KONSTRUKCJA SILNIKA

Kadłub jest sercem całego silnika. Najczęściej jest on odlewany z Ŝeliwa, rzadziej ze stopów lekkich. Posiada na swoich zewnętrznych ścianach wiele Ŝeber, ułatwiających chłodzenie oraz zwiększających sztywność całej konstrukcji. W kadłubie znajdują się cylindryczne otwory (nazywane cylindrami), w których poruszają się szczelnie dopasowane tłoki. Cylindry dla uzyskania odpowiedniej odporności na ścieranie oraz na oddziaływanie spalin są wykonywane z Ŝeliwa, bądź to w formie tulei osadzanej ciasno w kadłubie, bądź w formie otworu wykonanego bezpośrednio w odlewie Ŝeliwnym kadłuba. JeŜeli cylindry wykazują nadmierne rysy, zuŜycie lub owalizację, roztacza się je, aby przywrócić gładkość i kształt kołowy na całej długości. Po roztoczeniu cylindra na wymiar naprawczy wkłada się tłoki o odpowiednio większej średnicy. Do dolnej części kadłuba są mocowane łoŜyska wału korbowego wyposaŜone w cienkościenne panewki. Gniazda panewek głównych są obrabiane po połączeniu kadłuba z pokrywami łoŜysk. Dlatego teŜ pokrywy łoŜysk głównych są niezamienne i dla odróŜnienia ich mają odpowiednie znaki na powierzchni zewnętrznej. Od dołu wnętrze kadłuba jest zamknięte odejmowalną miską olejową, a od góry do kadłuba jest przykręcana głowica, która zamyka przestrzenie robocze cylindrów. Cylindry są otoczone płaszczem wodnym zapewniającym odpowiednie chłodzenie. Do kadłuba są mocowane pozostałe elementy silnika: rozrusznik, kolektory wylotowy i wlotowy, alternator, filtr oleju, aparat zapłonowy itp. Na rys. kadłub silnika wysokopręŜnego średniej pojemności.

Układ korbowo-tłokowy zamienia ruch posuwisto-zwrotny tłoka w cylindrze na ruch obrotowy wału korbowego i odwrotnie. Układ składa się prawie zawsze z odpowiedniej liczby jednakowych mechanizmów korbowych, skompletowanych z identycznych części, przy czym tłoki w poszczególnych cylindrach są związane za pośrednictwem korbowodów z oddzielnymi czopami korbowymi jednego wału korbowego.

Tłoki podczas pracy silnika są bez przerwy naraŜone na działanie wysokich temperatur i duŜych ciśnień. Muszą w tych warunkach ponadto wytrzymywać okresową pracę przy bardzo duŜych prędkościach obrotowych. Tłoki są zwykle wykonywane ze stopów aluminium, zapewniających niską wagę i dobre odprowadzenie ciepła. W górnej części tłoka znajdują się dookolne rowki, słuŜące do osadzenia spręŜystych, Ŝeliwnych pierścieni, których zadaniem jest dodatkowe uszczelnienie tłoka w cylindrze i zgarnianie nadmiaru oleju ze ścianek cylindra. Przegubowe połączenie tłoka z korbowodem zapewnia sworzeń tłokowy.

Korbowód przekazuje ruch tłoka do wału korbowego. Jest przewaŜnie wykonywany w postaci stalowej odkuwki – węŜszej przy górnym końcu, nazywaną główką, a szerszej przy dolnym zwanym stopą korbowodu. Stopa ta wraz z przytwierdzoną do niej śrubami pokrywą tworzą gniazdo dla łoŜyska ślizgowego. ŁoŜysko ślizgowe składa się z dwóch półkolistych segmentów, nazywanych półpanewkami i wykonanych z kompozycji stopów o małym współczynniku tarcia, ułoŜonych warstwowo na podłoŜu z blachy stalowej.

Wał korbowy przejmuje siłę gazową (pomniejszoną o siłę bezwładności) i wytwarza moment obrotowy, przekazywany poprzez sprzęgło, skrzynię biegów i przekładnię główną na koła napędowe pojazdu. W kaŜdym wale korbowym moŜna wyróŜnić: czopy główne, za pomocą których wał jest ułoŜyskowany w kadłubie silnika, czopy korbowe, na których są ułoŜyskowane stopy korbowodów; ramiona wykorbień, łączące czopy główne z czopem korbowym oraz przeciwcięŜary, wykonane zazwyczaj jako przedłuŜenia ramion wykorbień lub przykręcane do nich. Zadaniem przeciwcięŜarów jest zrównowaŜenie przesunięcia cięŜaru wału powstałego na skutek niewspółosiowego umieszczenia czopów korbowych. W wale korbowym są wykonane kanały olejowe zapewniające odpowiednie smarowanie czopów głównych i panewek korbowodowych. Wały korbowe odlewa się z Ŝeliwa lub wykonuje się ze stali i kuje się. Czopy główne i korbowe utwardza się powierzchniowo (hartuje) na głębokość 0,7...1,2 mm.

Przednią część wału stanowi czop, na który nasadza się koło zębate napędzające rozrząd, pompę cieczy chłodzącej i pompę oleju lub jej napęd. W przedniej części wału występują największe wychylenia skrętne, dlatego tu umieszcza się tłumik drgań skrętnych (często jest wbudowany w koło pasowe). Nie jest to regułą, nie wszystkie silniki wyposaŜa się w tłumiki.

Obydwa końce wału korbowego wychodzą na zewnątrz skrzyni korbowej, w związku z czym muszą być uszczelnione. Zwykle obecnie stosuje się pierścienie uszczelniające typu simmering (z wkładką spręŜystą).

W przypadku znacznego zuŜycia lub uszkodzenia powierzchni, czopy wału szlifuje się na następne podwymiary z przyjętego ciągu (np. pomniejszone o 0,25, 0,50, 0,75 lub 1,00 mm). Są jednak producenci (np. japońscy), którzy nie dopuszczają szlifowania czopów wału. ZuŜyty wał naleŜy wówczas wymienić na nowy.

Półpanewki pełnią rolę łoŜysk ślizgowych wału korbowego (8, rys. powyŜej). Są one smarowane olejem w celu zmniejszenia strat tarcia i w celu zapobiegania zatarciu. Półpanewki są produkowane z cienkiej taśmy stalowej powleczonej warstwą stopu łoŜyskowego. Warstwy ślizgowe wykonuje się z róŜnego materiału, na przykład stopu miedzi i ołowiu. W warstwie nośnej jest wykonany zamek zabezpieczający półpanewkę przed ruchem obrotowym. Na kaŜdej półpanewce jest wytłoczony numer. W przypadku konieczności wymiany półpanewki, naleŜy zawsze upewnić się, Ŝe nowa półpanewka posiada odpowiedni numer.

W celu uniknięcia tarcia metal o metal, między półpanewki a obracające się czopy wału korbowego musi być doprowadzona odpowiednia ilość oleju. Olej jest dostarczany do panewek pod ciśnieniem wytwarzanym przez pompę oleju. Podczas pracy silnika powstaje tzw. klin olejowy, który unosi wał na panewce tworząc pod nim film olejowy o grubości mniejszej niŜ jedna tysięczna milimetra. Podczas obracania się wał korbowy „pływa”, a jego naciski na panewkę są przenoszone poprzez film olejowy. Nacisk wywierany przez film olejowy wytwarzany pod ciśnieniem jest większy od sztywności wału i gdy poszczególne gniazda łoŜyskowe nie leŜą w jednej osi, wówczas moŜe dojść do powstania drgań, a w efekcie do przełamania wału.

Półpierścienie oporowe zakłada się po obu stronach jednej z panewek (11, rys. na poprzedniej stronie). Ich zadaniem jest ograniczanie przesunięć osiowych wału korbowego. Półpierścienie mają rowki, które zapewniają dopływ oleju do powierzchni ślizgowych. Po szlifowaniu czopów wału korbowego podczas naprawy silnika stosuje się panewki naprawcze o średnicach odpowiednio zmniejszonych (na ogół o 0,25, 0,50, 0,75 lub 1,00 mm).

Koło zamachowe jest przykręcone do tylnego kołnierza wału korbowego (9, rys.). Wał korbowy jest napędzany przez tłoki tylko w czasie suwów spalania. W pozostałym czasie następują straty energii wynikające z sił bezwładności i oporów ruchu. Koło zamachowe magazynuje więc energię i umoŜliwia ciągłą pracę wału korbowego podczas wszystkich suwów silnika. Koło zamachowe łagodzi takŜe skutki jakichkolwiek nagłych zmian pracy silnika.

Na koło zamachowe jest wtłoczony stalowy wieniec zębaty z hartowanymi zębami. W czasie rozruchu silnika wieniec zębaty koła zamachowego jest połączony z zębnikiem rozrusznika. W samochodach z automatyczną skrzynią biegów tradycyjne koło zamachowe jest zastąpione przez przekładnię hydrokinetyczną.

W silnikach o duŜym momencie obrotowym współpracujących z manualnymi skrzyniami biegów często jest stosowane koło zamachowe dwumasowe, tzn. składające się z dwóch połączonych ze sobą elastycznie tarcz (rys. poniŜej). Mogą one w niewielkim zakresie zmieniać połoŜenie względem siebie. Dzięki takiej konstrukcji drgania wału korbowego nie są przenoszone na skrzynię biegów i układ napędowy pracuje ciszej.

Głowica ma za zadanie szczelne zamknięcie przestrzeni spalania zawartej w tulei cylindrowej i ograniczonej ruchomym denkiem tłoka. W silnikach benzynowych, a takŜe w wielu silnikach diesla w głowicy jest umieszczona cała lub część przestrzeni spalania zwana komorą spalania. W głowicach do silników czterosuwowych są umieszczone kanały dolotowe i wylotowe, zawory sterujące wymianą czynnika, elementy napędu zaworów i wałek albo dwa wałki rozrządu, świece zapłonowe i wtryskiwacze, a w silnikach diesla jeszcze świece Ŝarowe.

Głowice są wykonywane z Ŝeliwa albo ze stopów aluminiowych. Silniki chłodzone powietrzem mają na ogół głowice oddzielne dla kaŜdego cylindra. Są one silnie uŜebrowane. Głowice silników chłodzonych płynem chłodzącym są jednoczęściowe o budowie skrzynkowej. Płyn chłodzący przepływa kanałami utworzonymi w wyniku odlewania.

Części głowicy (rysunek):

Zawory (1, rys. powyŜej) mają zawsze kształt grzybków, składają się z talerzyka i połączonego z nim trzonka. Na zawory stosuje się przewaŜnie stale stopowe. Niektóre zawory są drąŜone i wypełniane sodem, który topi się i poruszając się w zaworze potrafi obniŜyć temperaturę grzybka nawet o 100 °C.

Prowadnice zaworów (2) są stosowane w prawie wszystkich silnikach. Prowadnice są przewaŜnie wykonywane z Ŝeliwa o duŜej zawartości grafitu, które ma dobre własności przeciwcierne. Do głowic ze stopów aluminium często stosuje się prowadnice z bronzalu (stop aluminium z miedzią) ze względu na zbliŜoną do aluminium rozszerzalność cieplną. Prowadnice zaworów są wtłaczane w głowicę. Na ich wystającym od góry końcu jest osadzana uszczelka zaworu zwana uszczelniaczem trzonka zaworu.

Wstawiane gniazda zaworów są stosowane nie tylko we wszystkich głowicach odlewanych ze stopów aluminium, ale takŜe w wielu głowicach Ŝeliwnych. Gniazda do głowic są wykonywane z bronzalu, Ŝeliwa specjalnego, stali stopowych lub spieków. Przylgnia gniazd zaworów jest wykonywana na gotowo dopiero po wciśnięciu gniazd w głowicę.

SpręŜyny zaworów (3) muszą wytwarzać siły wystarczające dla zapewnienia zaworowi ruchów zgodnych z dyktowanymi przez kształt krzywki, niezaleŜnie od prędkości obrotowej silnika. PrzewaŜnie są stosowane po dwie spręŜyny na zawór. SpręŜyny są osadzane między dwoma miskami spręŜyn. Górna miska jest mocowana na końcu trzonka półstoŜkami umieszczanymi w zamku trzonka zaworu.

Połączenie głowicy z kadłubem musi być bardzo szczelne, aby nie mogły występować przedmuchy spalin i przecieki płynu chłodzącego. Zadawalające uszczelnienie moŜna uzyskać tylko za pomocą uszczelki wykonanej z materiału bardziej miękkiego niŜ materiały głowicy i kadłuba. Uszczelki głowicy są wykonywane z metalu (miedź, aluminium, cienka blacha stalowa), siatki metalowej obustronnie pokrytej warstwa azbestu grafitowanego, płyty azbestowej osłoniętej cienką blachą mosięŜną lub miedzianą i materiałów niemetalowych (włókna azbestowe w połączeniu z gumą albo tworzywem sztucznym) zbrojonych siatką metalową. Grubość uszczelek wynosi 1...2,4 mm. Uszczelkę głowicy moŜna uŜyć tylko raz.

Spotykane rodzaje uszczelek pod głowicę:

Uszczelka azbestowa. Azbestowe uszczelki głowicy były przez długie lata w powszechnym uŜyciu. Cienkie okładziny z blachy miedzianej ochraniały zewnętrzne strony wkładu azbestowego. Obramowania komory spalania, jak teŜ otworów do przepływu płynów roboczych, wykonywano z metali miękkich

Uszczelka AFM. W związku z zakazem w początkach lat 80. stosowania azbestu te tzw. uszczelki z miękkich materiałów zaczęto wykonywać z materiałów bezazbestowych (AFM). Nie spowodowało to jednak Ŝadnych istotnych zmian w budowie uszczelki

Uszczelka typu MLS. Aktualnie stosowana jest uszczelka wykonana z kilku warstw blachy stalowej (MLS). Od ok. 1993 r. komorę spalania uszczelniają rowkowane warstwy blachy. Na rysunku pokazano trójwarstwową uszczelkę MLS. Między oboma rowkowanymi blachami zewnętrznymi znajduje się zawinięta blacha pełniąca rolę obramowania

Napęd rozrządu słuŜy do sterowania otwieraniem i zamykaniem zaworów w silniku. Elementem sterującym jest jeden wałek rozrządu dla wszystkich zaworów lub dwa wałki rozrządu, z których jeden steruje zaworami dolotowymi, a drugi wylotowymi. Wałek lub wałki rozrządu są napędzane od wału korbowego za pośrednictwem paska zębatego, łańcucha lub kół zębatych.

Cykl pracy silnika czterosuwowego składa się z czterech suwów: ssania, spręŜania, spalania i wydechu. Jednak tylko w podczas dwóch suwów: ssania i wydechu jest konieczne działanie mechanizmu rozrządu. Dlatego został on zaprojektowany w ten sposób, aby podczas dwóch obrotów wału korbowego (pełny cykl pracy silnika) nastąpił tylko jeden obrót wałka rozrządu.

Spośród wielu moŜliwych rozwiązań układu rozrządu pięć zdobyło sobie powszechność stosowania. W rozwiązaniu z drąŜkami popychaczy umieszczonymi na zewnątrz cylindra i napędzanymi wałkiem rozrządu umieszczonym poniŜej głowicy (rozwiązanie najczęściej spotykane w silnikach chłodzonych powietrzem) końce drąŜków są umieszczone w popychaczach osadzonych w kadłubie. W rozwiązaniach z wałkiem rozrządu umieszczonym w głowicy krzywki wałka działają na popychacze zaworów bezpośrednio albo za pomocą dźwigienek zaworowych. W silnikach ośmiozaworowych zawory ustawione równolegle są napędzane jednym wałkiem rozrządu, a ustawione ukośnie jednym wałkiem rozrządu i dźwigienkami zaworowymi. W silnikach 16- lub 20-zaworowych są na ogół dwa wałki rozrządu, których krzywki napędzają zawory za pośrednictwem popychaczy albo za pośrednictwem dźwigienek zaworowych i popychaczy.

Wałek lub wałki rozrządu mogą być napędzane od wału korbowego kołami zębatymi, łańcuchem lub paskiem zębatym.

- Koła zębate były kiedyś stosowane tylko w układach rozrządu typu OHV, to znaczy z wałkiem rozrządu w kadłubie. Z uwagi na duŜy hałas były rzadziej stosowane w nowszych silnikach. Obecnie moŜna spotkać ten typ przekładni w duŜych silnikach, np. V10 TDI VW (rys. lewy). Z kolei w silniku OM651 Mercedesa zastosowano kombinację przekładni zębatej i przekładni łańcuchowej, umieszczonych od strony sprzęgła (rys. prawy).

- Łańcuchy i paski zębate są stosowane w układach rozrządu z jednym wałkiem rozrządu w głowicy (OHC) i z dwoma wałkami rozrządu w głowicy (DOHC). W tym drugim przypadku moŜna spotkać następujące wersje: łańcuch lub pasek zębaty opasuje koło rozrządu wału korbowego i oba koła zębate wałków rozrządu, łańcuchem lub paskiem zębatym jest napędzany od wału korbowego tylko jeden wałek rozrządu, który z kolei napędza drugi wałek za pośrednictwem kół zębatych albo łańcucha. Łańcuch i łańcuchowe koła rozrządu są smarowane olejem. Napięcie łańcucha zapewniają napinacze regulowane ręcznie lub automatyczne. Często teŜ moŜna spotkać amortyzatory drgań zapobiegające wibracjom łańcucha. Łańcuch rozrządu powoduje duŜo mniej hałasu niŜ koła zębate i jest znacznie trwalszy niŜ pasek zębaty. Dlatego jest on ostatnio coraz częściej stosowany w napędach rozrządu (patrz rys. na ostatniej stronie).

Pasek zębaty jest powszechnie stosowany w napędach rozrządu (rys. na poprzedniej stronie). Jest wykonany z gumy wzmocnionej włóknem szklanym. Charakteryzuje się bardzo małą rozciągliwością, wysoką wytrzymałością na rozciąganie i dobrą odpornością na działanie ciepła. Poza tym jest lŜejszy niŜ koła, czy łańcuchy, nie wymaga smarowania i pracuje ciszej niŜ łańcuch.

- Popychacze są cylindrycznymi elementami umieszczonymi w otworach prowadzących głowicy lub kadłuba. Pod naciskiem krzywki wałka rozrządu otwierają one zawory bezpośrednio lub za pośrednictwem drąŜka popychacza i dźwigienki zaworowej. Do niedawna umieszczano w popychaczach podkładki regulacyjne słuŜące do regulacji luzu zaworu. Obecnie spotyka się coraz częściej popychacze hydrauliczne automatycznie kasujące luz zaworów (rys.).

- DrąŜek popychacza jest cienkim prętem łączącym w silnikach typu OHV popychacz zaworów z dźwigienką zaworową (rys.).

- Dźwigienki zaworowe i wałek dźwigienek zaworowych. Dźwigienka zaworowa jest łoŜyskowana na wałku dźwigienek. MoŜe być uruchamiana za pomocą popychacza albo bezpośrednio krzywką wałka rozrządu. MoŜe napędzać jeden albo dwa zawory. Dźwigienki działające bezpośrednio na zawór są wyposaŜone we wkręt do regulacji luzów zaworów albo podparte na hydraulicznym kasowniku luzów zaworów. Dźwigienki napędzające zawory za pośrednictwem popychaczy nie mają wkrętów regulacyjnych.

Podstawowe zespoły silnika 3-cylindrowego, benzynowego