PZM – Motoryzacja

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.

Przebieg wywiązania ciepła

Wynikiem takiego przesunięcia jest przebieg wywiązywania ciepła o mniejszej intensywności w okresie początkowym niż w razie wtrysku jednym strumieniem, a w związku z tym – bardzo miękka praca silnika. Inne rozwiązanie typu Perkins jest stosowane w czterocylindrowym silniku PERKINS Four 99, który w wersji do samochodu osobowego rozwija moc Ne = 32 kW przy n = 4000 obr/min. W komorze typu Hercules uzyskano zwiększenie intensywności wymieszania dzięki temu, że tłok zbliżając się do GMP, a więc w okresie, w którym w innych silnikach z rozdzieloną komorą spalania występuje osłabienie przepływów,przysłania częściowo kanał łączący powodując wzrost prędkości przepływu w tym kanale. W rezultacie uzyskano nie tylko dwukrotny wzrost największej prędkości przepływu, ale jednocześnie przesunięcie tego maksimum z 25° na 8° przed GMP – a więc w położenie odpowiadające okresowi tworzenia się mieszanki. Stosowanie w tego rodzaju silnikach małych stopni sprężania (s = 14,8 – 15,5) tłumaczy się z jednej strony dobrym wymieszaniem, z drugiej zaś – dobrym napełnieniem przestrzeni spalania.

Dobre napełnienie

Dobre napełnienie jest wynikiem zastosowania dużego przekroju przelotowego zaworu dolotowego, co stało się możliwe dzięki usunięciu z głowicy komory wirowej i obsady wtryskiwacza. Średnia prędkość przepływu w zaworze dolotowym, obliczona przykładowo dla jednego z tego rodzaju silników, wynosi około 33 m/s, co przy 2600 obr/min jest wartością bardzo małą. Dobre napełnienie komory wirowej uzyskano przez zastosowanie kilkakrotnie większego niż w innych silnikach z komorami wirowymi przekroju kanału łączącego {dla wspomnianego poprzednio silnika K = 44-10-3). Ze względu na napełnienie komory wirowej, zmniejszenie przekroju tego kanału przez tłok podczas jego zbliżania się do GMP nie jest szkodliwe, ponieważ w tym okresie z cylindra do komory wirowej przepływa nieznaczna ilość ładunku. Jest to oczywiście jedno spośród wielu rozwiązań. Przed podjęciem decyzji należy wziąć pod uwagę różne czynniki, które mogą zmieniać wynik rozwiązania. Najlepiej również sprawdzić inne rozwiązania i porównać je ze sobą – wówczas otrzymamy najkorzystniejsze.

Inne rozwiązanie

Innym jeszcze rozwiązaniem specjalnym jest komora wirowa stosowana w rozpowszechnionych w kraju polskich silnikach przemysłowych S60 i pochodnych: Sól, S62 oraz S64 (rys. 8-65). Odbiega ona znacznie od typowych komór pod względem wielkości przewężenia, które jest zaledwie zaznaczone. Odbija się to niekorzystnie na wskaźnikach pracy (ge > 270 g/(kW-h), pe = 0,55 MPa) i zmusza do stosowania większego ciśnienia wtrysku (około 17,5 MPa). Silnik o takich komorach odznacza się natomiast wyjątkowo łatwym rozruchem, nawet w niekorzystnych warunkach klimatycznych. Umieszczenie zaworu wylotowego w komorze zapewnia dobre jej przewietrzanie, co eliminuje prawie całkowicie tworzenie się nagaru. Prowadzenie iglicy rozpylacza umieszczono z dala od komory spalania – czyli w dość chłodnym miejscu. Zastosowanie tych środków zapobiega szybkiemu zanieczyszczaniu się rozpylacza. Bliższe dane dotyczące parametrów geometrycznych komór spalania silników MAN-M podaje Mironów – Ci, którzy chcą wiedzieć więcej powinni sobie tych informacji poszukać.