Lab 2

WYDZIAŁ MECHANICZNY POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ

KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPRĘśAREK

Kierownik katedry: prof. dr hab. inŜ. Andrzej Balcerski, prof. zw. PG

LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH

Dr inŜ. Maciej Ziółkowski

Ćwiczenie 1

BUDOWA I IDENTYFIKACJA ELEMENTÓW SILNIKA SPALINOWEGO

1. Cel ćwiczenia

Zapoznanie się z ogólną budową silnika spalinowego oraz identyfikacją podstawowych zespołów

i części na przykładzie czterosuwowego silnika o zapłonie iskrowym – Audi KP.

Dane techniczne silnika Audi model KP

Układ / liczba cylindrów

rzędowy / 5

Pojemność skokowa

1994 cm

rednica cylindra

81 mm

Stopień spręzania

Moc nominalna / prędkość obrotowa

85 kW / 5200 obr/min

Max. moment obrotowy / prędkość obrotowa

170 Nm / 3000 obr/min

Układ zapłonowy

Elektroniczny Bosch

Układ zasilania paliwem

Bosch K-Jetronic

2. Budowa silnika

2.1 Kadłub

Kadłub jest częścią wiąŜącą wszystkie

elementy  i  osprzęt  silnika  w  jeden  zespół.
Składa  się  z  bloku  cylindrowego  i  skrzyni
korbowej. Kadłub stanowi bazę konstrukcyjną
silnika i nadaje mu odpowiednią sztywność.

Blok cylindrowy stanowi górną część ka-

dłuba, składa się z cylindrów i płaszcza wod-
nego  ograniczonego  dolną  i  górną  płytą  ka-
dłuba.  Prezentowany  silnik  posiada  tuleje  cy-
lindrowe  odlewane  razem  z  kadłubem  jako
pięciocylindrowy  Ŝeliwny  monoblok  (rys.1),
wewnątrz  którego  poprowadzone  są  prze-
strzenie wodne umoŜliwiające chłodzenie czę-
ś

ci cylindrowej kadłuba. Dolną część mono-

bloku  stanowi  skrzynia  korbowa,  w której
mocowany  jest  wał  korbowy.  Zarówno
w skrzyni  korbowej  jak  i  w  bloku  cylindro-
wym  poprowadzone  są  kanały  magistrali  ole-
jowej doprowadzającej olej smarujący do wa-
łu korbowego i do głowicy.

Rys. 1. Kadłub prezentowanego silnika. 1 – blok cylindrowy, 2 – misa
olejowa, 3 – obudowa uszczelniacza wału korbowego, 4 – uszczelka,
5 – uszczelniacz wału korbowego, 6 – separator oleju

2.2 Układ korbowo-tłokowy

Układ korbowo-tłokowy (rys.2) składa się z wału korbowego, korbowodów oraz tłoków. Zadaniem

układu korbowo-tłokowego jest zamiana ruchu posuwisto-zwrotnego tłoków na ruch obrotowy wału kor-
bowego oraz przeniesie siły gazowej z denka tłoków na wał korbowy gdzie przybiera postać momentu
obrotowego.

Rys. 2. Układ korbowo-tłokowy silnika Audi KP

1- wał korbowy, 2 – korbowód, 3 – tłok, 4 – pierścienie tłokowe, 5 – sworzeń tłoka, 6 – pierścień zabezpieczający

sworzeń, 7 – panewki korbowodowe, 8 – panewki wału korbowego, 9 – półpierścień ustalający , 10 – koło zamachowe,

11 – łoŜysko centrujące wałek sprzęgłowy, 12 – koło zębate napędzające pasek rozrządu, 13 – koło pasowe

2.2.1 Wał korbowy

Elementami składowymi wału są (rys.3):
-

czopy główne – umoŜliwiają zamocowanie i ustalenie wału w kadłubie silnika,

czopy korbowe – na nich zamocowane są korbowody,

ramiona wykorbień – łączą czopy główne i korbowe (długość ramion determinuje skok tłoka),

przeciwcięŜary – umoŜliwiają wyrównowaŜenie układu korbowo-tłokowego.

Rys.3. Schemat budowy wału korbowego

Podstawowym materiałem na wały korbowe jest stal węglowa o wyŜszej jakości lub stale stopowe.

Ukształtowanie stalowego wału następuje przez kucie lub odlewanie, obrabiane (szlifowane) są tylko
czopy. Obróbka cieplna sprowadza się do wyŜarzania i normalizowania w celu zmniejszenia twardości

powierzchni obrabianych i usunięcia napręŜeń wewnętrznych wywołanych kuciem. Przed szlifowaniem
powierzchnie czopów są utwardzane poprzez hartowanie powierzchniowe.

2.2.2 Korbowody

Korbowody przenoszą na wał korbowy siły nacisku wywoływane na tłoku gazami spalinowymi oraz

biorą udział w zamianie ruchu posuwisto-zwrotnego tłoków na ruch obrotowy wału korbowego. ObciąŜe-
nie korbowodu wynika z nacisku gazów na tłok oraz z siły bezwładności tłoka i korbowodu.

Rys. Schemat budowy korbowodu

Korbowód składa się z trzech części (rys.4): główki – w której ułoŜyskowany jest sworzeń tłokowy,

dzielonej stopy – obejmującej czop korbowy i trzonu łączącego stopę z główką.

Najczęściej stosowanym materiałem na korbowody jest stal węglowa do ulepszania. Śruby korbowo-

dowe i nakrętki wykonywane są ze stali węglowych wyŜszych jakości, ulepszanych cieplnie. Korbowody
odkuwane są w foremnikach razem z pokrywą stopy lub bez niej. Obróbka cieplna polega na stabilizowa-
niu i ulepszaniu cieplnym. Obróbce mechanicznej podlegają wewnętrzne i boczne powierzchnie stopy
i główki.

2.2.3 Tłoki

Tłoki przekazują siły, wynikające z działania ciśnienia gazów wewnątrz przestrzeni roboczej silnika,

poprzez korbowody na wał korbowy. Zadaniem tłoków jest równieŜ prowadzenie górnej części korbowo-
dów. Ukształtowanie tłoka musi zapewniać: wytrzymałość na wysokie obciąŜenia, moŜliwość odprowa-
dzenia ciepła z denka, moŜliwość zamontowania i prowadzenia pierścieni tłokowych oraz odpowiednie
połączenie korbowodem poprzez sworzeń tłokowy.

Rys.4. Schemat budowy tłoka
1 – denko,
2 – korona,
3 – część nośna,
4 – piasta sworznia tłokowego

Denko tłoka jest odpowiedzialne za przejmowanie siły gazowej, ze względu na znaczne obciąŜenia

mechaniczne i termiczne bywa uŜebrowane od wewnątrz w celu związania go z piastami sworznia oraz

powiększenia powierzchni wymiany ciepła oddawanego do omywającego denko od spodu oleju silniko-
wego.

Część pierścieniowa słuŜy wyłącznie do uchwycenia i prowadzenia pierścieni tłokowych. Sama nie

uszczelnia przestrzeni roboczej cylindra, jej średnica jest mniejsza niŜ średnica części nośnej tłoka.

Część nośna centruje tłok w tulei cylindrowej (jest w niej odpowiednio pasowana) oraz przenosi na

tuleję siłę normalną powstającą na sutek podziału siły gazowej działającej na denko podczas wychylania
się korbowodu od pozycji pionowej.

Piasty sworznia tłokowego odpowiadają za połączenie, poprzez sworzeń, tłoka z korbowodem. Ele-

menty te muszą być sztywne i jednoczenie na tyle elastyczne by odkształcenia, jakim podlega sworzeń,
nie powodowały w tłoku nadmiernych napręŜeń miejscowych.

Materiały, z których wytwarzane są tłoki to Ŝeliwa niestopowe i stopowe oraz stopy aluminium. Tłoki

wykonuje się głównie jako odlewy, obróbka cieplna ma za zadanie polepszenie własności wytrzymało-
ś

ciowych i zwiększenie twardości powierzchni oraz usunięcie napręŜeń wewnętrznych i stabilizacja wy-

miarów.

2.2.4 Pierścienie tłokowe

W silnikach tłokowych stosuje się dwa rodzaje pierścieni tłokowych (rys. 5):

Rys. 5. Pierścienie tłokowe
- uszczelniające (2 górne)
- zgarniający (dolny)

- uszczelniające – mają za zadanie uszczelnienie przestrzeni roboczej ponad tłokiem oraz odprowa-

dzanie ciepła z korony tłoka do chłodzonej tulei cylindrowej,

- zgarniające – zgarniają nadmiar oleju z gładzi cylindrowej uniemoŜliwiając przedostawanie się zbyt

duŜych ilości oleju do komory spalania.

2.2.5 Sworzeń tłokowy

Sworzeń tłokowy słuŜy do przeniesienia nacisku tłoka na korbowód i jednocześnie umoŜliwia kor-

bowodowi ruch wahadłowy. Sworzeń zbudowany jest z odcinka rury grubościennej odpowiednio osadzo-
nej w główce korbowodu i piastach tłoka.

2.3 Głowica

Głowica słuŜy jako górne zamknięcie roboczej przestrzeni cylindra, wraz z tłokiem wyznacza kształt

i wielkość komory spalania. Warunki pracy głowicy są cięŜkie ze względu na znaczne obciąŜenie mecha-
niczne i cieplne jakim podlegają. Dodatkowe obciąŜenia wywołuje nierównomierne nagrzewanie głowic
(większe od strony kanału wylotowego) co wywołuje niesymetryczne odkształcenia cieplne powodujące
powstawanie napręŜeń wewnętrznych.

Głowica

silnika

czterosuwowego

jest

skomplikowanym elementem spełniającym na-
stępujące funkcje:
-

doprowadzenie ładunku świeŜego powietrza

i odprowadzenie spalin poprzez kanały do-
lotowe i wylotowe,

mocowanie zaworów i układu rozrządu,

chłodzenie gniazd zaworowych poprzez od-

powiednio poprowadzone kanały z cieczą
chłodzącą,

smarowanie elementów układu rozrządu

poprzez poprowadzone wewnątrz głowicy
kanały olejowe.

Znaczne skomplikowanie kształtu głowic

powoduje,  Ŝe  są  one  prawie  wyłącznie  odlewa-
ne.  Głowice  wykonywane  są  z  Ŝeliwa  lub  sto-
pów aluminium z krzemem (siluminy). Głowica
jest  przykręcana  do  bloku  silnika  za  pomocą
odpowiednio rozmieszczonych śrub. Szczelność
przestrzeni roboczej cylindra zapewnia uszczel-
ka  umieszczona  pomiędzy  głowicą  i  blokiem
cylidrowym.

Rys. 6. Zespół głowicy silnika Audi KP. 1 – głowica, 2 – uszczelka
pod głowicę, 3 – uszczelka pokrywy głowicy, 4 – pokrywa głowicy,
5 – el. układu smarowania, 6 – uszczelniacz wałka rozrządu, 7 – za-
ś

lepka, 8 – prowadnica zaworu, 9 – pokrywa łoŜyska wałka rozrzą-

du, 10 – dysza natryskowa oleju, 11 – śruba łącząca głowicę z ka-
dłubem silnika

2.4 Układ rozrządu

Rozrząd silnika stanowi zespół mechanizmów sterujących wlotem świeŜego ładunku powietrza do

komory spalania i wylotem spalin.

Rys.7. Układ rozrządu (z osprzętem) silnika Audi KP.
1 – wał korbowy, 2 – koło zębate napędzające pasek roz-
rządu, 3 – pasek napędowy rozrządu, 4 – pompa cieczy
chłodzącej, 5 – koło zębate napędzające wałek rozrządu,
6 – wałek rozrządu, 7 – koło zębate napędu aparatu zapło-
nowego, 8 – obudowa paska rozrządu, 9 – mechaniczny
kompensator (z podkładkami) luzu zaworowego , 10 – hy-
drauliczny kompensator luzu zaworowego, 11 – zamek za-
woru, 12 – podkładki, 13 – spręŜyna zaworu, 14 – zawór,
15 – uszczelniacz zaworu , 16 – napinacz paska rozrządu

Na rys.7 zaprezentowano budowę i sposób napędu układu rozrządu prezentowanego na ćwiczeniu

silnika. Podstawowe elementy tego układu to:

- wałek rozrządu poprzez krzywki steruje otwieraniem i zamykaniem zaworów dolotowych i wylo-

towych. Napędzany wału korbowego poprzez pasek zębaty, który oprócz wałka napędza równieŜ
pompę cieczy chłodzącej. Prawidłowe napięcie paska zapewniane jest przez rolkę napinacza;

- zawór – składa się z trzonka i grzybka, umoŜliwia wymianę ładunku i szczelne zamknięcie prze-

strzeni roboczej. Zamocowany głowicy poprzez prowadnicę i posadowiony na gnieździe zaworo-
wym,

- spręŜyna zaworowa zapewnia docisk zaworu do gniazda,
- zespół hydraulicznego kompensatora luzu zaworowego, stanowi element przeniesienia napędu z

krzywki wałka rozrządu na trzonek zaworu oraz zapewnia automatyczne kasowanie luzu zaworo-
wego.

2.5 Układ smarowania

Silniki tłokowe smarowane są ciśnieniowo, olej krąŜący w silniku spełnia waŜną rolę w zapewnieniu

prawidłowej pracy silnika spełniając następujące zadania:

- wypełnia nierówności współpracujących powierzchni i rozdziela je zmniejszając tarcie występujące

między nimi zmniejszając ich zuŜycie,

-  chłodzi części silnika od wewnątrz,
-  poprawia szczelność komory spalania,
-  zapobiega korozji części silnika, w okresie gdy silnik nie jest eksploatowany,
-  rozpuszcza i zmywa osady, głównie powstające na tulei, tłoku i pierścieniach.

Głównymi węzłami kinematycznymi, do których doprowadzany jest olej są łoŜyska ślizgowe główne

i korbowe, łoŜyska ślizgowe wałka rozrządu oraz gładź tulei cylindrowych.

Zbiornikiem oleju w silniku jest misa olejowa, z niej olej zasysany jest pompą zębatą napędzaną od

wału korbowego i podawany dalej do magistrali olejowej w kadłubie silnika. Układ kanałów umoŜliwia
doprowadzenie oleju do łoŜysk głównych wału korbowego a dalej kanałami wewnątrz wału (rys.3) do ło-
Ŝ

ysk korbowych. Odpowiednie kanały olejowe wewnątrz kadłuba łączą się z kanałami w głowicy umoŜ-

liwiając doprowadzenie oleju do łoŜysk wałka rozrządu i hydraulicznych kompensatorów luzu zaworo-
wego. W drodze powrotnej do misy olejowej olej przepływa przez filtr.

2.6 Układ chłodzenia

Układ chłodzenia ma za zadanie utrzymywać stała temperaturę pracy silnika, co pozwala przede

wszystkim na utrzymanie poprawnych parametrów smarnych oleju oraz utrzymanie załoŜonych przez
projektanta luzów konstrukcyjnych wewnątrz silnika.

Przepływ cieczy chłodzącej przez kanały wewnątrz silnika zapewnia pompa napędzana paskiem roz-

rządu od wału korbowego. Ciecz w pierwszej kolejności omywa tuleje  cylindrowe, dalej przepływa od-
powiednimi kanałami do głowicy. W głowicy głównymi elementami wymagającymi chłodzenia są gniaz-
da zaworów (poprzez gniazda odprowadzane jest ciepło z zaworów). Z silnika ciecz przepływa do chłod-
nicy będącej wymiennikiem ciepła typu woda – powietrze. Na wylocie cieczy z silnika znajduje się zawór
termostatyczny, regulujący w zaleŜności od temperatury cieczy, jej przepływ przez chłodnicę. JeŜeli sil-
nik  jest  zimny  (po  rozruchu)  termostat  odcina  przepływ  cieczy  do  chłodnicy  i  kieruje  ją  kanałem  poza
chłodnicą ponownie do silnika. W miarę rozgrzewania się silnika zawór stopniowo otwiera przepływ cie-
czy  przez  chłodnicę  a  przy  rozgrzanym  silniku  cała  ciecz  krąŜy  przepływając  przez  chłodnicę.  W  przy-
padku niewystarczającego przepływu powietrza przez chłodnicę (samochód stoi) uruchamiany jest wen-
tylator wymuszający przepływ powietrza.

KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPRĘśAREK

LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH

Nazwisko i imię: ................................................................................. Grupa: ......... Data: .......................

Ćwiczenie 1

udowa i identyfikacja elementów silnika spalinowego

1. Pomiar wielkości charakterystycznych:

rednica cylindra D

Skok tłoka S

Liczba cylindrów i

2. Wyznaczenie objętości skokowej

[ ]

⋅