Niekonwencjonalne rozwiązania układów korbowo-tłokowych silników spalinowych

Transkrypt

1 WIERZBICKI Sławomir 1 KORDOS Paweł 2 KRZYSIAK Zbigniew 3 Niekonwencjonalne rozwiązania układów korbowo-tłokowych silników spalinowych WSTĘP Ogromny postęp w dziedzinie inżynierii materiałowej, rozwój nowoczesnych metod wytwarzania oraz metod obróbki umożliwiają obecnie projektowanie, a także seryjną produkcję rozwiązań konstrukcyjnych, które wcześniej ze względu na złożoność konstrukcji nie mogły być stosowane lub produkcja ich była zbyt kosztowna. Układ korbowo-tłokowy silników spalinowych należy do tych układów, którego konstrukcja przez kilkadziesiąt lat praktycznie nie podlegała zmianie. Zmiany konstrukcyjne tych układów dotyczyły przede wszystkim zastosowania nowych materiałów zapewniających większą trwałość oraz ograniczenia masy poszczególnych elementów układu w celu zmniejszenia sił bezwładności [2, 3]. Konstrukcja układu korbowo-tłokowego istotnie wpływa nie tylko na konstrukcje pozostałych układów w silniku, co ma wpływ na koszty produkcji, ale również na sposób zabudowy silnika w pojeździe. Należy podkreślić, iż w ostatnich latach znacznie wzrosła ilość dodatkowego osprzętu montowanego na silniku w celu poprawy warunków pracy silnika jak również komfortu pasażerów. Montaż dodatkowego osprzętu wymaga dodatkowej znacznej objętości w komorze silnika pojazdu, sprawia to istotne problemy jego zabudowie. Problem ten staje się niezwykle istotny w przypadku pojazdów wyższej klasy gdzie zachodzi konieczność montażu stosunkowo dużych silnika, zapewniających odpowiednią dynamikę pojazdu. Dodatkowo pojazdy te wyposażane są standardowo w znacznie ilości dodatkowego wyposażenia, które musi być zamontowane w komorze silnika. Celowe zatem jest poszukiwanie nowych zwartych konstrukcji silników, zapewniających odpowiednio wysoką moc przy małej masie i objętości całkowitej silnika. Obecnie niektóre firmy oferują nowe niespotykane dotychczas rozwiązania silników o układach korbowo-tłokowych typu VR lub V-VR. Rozwiązania tego typu zapewniają uzyskanie silnika o dużej objętości skokowej przy zachowaniu małych jego gabarytów, ułatwia to znacznie ich zabudowę w komorze silnikowej pojazdu [1, 4, 5]. 1 UKŁADY KORBOWO-TŁOKOWE SILNIKÓW SPALINOWYCH Układ korbowo-tłokowy silnika spalinowego należy do jego podstawowych układów. Spośród wymagań stawianych tym układom należy przede wszystkim wymienić [1, 4]: zapewnienie równomiernej pracy silnika; mała masa i gabaryty silnika w stosunku do jego mocy; zwartość konstrukcji zapewniająca łatwość zabudowy pojeździe; zapewnienie niskiego poziomu drgań przenoszonych na układ napędowy pojazdu oraz kadłub silnika; możliwość zapewnienia odpowiedniej dynamiki pracy silnika w szerokim zakresie prędkości i obciążeń. 1 Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk Technicznych, Olsztyn, ul. Oczapowskiego 11, Tel: ; Fax: , slawekw@uwm.edu.pl 2 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Instytut Transportu, Silników Spalinowych i Ekologii, ul. Nadbystrzycka 36, Lublin, p.kordos@pollub.pl 3 Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Inżynierii Mechanicznej i Automatyki, ul. Głęboka 28, Lublin, zbigniew.krzysiak@wp.pl 11030

2 Jedną z charakterystycznych cech układów korbowo-tłokowych jest sposób rozmieszczenia cylindrów. W zasadzie od początków rozwoju tłokowych silników spalinowych dominują silniki rzędowe, charakteryzujące się bardzo prostą budową nie tylko wału korbowego, ale również prostą konstrukcją kadłuba i głowicy silnika. Rozwiązanie to sprawia, iż silniki o takim rozwiązaniu charakteryzują się relatywnie niskimi kosztami produkcji. Związane jest to przede wszystkim z stosunkowo prostą konstrukcją elementów silnika, łatwością rozwiązania układu rozrządu oraz pozostałych układów. Niestety w przypadku rzędowych silników o większej liczbie cylindrów, silnik staje się długi co zmniejsza jego sztywność oraz sprawia kłopoty przy zabudowie w pojeździe. W takim wypadku bardzo często stosuje się silniki z widlastym układem cylindrów. Silniki te posiadają cylindry rozmieszczone w dwóch rzędach nachylonych do siebie pod pewnym kątem. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest uzyskanie dość krótkiego silnika o dużej sztywności. Tego typu silniki stosuje się wszędzie tam gdzie w małej komorze silnikowej chce się zmieścić silnik o dużej pojemności skokowej. Mankamentem tych silników jest stosunkowo duży koszt produkcji wynikający z konieczności stosowania dwóch oddzielnych głowic, znacznie rozbudowanego kadłuba silnika oraz pozostałych układów. W samochodach sportowych często spotyka się silniki o układzie korbowo-tłokowym typu boxer. Zaletą tych silników jest przede wszystkim mała wysokość całkowita silnika, przez co dają się łatwo zabudować w pojazdach o niskiej komorze silnikowej. Niestety podobnie jak silniki widlaste silniki typu boxer są dość drogie w produkcji, dlatego stosowane są dość rzadko. W ostatnich latach na rynku samochodowym pokazały się nowe, niespotykane dotychczas rozwiązania silników o układzie korbowo-tłokowym typu VR, a także typu V-VR, które z racji specyficznego ułożenia korbowodów nazywane są często silnikami typu W [1, 4, 5]. 2 UKŁADY KORBOWO-TŁOKOWE TYPU VR Jak wyżej wspomniano niewątpliwą zaletą silników rzędowych jest stosunkowo prosta budowa kadłuba, a co za tym idzie również układu chłodzenia i smarowania. Ponadto silniki te posiadają jedną głowicę co znacznie zmniejsza koszty produkcji oraz ułatwia rozwiązanie napędu zaworów. Natomiast niewątpliwą zaletą silników widlastych jest znacznie krótszy silnik, co zwiększa jego sztywność a także ułatwia zabudowę silnika o dużej objętości skokowej w samochodowych osobowych. Połączeniem zalet silnika rzędowego i widlastego jest silnik o układzie korbowo-tłokowym typu VR (rys. 1). Silnik ten w rzeczywistości jest silnikiem widlastym o bardzo małym kącie rozwidlenia (10 15 ). W efekcie takiego rozwiązania uzyskano silnik o prostym i zwartym kadłubie, znacznie sztywniejszy oraz krótszy jak silnik rzędowy o takiej samej liczbie cylindrów [4, 5]. Silnik o takim układzie cylindrów jest znacznie lepiej wyrównoważony jak silnik widlasty. W przypadku najczęściej spotykanych sześciocylindrowych silników o takim układzie cylindrów uzyskujemy silnik dobrze wyrównoważony, dzięki czemu nie jest konieczne stosowanie dodatkowych układów wyrównoważających jak w sześciocylindrowych silnikach widlastych. Kolejną zaletą takiego rozwiązania układu korbowo-tłokowego silnika jest możliwość zastosowania jednej zwartej głowicy, co znacznie obniża koszty produkcji silnika, zwiększa jego sztywność oraz ułatwia rozwiązanie napędu wałków rozrządu. Jedną z podstawowych wad takich silników jest bliskie rozmieszczenie cylindrów, co znacznie zwiększa obciążenia termiczne silnika, konieczne jest zatem zastosowanie odpowiednio rozbudowanego układu chłodzenia oraz smarowania silnika

3 Rys. 1. Model 3D sześciocylindrowego układu VR 3 UKŁADY KORBOWO-TŁOKOWE TYPU V-VR W ostatnich latach na rynku samochodowym pojawiły się silniki z układami korbowo-tłokowymi typu V-VR, zwanymi z racji ustawienia korbowodów silnikami typu W. Należy jednak wyraźnie zaznaczyć, iż silniki te różnią się konstrukcją od opisywanych w literaturze silników typu W, które posiadają trzy rzędy cylindrów. Silniki V-VR charakteryzują się oryginalnym rozwiązaniem układu korbowo-tłokowego, w którym cylindry umieszczone są w czterech rzędach [1, 4, 5]. Silniki te są rozwinięciem silnika typu VR, silnik ten stanowi połączenie dwóch silników typu VR w układ typu V, w efekcie uzyskuje się konstrukcję silnika, którego schemat kinematyczny przedstawiono na rys. 3, natomiast na rys. 4 przedstawiono model układu korbowo-tłokowego o takim układzie cylindrów. Obecnie na rynku spotykane są silniki o układzie cylindrów typu V-VR o 8, 12 i 16 cylindrach. Dzięki takiemu rozwiązaniu uzyskuje się bardzo krótki, zwarty i sztywny silnik, o stosunkowo dużej pojemności skokowej przy zachowaniu małej objętości i masy silnika. Rys. 2. Schemat kinematyczny układu korbowo tłokowego silnika V-VR 11032

4 Rys. 3. Model 3D układu korbowo-tłokowego ośmiocylindrowego silnika typu V-VR Kadłub silnika (rys. 4) wykonany jest z stopów aluminium, w którym znajdują się cylindry rozmieszczone w czterech rzędach, zapewnia to wysoką sztywność całego silnika. Dodatkowo dla zwiększenia sztywności silnika wał korbowy przykręcany jest do kadłuba za pomocą jednej zespolonej pokrywy, co podnosi sztywność całego silnika. Budowa wału korbowego (rys. 5a) rozpatrywanego układu odbiega również od typowej budowy tego elementu. Z racji, iż cylindry silnika rozmieszczone są w czterech rzędach niesymetrycznie rozłożonych dla zapewnienia równomierności pracy silnika wał korbowy ma budowę przestrzenną i podparty jest, co drugi cylinder, czopy korbowodowe umieszczone na wspólnym wykorbieniu są względem siebie przesunięte (rys. 5b). Wielkość tego przesunięcia jest zależna od ilości cylindrów w silniku i jest konieczna dla uzyskania równomiernego rozkładu zapłonów. Na wspólnym wykorbieniu osadzone są korbowody cylindrów odchylonych od siebie o 72, z uwagi, iż w silniku tym zapłon wypada co 90 czop cylindra znajdującego się po prawej stronie jest odchylony o 18 w kierunku przeciwnym do kierunku obrotów wału korbowego. Dzięki temu uzyskuje się równomierne rozłożenie zapłonów w silniku. W przypadku silników o dwunastu cylindrach czopy są względem siebie odchylone o 12 ale w kierunku przeciwnym niż w wersji 8-cylindrowej, dzięki czemu w cylindrach odchylonych o 72 uzyskujemy zapłon co 60. W celu zapewnienia odpowiedniego stopnia sprężania oraz umożliwienia zastosowania wspólnej głowicy dla dwóch sąsiednich rzędów cylindrów tłoki w tym silniku mają ścięte pod kątem denka (rys. 6c), sprawia to, iż po obróceniu jednego z nich względem drugiego o 180 możliwe jest użycie jednej płaskiej głowicy [4]

5 Rys. 4. Widok kadłuba silnika V-VR (W8) wraz z oznaczeniem kolejności cylindrów Rys. 5. Elementy układu korbowo-tłokowego typu V-VR: a) wał korbowy, b) czop korbowy, c) tłok z korbowodem Dzięki dużej ilości cylindrów silniki te charakteryzują się wysoką kulturą pracy, a odpowiednie ich rozmieszczenie zapewnia redukcje sił bezwładności. Szczegółowa analiza sił bezwładności tego typu układów przedstawiona jest w pracy [4]. W przypadku silników ośmiocylindrowych podobnie jak w rzędowych silnikach czterocylindrowych pozostają niewyrównoważone jedynie siły drugiego rzędu (rys. 6). Dla zapewnienia odpowiednio wysokiej kultury pracy silnika podobnie jak w rzędowych silnikach czterocylindrowych zastosowano dodatkowy układ wyrównoważający siły 11034

6 drugiego rzędu (rys. 10). W przypadku silników V-VR 12 i 16-cylindowych nie ma konieczności stosowania dodatkowych układów wyrównoważajacych. Rys. 6. Przebieg rzutów sił bezwładności drugiego rzędu poszczególnych cylindrów silnika V-VR ośmiocylindrowego [4] Rys 7. Układ wyrównoważenia ośmiocylindrowego silnika V-VR [5] Omawiając konstrukcje układu korbowo-tłokowego silników V-VR warto również wspomnieć o oryginalnym rozwiązaniu napędu zaworów w silnikach V-VR. Silniki te posiadają dwie oddzielne głowice po jednej ma każde ramię silnika obejmującą dwa sąsiednie rzędy cylindrów. Każdy z cylindrów silnika posiada po dwa zawory ssące i wydechowe. Na każdej głowicy znajdują się dwa wałki rozrządu, z których jeden napędza zawory ssące a drugi wydechowe (rys. 8). Takie rozwiązanie napędu cylindrów ułatwia sterowanie fazami rozrządu, wymaga jednak stosowania zaworów o różnej długości dla poszczególnych rzędów silnika

7 Rys. 8. Widok rozmieszczenia zaworów w głowicy silnika V-VR [5] WNIOSKI Analizując konstrukcje układów korbowo-tłokowych silników typu VR i V-VR należy stwierdzić, iż rozwiązania te umożliwiają budowę zwartych silników o dużej mocy, co znacznie ułatwia ich montaż w współczesnych pojazdach. Silniki VR łączą w sobie zalety silnika rzędowego, takie jak zwarta konstrukcja czy jedna głowica z zaletami silnika widlastego takimi jak znacznie mniejsza długość i większa sztywność silnika. Mały kąt rozwidlenia cylindrów zapewnia wyrównoważanie silnika podobne do silników rzędowych, zatem nie jest konieczne stosowanie dodatkowych układów wyrównoważających jak w silnikach widlastych. Konstrukcje silników z układami korbowo-tłokowymi typu V-VR, umożliwiają budowę niezwykle zwartych silników o dużej objętości skokowej oraz dużej mocy. Zarówno silniki VR jak i V-VR z uwagi na złożoną konstrukcje nie są rozwiązaniami tanimi w produkcji i wymagają stosowania nie tylko znacznie droższych materiałów, ale również znacznie droższych technologii wytwarzania. Streszczenie Konieczność stosowania coraz to nowszych rozwiązań układów oczyszczania spalin oraz rozbudowa układów komfortu w pojazdach sprawiają, iż objętość osprzętu montowanego w komorze silnikowej pojazdu znacząco wzrasta. Powoduje to znaczne problemy związane z rozmieszczeniem tych elementów i silnika w pojeździe. Szczególnie istotne jest to w przypadku pojazdów wyżej klasy gdzie montowane są znacznie większe jednostki napędowe oraz znaczne ilości dodatkowego osprzętu zapewniającego odpowiedni komfort pasażerom. W takim przypadku bardzo często nie jest możliwy montaż silników o rzędowym lub widlastym układzie cylindrów W celu ułatwienia montażu silnika o stosunkowo dużej mocy w tego typu pojazdach spotykane są niekonwencjonalne rozwiązania silników, zapewniające uzyskanie zwartego silnika o odpowiednio wysokiej mocy. Jednym z podstawowych układów silnika spalinowego wpływających na objętość całego silnika jest układ korbowo-tłokowy. Konstrukcja tego układu wpływa nie tylko na osiągi silnika ale determinuje również konstrukcje pozostałych układów całego silnika. W artykule opisano niekonwencjonalne rozwiązania układów korbowo-tłokowych silników spalinowych takie jak VR i V-VR. Unconventional piston-crank system solutions for combustion engines Abstract The need to use ever more complex exhaust after-treatment systems and the development of comfort systems in vehicles have considerably increased the volume of the accessories mounted in the engine compartment. This causes problems related to the arrangement of these components in the vehicle. This is particularly important for higher-class vehicles, where much larger power units and developed accessories providing proper comfort to the passengers are mounted. To facilitate engine mounting in such vehicles, new unconventional engine 11036

8 solutions are encountered, which ensure the obtaining of a compact engine with adequately high power. One of the basic combustion engine systems affecting the volume of the entire engine is the piston-crank system. The design of this system affects not only engine performance, but also determines the design solutions for other engine systems. This paper describes new piston-crank system solutions for combustion engines, such as VR and V-VR systems. These solutions provide a compact engine with relatively high power. BIBLIOGRAFIA 1. Metzner F. T, Becker N., Demmelbauer-Ebner W., Müller R., Bach M. W., The new 6-l-W12 engine in the Audi A8. MTZ 2004, vol Mosakowski R., Analiza wyrównoważenia silników rzędowych dwusuwowych czterocylindrowych. Archiwum Motoryzacji 2006, nr Mosakowski R., Analysis of balancing of six-cylinder in-line two-stroke internal combustion engines. Combustion Engines Silniki Spalinowe 2009, nr Wierzbicki S.: Analysis of piston-crank system balancing in V-VR engines. Journal of Polish CIMAC 2012, vol VW, Audi materiały reklamowe i prasowe