zaworów (poprzez gniazda odprowadzane jest ciepło z zaworów). Z silnika ciecz przepływa do chłodnicy będącej wymiennikiem ciepła typu woda powietrze. Na wylocie cieczy z silnika znajduje się zawór termostatyczny, regulujący w zaleŝności od temperatury cieczy, jej przepływ przez chłodnicę. JeŜeli silnik jest zimny (po rozruchu) termostat odcina przepływ cieczy do chłodnicy i kieruje ją kanałem poza chłodnicą ponownie do silnika. W miarę rozgrzewania się silnika zawór stopniowo otwiera przepływ cieczy przez chłodnicę a przy rozgrzanym silniku cała ciecz krąŝy przepływając przez chłodnicę. W przypadku niewystarczającego przepływu powietrza przez chłodnicę (samochód stoi) uruchamiany jest wentylator wymuszający przepływ powietrza.

7 7 Literatura 1. Bernhardt M., Dobrzyński S., Loth E.: Silniki samochodowe. WKŁ, Warszawa Niewiarowski K.: Tłokowe silniki spalinowe. WKŁ, Warszawa Wajand J.A.: Tłokowe silniki spalinowe średnio- i szybkoobrotowe. Wydawnictwo Naukowo Tech niczne, Warszawa Instrukcja obsługi i napraw samochodu Audi 100.

8 8 KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPRĘśAREK LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH Nazwisko i imię:... Grupa:... Data:... Ćwiczenie 1 Budowa i identyfikacja elementów silnika spalinowego 1. Pomiar wielkości charakterystycznych: Średnica cylindra D = mm Skok tłoka S = mm Liczba cylindrów i = mm 2. Wyznaczenie objętości skokowej V ss = π D S i 3 [ cm ] V ss = 3 cm