ANALIZA HIPOCYKLOIDALNEGO UKŁADU KORBOWO-TŁOKOWEGO DLA SILNIKA SPALINOWEGO

Transkrypt

1 Wojciech SAWCZUK ANALIZA HIPOCYKLOIDALNEGO UKŁADU KORBOWO-TŁOKOWEGO DLA SILNIKA SPALINOWEGO Streszczenie Wraz ze zmniejszeniem długości korbowodu przy niezmiennej długości korby podczas pracy silnika spalinowego szczególniee podczas suwu pracy następuje zwiększenie docisku tłoka do tulei cylindrowej. Jednak problem zwiększonego oddziaływania tłoka na cylinder rozpatrywane było w literaturze silnikowej w ujęciu jakościowym nie ilościowym bez podawania konkretnych wartości. Celem artykułu jest analiza porównawcza hipocykloidalnego układu korbowo-tłokowego względem klasycznego układu korbowo-tłokowego WSTĘP Podstawowe parametry silnika spalinowego takie jak średnica tłoka (cylindra) D, skok tłoka S oraz długość korbowodu l wpływają na wartość współczynnika λ (jednego z parametrów geometrycznych układu korbowo-tłokowego). Jednym z załoŝeń przy projektowaniu silników spalinowych jest minimalizacja jego wymiarów oraz masy bez zmiany jego podstawowych parametrów jak pojemność skokowa silnika. W tym celu między innymi przechodzi się z konstrukcji rzędowych silników na układy widlaste (zmniejszenie długości silnika) lub zmniejszenie stosunku S/D (skok tłoka/średnica) co w konsekwencji zmniejsza ich wysokość co przedstawia rys. 1 [4]. Rys. 1. Porównanie obrysów 8-mio cylindrowych silników BUICK: 1- silnik rzędowy produkowany do 1953r, 2- silnik widlasty produkowany od 1963r Źródło: [15, s. 404] AUTOBUSY 417

2 Niekorzystny wpływ oddziaływania tłoka na gładź cylindra szczególnie zauwaŝalny jest w silnikach o duŝych pojemnościach jak silniki kolejowe czy okrętowe (pojemności skokowe wynoszące 150 litrów i więcej). Jest to związane z duŝymi wartościami sił gazowych (doładowane silniki kolejowe) jak równieŝ ze względu na duŝą wagę tłoka, wynoszącą nawet 20kg dla silników kolejowych. Podczas napraw rewizyjnych oraz głównych lokomotyw spalinowych stwierdzano owalizację otworów korpusu pod tuleje cylindrowe. W czasie pracy kolejowego silnika spalinowego dochodziło do drgań cylindrów w bloku silnika. Na rysunku 2 przedstawiono widok silnika 14D40 z lokomotywy ST 44 oraz sposób naprawy korpusów silników przez ich napawanie a następnie frezowanie pod wymiar tulei cylindrowej. Rys. 2. Ogólny widok silnika 14D40: a) przed demontaŝem, b) napawana oraz frezowana powierzchnia korpusu pod tuleję cylindrową Podczas demontaŝu silnika obserwowano owalizację otworu korpusu silnika względem wymiaru nominalnego średnicy pod tuleję, w niektórych przypadkach przekraczała 1mm. Było to powodem drgań tulei i generowało charakterystyczne dźwięki podczas pracy silnik spalinowego. 1. OPIS KONSTRUKCJI HIPOCYKLOIDALNEGO UKŁADU KORBOWO-TŁOKOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO W klasycznym układzie korbowo-tłokowym silnika jednocylindrowego, wał korbowy składa się z dwóch czopów głównych oraz z jednego czopa korbowego wciśniętego w otworach tarcz bocznych (przeciwwag) wału korbowego. Korbowód w dolnej swojej części (stopa korbowodu) połączony jest obrotowo względem czopa korbowego poprzez łoŝysko toczne (stosowane juŝ rzadko jedynie w małych silnikach) lub ślizgowe składające się z dwóch półpanewek. Górna część korbowodu (głowa korbowodu) za pośrednictwem sworznia połączona jest z tłokiem wraz z pierścieniami. Siła gazowa powstała w procesie spalania działa na tłok następnie na korbowód i czop korbowy, który zamocowany na odpowiednim promieniu powoduje powstanie momentu obrotowego i powoduje obrót wału korbowego. W silniku z hipocykloidalnym układem korbowym zastosowało wał korbowy w którym czop korbowy wciśnięty jest w bocznych tarczach wału na promieniu r odpowiadającemu jednej czwartej skoku tłoka S (rys. 4). W klasycznym układzie korbowym dwukrotna wartość r odpowiada skokowi S (S=2r) (równanie (1) i (2)). 418 AUTOBUSY

3 S S = 2 (1) r klasyczny = 4 (2) r hipocykloida ln y W celu osiągnięcia przez silnik skoku tłoka S, mimo dwukrotnie mniejszego promienia korby r hipcykloidalny. w zwrocie zewnętrznym (ZZ) i zwrocie wewnętrznym tłoka (ZW), na czopie korbowym obrotowo zamocowany jest drugi czop mimoosiowy (rys. 3) w którym otwór pod czop korbowy przesunięty jest względem osi głównej czopa mimoosiowego o wartość r. wynoszącą 4S. W czasie pracy, czop wykonuje ruch obrotowy w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu wału korbowego, jeden pełny obrót wału korbowego równieŝ odpowiada jednemu obrotowi czopa mimoosiowego. Rys. 3. Widok czopa mimoosiowego wykonany w programie SolidWorks 2012 z widocznym kanałem olejowym AUTOBUSY 419

4 a) b) 1 2 Rys. 4. Mechanizm zębaty powodujący ruch zaleŝny czopa mimoosiowego względem wału korbowego: a) dla 45 OWK (obrotów wału korbowego), b) połoŝenie tłoka z ZZ (zwrocie zewnętrznym) 1-koło zębate obrotowe, 2-koło zębate stałe (nieruchome) 420 AUTOBUSY

5 a) b) c) d) Rys. 5. Schemat ustawienia mechanizmu hipocykloidalnego korbowego dla róŝnych kątów obrotu wału korbowego: a) dla 10 OWK, b) dla 80 OWK, c) dla 190 OWK, d) dla 280 OWK Na rysunku 5 przedstawiono niektóre fazy pracy układu korbowo-tłokowego hipocykloidalnego. Istotnym elementem dla tego układu korbowego w szczególności dla silnika jednocylindrowego jest przekładnia zębata o przełoŝeniu i=1 (rys. 4). Jedno koło zębate zamocowane jest sztywno do jednego z czopów głównych, drugie koło zębate obrotowe zamocowane jest na czopie korbowym i połączone z czopem mimo osiowym. Przedstawiony mechanizm w postaci kół zębatych jest niezbędny aby czop mimoosiowy AUTOBUSY 421

6 wykonywał ruch obrotowy w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu wału korbowego z tą samą prędkością kątową: ω WK = ω CM (3) gdzie: ω wk prędkość kątowa wału korbowego w [rad/s], ω cm prędkość kątowa czopa mimoosiowego w kierunku przeciwnym w [rad/s]. UzaleŜnienie ruchu obrotowego czopa mimosiowego względem wału korbowego przy stałych wartościach ich prędkości kątowych spowodowało, Ŝe korbowód nie wykonuje ruchu wahadłowego względem osi wzdłuŝnej sworznia tokowego o kąt β. Pionowe działanie siły gazowej w czasie suwu pracy wzdłuŝ korbowód niezaleŝnie od kąta obrotu wału korbowego spowodowało eliminację siły normalnej N wynikającej z trójkąta rozkładu siły gazowej P g na siłę działającą wzdłuŝ korbowodu T oraz siłę normalną N. NaleŜy podkreśli, Ŝe przedstawiany i opisywany mechanizm korbowy jest juŝ znany w technice silnikowej [5]. RóŜnica między układem prezentowanym w niniejszym artykule a układem hipocykloidalnym jest dodatkowa redukcja wartości siły normalnej N, co zrealizowano dzięki zastosowaniu przekładni zębatej powodującej ruch obrotowy czopa mimo osiowego względem wału korbowego. Na rysunku 6 przedstawiono widok koncepcyjnego silnika JJ2S X4 500 autorstwa Pana Jędrzeja Jacka Synakiewicza gdzie zastosowano krzyŝowy hipocykloidalny mechanizm korbowo-tłokowy. Rys. 6. Silnik JJ2S X4 500 z krzyŝowym hipocykloidalnym mechanizmem korbowo-tłokowym Źródło: [6] Analizując oba silniki, z przekładnią zębatą jak na rys 4 oraz JJ2S X4 500 moŝna zauwaŝyć, Ŝe brak mechanizmu zębatego powoduje, Ŝe silnik konstrukcji J. J. Synakiewicza nie moŝe pracować jako silnik jednocylindrowy, najprostszy układ dla tego silnika to układ typu przeciwsobny (boxer) lub bardziej zaawansowany - krzyŝowy. W tym silniku konieczne jest umieszczenie cylindra po przeciwnej stronie aby moŝliwy był ruch pionowy korbowodu 422 AUTOBUSY

7 oraz aby moŝliwe było obrócenie czopa mimoosiowego w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu wału korbowego. Cylindry w tym przypadku pełnią funkcję ę podpory ruchomej powodującej zapieranie się tłoków w cylindrach w celu wytworzenia momentu reakcyjnego powodującego obrócenie czopa mimoosiowego w kierunku przeciwnym do obrotu wału korbowego. Zjawisko to występuje podwójnie podczas jednego obrotu wału korbowego. Cylindry stanowią podporę dla tłoków przy obrocie wału o kąt (przednia wewnętrzna powierzchnia cylindra w kierunku prostopadłym do obrotu wału korbowego) oraz przy obrocie wału o kąt (tylna wewnętrzna powierzchnia cylindra), co przedstawia rysunek 7. NaleŜy podkreśli, Ŝe w czasie pracy silnika JJ2S X4 500 mogą wystąpi drgania tłoków w cylindrze ze względu na obrót i połoŝenie czopa mimoosiowego względem czopa korbowego. a) b) Rys. 7. Ustawienie tłoków względem cylindra silnika JJ2S X4 500: a) przy obrocie wału o kąt 0-180, b) przy obrocie wału o kąt , ω wk prędkość kątowa wału korbowego, ω cm prędkość kątowa czopa korbowego, Mcm moment obrotu czopa mimo osiowego, N c siła docisku tłoka do cylindra, T siła styczna działająca na czop korbowy Inną niekorzystną cechą silnika jest umieszczenie korbowodów na wspólnym czopie korbowym co dla silnika typu boxer nie jest stosowane poniewaŝ wykorbienia czopów są co 180. AUTOBUSY 423

8 2. KINEMATYKA HIPOCYKLOIDALNEGO UKŁADU KORBOWO- TŁOKOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO W rozdziale wyprowadzono równania ruchu hipocykloidalnego układu korbowotłokowego w sytuacji gdyby ten układ zastosować w silniku S03. Równanie drogi tłoka przedstawia równanie (4.1), dodatkowo odniesione do silnika spalinowego S03 z klasycznym układem korbowo-tłokowym (równanie (4.2)) [3, s. 51]. Parametry geometryczne silnika prezentuje (Tab. 1): Tab. 1. Parametry geometryczne silnika S03 [1, s. 62] Symbol Wymiar Jednostka 1 S 0,079 [m] 2 R 0,0395 [m] 3 L 0,16 [m] 4 λ 0,2506 [-] S = R ( 1 cosα ) hipocykloi da ln y (4.1) 1 S klasyczny = R 1 cosα + ( 1 cos β ) (4.2) λ Kolejne równania (5.1) oraz (6.1) przedstawiają prędkość oraz przyspieszenie tłoka zarówno dla silnika z klasycznym [2, s. 28] i hipocykloidalnym układem korbowo-tłokowym: v = R ω sinα hipocykloi da ln ym (5.1) λ v klasyczny = R ω sinα sin 2α + µ cosα (5.2) 2 a 2 = R ω cosα hipocykloi da ln y (6.1) ( cosϕ λ cos 2ϕ µ sinϕ) 2 a klasyczny = rω (6.2) n ω = π (7) 30 gdzie: v prędkość tłoka, m/s, b przyspieszenie tłoka, m/s 2, r promień wykorbienia, m, n prędkość obrotowa, obr/min, α kąt obrotu wału korbowego, rad, λ stosunek długości korby r (promień wykorbienia) do długości korbowodu l, µ stosunek przesunięcia trajektorii osi sworznia e do długości korbowodu l. 424 AUTOBUSY

9 Rys. 8. Wykres drogi tłoka w m silnika S03 klasycznego (linia niebieska) i hipocykloidalnego (linia czerwona) Rys. 9. Wykres prędkości tłoka w m/s silnika S03 klasycznego (linia niebieska) i hipocykloidalnego (linia czerwona) AUTOBUSY 425

10 Rys. 10. Wykres przyspieszenia tłoka w m/s 2 silnika S03 klasycznego (linia niebieska) i hipocykloidalnego (linia czerwona) PODSUMOWANIE Przeprowadzona analiza kinematyczna hipocykloidalnego układu korbowo-tłokowego na przykładzie silnika S03 wykazała, Ŝe moŝliwe jest wyeliminowanie siły normalnej dociskającej tłok do gładzi cylindra. Zjawisko to jest tym niekorzystne im większa jest pojemność silnika oraz siła gazowa powstała w procesie spalania. W przypadku silnika S03 z nieklasycznym układem korbowo-tłokowym brak siły normalnej zrealizowano drugim czopem mimoosiowym obracającym się w kierunku przeciwnym do obrotu wału korbowego. Obrót czopa względem wału umoŝliwia przekładnia zębata o przełoŝeniu i=1 z nieruchomym kołem zębatym zamocowanym na wewnętrznej tarczy wału korbowego na przedłuŝeniu czopa głównego. Takie oryginalne rozwiązanie autora niniejszego artykułu odróŝnia go od rozwiązania silnika z hipocykloidalnym układem korbowym silnika JJ2S X4 500 Pana J.J. Synakiewicza, w którym prawdopodobnie nie wyeliminowano siły normalnej. Przebiegi drogi, prędkości oraz przyspieszenia tłoka są korzystniejsze względem klasycznego układu korbowo-tłokowego, równania (4.1), (4.2) i (4.3) opisujące wspomniane wielkości są prostsze, szczególnie widać to na przykładzie przyspieszenia tłoka, gdzie w zwrocie zewnętrznym są niŝsze wartości względem przyspieszeń w klasycznym układzie. Ponadto uzyskano przebieg przyspieszenia tłoka w postaci funkcji harmonicznej. JednakŜe naleŝy wrócić uwagę, Ŝe silnik z hipocykloidalnym układem korbowym będzie miał niekorzystną charakterystykę zewnętrzną momentu obrotowego w funkcji prędkości obrotowej w względem klasycznego układu korbowego. Będzie wynikało to z faktu, Ŝe czop korbowy osadzony jest na promieniu korby dwukrotnie mniejszym niŝ w silniku klasycznym. Czop mimoosiowy jedynie w zwrocie zewnętrznym ZZ i wewnętrznym ZW będzie miał długość korby jak w silniku klasycznym. 426 AUTOBUSY

11 BIBLIOGRAFIA 1. Dmowski R., Księga Junaka. Wydawnictwo Motocyklowe MOTOPUBLICA, Łódź Iskra A., Dynamika mechanizmów tłokowych silników spalinowych. Wydawnictwo PP, Poznań Jędrzejowski J., Obliczanie tłokowego silnika spalinowego. WNT, Warszawa Niewiarowski K., Tłokowe silniki spalinowe, Tom I. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa strona internetowa: 6. strona internetowa: 6A1BAB8&feature=results_main ANALYSIS OF THE HIPO-CYCLOIDAL CRANK TRAIN FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES Abstract Unfortunately, along with the reduction of the length of the conrod with an immutable length crank while engine especially when work is increasing the thrust of the piston move to an cylinder which was already described in many studies. The purpose of the article is the comparative analysis of the hipo-cycloidal crank train with regard to the classic agreement crank train for internal combustion engines Autorzy: Dr inŝ. Wojciech Sawczuk Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Instytut Silników Spalinowych i Transportu, wojciech.sawczuk@put.poznan.pl AUTOBUSY 427