PZM – Motoryzacja

Przewężenie

Obecność przewężenia w kanale dolotowym (gardzieli) powoduje pogorszenie napełniania cylindrów, a więc ograniczenie parametrów trakcyjnych silnika. Przy zasilaniu wtryskowym przewężenie w kanale dolotowym nie jest potrzebne, ponieważ ciśnienie paliwa zasilającego wtryskiwacze jest. wystarczająco duże, aby zapewnić prawidłowe rozpylenie i wymieszanie we wszystkich stanach pracy silnika. Z tego powodu w silnikach zasilanych wtryskowo można stosować wyższe stopnie sprężania i uzyskać większą moc niż przy zasilaniu gaźnikowym. Skład mieszanki określa się zwykle za pomocą współczynnika nadmiaru powietrza podającego stosunek ilości powietrza L (kg, m3) zawartego w mieszance, do ilości L (kg, m3) powietrza teoretycznie niezbędnej do zupełnego spalenia paliwa zawartego w tej mieszance. Współczynnik ten jest równy jedności wtedy, gdy ilości paliwa i powietrza odpowiadają tzw. składowi stechiometrycznemu, a paliwo zawarte w danej ilości powietrza może ulec zupełnemu spaleniu na dwutlenek węgla i parę wodną. Do całkowitego spalenia 1 kg paliwa potrzeba 14,7 kg powietrza. Jeżeli ilość powietrza jest zbyt mała do całkowitego spalenia, to mieszankę nazywa się bogatą, jeżeli jest odwrotnie, to mówimy o ubogiej mieszance.

Mieszanka

Skład mieszanki dostarczanej przez gaźnik może się w pewnych granicach zmieniać w zależności od zmian gęstości zasysanego powietrza, spowodowanych wahaniami temperatury i zmianami ciśnienia atmosferycznego. Z tego powodu gaźnik musi wytwarzać mieszankę bogatszą, niż jest to niezbędne, w przeciwnym razie może nastąpić nadmierne zubożenie mieszanki w niskich temperaturach i przy wysokich ciśnieniach atmosferycznych. Przy zasilaniu gaźnikowym obserwuje się ponadto nierównomierny rozdział mieszanki i niejednakowy jej skład w poszczególnych cylindrach. Skład mieszanki w poszczególnych cylindrach może wahać się nawet o około 0,1 X. Przy zasilaniu wtryskowym nierównomierność ta jest ponad dwukrotnie mniejsza. W stanach nie ustalonych precyzja dawkowania paliwa przez gaźnik jest stosunkowo niewielka. Czas dopasowania składu mieszanki do nowych warunków pracy jest zbyt długi, wynosi nawet 400-600 ms. Przez pewien okres czasu silnik jest więc zasilany mieszanką o nieprawidłowym składzie. Wymienione czynniki powodują pogorszenie parametrów trakcyjnych silnika, wzrost zużycia paliwa i zwiększenie zawartości szkodliwych składników spalin. Te negatywne zjawiska z trudnością można opanować za pomocą środków mechanicznych, np. skomplikowanych gaźników, układów gaźników, czy też mechanicznego sterowania wtryskiem paliwa (wyjątkiem jest opracowane przez BOSCHA mechaniczne urządzenie wtryskowe K-Jetronic).

Zagadnienie

Ponadto należy podkreślić, że w silnikach o małej objętości skokowej (np. 50 cm3) trudno jest ze względów konstrukcyjnych uzyskać małe wartości 3, a chcąc osiągnąć w takich przypadkach duże wskaźniki mocy należy stosować duże czasoprzekroje okien: dolotowych, przelotowych i wylotowych. Na przykład silnik firmy Gräf-Stift, wyposażony w prosty układ regulacji (drogą upustu części powietrza ze strony tłocznej dmuchawy na ssawną) i zamontowany w autobusie pracującym w ruchu miejskim, osiągnął 17% oszczędności w zużyciu paliwa. Dobór elementów nastawczych układu regulacji i charakterystyki więzów łączących te elementy musi odbywać się na drodze eksperymentalnej. Osobne zagadnienie – dotąd nie rozwiązane w całości – to problem wyboru kryteriów optymalności takiej regulacji. Konwertor pulsacji odpowiadający schematowi ma znaczną długość, co utrudnia jego zastosowanie we współczesnych silnikach charakteryzujących się zwartą budową. Na rysunku u Niewiarowskiego pokazano zbadane w wytwórni Sulzer układy, jakie zastosowano w ośmiocylindrowym silniku rzędowym używanym.

Zależności

Im mniejsze jest konieczne ciśnienie doładowania i mniejszy jest wydatek powietrza przy właściwym przebiegu procesu wymiany ładunku, tym łatwiej jest zrealizować doładowanie systemem pulsacyjnym. W celu uzyskania możliwie dużej energii spalin i tym samym zwiększenia mocy turbiny należy ponadto zwiększyć wyprzedzenie otwarcia okien wylotowych. Gwałtowny wypływ spalin podczas wylotu wstępnego powoduje w ciasnym układzie wylotowym pulsacyjnego systemu doładowania chwilowy wzrost ciśnienia dochodzący przy pełnym obciążeniu do 0,15-H -T- 0,2 MPa. Spaliny te powinny możliwie szybko odpłynąć przez turbinę, aby do chwili otwarcia okien dolotowych ciśnienie za oknami wylotowymi zmalało do ciśnienia doładowania lub jeszcze bardziej, co umożliwi przepłukanie cylindra. W przeciwnym przypadku nastąpi „uderzenie” spalin do układu wlotowego. W typowych przypadkach – zwyczajne zwiększenie wymaganej mocy silnika do 2214-250 kW, podczas gdy w latach 1961-63 zachodnioniemieckie silniki-bez doładowania do samochodów ciężarowych o masie całkowitej 32 t miały najczęściej moc 154 kW.

Kilka słów o turbinie

Przekroju turbiny nie można dowolnie zwiększać, ponieważ jest to związane z niepełnym wykorzystaniem pulsacji ciśnienia. A więc musi istnieć duży czasoprzekrój wylotu wstępnego (tj. czasoprzekrój liczony do chwili otwarcia okien dolotowych, aby wzrost ciśnienia nastąpił możliwie szybko, a oprócz tego niezbędny jest dostateczny odstęp czasu między otwarciem okien wylotowych i dolotowych, aby fala spalin o zwiększonym ciśnieniu zdążyła przejść przez turbinę. W wolnoobrotowych silnikach potrzeba do tego 25 -=-28° obrotu korby. Ostatecznie wyprzedzenie dobiera się drogą doświadczalną. Pod tym względem korzystniejsze są silniki o przepłukaniu wzdłużnym, zwłaszcza zaworowe. Oczywiście moc turbiny wzrasta kosztem straty pola wykresu indykatorowego, co pociąga za sobą pewne zwiększenie zużycia paliwa. W silnikach z przepłukaniem zwrotnym i poprzecznym, najczęściej ze względów konstrukcyjnych nie jest możliwe tak wczesne otwarcie wylotu. Występujący wówczas niedobór mocy turbiny wyrównuje się za pomocą dodatkowej dmuchawy.

Konwertory pulsacji

Wykorzystanie energii spalin w układzie doładowania turbosprężarką zależy głównie od dwóch czynników: wielkości strat energii występujących podczas przepływu spalin od cylindra do turbiny; sprawności turbiny, na którą decydujący wpływ ma sposób jej zasilania. Z poprzednich rozważań wynika, że system stałego ciśnienia umożliwia wprawdzie uzyskanie większych sprawności turbiny, lecz charakteryzuje się znacznymi stratami energii spalin. W systemie pulsacyjnym natomiast małe straty energii spalin są okupione mniejszą sprawnością turbiny, co wynika z niepełnego okresowego jej zasilania. W wyniku dążenia do połączenia zalet obu systemów doładowania powstał układ doładowania zwany konwertorem pulsacji1′, w którym energia pulsacji ciśnienia jest wykorzystywana do zwiększania prędkości spalin, a prędkość ta po odpowiednim przekształceniu umożliwia odzyskanie energii w postaci ciśnienia. Przewody wylotowe 1 dwóch cylindrów, dla których odstęp między zapłonami jest mniejszy od czasu otwarcia ich zaworów wylotowych, są doprowadzone przez dysze 2 do wspólnego przewodu 3, łączącego się poprzez dyfuzor 4 ze zbiornikiem wyrównawczym 5 umieszczonym bezpośrednio przed wlotem do turbiny 6.

Ciśnienie

Fala ciśnienia wywołana wylotem z cylindra I przemieszcza się wzdłuż przewodu wylotowego i dochodzi do dyszy, w której energia ciśnienia zostaje zamieniona na energię kinetyczną i powoduje przyspieszenie ruchu spalin wypływających z cylindra 77 (w którym wylot rozpoczął się wcześniej). W ten sposób uzyskuje się w przewodzie 3 wyrównanie prędkości przepływu spalin. W dyfuzorze następuje przemiana energii kinetycznej na ciśnienie. Im więcej cylindrów jest podłączonych do tego samego konwertora pulsacji, tym bardziej stałe jest ciśnienie za dyfuzorem, a cały układ zbliża się do systemu stałego ciśnienia, a jednocześnie przejmuje wady charakterystyczne dla tego systemu. Na przykład celowe jest zastosowanie konwertora pulsacji w silnikach czterosuwowych o odstępie zapłonów mniejszym niż 240°, dzięki czemu można znacznie poprawić zasilanie turbiny w silnikach 5, 8- i 10-cy-lindrowych, a także uzyskać większe ciśnienie doładowania i lepsze przepłukanie cylindrów – a o to przecież także chodzi.

Wzmocnienie wału korbowego

Jednak przez wzmocnienie i odpowiednie wymiarowanie wału korbowego, łożysk, głowic, ściągów, trzonów tłokowych i korbowodów oraz wprowadzenie po wnikliwych studiach konstrukcyjnych specjalnych rozwiązań tłoków nie dopuszczono do przekroczenia naprężeń uznawanych jako dopuszczalne w typowych silnikach. Podane poprzednio założenia wysokiego doładowania MAN, zastosowane w pierwszych silnikach tego rodzaju, umożliwiały uzyskanie wyjątkowo małego zużycia paliwa. Późniejszy rozwój związany z dalszym powiększaniem pe (dla uzyskania jak najmniejszego obrysu silnika) skłonił konstruktorów wspomnianej wytwórni do wprowadzania większego współotwarcia zaworów, umożliwiającego zmniejszenie obciążeń cieplnych kosztem pewnego wzrostu zużycia paliwa. Ponadto w dążeniu do uzyskania możliwie dużych wartości pe przy danym największym ciśnieniu spalania (uwarunkowanym względami konstrukcyjnymi oraz przepisami towarzystw klasyfikacyjnych) przyjęto oczywiście ciśnienia doładowania nie tak duże jak początkowo.

Wybór systemu

Przykładem silnika opracowanego w oparciu o te zmodyfikowane założenia jest silnik W52/55 (D/S = 520/550 mm) o mocy z cylindra 740 kW. Zastanawiając się nad wyborem systemu doładowania do wysokodoładowanego silnika czterosuwowego, należy wziąć pod uwagę, że przy współczesnych sprawnościach turbosprężarek rzędu 0,6 czterosuwowy silnik doładowany systemem stałego ciśnienia góruje nad silnikiem doładowanym systemem pulsacyjnym z częściowym zasilaniem przy obciążeniach przekraczających 1,75 MPa. Przy doładowaniu pulsacyjnym i pełnym zasilaniu (zgrupowanie wylotów z trzech cylindrów) punkt, w którym system przy stałym ciśnieniu jest korzystniejszy, znajduje się powyżej wartości pe = 2,1 MPa. Ponadto należy uwzględnić fakt, że doładowanie systemem stałego ciśnienia powoduje gorszą pracę przy obciążeniach częściowych i gorszą zdolność do przyspieszania silnika. A więc system ten jest niedogodny w takich warunkach eksploatacji, w których wymaga się dobrej reakcji silnika przy nagłych zmianach obciążenia albo żąda się długich okresów pracy na obciążeniach częściowych.

Wymiana filtrów
Bardzo ważne jest, aby nie lekceważyć tych drobnych części jakimi są wszelkiego rodzaju filtry. Od ich dobrego stanu zależy bardzo wiele rzeczy. Zapewniają one lepszą pracę naszego silnika i dbają o jego jak największą czystość zwiększając tym samym jego ogólną żywotność. Filtry te odgrywają również ogromną rolę w ochronie naszego środowiska naturalnego, czyli między innymi zapewniają zdrowsze życie nam wszystkim. Oczyszczając spaliny powodują mniejszą emisję szkodliwych gazów do atmosfery. Chyba nikt z nas nie chce żyć w miastach z duszącym smogiem, a większość używa samochodów. Dlatego należy dbać również i o te filtry. Ostatnie rodzaje filtrów zapewniają nam samym lepszy komfort jazdy. Oczyszczają powietrze wpadające do kabiny z wszelkiego rodzaju kurzu i zanieczyszczeń. Osuszają je, dzięki czemu szyby w samochodzie nie parują się, powodując w ten sposób większe bezpieczeństwo kierowania samochodem. Każde auto posiada książeczkę, na której dokładnie wyszczególnione jest kiedy i jaki filtr należy wymienić. Nigdy nie powinniśmy o tym zapominać. Należy trzymać się ściśle zaleceń producenta samochodu.

Katalizator
Katalizatory montowane są w układzie wydechowym zazwyczaj dość blisko kolektora wydechowego. Katalizatory są montowane ze względu na coraz bardziej restrykcyjne prawo dotyczące czystości spalin samochodowych. Ich podstawowym zadaniem jest oczyszczanie spalin w celu zmniejszenia ilości szkodliwych składników, które się w nich znajdują. Początkowo na układzie wydechowym montowano tylko jeden katalizator. Wystarczał on do tego, aby sprostać wymaganiom prawa. Stale rosnące normy doprowadziły jednak do tego, że zaczyna się montować w pojazdach układy kilku katalizatorów zamiast standardowego jednego. Katalizator do prawidłowej pracy potrzebuje optymalnych warunków, które dobierane są dzięki danym przekazywanym przez sondę lambda. Stąd tendencja do montażu sondy zarówno przez jak i za katalizatorem. Sam proces oczyszczania spalin odbywa się na zasadzie reakcji wszelkich substancji występujących w spalinach z katalizatorem. Zużyty katalizator to nie tylko zwiększona emisja szkodliwych gazów do atmosfery. To również zwiększenie się zużycia paliwa. Z tego względu bardzo ważne jest dbanie o nasz katalizator. Z reguły katalizator powinien przetrwać naprawdę wiele, jednak zdarza się że ulega on przedwczesnemu zużyciu. Wymiana katalizatora to niestety dość kosztowna operacja.

Twardość

Mniejsza ścieralność żeliwa niż stopów lekkich jest wynikiem dużej twardości żeliwa w podwyższonych temperaturach oraz zawartości grafitu, który nadaje żeliwu właściwości samo-smarne i poprawia przyczepność oleju. Nie należy jednak zapominać, że zużycie korozyjne, w wyniku działania powstających podczas spalania mieszanin kwasów i skondensowanej pary wodnej, może być dla żeliwa znacznie większe niż dla stopów aluminium. Podana w tablicy w książce Niewiarowskiego ścieralność określa ilość materiału startego w jednakowych warunkach, przy czym jako jednostkę przyjęto ilość startego stopu eutektycznego Al-Si 12-Cu-Ni. Chociaż nie ma bezpośredniej zależności między twardością i wytrzymałością, to jednak na podstawie stosunkowo łatwego pomiaru twardości w różnych temperaturach można wyciągnąć istotne wnioski o wytrzymałości materiału w różnych temperaturach pracy. Twardość stopów aluminium po odlaniu lub odkuciu tłoka jest znacznie mniejsza niż twardość żeliwa, lecz może być zwiększona przez obróbkę cieplną.

Właściwości wytrzymałościowe

Właściwości wytrzymałościowe materiałów na tłoki określa się przy użyciu takich wielkości, jak: wytrzymałość na rozciąganie w różnych temperaturach, granica plastyczności, wydłużenie, moduł sprężystości lub wytrzymałość na zmęczenie powodowane zginaniem obukierunkowym. Wymienione właściwości stosowanych obecnie materiałów na tłoki podano w tablicy w książce Niewiarowskiego. Materiały, z których wykonuje się tłoki, można podzielić na cztery grupy: stopy aluminium, żeliwa, stopy magnezu i staliwa. Stopy aluminium w zastosowaniu na tłoki (podobnie jak stopy łożyskowe) powinny mieć strukturę złożoną z twardych składników rozmieszczonych równomiernie w miękkiej osnowie. Zależnie od składu chemicznego stopu składnikami twardymi są: związki Al-Cu, Al-Cu-Ni lub kryształki krzemu. Stopy te można podzielić na trzy zasadnicze grupy. Stopy Al-Cu reprezentowane przede wszystkim przez stopy Y oraz stopy Al-Si-Cu (np. stop LA 5) w porównaniu z innymi stopami aluminium odznaczają się większą, wytrzymałością w podwyższonych temperaturach i są dość rozpowszechnione.

Wnioski

Jednak ze względu na mniejszą odporność na ścieranie, a zwłaszcza większą rozszerzalność cieplną, stopy takie zostały w znacznym stopniu wyparte przez stopy Al-Si. Stopy eutektyczne zawierają ll-f-13% Si oraz małe dodatki Cu, Ni, Mg, Co, Cr,. Mn, Fe i innych metali, a zwłaszcza stopy nadeutektyczne np.: Al-Si-25-Cu-Ni. odznaczają się najmniejszą rozszerzalnością cieplną ze wszystkich stopów aluminium stosowanych na tłoki. Szczególnie korzystne jest oczywiście stosowanie stopów nadeutektycznych w silnikach dwusuwowych i przy chłodzeniu powietrzem (wysokie temperatury tłoka podczas pracy). Ogólnie biorąc stopy aluminium z uwagi na mały ciężar właściwy stanowią zasadniczy materiał na tłoki większości silników szybkoobrotowych. Ze względu na dużą przewodność cieplną (niższa temperatura tłoka w czasie pracy silnika) stopy te zostały wprowadzone do silników średnioobrotowych (okrętowych i kolejowych), zwłaszcza doładowanych, w których tłoki przejmują znaczną ilość ciepła od gorących spalin.

Ciężar właściwy

Tłok wraz ze sworzniem i pierścieniami stanowi największą z mas posuwisto-zwrotnych, które zwłaszcza przy dużych prędkościach obrotowych mają istotny wpływ na obciążenie łożysk i wymaganą wielkość przeciwciężarów, a tym samym i na masę całego silnika. Mały ciężar właściwy stopów aluminium zadecydował o szerokim ich zastosowaniu do wyrobu tłoków. Tłok żeliwny mimo cieńszych ścianek, na co pozwala duża wytrzymałość żeliwa w wysokich temperaturach, ma większą masę niż tłok ze stopu lekkiego. Na rysunku w książce Niewiarowskiego „Tłokowe silniki spalinowe” pokazano orientacyjną zależność mas tłoków od ich średnicy, uwarunkowaną zarówno ciężarem właściwym materiału, jak też i konstrukcją. Na wykresie tym naniesiono ponadto proste jednostkowej masy tłoka mt/D3 (m, – masa tłoka w kg, D – średnica cylindra w cm); jest to najlepszy wskaźnik masy do porównywania tłoków różnych wymiarów i kształtów. Wielkość D3 jest objętością walca V o średnicy D i długości równej całkowitej długości tłoka (co stanowi wartość średnią dla wielu tłoków).

Przewodność cieplna

Przewodność cieplna decyduje o temperaturze tłoka. Większemu współczynnikowi przewodności cieplnej odpowiadają niższe temperatury tłoka podczas pracy silnika. Między denkiem tłoka, a częścią prowadzącą występuje znaczny spadek temperatur, ponieważ pierścienie tłokowe odprowadzają na ścianki cylindra znaczną część ciepła przejmowanego przez denko. Rozszerzalność cieplna materiałów tłoka i cylindra ma istotny wpływ na luzy pomiędzy tymi elementami, przy czym należy uwzględnić cały zakres możliwych warunków pracy – od rozruchu silnika w niskiej temperaturze otoczenia aż do jego dopuszczalnego przeciążenia. Rozszerzalność cieplna stopów lekkich jest znacznie większa niż żeliwa. Stanowi to poważną wadę stopów lekkich, jednak przez odpowiednią konstrukcję tłoka niedogodność tę można w znacznym stopniu złagodzić, a nawet niemal całkowicie usunąć. Ścieralność stopów lekkich jest znacznie większa niż żeliwa. W stopach lekkich głównym składnikiem zmniejszającym ścieralność jest twardy krzem. Korzystny wpływ mają również małe dodatki miedzi, niklu i magnezu.

Zadania i warunki pracy

Tłok przekazuje siły wynikające z ciśnienia gazów za pośrednictwem korbowodu na wał silnika oraz prowadzi górną część korbowodu. W silnikach wodzikowych wymagane prowadzenie korbowodu zapewnia wodzik. Duże przyspieszenia tłoka w ruchu posuwisto-zwrotnym wywołują znaczne siły bezwładności. Poważne obciążenie spowodowane ciśnieniem gazów i siłami bezwładności, przy dużej prędkości ruchu i braku możliwości zapewnienia warunków tarcia płynnego, decyduje o wielkości pracy tarcia, a więc w pewnym stopniu i o zużyciu tłoka oraz gładzi cylindrowej. Zwykle w obliczeniach naprężeń w elementach układu korbowego silnika wolnobieżnego, wywołanych siłami ciśnienia gazów, nie uwzględnia się zmniejszającego te naprężenie oddziaływania sił bezwładności. W silnikach szybkobieżnych, w których mogą występować bardzo duże siły bezwładności, właściwy obraz obciążeń otrzymuje się obliczając poszczególne siły z uwzględnieniem i bez uwzględnienia sił bezwładności. Dotyczy to zwłaszcza silników pracujących ze zmiennymi prędkościami obrotowymi.

Materiały, półfabrykaty i obróbka cieplna

Warunki pracy tłoka w cylindrze są niekorzystne, ze względu na wysokie ciśnienie, temperaturę oraz prędkość. Wysokie temperatury pogarszają właściwości mechaniczne metalu, z którego wykonany jest tłok, a różnice lokalnych temperatur poszczególnych części lub powierzchni tłoka (zwłaszcza w dużych silnikach) powodują dodatkowo powstawanie wewnętrznych naprężeń cieplnych, które mogą wywoływać pęknięcia. Wskutek nagrzewania się lub ostygania tłoka zmieniają się jego wymiary, co może doprowadzić do naruszenia ustalonych luzów w miejscach współpracy z, innymi elementami i wywołać zatarcie tłoka w cylindrze (np. przy niewłaściwym doborze materiału) lub przegrzaniu tłoka w wyniku uszkodzenia układu chłodzenia. O wyborze materiału na tłoki decydują następujące jego właściwości: gęstość, przewodność i rozszerzalność cieplna, ścieralność, twardość oraz wytrzymałość na stałe i zmienne obciążenia w podwyższonych temperaturach. Istotne znaczenie ma również obrabialność i właściwości odlewnicze dla tłoków odlewanych.