Analiza konstrukcji dwukorbowodowych silników spalinowych

Transkrypt

1 BOROWSKI Przemysław 1 Analiza konstrukcji dwukorbowodowych silników spalinowych WSTĘP Silniki spalinowe oferowane w pojazdach znacząco różnią się między sobą. Różnice występują nie tylko w systemach sterowania silnikiem, ale także w podstawowej budowie silników. Dążenie do poprawy wydajności powoduje wdrażanie coraz nowszych i bardziej skomplikowanych układów korbowo-tłokowych. Przykładem mogą być liczone prototypy silników o zmiennym stopniu sprężania, takie jak MCE-5 [3] czy Saab SVC [1]. Modyfikacje układów korbowo-tłokowych nie dotyczą tylko silników o zmiennym stopniu sprężania. Powstały konstrukcje wyposażone w dwa korbowody przypadające na jeden tłok, które zmieniają rozkład sił w takim układzie. 1. UKŁADY WYPOSAŻONE W DWA KORBOWODY PRZYPADAJĄCE NA JEDEN CYLINDER W 1992 roku zaprezentowano motocykl Honda NR 750 (rys. 1). Był to motocykl, który wyróżniał się na tle konkurencji stopniem zaawansowania oraz zastosowaną technologią. Silnik motocykla o symbolu RC40 został zaprojektowany przez HRC (Honda Racing Corporation). Wysokoobrotowa jednostka V4 o pojemności 747 cm 3 i masie 80 kg (rys. 1) uzyskuje moc wynoszącą 91,9 kw przy obr/min oraz moment obrotowy wynoszący 66 N m przy obr/min [2]. Umożliwiła to duża powierzchnia tłoka o wartości 44,5 cm 2 w stosunku do niewielkiego skoku wynoszącego 42 mm. Rys. 1. Motocykl Honda NR 750 (z lewej) oraz silnik (z prawej)[8] W silniku widlastym o czterech cylindrach motocykla zastosowano nietypowy układ korbowotłokowy. Tłoki przedstawione na rysunku 2 posiadają owalny kształt o najmniejszej średnicy wynoszącej 50,6 mm i największej 101,2 mm odpowiadające powierzchniom tłokom o średnicy 75,3 mm. Oznacza to, że w silniku takim stosunek przybliżonej średnicy do skoku tłoka jest znacznie większy od 1 i wynosi k = 75,3/50,6 = 1,49. Największa średnica jest dwukrotnie większa od najmniejszej, a na każdy tłok przypadają dwa korbowody poruszające się równolegle. W głowicach typu DOHC umieszczono 32 tytanowe zawory oraz 8 świec zapłonowych. Każdy z cylindrów posiada 1 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Poznań, ul. Piotrowo 3, tel , fax , Przemyslaw.T.Borowski@doctorate.put.poznan.pl 534

2 4 zawory dolotowe i 4 wylotowe oraz 2 świece zapłonowe. Szczegółowe dane techniczne przedstawiono w tabeli 1. Rys. 2. Układ korbowo-tłokowy silnika RC40 [7] Tab. 1. Dane techniczne silnika Honda NR 750 [8] Oznaczenie Opis Typ 4-suwowy o zapłonie iskrowym Układ 4-cylindrowy w układzie V o kącie rozwarcia 90º 8 wtryskiwaczy sterowanych elektronicznie, Układ zasilania 8 przepustnic o średnicy 30 mm (2 na każdy cylinder) Rozrząd 32 tytanowe zawory (8 na każdy cylinder) Mechanizm rozrządu DOHC, wałki napędzane kołami zębatymi Pojemność silnika 747 cm 3 Pojemność jednego cylindra 186,75 cm 3 Średnica tłoka 101,2 50,6 mm owalne tłoki o powierzchni przekroju odpowiadającej średnicy 75,3 mm 42 mm Skok tłoka Stopień sprężania 11,7 Moc Moment obrotowy 91,9 kw przy obr/min 66 N m przy obr/min W 2002 roku założono firmę Neander Motors zakładając powstanie motocykla wyposażonego w nietypową jednostkę napędową (rys. 3). Wykorzystanie opatentowanych projektów R. Feldmanna skróciło czas produkcji pierwszych egzemplarzy. W 2003 roku rozpoczęto testy jednostki, a w 2007 rozpoczęto seryjną produkcję motocykla. Cechą wyróżniającą motocykl Neander Motors jest zastosowanie turbodoładowanego silnika o zapłonie samoczynnym. Dwucylindrowa jednostka [6] o pojemności 1340 cm 3 (rys. 3) zasilana przez system common rail osiąga maksymalny moment obrotowy wynoszący 220 N m przy 2600 obr/min oraz moc wynoszącą 82 kw przy 4200 obr/min. Cały motocykl o masie 295 kg przyspiesza do 100 km/h w czasie 4,5 s, a deklarowane przez producenta średnie zużycie paliwa wynosi 4,5 dm 3 /100 km. Do napędu wykorzystano skrzynię biegów o sześciu przełożeniach oraz pas zębaty. 535

3 Rys. 3. Motocykl Neander Motors (z lewej), silnik (z prawej) [5] W silniku zastosowano wyróżniający się układ korbowo-tłokowy (rys. 4). Każdy z tłoków połączony jest z dwoma korbowodami wprawiając w obrót dwa wały w przeciwnych kierunkach. Dzięki temu wyeliminowano siły poprzeczne oddziaływujące na ściankę cylindra, co umożliwiło zmniejszenie wysokości tłoków. Każdy z cylindrów posiada pojemność 670 cm 3. Zastosowanie dwóch wałów korbowych wymusiło odsunięcie ich osi od osi cylindra. Zastosowano dużą średnicę tłoka wynoszącą 105 mm w stosunku do jego skoku wynoszącego 77,6 mm. Stosunek ten wynosi k = = 105/77,6 = 1,35. Szczegółowe dane techniczne silnika przedstawiono w tabeli 2. Rys. 4. Układ korbowo-tłokowy silnika Neander Motors [6] 536

4 Tab. 2. Dane techniczne silnika Neander Motors [6] Oznaczenie Typ Układ Układ zasilania Opis 4-suwowy o zapłonie samoczynnym 2-cylindrowy w układzie rzędowym 2 wtryskiwacze Bosch common rail turbosprężarka Garrett z intercoolerem 8 zaworów(4 na każdy cylinder) DOHC, wałki napędzane łańcuchem Rozrząd Mechanizm rozrządu Pojemność silnika 1340 cm 3 Pojemność jednego cylindra 670 cm 3 Średnica tłoka 105 mm Skok tłoka 77,6 mm Stopień sprężania 16 Moc 82 kw przy obr/min Moment obrotowy 214 N m przy obr/min 2. ANALIZA ROZKŁADU SIŁ W UKŁADZIE KORBOWO-TŁOKOWYM Układ korbowo-tłokowy składa się z tłoków, sworzni tłokowych, korbowodów oraz wału korbowego. Jego zadaniem jest zamiana ruchu postępowo-zwrotnego tłoków na ruch obrotowy wału korbowego. W celu oceny nietypowych rozwiązań korbowo-tłokowych wykonano analizę rozkładu sił. Pierwszym układem wykorzystanym do porównania jest układ, w którym dwa korbowody poruszają się równolegle. Układ ten występuje w opisanej w rozdziale pierwszym Hondzie NR 750. Rysunek 5 przedstawia porównanie takiego układu ze standardowym rozwiązaniem. Opisane na nim siły określają odpowiednio: F p siła pochodząca od ciśnienia gazów, F k siła nacisku na korbowód, N siła nacisku tłoka na ściankę cylindra. Pierwszy schemat na rysunku 5 przedstawia rozkład sił w konwencjonalnym układzie korbowo-- tłokowym w przekroju bocznym. Dla układów z dwoma korbowodami będzie on taki sam pod warunkiem sumowania sił. Kolejne dwa schematy przedstawiają: rozkład sił dla układu z jednym oraz z dwoma korbowodami. Przyjęto jednakowe ciśnienie spalania oraz powierzchnię przekroju tłoka. Siła pochodząca od gazów F p będzie dla obu układów jednakowa, jednak zakładając, że niekonwencjonalny układ wyposażony jest w dwa korbowody zostanie ona rozłożona na dwa punkty obrotu sworznie tłokowe. W efekcie tego siła nacisku F k na każdy z korbowodów będzie o połowę mniejsza i wyniesie F k /2. Siła nacisku na ściankę cylindra zostanie niezmieniona i nadal będzie wynosić N. Zastosowanie takiego układu wykorzystującego dwa korbowody umożliwia wykonanie wysokoobrotowej jednostki o dużym stosunku średnicy do skoku tłoka przy zachowaniu dużej pojemności, jednakże zwiększa liczbę elementów, łożysk i komplikuje konstrukcję. 537

5 Rys. 5. Porównanie układów korbowo-tłokowych z jednym i z dwoma równolegle pracującymi korbowodami Drugim analizowanym rozwiązaniem jest układ, w którym dwa korbowody połączone są z dwoma wałami korbowymi obracającymi się w przeciwnym kierunku. Rozwiązanie takie zostało zastosowane w silniku motocykla Neander opisanego w rozdziale pierwszym. Rysunek 6 przedstawia konstrukcję z jednym korbowodem (po lewej stronie) oraz konstrukcję z dwoma korbowodami (po prawej stronie). Opisane na rysunku siły odpowiadają odpowiednio: F p siła pochodząca od ciśnienia gazów, F k siła nacisku na korbowód, N siła nacisku tłoka na ściankę cylindra. Aby przeanalizować rozkład sił założono jednakową powierzchnię przekroju tłoka oraz ciśnienie spalania. Ciśnienie spalania w obu przypadkach przekłada się na jednakowa siłę pochodzącą od gazów F p. Tak jak dla przedstawionej wcześniej konstrukcji rozkłada się ona na dwa sworznie tłokowe powodując ich zmniejszenie o połowę. Powoduje to zmniejszenie sił nacisku na korbowód o połowę w stosunku do konstrukcji z jednym korbowodem. Wynikiem tego jest także zmniejszenie sił nacisku N. W przeciwieństwie do opisanego wcześniej rozkładu sił w tym przypadku ze względu na dwa obracające się w przeciwnych kierunkach wały, siły nacisku mają także przeciwne zwroty. Dzięki temu składowe sił nacisku poprzecznego N/2 redukują się, eliminując naciski tłoka na ściankę cylindra spowodowane ciśnieniem. Uzyskuje się w ten sposób wyeliminowanie siły tarcia tłoka i zwiększenie sprawności mechanicznej. Podstawową zaletą takiego układu jest możliwość zmniejszenia wysokości tłoka do minimalnej wymaganej do przeniesienia obciążeń i zamontowania pierścieni uszczelniających, co przekłada się także na zmniejszenie jego masy. Układ taki ułatwia także zaprojektowanie silnika, w którym stosunek średnicy do skoku tłoka jest znacznie większy od 1. Jednocześnie ma on dużą pojemność każdego z cylindrów, co umożliwi zwiększenie jego wysokoobrotowości. Zastosowanie dwóch korbowodów powoduje zmniejszenie ich obciążenia, w efekcie czego daje zmniejszenie masy. Największą wadą konstrukcji jest zwiększenie liczby elementów ruchomych oraz punktów kontaktowych. Dwa wały korbowe zwiększają masę bezwładności ruchomych elementów, ale przeciwne kierunki obrotu poprawiają wyważenie silnika. 538

6 Rys. 6. Porównanie układów korbowo-tłokowych z jednym i z dwoma równolegle pracującymi korbowodami WNIOSKI Układy korbowo-tłokowe są podstawowymi układami pośredniczącymi w zamianie sił pochodzących od spalania mieszanki sił gazowych na moment obrotowy silnika. Niekonwencjonalne rozwiązania pozornie prostych konstrukcji umożliwiają zmianę rozkładu sił w poszczególnych elementach. Oba przedstawione układy wymuszają zastosowanie tłoków o dużym polu powierzchni przekroju spowodowanego koniecznością połączenia z dwoma korbowodami zamiast jednego. Powoduje to zwiększenie stosunku średnicy tłoka do jego skoku, umożliwiając zwiększenie pojemności pojedynczego cylindra lub maksymalnej prędkości obrotowej silnika. Rozwiązanie z dwoma wałami obracającymi się w przeciwnych kierunkach dodatkowo umożliwia wyeliminowanie oddziaływania tłoka na ściankę cylindra i jednocześnie ogranicza siły tarcia podczas jego ruchu. Streszczenie Układy tłokowo-korbowe to podstawowe i jednocześnie najbardziej odpowiedzialne układy w silnikach spalinowych. Tłoki silników spalinowych ze względu na duże ciśnienie, temperaturę, przyspieszenia oraz prędkości są elementami najbardziej obciążonym cieplnie i mechanicznie. Kolejnymi elementami o dużych obciążeniach są korbowody oraz wały korbowe. Celem artykułu jest wskazanie możliwości poprawy rozkładu sił w układach korbowo-tłokowych. W artykule omówiono niekonwencjonalne układy wykorzystujące dwa korbowody przypadające na jeden cylinder. Porównano siły nacisku na poszczególne elementy. Wykazano zmniejszenie nacisku na korbowody oraz sworznie tłokowe. Udowodniono wyeliminowanie sił nacisku tłoka na ściankę cylindra w układzie z dwoma wałami korbowymi. The analysis of double connecting rods designs of Internal Combustion Engines Abstract Piston-crank systems are basic and the most responsible systems in Internal Combustion Engines. Engines pistons due to high pressure, temperature, acceleration and speed are the most thermally and mechanically loaded parts. Connecting rods and crankshafts are the next most loaded parts. The identification of improvement of forces distribution in crank-piston system is the aim of the paper. The unconventional systems using two rods per one cylinder are discussed in the article. The pressure forces on the elements are compared. The reduction of forces on the connecting rods and piston pins is shown. The elimination of piston reaction on 539

7 cylinder in system with two crankshafts has been proven. BIBLIOGRAFIA 1. Drangel H., Olofsson E., Reinmann R., The variable compression (SVC) and the combustion control (SCC) two ways to improve fuel economy and still comply with world-wide emission requirements, SAE Technical Paper , Honda NR 750 information brochure, Japan, Rabhi D., Rabhi V., Ranson P., Gear design and dimensioning study for a variable compression ratio engine, SAE Technical Paper , dostęp z dnia dostęp z dnia dostęp z dnia dostęp z dnia dostęp z dnia