D 1 8. Wskaźniki pracy silnika Wskaźniki energetyczne: 1.prędkość obrotowa-prędkością tą określa się liczbę obrotów wału korbowego w jednostce czasu; 2.Moc silnika-praca wykonana przez czynnik roboczy nazywa się praca indykowana Li, a odpowiadająca tej pracy moc-mocą indykowaną Ni. Każdy silnik zużywa część wytwarzanej przez siebie energii mech na pokonanie oporów ruchu i napęd mechanizmów własnych. Prace indykowana, pomniejszona o prace na potrzeby własne nazywa się praca efektywna Le, a odpowiadającą jej moc-mocą efektywna Ne. Moc indykowana Ni jest mocą jaka w ustalonych warunkach pracy rozwija czynnik roboczy w przestrzeniach roboczych silnika. Moc indykowana wielocylindrowego silnika obl się jako sumę mocy indykowanej poszczególnych cylindrów, moc jednego cylindra N1i wynosi N1i=Li /1000τ [kW] gdzie Li-praca indykowana cylindra [J], τ-czas wykonania pracy Li [s]; Praca wykonana podczas jednego cyklu roboczego oblicza się wg zależności: Li=FtpiS=Vspi gdzie: Ft-powierzchnia tłoka [m2] pi-średnie ciśn indykowane[N/m2] [Pa] S-skok tłoka [m] Vs-objętość skokowa [m3]; czas τ jednego cyklu roboczego wynosi: τ=60/ nz [s] gdzie: n-predk obrotowa [obr/min] z - liczba zapłonów w cylindrze na jeden obrót wału (z=1 dwusuw, z=½ czterosuw) 3.Cisn indykowane pi=Li/Vs [J/m3] średnie cisn użyteczne pe=Le/Vs [Pa] Średnie ciśn indykowane: określa wzór: pi=Fi/f*li=hi/f [Pa, MPa] gdzie: Fi-pole wykresu indykatorowego [mm2] f-skala indykatora [mm/Pa] li-długość wykresu ind [mm] hi=Fi/li, hi-średnia wysokość wykresu ind [mm], obl średniego cisn ind sprowadza się do wyznaczenia pola wykresu ind Fi lub jego średniej wysokości hi. Do pomiaru pola wykresu ind służy planimetr. Moc indykowana Pi=Li/t1d=pi Vsn/τ, Moc użyteczna Pe=Le/t1d=peVsn/τ [W], t1d=τ/n; (τ=1 dla dwusuwu; τ=2 dla czterosuwu) Moc ta zależy od skoku tłoka w cylindrze. Moc silnika jest suma mocy która generują poszczególne cylindry Pe=Σii=1Pei
D2 sprawność ogólna ηe=Qe/Qd=Le/Qd; spr efekt jest to stosunek ilości ciepła użytecznego Qe równoważnego pracy użytecznej Le do ilości ciepła Qd doprowadzonego do silnika, niezbędnej do uzyskania pracy Le sprawność teoretyczna ηt=Lt/Qd sprawność mech ηm=Qe/Qi=Le/Li sprawność indykowana ηi=Qi/Q1=Li/Qd sprawność całkowita ηet=Le/Q1; ηet=ηt ηi ηm Jednostkowe zużycie paliwa b=B/Pe [kg/Ws] [g/kWh]; jednostkowe zużycie ciepła q=Q/Pe, czasowe zużycie paliwa B=m/t [kg/s] czasowe zużycie ciepła Q∙=Q/t=m Wd/t=B Wd [ J/s = W] 13.Budowa elementów układu korbowego. Zadaniem układu tłokowo-korbowego jest zamiana ruchu posuwisto-zwrotnego (oscylacyjnego) tłoka na ruch obrotowy wału korbowego, wywołany działaniem momentu obrotowego, pochodzącego od sił gazowych działających na tłoki. Zależnie od sposobu równoważenia siły PN rozróżnia się dwa rodzaje układów tłokowo-korbowych: -układ tłokowo-korbowy silnika bezwodzikowego, -układ tłokowo-korbowy silnika wodzikowego.
D3 Tłoki silników okrętowych. 1)Zadania i warunki pracy. Główne zadania tłoka to szczelne, suwliwe zamknięcie przestrzeni roboczej cylindra (przy jednoczesnym zapobieganiu przedostawania się oleju z gładzi cylindrowej do komory spalania) oraz przeniesienie za pośrednictwem pozostałych elementów układu tłokowo-korbowego sił gazowych na wał korbowy. Tłoki silników bezwodzikowych przenoszą ponadto siły nacisków bocznych PN na ściany tulei cylindrowej. Tłoki silników dwusuwowych mogą współdziałać w procesie wymiany czynnika roboczego, sterując rozrządem powietrza i spalin (odsłanianie i przysłanianie okien do- i wylotu czynnika roboczego). Odpowiednio wyprofilowane denko tłoka współdziała w procesie płukania i powstawania mieszanki palnej. W silnikach dwusuwowych, z zamkniętą przestrzenią podtłokową, dolna część tłoka spełniać może zadanie tłoka sprężarki powietrza ładującego. Warunki pracy. Spośród wszystkich części silnika wysokoprężnego obciążenie tłoka jest największe i najbardziej różnorodne. Tłok obciążony jest mechanicznie siłami gazowymi i masowymi oraz cieplnie. Decydujące są tu naprężenia powodowane różnicą temperatur jego ścianek. Temperatura i jej rozkład na ściankach tłoka i w określonym stopniu naprężenia cieplne zależą od czynników konstrukcyjnych (materiału tłoka, sposobu jego chłodzenia itp.) i stopnia obciążenia silnika. Dla porównywalnych rozwiązań konstrukcyjnych i warunków obciążenia tłoki chłodzone olejem mają wyższe temperatury w porównaniu z tłokami zależ chłodzonymi wodą. Temperatura tłoka zależy także od przewodności cieplnej jego materiału. Rodzaje tłoków. W zależności od sposobu prowadzenia tłoka rozróżnia się: -tłoki silników bezwodzikowych; -tłoki silników wodzikowych. Ze względu na stosowane materiały można wyróżnić:1)Jednoczęściowe -tłoki żeliwne; -tłoki ze stopów aluminium. 2)składane: -tłoki staliwno-żeliwne, -tłoki stalowo-żeliwne.
D4 Według kryterium konstrukcyjnego rozróżnia się: -tłoki jednoczęściowe; -tłoki składane (wieloczęściowe); -tłoki krótkie (dotyczy silników wodzikowych); -tłoki długie; -tłoki ze sworzniem cylindrycznym; -tłoki ze sworzniem kulistym (dotyczy bezwodzikowych) Podczas pracy tłoki silników okrętowych nagrzewają się w takim stopniu, że wymagane jest ich chłodzenie. Do tego celu stosuje się olej smarowy lub wodę słodką. Czynniki te doprowadza się na wewnętrzną powierzchnię denka tłoka. Materiały. Materiał stosowany na tłoki powinien sprostać wielu różnorodnym, niekiedy sprzecznym wymaganiom. Najważniejsze z nich, w aspekcie technicznym to: -duża wytrzymałość (również w wysokich temperaturach); -duża odporność na powstawanie pęknięć pod wpływem zmiennych obciążeń cieplnych; -dobre własności cierne, co oznacza, między innymi, dużą odporność na ścieranie, małe skłonności do zacierania się, mały współczynnik tarcia; -mała rozszerzalność cieplna, taka by kształt tłoka nie zmieniał się pod wpływem temperatury, a luz tłoka w tulei w stanie zimnym był możliwie mały; -duża przewodność cieplna, gwarantująca dobre odprowadzanie ciepła, a w rezultacie utrzymująca niskie temperatury tłoka; -mały ciężar właściwy, warunkujący małe obciążenia mechaniczne układu tłokowego siłami masowymi; własność szczególnie pożądana przy silnikach średnio- i szybkoobrotowych; -dobre własności technologiczne, zwłaszcza lejność i obrabialność. Praktycznie nie ma materiału, który by spełniał zadowalająco wszystkie wymagania. Tak więc wybór materiału na tłok polega na kompromisowym uwzględnieniu wyżej wymienionych cech dla danego silnika i przewidywanych warunków jego pracy. Zasadniczymi materiałami, stosowanymi do budowy tłoków silników okrętowych są: żeliwo, staliwo lub stal i stopy aluminium. Żeliwa stosuje się do budowy tłoków silników średnio- i wolnoobrotowych, jednoczęściowych lub składanych. Żeliwo ma stosunkowo mały współ. rozsz.i cieplnej, dzięki czemu tłoki mogą być pasowane w cylindrach z małymi luzami.
D5 Dodatnimi cechami żeliwa są dobre własności ślizgowe, duża odporność na ścieranie, wytrzymałość na duże obciążenia cieplne oraz zachowanie w wysokich temperaturach (do 400°C) dostatecznej wytrzymałości i twardości. Głównymi wadami żeliwa jako materiału na tłok są duży ciężar i mała przewodność cieplna, wskutek czego temperatura tłoków żeliwnych w czasie pracy jest wysoka. Żeliwo przeznaczone na budowę tłoków ma zwykle strukturę perlityczną, z siatką drobnego grafitu oraz następujący skład: C=3,2-3,65%, Si=2,1-2,5%, P+S=0,3%. Żeliwo przeznaczone na tłoki zawierać może także dodatki stopowe, nadające mu bardziej drobnoziarnistą strukturę i zwiększające jego wytrzymałość. Jako dodatki stopowe stosuje się: Cr, Ni, Mo i Cu. Staliwa i stale. Materiały te stosuje się głównie na głowice (denka) tłoków składanych. Stal (staliwo) ma dużą wytrzymałość. Z tego względu denka tłoków mogą być stosunkowo cienkie i dlatego mało obciążone cieplnie. W starszych konstrukcjach używano do tego celu staliwa o przeciętnym składzie chemicznym: C=1,5=1,7%, Mn=0,8=1%, Cr=0,1=0,15%, Cu=1-2%. Obecnie głowice tłoków, zwłaszcza o średnicy D>500 mm wykonuje się ze stali. Najczęściej stosowane są obecnie stale 40Mn4 znormalizowane, X45 Cr Si 9 ulepszona lub żaroodporna. Stopy aluminium, zwane również stopami lekkimi, przeznaczone są głównie na tłoki silników średnio- i szybkoobrotowych małej i średniej mocy, a obecnie również coraz powszechniej na tłoki silników o średnicy do 500mm. Materiał ten stosuje się także na część prowadzącą tłoków składanych. Mały ciężar właściwy stopów aluminium umożliwia stosowanie zwiększonych prędkości obrotowych silnika, bez obawy nadmiernego wzrostu sił masowych. Stopy aluminium mają mniejszy współczynnik tarcia niż żeliwo, natomiast duży współczynnik przewodności cieplnej. Do wad stopów lekkich należy zaliczyć duży współczynnik rozszerzalności cieplnej i spadek wytrzymałości w wyższych temperaturach.
D6 Stosunkowo mały współczynnik rozszerzalności cieplnej mają stopy aluminium ze znacznym dodatkiem krzemu, tzw. stopy Al-Si (Si do 26%), z których wykonuje się obecnie większość tłoków. Przykładowo podaje się skład jednego ze stopów Al-Si: Si=11-13%, Cu=0,8-1,5%, Ni=1,3%, pozostałe procenty odnoszą się do Al. Materiały wiązane i sposoby ulepszania własności materiałów. Żaden materiał na tłoki nie spełnia wymaganych żądań, obciążenia bowiem poszczególnych partii tłoka są znacznie zróżnicowane. W celu zwiększenia trwałości tłoka, strefy szczególnie obciążone - krawędzie denka, powierzchnie rowków itp. - wzmacnia się innym materiałem lub ulepsza lokalnie. Tłoki silników bezwodzikowych. Stosownie do spełnianych zadań przez tłok można w nim wyróżnić część uszczelniającą i prowadzącą. W części uszczelniającej, lekko stożkowej, zamkniętej od góry denkiem, znajdują się rowki pierścieni uszczelniających i rowek pierścienia olejowego. Rowki pierścieni olejowych mogą znajdować się także w dolnej partii części prowadzącej. Część prowadząca w górnej i dolnej partii jest cylindryczna, natomiast w partii piast przekroje poprzeczne są owalne. Długość części prowadzącej, w zależności od siły PN nacisku tłoka na gładź i nacisków dopuszczalnych pdop jest tak dobierana, aby nacisk p tłoka na gładź p=PN/Dl. nie przekraczał wartości dopuszczalnej dla danych materiałów i warunków pracy. Geometria tłoka. Podczas pracy tłok, a zwłaszcza jego część górna, ulega cieplnym i mechanicznym odkształceniom. Odkształcenia te zależą od pola temperatur tłoka oraz od sił obciążających tłok. Stożkowatość części uszczelniającej i owalność części prowadzącej są uwarunkowane przyrostem termicznym wymiarów tłoka. Kształt tłoka w stanie zimnym musi być tak dobrany, aby w czasie pracy, po nagrzaniu się i odkształceniu, osiągnął on wymiary regularnego walca. Na rozkład temperatury wzdłuż tworzącej tłoka w płaszczyźnie osi sworznia dodatkowy wpływ wywiera ciepło równoważne stratom tarcia w łożysku sworzniowym.
D7 Denka tłoków przejmują naciski spalin oraz odprowadzają ciepło do pierścieni tłokowych. Denka tłoków silników średnich, dużych i wielkich mocy są użebrowane od strony wewnętrznej. Żebra zwiększają wytrzymałość denka i polepszają jego chłodzenie, wskutek czego denka te mają mniejszą grubość. Małe grubości denek są korzystne ze względu na naprężenia cieplne, których wartość jest odwrotnie proporcjonalna do grubości ścianki denka. Kształt denek zależy od rodzaju silnika (2- lub 4-suwowy), kształtu komory spalania oraz zadań, jakie tłok spełnia w procesie wymiany ładunku i tworzenia mieszanki palnej. Różnorodne kształty mają zwłaszcza denka tłoków silników 2-suwowych ze względu na współudział tłoka w procesie wymiany ładunku. Rowki pierścieniowe, wytoczone w części uszczelniającej tłoka, służą do osadzenia i prowadzenia pierścieni uszczelniających. W tej części tłoka może się także znajdować rowek pierścienia olejowego. Jeśli tłok ma dwa pierścienie olejowe to jeden lub oba mogą być zakładane w rowkach wytoczonych w dolnej partii części prowadzącej. Pierwszy rowek pierścienia uszczelniającego znajduje się poza strefą denka, poniżej wewnętrznej powierzchni. Rozwiązanie to chroni rowek i znajdujący się w nim pierścień przed nadmiernym nagrzewaniem się od denka tłoka. W tłokach szczególnie obciążonych cieplnie stosuje się niekiedy szczelinowe rowki stanowiące barierę cieplną dla górnego pierścienia. Utrzymanie podczas pracy temperatury pierwszego pierścienia uszczelniającego poniżej określonej wartości, zwykle <200-230°C, zapobiega koksowaniu paliwa i oleju w szczelinie między rowkiem a pierścieniem, a tym samym unieruchomieniu pierścienia w rowku. Rowki pierścieni tłokowych mają zwykle przekrój prostokątny, ale spotyka się również rowki o przekroju trapezowym i półokrągłym.
D 1 8. Wskaźniki pracy silnika Wskaźniki energetyczne: 1.prędkość obrotowa-prędkością tą określa się liczbę obrotów wału korbowego w jednostce czasu; 2.Moc silnika-praca wykonana przez czynnik roboczy nazywa się praca indykowana Li, a odpowiadająca tej pracy moc-mocą indykowaną Ni. Każdy silnik zużywa część wytwarzanej przez siebie energii mech na pokonanie oporów ruchu i napęd mechanizmów własnych. Prace indykowana, pomniejszona o prace na potrzeby własne nazywa się praca efektywna Le, a odpowiadającą jej moc-mocą efektywna Ne. Moc indykowana Ni jest mocą jaka w ustalonych warunkach pracy rozwija czynnik roboczy w przestrzeniach roboczych silnika. Moc indykowana wielocylindrowego silnika obl się jako sumę mocy indykowanej poszczególnych cylindrów, moc jednego cylindra N1i wynosi N1i=Li /1000τ [kW] gdzie Li-praca indykowana cylindra [J], τ-czas wykonania pracy Li [s]; Praca wykonana podczas jednego cyklu roboczego oblicza się wg zależności: Li=FtpiS=Vspi gdzie: Ft-powierzchnia tłoka [m2] pi-średnie ciśn indykowane[N/m2] [Pa] S-skok tłoka [m] Vs-objętość skokowa [m3]; czas τ jednego cyklu roboczego wynosi: τ=60/ nz [s] gdzie: n-predk obrotowa [obr/min] z - liczba zapłonów w cylindrze na jeden obrót wału (z=1 dwusuw, z=½ czterosuw) 3.Cisn indykowane pi=Li/Vs [J/m3] średnie cisn użyteczne pe=Le/Vs [Pa] Średnie ciśn indykowane: określa wzór: pi=Fi/f*li=hi/f [Pa, MPa] gdzie: Fi-pole wykresu indykatorowego [mm2] f-skala indykatora [mm/Pa] li-długość wykresu ind [mm] hi=Fi/li, hi-średnia wysokość wykresu ind [mm], obl średniego cisn ind sprowadza się do wyznaczenia pola wykresu ind Fi lub jego średniej wysokości hi. Do pomiaru pola wykresu ind służy planimetr. Moc indykowana Pi=Li/t1d=pi Vsn/τ, Moc użyteczna Pe=Le/t1d=peVsn/τ [W], t1d=τ/n; (τ=1 dla dwusuwu; τ=2 dla czterosuwu) Moc ta zależy od skoku tłoka w cylindrze. Moc silnika jest suma mocy która generują poszczególne cylindry Pe=Σii=1Pei
D2 sprawność ogólna ηe=Qe/Qd=Le/Qd; spr efekt jest to stosunek ilości ciepła użytecznego Qe równoważnego pracy użytecznej Le do ilości ciepła Qd doprowadzonego do silnika, niezbędnej do uzyskania pracy Le sprawność teoretyczna ηt=Lt/Qd sprawność mech ηm=Qe/Qi=Le/Li sprawność indykowana ηi=Qi/Q1=Li/Qd sprawność całkowita ηet=Le/Q1; ηet=ηt ηi ηm Jednostkowe zużycie paliwa b=B/Pe [kg/Ws] [g/kWh]; jednostkowe zużycie ciepła q=Q/Pe, czasowe zużycie paliwa B=m/t [kg/s] czasowe zużycie ciepła Q∙=Q/t=m Wd/t=B Wd [ J/s = W] 13.Budowa elementów układu korbowego. Zadaniem układu tłokowo-korbowego jest zamiana ruchu posuwisto-zwrotnego (oscylacyjnego) tłoka na ruch obrotowy wału korbowego, wywołany działaniem momentu obrotowego, pochodzącego od sił gazowych działających na tłoki. Zależnie od sposobu równoważenia siły PN rozróżnia się dwa rodzaje układów tłokowo-korbowych: -układ tłokowo-korbowy silnika bezwodzikowego, -układ tłokowo-korbowy silnika wodzikowego.
D3 Tłoki silników okrętowych. 1)Zadania i warunki pracy. Główne zadania tłoka to szczelne, suwliwe zamknięcie przestrzeni roboczej cylindra (przy jednoczesnym zapobieganiu przedostawania się oleju z gładzi cylindrowej do komory spalania) oraz przeniesienie za pośrednictwem pozostałych elementów układu tłokowo-korbowego sił gazowych na wał korbowy. Tłoki silników bezwodzikowych przenoszą ponadto siły nacisków bocznych PN na ściany tulei cylindrowej. Tłoki silników dwusuwowych mogą współdziałać w procesie wymiany czynnika roboczego, sterując rozrządem powietrza i spalin (odsłanianie i przysłanianie okien do- i wylotu czynnika roboczego). Odpowiednio wyprofilowane denko tłoka współdziała w procesie płukania i powstawania mieszanki palnej. W silnikach dwusuwowych, z zamkniętą przestrzenią podtłokową, dolna część tłoka spełniać może zadanie tłoka sprężarki powietrza ładującego. Warunki pracy. Spośród wszystkich części silnika wysokoprężnego obciążenie tłoka jest największe i najbardziej różnorodne. Tłok obciążony jest mechanicznie siłami gazowymi i masowymi oraz cieplnie. Decydujące są tu naprężenia powodowane różnicą temperatur jego ścianek. Temperatura i jej rozkład na ściankach tłoka i w określonym stopniu naprężenia cieplne zależą od czynników konstrukcyjnych (materiału tłoka, sposobu jego chłodzenia itp.) i stopnia obciążenia silnika. Dla porównywalnych rozwiązań konstrukcyjnych i warunków obciążenia tłoki chłodzone olejem mają wyższe temperatury w porównaniu z tłokami zależ chłodzonymi wodą. Temperatura tłoka zależy także od przewodności cieplnej jego materiału. Rodzaje tłoków. W zależności od sposobu prowadzenia tłoka rozróżnia się: -tłoki silników bezwodzikowych; -tłoki silników wodzikowych. Ze względu na stosowane materiały można wyróżnić:1)Jednoczęściowe -tłoki żeliwne; -tłoki ze stopów aluminium. 2)składane: -tłoki staliwno-żeliwne, -tłoki stalowo-żeliwne.
D4 Według kryterium konstrukcyjnego rozróżnia się: -tłoki jednoczęściowe; -tłoki składane (wieloczęściowe); -tłoki krótkie (dotyczy silników wodzikowych); -tłoki długie; -tłoki ze sworzniem cylindrycznym; -tłoki ze sworzniem kulistym (dotyczy bezwodzikowych) Podczas pracy tłoki silników okrętowych nagrzewają się w takim stopniu, że wymagane jest ich chłodzenie. Do tego celu stosuje się olej smarowy lub wodę słodką. Czynniki te doprowadza się na wewnętrzną powierzchnię denka tłoka. Materiały. Materiał stosowany na tłoki powinien sprostać wielu różnorodnym, niekiedy sprzecznym wymaganiom. Najważniejsze z nich, w aspekcie technicznym to: -duża wytrzymałość (również w wysokich temperaturach); -duża odporność na powstawanie pęknięć pod wpływem zmiennych obciążeń cieplnych; -dobre własności cierne, co oznacza, między innymi, dużą odporność na ścieranie, małe skłonności do zacierania się, mały współczynnik tarcia; -mała rozszerzalność cieplna, taka by kształt tłoka nie zmieniał się pod wpływem temperatury, a luz tłoka w tulei w stanie zimnym był możliwie mały; -duża przewodność cieplna, gwarantująca dobre odprowadzanie ciepła, a w rezultacie utrzymująca niskie temperatury tłoka; -mały ciężar właściwy, warunkujący małe obciążenia mechaniczne układu tłokowego siłami masowymi; własność szczególnie pożądana przy silnikach średnio- i szybkoobrotowych; -dobre własności technologiczne, zwłaszcza lejność i obrabialność. Praktycznie nie ma materiału, który by spełniał zadowalająco wszystkie wymagania. Tak więc wybór materiału na tłok polega na kompromisowym uwzględnieniu wyżej wymienionych cech dla danego silnika i przewidywanych warunków jego pracy. Zasadniczymi materiałami, stosowanymi do budowy tłoków silników okrętowych są: żeliwo, staliwo lub stal i stopy aluminium. Żeliwa stosuje się do budowy tłoków silników średnio- i wolnoobrotowych, jednoczęściowych lub składanych. Żeliwo ma stosunkowo mały współ. rozsz.i cieplnej, dzięki czemu tłoki mogą być pasowane w cylindrach z małymi luzami.
D5 Dodatnimi cechami żeliwa są dobre własności ślizgowe, duża odporność na ścieranie, wytrzymałość na duże obciążenia cieplne oraz zachowanie w wysokich temperaturach (do 400°C) dostatecznej wytrzymałości i twardości. Głównymi wadami żeliwa jako materiału na tłok są duży ciężar i mała przewodność cieplna, wskutek czego temperatura tłoków żeliwnych w czasie pracy jest wysoka. Żeliwo przeznaczone na budowę tłoków ma zwykle strukturę perlityczną, z siatką drobnego grafitu oraz następujący skład: C=3,2-3,65%, Si=2,1-2,5%, P+S=0,3%. Żeliwo przeznaczone na tłoki zawierać może także dodatki stopowe, nadające mu bardziej drobnoziarnistą strukturę i zwiększające jego wytrzymałość. Jako dodatki stopowe stosuje się: Cr, Ni, Mo i Cu. Staliwa i stale. Materiały te stosuje się głównie na głowice (denka) tłoków składanych. Stal (staliwo) ma dużą wytrzymałość. Z tego względu denka tłoków mogą być stosunkowo cienkie i dlatego mało obciążone cieplnie. W starszych konstrukcjach używano do tego celu staliwa o przeciętnym składzie chemicznym: C=1,5=1,7%, Mn=0,8=1%, Cr=0,1=0,15%, Cu=1-2%. Obecnie głowice tłoków, zwłaszcza o średnicy D>500 mm wykonuje się ze stali. Najczęściej stosowane są obecnie stale 40Mn4 znormalizowane, X45 Cr Si 9 ulepszona lub żaroodporna. Stopy aluminium, zwane również stopami lekkimi, przeznaczone są głównie na tłoki silników średnio- i szybkoobrotowych małej i średniej mocy, a obecnie również coraz powszechniej na tłoki silników o średnicy do 500mm. Materiał ten stosuje się także na część prowadzącą tłoków składanych. Mały ciężar właściwy stopów aluminium umożliwia stosowanie zwiększonych prędkości obrotowych silnika, bez obawy nadmiernego wzrostu sił masowych. Stopy aluminium mają mniejszy współczynnik tarcia niż żeliwo, natomiast duży współczynnik przewodności cieplnej. Do wad stopów lekkich należy zaliczyć duży współczynnik rozszerzalności cieplnej i spadek wytrzymałości w wyższych temperaturach.
D6 Stosunkowo mały współczynnik rozszerzalności cieplnej mają stopy aluminium ze znacznym dodatkiem krzemu, tzw. stopy Al-Si (Si do 26%), z których wykonuje się obecnie większość tłoków. Przykładowo podaje się skład jednego ze stopów Al-Si: Si=11-13%, Cu=0,8-1,5%, Ni=1,3%, pozostałe procenty odnoszą się do Al. Materiały wiązane i sposoby ulepszania własności materiałów. Żaden materiał na tłoki nie spełnia wymaganych żądań, obciążenia bowiem poszczególnych partii tłoka są znacznie zróżnicowane. W celu zwiększenia trwałości tłoka, strefy szczególnie obciążone - krawędzie denka, powierzchnie rowków itp. - wzmacnia się innym materiałem lub ulepsza lokalnie. Tłoki silników bezwodzikowych. Stosownie do spełnianych zadań przez tłok można w nim wyróżnić część uszczelniającą i prowadzącą. W części uszczelniającej, lekko stożkowej, zamkniętej od góry denkiem, znajdują się rowki pierścieni uszczelniających i rowek pierścienia olejowego. Rowki pierścieni olejowych mogą znajdować się także w dolnej partii części prowadzącej. Część prowadząca w górnej i dolnej partii jest cylindryczna, natomiast w partii piast przekroje poprzeczne są owalne. Długość części prowadzącej, w zależności od siły PN nacisku tłoka na gładź i nacisków dopuszczalnych pdop jest tak dobierana, aby nacisk p tłoka na gładź p=PN/Dl. nie przekraczał wartości dopuszczalnej dla danych materiałów i warunków pracy. Geometria tłoka. Podczas pracy tłok, a zwłaszcza jego część górna, ulega cieplnym i mechanicznym odkształceniom. Odkształcenia te zależą od pola temperatur tłoka oraz od sił obciążających tłok. Stożkowatość części uszczelniającej i owalność części prowadzącej są uwarunkowane przyrostem termicznym wymiarów tłoka. Kształt tłoka w stanie zimnym musi być tak dobrany, aby w czasie pracy, po nagrzaniu się i odkształceniu, osiągnął on wymiary regularnego walca. Na rozkład temperatury wzdłuż tworzącej tłoka w płaszczyźnie osi sworznia dodatkowy wpływ wywiera ciepło równoważne stratom tarcia w łożysku sworzniowym.
D7 Denka tłoków przejmują naciski spalin oraz odprowadzają ciepło do pierścieni tłokowych. Denka tłoków silników średnich, dużych i wielkich mocy są użebrowane od strony wewnętrznej. Żebra zwiększają wytrzymałość denka i polepszają jego chłodzenie, wskutek czego denka te mają mniejszą grubość. Małe grubości denek są korzystne ze względu na naprężenia cieplne, których wartość jest odwrotnie proporcjonalna do grubości ścianki denka. Kształt denek zależy od rodzaju silnika (2- lub 4-suwowy), kształtu komory spalania oraz zadań, jakie tłok spełnia w procesie wymiany ładunku i tworzenia mieszanki palnej. Różnorodne kształty mają zwłaszcza denka tłoków silników 2-suwowych ze względu na współudział tłoka w procesie wymiany ładunku. Rowki pierścieniowe, wytoczone w części uszczelniającej tłoka, służą do osadzenia i prowadzenia pierścieni uszczelniających. W tej części tłoka może się także znajdować rowek pierścienia olejowego. Jeśli tłok ma dwa pierścienie olejowe to jeden lub oba mogą być zakładane w rowkach wytoczonych w dolnej partii części prowadzącej. Pierwszy rowek pierścienia uszczelniającego znajduje się poza strefą denka, poniżej wewnętrznej powierzchni. Rozwiązanie to chroni rowek i znajdujący się w nim pierścień przed nadmiernym nagrzewaniem się od denka tłoka. W tłokach szczególnie obciążonych cieplnie stosuje się niekiedy szczelinowe rowki stanowiące barierę cieplną dla górnego pierścienia. Utrzymanie podczas pracy temperatury pierwszego pierścienia uszczelniającego poniżej określonej wartości, zwykle <200-230°C, zapobiega koksowaniu paliwa i oleju w szczelinie między rowkiem a pierścieniem, a tym samym unieruchomieniu pierścienia w rowku. Rowki pierścieni tłokowych mają zwykle przekrój prostokątny, ale spotyka się również rowki o przekroju trapezowym i półokrągłym.
|
D 1 8. Wskaźniki pracy silnika Wskaźniki energetyczne: 1.prędkość obrotowa-prędkością tą określa się liczbę obrotów wału korbowego w jednostce czasu; 2.Moc silnika-praca wykonana przez czynnik roboczy nazywa się praca indykowana Li, a odpowiadająca tej pracy moc-mocą indykowaną Ni. Każdy silnik zużywa część wytwarzanej przez siebie energii mech na pokonanie oporów ruchu i napęd mechanizmów własnych. Prace indykowana, pomniejszona o prace na potrzeby własne nazywa się praca efektywna Le, a odpowiadającą jej moc-mocą efektywna Ne. Moc indykowana Ni jest mocą jaka w ustalonych warunkach pracy rozwija czynnik roboczy w przestrzeniach roboczych silnika. Moc indykowana wielocylindrowego silnika obl się jako sumę mocy indykowanej poszczególnych cylindrów, moc jednego cylindra N1i wynosi N1i=Li /1000τ [kW] gdzie Li-praca indykowana cylindra [J], τ-czas wykonania pracy Li [s]; Praca wykonana podczas jednego cyklu roboczego oblicza się wg zależności: Li=FtpiS=Vspi gdzie: Ft-powierzchnia tłoka [m2] pi-średnie ciśn indykowane[N/m2] [Pa] S-skok tłoka [m] Vs-objętość skokowa [m3]; czas τ jednego cyklu roboczego wynosi: τ=60/ nz [s] gdzie: n-predk obrotowa [obr/min] z - liczba zapłonów w cylindrze na jeden obrót wału (z=1 dwusuw, z=½ czterosuw) 3.Cisn indykowane pi=Li/Vs [J/m3] średnie cisn użyteczne pe=Le/Vs [Pa] Średnie ciśn indykowane: określa wzór: pi=Fi/f*li=hi/f [Pa, MPa] gdzie: Fi-pole wykresu indykatorowego [mm2] f-skala indykatora [mm/Pa] li-długość wykresu ind [mm] hi=Fi/li, hi-średnia wysokość wykresu ind [mm], obl średniego cisn ind sprowadza się do wyznaczenia pola wykresu ind Fi lub jego średniej wysokości hi. Do pomiaru pola wykresu ind służy planimetr. Moc indykowana Pi=Li/t1d=pi Vsn/τ, Moc użyteczna Pe=Le/t1d=peVsn/τ [W], t1d=τ/n; (τ=1 dla dwusuwu; τ=2 dla czterosuwu) Moc ta zależy od skoku tłoka w cylindrze. Moc silnika jest suma mocy która generują poszczególne cylindry Pe=Σii=1Pei
D2 sprawność ogólna ηe=Qe/Qd=Le/Qd; spr efekt jest to stosunek ilości ciepła użytecznego Qe równoważnego pracy użytecznej Le do ilości ciepła Qd doprowadzonego do silnika, niezbędnej do uzyskania pracy Le sprawność teoretyczna ηt=Lt/Qd sprawność mech ηm=Qe/Qi=Le/Li sprawność indykowana ηi=Qi/Q1=Li/Qd sprawność całkowita ηet=Le/Q1; ηet=ηt ηi ηm Jednostkowe zużycie paliwa b=B/Pe [kg/Ws] [g/kWh]; jednostkowe zużycie ciepła q=Q/Pe, czasowe zużycie paliwa B=m/t [kg/s] czasowe zużycie ciepła Q∙=Q/t=m Wd/t=B Wd [ J/s = W] 13.Budowa elementów układu korbowego. Zadaniem układu tłokowo-korbowego jest zamiana ruchu posuwisto-zwrotnego (oscylacyjnego) tłoka na ruch obrotowy wału korbowego, wywołany działaniem momentu obrotowego, pochodzącego od sił gazowych działających na tłoki. Zależnie od sposobu równoważenia siły PN rozróżnia się dwa rodzaje układów tłokowo-korbowych: -układ tłokowo-korbowy silnika bezwodzikowego, -układ tłokowo-korbowy silnika wodzikowego.
D3 Tłoki silników okrętowych. 1)Zadania i warunki pracy. Główne zadania tłoka to szczelne, suwliwe zamknięcie przestrzeni roboczej cylindra (przy jednoczesnym zapobieganiu przedostawania się oleju z gładzi cylindrowej do komory spalania) oraz przeniesienie za pośrednictwem pozostałych elementów układu tłokowo-korbowego sił gazowych na wał korbowy. Tłoki silników bezwodzikowych przenoszą ponadto siły nacisków bocznych PN na ściany tulei cylindrowej. Tłoki silników dwusuwowych mogą współdziałać w procesie wymiany czynnika roboczego, sterując rozrządem powietrza i spalin (odsłanianie i przysłanianie okien do- i wylotu czynnika roboczego). Odpowiednio wyprofilowane denko tłoka współdziała w procesie płukania i powstawania mieszanki palnej. W silnikach dwusuwowych, z zamkniętą przestrzenią podtłokową, dolna część tłoka spełniać może zadanie tłoka sprężarki powietrza ładującego. Warunki pracy. Spośród wszystkich części silnika wysokoprężnego obciążenie tłoka jest największe i najbardziej różnorodne. Tłok obciążony jest mechanicznie siłami gazowymi i masowymi oraz cieplnie. Decydujące są tu naprężenia powodowane różnicą temperatur jego ścianek. Temperatura i jej rozkład na ściankach tłoka i w określonym stopniu naprężenia cieplne zależą od czynników konstrukcyjnych (materiału tłoka, sposobu jego chłodzenia itp.) i stopnia obciążenia silnika. Dla porównywalnych rozwiązań konstrukcyjnych i warunków obciążenia tłoki chłodzone olejem mają wyższe temperatury w porównaniu z tłokami zależ chłodzonymi wodą. Temperatura tłoka zależy także od przewodności cieplnej jego materiału. Rodzaje tłoków. W zależności od sposobu prowadzenia tłoka rozróżnia się: -tłoki silników bezwodzikowych; -tłoki silników wodzikowych. Ze względu na stosowane materiały można wyróżnić:1)Jednoczęściowe -tłoki żeliwne; -tłoki ze stopów aluminium. 2)składane: -tłoki staliwno-żeliwne, -tłoki stalowo-żeliwne.
D4 Według kryterium konstrukcyjnego rozróżnia się: -tłoki jednoczęściowe; -tłoki składane (wieloczęściowe); -tłoki krótkie (dotyczy silników wodzikowych); -tłoki długie; -tłoki ze sworzniem cylindrycznym; -tłoki ze sworzniem kulistym (dotyczy bezwodzikowych) Podczas pracy tłoki silników okrętowych nagrzewają się w takim stopniu, że wymagane jest ich chłodzenie. Do tego celu stosuje się olej smarowy lub wodę słodką. Czynniki te doprowadza się na wewnętrzną powierzchnię denka tłoka. Materiały. Materiał stosowany na tłoki powinien sprostać wielu różnorodnym, niekiedy sprzecznym wymaganiom. Najważniejsze z nich, w aspekcie technicznym to: -duża wytrzymałość (również w wysokich temperaturach); -duża odporność na powstawanie pęknięć pod wpływem zmiennych obciążeń cieplnych; -dobre własności cierne, co oznacza, między innymi, dużą odporność na ścieranie, małe skłonności do zacierania się, mały współczynnik tarcia; -mała rozszerzalność cieplna, taka by kształt tłoka nie zmieniał się pod wpływem temperatury, a luz tłoka w tulei w stanie zimnym był możliwie mały; -duża przewodność cieplna, gwarantująca dobre odprowadzanie ciepła, a w rezultacie utrzymująca niskie temperatury tłoka; -mały ciężar właściwy, warunkujący małe obciążenia mechaniczne układu tłokowego siłami masowymi; własność szczególnie pożądana przy silnikach średnio- i szybkoobrotowych; -dobre własności technologiczne, zwłaszcza lejność i obrabialność. Praktycznie nie ma materiału, który by spełniał zadowalająco wszystkie wymagania. Tak więc wybór materiału na tłok polega na kompromisowym uwzględnieniu wyżej wymienionych cech dla danego silnika i przewidywanych warunków jego pracy. Zasadniczymi materiałami, stosowanymi do budowy tłoków silników okrętowych są: żeliwo, staliwo lub stal i stopy aluminium. Żeliwa stosuje się do budowy tłoków silników średnio- i wolnoobrotowych, jednoczęściowych lub składanych. Żeliwo ma stosunkowo mały współ. rozsz.i cieplnej, dzięki czemu tłoki mogą być pasowane w cylindrach z małymi luzami.
D5 Dodatnimi cechami żeliwa są dobre własności ślizgowe, duża odporność na ścieranie, wytrzymałość na duże obciążenia cieplne oraz zachowanie w wysokich temperaturach (do 400°C) dostatecznej wytrzymałości i twardości. Głównymi wadami żeliwa jako materiału na tłok są duży ciężar i mała przewodność cieplna, wskutek czego temperatura tłoków żeliwnych w czasie pracy jest wysoka. Żeliwo przeznaczone na budowę tłoków ma zwykle strukturę perlityczną, z siatką drobnego grafitu oraz następujący skład: C=3,2-3,65%, Si=2,1-2,5%, P+S=0,3%. Żeliwo przeznaczone na tłoki zawierać może także dodatki stopowe, nadające mu bardziej drobnoziarnistą strukturę i zwiększające jego wytrzymałość. Jako dodatki stopowe stosuje się: Cr, Ni, Mo i Cu. Staliwa i stale. Materiały te stosuje się głównie na głowice (denka) tłoków składanych. Stal (staliwo) ma dużą wytrzymałość. Z tego względu denka tłoków mogą być stosunkowo cienkie i dlatego mało obciążone cieplnie. W starszych konstrukcjach używano do tego celu staliwa o przeciętnym składzie chemicznym: C=1,5=1,7%, Mn=0,8=1%, Cr=0,1=0,15%, Cu=1-2%. Obecnie głowice tłoków, zwłaszcza o średnicy D>500 mm wykonuje się ze stali. Najczęściej stosowane są obecnie stale 40Mn4 znormalizowane, X45 Cr Si 9 ulepszona lub żaroodporna. Stopy aluminium, zwane również stopami lekkimi, przeznaczone są głównie na tłoki silników średnio- i szybkoobrotowych małej i średniej mocy, a obecnie również coraz powszechniej na tłoki silników o średnicy do 500mm. Materiał ten stosuje się także na część prowadzącą tłoków składanych. Mały ciężar właściwy stopów aluminium umożliwia stosowanie zwiększonych prędkości obrotowych silnika, bez obawy nadmiernego wzrostu sił masowych. Stopy aluminium mają mniejszy współczynnik tarcia niż żeliwo, natomiast duży współczynnik przewodności cieplnej. Do wad stopów lekkich należy zaliczyć duży współczynnik rozszerzalności cieplnej i spadek wytrzymałości w wyższych temperaturach.
D6 Stosunkowo mały współczynnik rozszerzalności cieplnej mają stopy aluminium ze znacznym dodatkiem krzemu, tzw. stopy Al-Si (Si do 26%), z których wykonuje się obecnie większość tłoków. Przykładowo podaje się skład jednego ze stopów Al-Si: Si=11-13%, Cu=0,8-1,5%, Ni=1,3%, pozostałe procenty odnoszą się do Al. Materiały wiązane i sposoby ulepszania własności materiałów. Żaden materiał na tłoki nie spełnia wymaganych żądań, obciążenia bowiem poszczególnych partii tłoka są znacznie zróżnicowane. W celu zwiększenia trwałości tłoka, strefy szczególnie obciążone - krawędzie denka, powierzchnie rowków itp. - wzmacnia się innym materiałem lub ulepsza lokalnie. Tłoki silników bezwodzikowych. Stosownie do spełnianych zadań przez tłok można w nim wyróżnić część uszczelniającą i prowadzącą. W części uszczelniającej, lekko stożkowej, zamkniętej od góry denkiem, znajdują się rowki pierścieni uszczelniających i rowek pierścienia olejowego. Rowki pierścieni olejowych mogą znajdować się także w dolnej partii części prowadzącej. Część prowadząca w górnej i dolnej partii jest cylindryczna, natomiast w partii piast przekroje poprzeczne są owalne. Długość części prowadzącej, w zależności od siły PN nacisku tłoka na gładź i nacisków dopuszczalnych pdop jest tak dobierana, aby nacisk p tłoka na gładź p=PN/Dl. nie przekraczał wartości dopuszczalnej dla danych materiałów i warunków pracy. Geometria tłoka. Podczas pracy tłok, a zwłaszcza jego część górna, ulega cieplnym i mechanicznym odkształceniom. Odkształcenia te zależą od pola temperatur tłoka oraz od sił obciążających tłok. Stożkowatość części uszczelniającej i owalność części prowadzącej są uwarunkowane przyrostem termicznym wymiarów tłoka. Kształt tłoka w stanie zimnym musi być tak dobrany, aby w czasie pracy, po nagrzaniu się i odkształceniu, osiągnął on wymiary regularnego walca. Na rozkład temperatury wzdłuż tworzącej tłoka w płaszczyźnie osi sworznia dodatkowy wpływ wywiera ciepło równoważne stratom tarcia w łożysku sworzniowym.
D7 Denka tłoków przejmują naciski spalin oraz odprowadzają ciepło do pierścieni tłokowych. Denka tłoków silników średnich, dużych i wielkich mocy są użebrowane od strony wewnętrznej. Żebra zwiększają wytrzymałość denka i polepszają jego chłodzenie, wskutek czego denka te mają mniejszą grubość. Małe grubości denek są korzystne ze względu na naprężenia cieplne, których wartość jest odwrotnie proporcjonalna do grubości ścianki denka. Kształt denek zależy od rodzaju silnika (2- lub 4-suwowy), kształtu komory spalania oraz zadań, jakie tłok spełnia w procesie wymiany ładunku i tworzenia mieszanki palnej. Różnorodne kształty mają zwłaszcza denka tłoków silników 2-suwowych ze względu na współudział tłoka w procesie wymiany ładunku. Rowki pierścieniowe, wytoczone w części uszczelniającej tłoka, służą do osadzenia i prowadzenia pierścieni uszczelniających. W tej części tłoka może się także znajdować rowek pierścienia olejowego. Jeśli tłok ma dwa pierścienie olejowe to jeden lub oba mogą być zakładane w rowkach wytoczonych w dolnej partii części prowadzącej. Pierwszy rowek pierścienia uszczelniającego znajduje się poza strefą denka, poniżej wewnętrznej powierzchni. Rozwiązanie to chroni rowek i znajdujący się w nim pierścień przed nadmiernym nagrzewaniem się od denka tłoka. W tłokach szczególnie obciążonych cieplnie stosuje się niekiedy szczelinowe rowki stanowiące barierę cieplną dla górnego pierścienia. Utrzymanie podczas pracy temperatury pierwszego pierścienia uszczelniającego poniżej określonej wartości, zwykle <200-230°C, zapobiega koksowaniu paliwa i oleju w szczelinie między rowkiem a pierścieniem, a tym samym unieruchomieniu pierścienia w rowku. Rowki pierścieni tłokowych mają zwykle przekrój prostokątny, ale spotyka się również rowki o przekroju trapezowym i półokrągłym.
D 1 8. Wskaźniki pracy silnika Wskaźniki energetyczne: 1.prędkość obrotowa-prędkością tą określa się liczbę obrotów wału korbowego w jednostce czasu; 2.Moc silnika-praca wykonana przez czynnik roboczy nazywa się praca indykowana Li, a odpowiadająca tej pracy moc-mocą indykowaną Ni. Każdy silnik zużywa część wytwarzanej przez siebie energii mech na pokonanie oporów ruchu i napęd mechanizmów własnych. Prace indykowana, pomniejszona o prace na potrzeby własne nazywa się praca efektywna Le, a odpowiadającą jej moc-mocą efektywna Ne. Moc indykowana Ni jest mocą jaka w ustalonych warunkach pracy rozwija czynnik roboczy w przestrzeniach roboczych silnika. Moc indykowana wielocylindrowego silnika obl się jako sumę mocy indykowanej poszczególnych cylindrów, moc jednego cylindra N1i wynosi N1i=Li /1000τ [kW] gdzie Li-praca indykowana cylindra [J], τ-czas wykonania pracy Li [s]; Praca wykonana podczas jednego cyklu roboczego oblicza się wg zależności: Li=FtpiS=Vspi gdzie: Ft-powierzchnia tłoka [m2] pi-średnie ciśn indykowane[N/m2] [Pa] S-skok tłoka [m] Vs-objętość skokowa [m3]; czas τ jednego cyklu roboczego wynosi: τ=60/ nz [s] gdzie: n-predk obrotowa [obr/min] z - liczba zapłonów w cylindrze na jeden obrót wału (z=1 dwusuw, z=½ czterosuw) 3.Cisn indykowane pi=Li/Vs [J/m3] średnie cisn użyteczne pe=Le/Vs [Pa] Średnie ciśn indykowane: określa wzór: pi=Fi/f*li=hi/f [Pa, MPa] gdzie: Fi-pole wykresu indykatorowego [mm2] f-skala indykatora [mm/Pa] li-długość wykresu ind [mm] hi=Fi/li, hi-średnia wysokość wykresu ind [mm], obl średniego cisn ind sprowadza się do wyznaczenia pola wykresu ind Fi lub jego średniej wysokości hi. Do pomiaru pola wykresu ind służy planimetr. Moc indykowana Pi=Li/t1d=pi Vsn/τ, Moc użyteczna Pe=Le/t1d=peVsn/τ [W], t1d=τ/n; (τ=1 dla dwusuwu; τ=2 dla czterosuwu) Moc ta zależy od skoku tłoka w cylindrze. Moc silnika jest suma mocy która generują poszczególne cylindry Pe=Σii=1Pei
D2 sprawność ogólna ηe=Qe/Qd=Le/Qd; spr efekt jest to stosunek ilości ciepła użytecznego Qe równoważnego pracy użytecznej Le do ilości ciepła Qd doprowadzonego do silnika, niezbędnej do uzyskania pracy Le sprawność teoretyczna ηt=Lt/Qd sprawność mech ηm=Qe/Qi=Le/Li sprawność indykowana ηi=Qi/Q1=Li/Qd sprawność całkowita ηet=Le/Q1; ηet=ηt ηi ηm Jednostkowe zużycie paliwa b=B/Pe [kg/Ws] [g/kWh]; jednostkowe zużycie ciepła q=Q/Pe, czasowe zużycie paliwa B=m/t [kg/s] czasowe zużycie ciepła Q∙=Q/t=m Wd/t=B Wd [ J/s = W] 13.Budowa elementów układu korbowego. Zadaniem układu tłokowo-korbowego jest zamiana ruchu posuwisto-zwrotnego (oscylacyjnego) tłoka na ruch obrotowy wału korbowego, wywołany działaniem momentu obrotowego, pochodzącego od sił gazowych działających na tłoki. Zależnie od sposobu równoważenia siły PN rozróżnia się dwa rodzaje układów tłokowo-korbowych: -układ tłokowo-korbowy silnika bezwodzikowego, -układ tłokowo-korbowy silnika wodzikowego.
D3 Tłoki silników okrętowych. 1)Zadania i warunki pracy. Główne zadania tłoka to szczelne, suwliwe zamknięcie przestrzeni roboczej cylindra (przy jednoczesnym zapobieganiu przedostawania się oleju z gładzi cylindrowej do komory spalania) oraz przeniesienie za pośrednictwem pozostałych elementów układu tłokowo-korbowego sił gazowych na wał korbowy. Tłoki silników bezwodzikowych przenoszą ponadto siły nacisków bocznych PN na ściany tulei cylindrowej. Tłoki silników dwusuwowych mogą współdziałać w procesie wymiany czynnika roboczego, sterując rozrządem powietrza i spalin (odsłanianie i przysłanianie okien do- i wylotu czynnika roboczego). Odpowiednio wyprofilowane denko tłoka współdziała w procesie płukania i powstawania mieszanki palnej. W silnikach dwusuwowych, z zamkniętą przestrzenią podtłokową, dolna część tłoka spełniać może zadanie tłoka sprężarki powietrza ładującego. Warunki pracy. Spośród wszystkich części silnika wysokoprężnego obciążenie tłoka jest największe i najbardziej różnorodne. Tłok obciążony jest mechanicznie siłami gazowymi i masowymi oraz cieplnie. Decydujące są tu naprężenia powodowane różnicą temperatur jego ścianek. Temperatura i jej rozkład na ściankach tłoka i w określonym stopniu naprężenia cieplne zależą od czynników konstrukcyjnych (materiału tłoka, sposobu jego chłodzenia itp.) i stopnia obciążenia silnika. Dla porównywalnych rozwiązań konstrukcyjnych i warunków obciążenia tłoki chłodzone olejem mają wyższe temperatury w porównaniu z tłokami zależ chłodzonymi wodą. Temperatura tłoka zależy także od przewodności cieplnej jego materiału. Rodzaje tłoków. W zależności od sposobu prowadzenia tłoka rozróżnia się: -tłoki silników bezwodzikowych; -tłoki silników wodzikowych. Ze względu na stosowane materiały można wyróżnić:1)Jednoczęściowe -tłoki żeliwne; -tłoki ze stopów aluminium. 2)składane: -tłoki staliwno-żeliwne, -tłoki stalowo-żeliwne.
D4 Według kryterium konstrukcyjnego rozróżnia się: -tłoki jednoczęściowe; -tłoki składane (wieloczęściowe); -tłoki krótkie (dotyczy silników wodzikowych); -tłoki długie; -tłoki ze sworzniem cylindrycznym; -tłoki ze sworzniem kulistym (dotyczy bezwodzikowych) Podczas pracy tłoki silników okrętowych nagrzewają się w takim stopniu, że wymagane jest ich chłodzenie. Do tego celu stosuje się olej smarowy lub wodę słodką. Czynniki te doprowadza się na wewnętrzną powierzchnię denka tłoka. Materiały. Materiał stosowany na tłoki powinien sprostać wielu różnorodnym, niekiedy sprzecznym wymaganiom. Najważniejsze z nich, w aspekcie technicznym to: -duża wytrzymałość (również w wysokich temperaturach); -duża odporność na powstawanie pęknięć pod wpływem zmiennych obciążeń cieplnych; -dobre własności cierne, co oznacza, między innymi, dużą odporność na ścieranie, małe skłonności do zacierania się, mały współczynnik tarcia; -mała rozszerzalność cieplna, taka by kształt tłoka nie zmieniał się pod wpływem temperatury, a luz tłoka w tulei w stanie zimnym był możliwie mały; -duża przewodność cieplna, gwarantująca dobre odprowadzanie ciepła, a w rezultacie utrzymująca niskie temperatury tłoka; -mały ciężar właściwy, warunkujący małe obciążenia mechaniczne układu tłokowego siłami masowymi; własność szczególnie pożądana przy silnikach średnio- i szybkoobrotowych; -dobre własności technologiczne, zwłaszcza lejność i obrabialność. Praktycznie nie ma materiału, który by spełniał zadowalająco wszystkie wymagania. Tak więc wybór materiału na tłok polega na kompromisowym uwzględnieniu wyżej wymienionych cech dla danego silnika i przewidywanych warunków jego pracy. Zasadniczymi materiałami, stosowanymi do budowy tłoków silników okrętowych są: żeliwo, staliwo lub stal i stopy aluminium. Żeliwa stosuje się do budowy tłoków silników średnio- i wolnoobrotowych, jednoczęściowych lub składanych. Żeliwo ma stosunkowo mały współ. rozsz.i cieplnej, dzięki czemu tłoki mogą być pasowane w cylindrach z małymi luzami.
D5 Dodatnimi cechami żeliwa są dobre własności ślizgowe, duża odporność na ścieranie, wytrzymałość na duże obciążenia cieplne oraz zachowanie w wysokich temperaturach (do 400°C) dostatecznej wytrzymałości i twardości. Głównymi wadami żeliwa jako materiału na tłok są duży ciężar i mała przewodność cieplna, wskutek czego temperatura tłoków żeliwnych w czasie pracy jest wysoka. Żeliwo przeznaczone na budowę tłoków ma zwykle strukturę perlityczną, z siatką drobnego grafitu oraz następujący skład: C=3,2-3,65%, Si=2,1-2,5%, P+S=0,3%. Żeliwo przeznaczone na tłoki zawierać może także dodatki stopowe, nadające mu bardziej drobnoziarnistą strukturę i zwiększające jego wytrzymałość. Jako dodatki stopowe stosuje się: Cr, Ni, Mo i Cu. Staliwa i stale. Materiały te stosuje się głównie na głowice (denka) tłoków składanych. Stal (staliwo) ma dużą wytrzymałość. Z tego względu denka tłoków mogą być stosunkowo cienkie i dlatego mało obciążone cieplnie. W starszych konstrukcjach używano do tego celu staliwa o przeciętnym składzie chemicznym: C=1,5=1,7%, Mn=0,8=1%, Cr=0,1=0,15%, Cu=1-2%. Obecnie głowice tłoków, zwłaszcza o średnicy D>500 mm wykonuje się ze stali. Najczęściej stosowane są obecnie stale 40Mn4 znormalizowane, X45 Cr Si 9 ulepszona lub żaroodporna. Stopy aluminium, zwane również stopami lekkimi, przeznaczone są głównie na tłoki silników średnio- i szybkoobrotowych małej i średniej mocy, a obecnie również coraz powszechniej na tłoki silników o średnicy do 500mm. Materiał ten stosuje się także na część prowadzącą tłoków składanych. Mały ciężar właściwy stopów aluminium umożliwia stosowanie zwiększonych prędkości obrotowych silnika, bez obawy nadmiernego wzrostu sił masowych. Stopy aluminium mają mniejszy współczynnik tarcia niż żeliwo, natomiast duży współczynnik przewodności cieplnej. Do wad stopów lekkich należy zaliczyć duży współczynnik rozszerzalności cieplnej i spadek wytrzymałości w wyższych temperaturach.
D6 Stosunkowo mały współczynnik rozszerzalności cieplnej mają stopy aluminium ze znacznym dodatkiem krzemu, tzw. stopy Al-Si (Si do 26%), z których wykonuje się obecnie większość tłoków. Przykładowo podaje się skład jednego ze stopów Al-Si: Si=11-13%, Cu=0,8-1,5%, Ni=1,3%, pozostałe procenty odnoszą się do Al. Materiały wiązane i sposoby ulepszania własności materiałów. Żaden materiał na tłoki nie spełnia wymaganych żądań, obciążenia bowiem poszczególnych partii tłoka są znacznie zróżnicowane. W celu zwiększenia trwałości tłoka, strefy szczególnie obciążone - krawędzie denka, powierzchnie rowków itp. - wzmacnia się innym materiałem lub ulepsza lokalnie. Tłoki silników bezwodzikowych. Stosownie do spełnianych zadań przez tłok można w nim wyróżnić część uszczelniającą i prowadzącą. W części uszczelniającej, lekko stożkowej, zamkniętej od góry denkiem, znajdują się rowki pierścieni uszczelniających i rowek pierścienia olejowego. Rowki pierścieni olejowych mogą znajdować się także w dolnej partii części prowadzącej. Część prowadząca w górnej i dolnej partii jest cylindryczna, natomiast w partii piast przekroje poprzeczne są owalne. Długość części prowadzącej, w zależności od siły PN nacisku tłoka na gładź i nacisków dopuszczalnych pdop jest tak dobierana, aby nacisk p tłoka na gładź p=PN/Dl. nie przekraczał wartości dopuszczalnej dla danych materiałów i warunków pracy. Geometria tłoka. Podczas pracy tłok, a zwłaszcza jego część górna, ulega cieplnym i mechanicznym odkształceniom. Odkształcenia te zależą od pola temperatur tłoka oraz od sił obciążających tłok. Stożkowatość części uszczelniającej i owalność części prowadzącej są uwarunkowane przyrostem termicznym wymiarów tłoka. Kształt tłoka w stanie zimnym musi być tak dobrany, aby w czasie pracy, po nagrzaniu się i odkształceniu, osiągnął on wymiary regularnego walca. Na rozkład temperatury wzdłuż tworzącej tłoka w płaszczyźnie osi sworznia dodatkowy wpływ wywiera ciepło równoważne stratom tarcia w łożysku sworzniowym.
D7 Denka tłoków przejmują naciski spalin oraz odprowadzają ciepło do pierścieni tłokowych. Denka tłoków silników średnich, dużych i wielkich mocy są użebrowane od strony wewnętrznej. Żebra zwiększają wytrzymałość denka i polepszają jego chłodzenie, wskutek czego denka te mają mniejszą grubość. Małe grubości denek są korzystne ze względu na naprężenia cieplne, których wartość jest odwrotnie proporcjonalna do grubości ścianki denka. Kształt denek zależy od rodzaju silnika (2- lub 4-suwowy), kształtu komory spalania oraz zadań, jakie tłok spełnia w procesie wymiany ładunku i tworzenia mieszanki palnej. Różnorodne kształty mają zwłaszcza denka tłoków silników 2-suwowych ze względu na współudział tłoka w procesie wymiany ładunku. Rowki pierścieniowe, wytoczone w części uszczelniającej tłoka, służą do osadzenia i prowadzenia pierścieni uszczelniających. W tej części tłoka może się także znajdować rowek pierścienia olejowego. Jeśli tłok ma dwa pierścienie olejowe to jeden lub oba mogą być zakładane w rowkach wytoczonych w dolnej partii części prowadzącej. Pierwszy rowek pierścienia uszczelniającego znajduje się poza strefą denka, poniżej wewnętrznej powierzchni. Rozwiązanie to chroni rowek i znajdujący się w nim pierścień przed nadmiernym nagrzewaniem się od denka tłoka. W tłokach szczególnie obciążonych cieplnie stosuje się niekiedy szczelinowe rowki stanowiące barierę cieplną dla górnego pierścienia. Utrzymanie podczas pracy temperatury pierwszego pierścienia uszczelniającego poniżej określonej wartości, zwykle <200-230°C, zapobiega koksowaniu paliwa i oleju w szczelinie między rowkiem a pierścieniem, a tym samym unieruchomieniu pierścienia w rowku. Rowki pierścieni tłokowych mają zwykle przekrój prostokątny, ale spotyka się również rowki o przekroju trapezowym i półokrągłym. |