Mechanik samochodowy. Silniki

BUDOWA POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH CZ.2 - SILNIKI Nazwa kwalifikacji, której efekty kształcenia zostały uwzględnione w ebooku: M.18. Diagnozowanie i naprawa podzespołów i zespołów pojazdów samochodowych, kwalifikacja wyodrębniona w zawodach technik pojazdów samochodowych 311513, mechanik pojazdów samochodowych 723103 SPIS TREŚCI 1 Podstawowe wiadomości o silnikach spalinowych 2 Kadłuby i głowice silników spalinowych 3 Układ korbowy 4 Układ rozrządu 5 Układ zasilania silników o zapłonie iskrowym 6 Układ zasilania silników o zapłonie samoczynnym 7 Układ chłodzenia i smarowania oraz układ dolotowy i wylotowy 8 Napędy alternatywne pojazdów samochodowych

Implementacja: Szymon Konkol

Moduł 1

Podstawowe wiadomości o silnikach spalinowych

Wstęp 1. Klasyfikacja silników spalinowych 2. Procesy spalania

2

Wstęp W tym module zostaną omówione zagadnienia dotyczące konstrukcji silników spali-

nowych, ich klasyfikacji, zasady działania oraz procesy zachodzące podczas spalania mieszanki paliwowo-powietrznej. Zagadnienia dotyczą silników z zapłonem samoczyn-nym, i z zapłonem iskrowym.

1. Klasyfikacja silników spalinowych Zadaniem silnika spalinowego jest zamiana energii cieplnej w energię mechaniczną,

która następnie zostaje wykorzystana do napędu spalinowego pojazdu trakcyjnego po-przez przekładnię elektryczną, mechaniczną lub hydrauliczną.

Silniki spalinowe można podzielić na tłokowe, turbinowe i odrzutowe. Najczęściej stosowane są silniki tłokowe, dlatego podział przedstawiony w dalszej

części będzie dotyczył tylko ich. Spalanie mieszaniny paliwowo-powietrznej następuje w silniku. Ze względu na spo-

sób spalania mieszaniny paliwowo-powietrznej rozróżniamy silniki: a) z zapłonem iskrowym (niskoprężne) – w których mieszanka paliwowo-powietrzna wytwarzana jest na zewnątrz i wewnątrz komory spalania silnika. Zapłon mieszanki jest inicjowany przez iskrę, którą wytwarza świeca zapłonowa; b) z zapłonem samoczynnym (wysokoprężne) – w których mieszanka wytwarzana jest w cylindrze silnika, nad tłokiem, a zapłon następuje w wyniku sprężania powietrza, dzięki temu wytwarza się bardzo wysoka temperatura powodująca zapłon. Do cylindra doprowadzane jest czyste powietrze. Silniki te nazywa się silnikami Diesla – od nazwi-ska ich wynalazcy.

Do napędu silników z zapłonem iskrowym stosowane są zwykle lekkie paliwa ciekłe (mieszanki benzyny, benzolu, alkoholu), a czasami także paliwa gazowe. Silniki z zapło-nem samoczynnym są zazwyczaj napędzane ciężkimi paliwami płynnymi, takimi jak olej napędowy.

Sposób zapłonu w wymienionych silnikach ma znaczący wpływ na ich konstrukcję i procesy, które w nich zachodzą. W silniku z zapłonem samoczynnym ciśnienie jest znacznie wyższe niż w silniku z zapłonem iskrowym. Silnik z zapłonem iskrowym (ZI) jest wyposażony w układ zasilania paliwem oraz zapłonową instalację elektryczną. Z kolei silnik z zapłonem samoczynnym (ZS) ma pompę wtryskową i wtryskiwacze.

Ze względu na sposób pracy silniki z zapłonem iskrowym i zapłonem samoczynnym mogą być: a) dwusuwowe; b) czterosuwowe.

Można je podzielić także pod względem liczby cylindrów na silniki: a) jednocylindrowe; b) wielocylindrowe.

Silniki jednocylindrowe raczej nie są stosowane w pojazdach samochodowych ze względu na dużą nierównomierność pracy oraz dużą masę jednostkową. Najczęściej sto-sowane są silniki wielocylindrowe. Silniki te charakteryzują się większą mocą (im więcej cylindrów, tym większa moc), mniejszą nierównomiernością pracy i mniejszą masą jed-nostkową. W silniku wielocylidrowym obiegi pracy każdego z suwów są odpowiednio przesunięte w czasie. Suwy rozprężania następują kolejno po sobie lub mogą nawet się pokrywać, dzięki temu praca silnika wielocylindrowego jest bardziej płynna.

Ze względu na sposób zasilania czynnikiem roboczym silniki mogą być a) wolnossące (niedoładowane), w których ładunek dopływa do cylindrów dzięki róż-nicy ciśnień panującej między cylindrem i otoczeniem;

3

b) doładowane, w których ładunek przed wprowadzeniem do cylindra jest wstępnie sprężony, co powoduje zwiększenie różnicy ciśnień między ciśnieniem w cylindrze a ciśnieniem ładunku poza cylindrem oraz lepsze napełnienie cylindra nowym ładunkiem.

W silnikach wielocylindrowych stosowane są różne układy rozmieszczenia cylin-drów. Możne je więc podzielić na: a) silniki rzędowe – osie wszystkich cylindrów leżą w jednej płaszczyźnie, tworząc rząd, wał znajduje się z jeden strony cylindrów, a głowica (głowice) zamyka cylinder z drugiej strony. Silniki te mogą być ustawione w pionie, leżeć poziomo lub skośnie; b) silniki widlaste dwurzędowe – osie dwóch rzędów cylindrów ułożone są do siebie równolegle, ale ich płaszczyzny tworzą tzw. kąt rozwidlenia, który wynosi zazwyczaj 60o albo 90o. Układ ten przypomina literę V; c) silniki o cylindrach poziomych przeciwległych – cylindry leżą poziomo, przeciwle-gle i na przemian po obu stronach wału korbowego, układ ten zwany jest bokserem. Zasady działania silników Zasada działania silnika czterosuwowego

Na cykl pracy silnika czterosuwowego składają się cztery suwy: suw dolotu, suw sprężania, suw pracy i suw wylotu. Cykl pracy silnika czterosuwowego z zapłonem iskrowym (rys. 1.2) i zapłonem samoczynnym (rys. 1.1) jest taki sam, istotne różnice dotyczą sposobu tworzenia mieszanki palnej i sposobu jej zapłonu. W silniku ZI mie-szanka jest wytwarzana poza cylindrem (z wyjątkiem nowoczesnych silników z wtry-skiem bezpośrednim) i dostarczana przez otwarty zawór dolotowy, a następnie zapala-na wskutek przeskoku iskry na świecy zapłonowej. W silnikach ZS do cylindra jest do-starczane tylko powietrze, a paliwo wtryskiwane w odpowiednim czasie bezpośrednio do cylindra pod wysokim ciśnieniem, powodując jego samozapłon. W czasie jednego suwu wał korbowy wykona pół obrotu, a więc na pełny cykl pracy silnika czterosu-wowego przypadają dwa obroty wału korbowego. W poszczególnych suwach zacho-dzą następujące procesy. 1) Suw napełniania (dolotu) - w tym suwie tłok przemieszcza się z GMP do DMP i przez otwarty zawór dolotowy zasysa nowy ładunek do cylindra (w silnikach ZI mie-szankę paliwowo-powietrzną, a w silnikach ZS tylko powietrze). Zawór wylotowy jest w tym czasie zamknięty. 2) Suw sprężania – w suwie sprężania tłok przesuwa się w kierunku GMP, ponieważ oba zawory są zamknięte, zmniejszająca się przestrzeń nad cylindrem powoduje sprę-żanie ładunku. Procesowi temu towarzyszy wzrost ciśnienia i temperatury ładunku. 3) Suw pracy (rozprężania) – tuż przed dojściem tłoka do GMP następuje zapłon czyn-nika roboczego (w silnikach ZI za pomocą iskry elektrycznej powstającej między elek-trodami świecy zapłonowej, a w silnikach ZS wskutek samozapłonu paliwa wtryśniętego do sprężonego pod dużym ciśnieniem powietrza znajdującego się w cylindrze). Zapłon powoduje gwałtowny wzrost ciśnienia i temperatury. Powstające gazy spalinowe roz-prężają się i naciskają na denko tłoka, przesuwając go z GMP do DMP. W czasie suwu pracy objętość cylindra zwiększa się, a ciśnienie spalin maleje. Zawory dolotowy i wylo-towy są nadal zamknięte. 4) Suw wylotu (wydechu) – w suwie wylotu tłok przemieszcza się z DMP do GMP, a spaliny są wypychane przez otwarty zawór wylotowy na zewnątrz cylindra. W tym czasie zawór dolotowy jest zamknięty. Gdy tłok osiągnie GMP, otwiera się zawór dolo-towy i cykl pracy silnika się powtarza.

4

Rys. 1.1. Zasada działania silnika czterosuwowego ZS

Źródło: Materiały szkoleniowe Toyoty.

Rys. 1.2. Zasada działania silnika czterosuwowego ZI Źródło: Materiały szkoleniowe Toyoty.

Zasada działania silnika dwusuwowego 1) Suw pierwszy (ssanie – sprężanie) – tłok przemieszcza się z DMP do GMP. W pierw-szej fazie do cylindra przetłaczany jest (przez otwarty kanał przelotowy – 3) ładunek wstępnie sprężony w skrzyni korbowej (rys. 1.3 A). W drugiej fazie, gdy tłok przymknie wszystkie kanały (przelotowy 3 i wylotowy 2), następuje sprężanie ładunku nad tło-kiem. Jednocześnie do skrzyni korbowej, gdy tylko zostanie odsłonięty kanał dolotowy, jest zasysany nowy ładunek (rys. 1.3 B).

5

Rys. 1.3. Zasada działania silnika dwusuwowego – suw pierwszy (ssanie – sprężanie)

Źródło: Materiały własne.

2) Suw drugi (praca – wydech) – tuż przed dojściem tłoka do GMP następuje przeskok iskry między elektrodami świecy zapłonowej i zapłon mieszanki. Powstające gazy spali-nowe, rozprężając się, przesuwają tłok w kierunku DMP (rys. 1.4 C). Gdy tłok, przesu-wając się, odsłoni okno kanału wylotowego, spaliny zaczynają opuszczać cylinder (rys. 1.4 D). Niemal równocześnie tłok odsłania również okno kanału przelotowego, którym do cylindra napływa nowy ładunek. Nowy ładunek, zapełniając cylinder, wypycha z cy-lindra resztę spalin. Jest to tzw. przepłukiwanie cylindra. Następnie cykl pracy silnika się powtarza.

Rys. 1.4. Zasada działania silnika dwusuwowego – suw drugi (praca – wydech)


Parametry konstrukcyjne silnika

Podstawowe parametry konstrukcyjne silnika to m.in.: skok tłoka, pojemność sko-kowa i stopień sprężania. Aby dokładniej poznać, co to takiego, warto przyjrzeć się poniższemu rysunkowi.

6

Rys. 1.5.Budowa oraz schemat mechanizmu korbowego silnika

1. cylinder 2. tłok 3. korbowód 4. wał korbowy


Na rysunku 1.5 przedstawiono schemat mechanizmu korbowego silnika czterosuwo-

wego. Skróty GMP i DMP oznaczają skrajne położenia tłoka. GMP to górne martwe poło-żenie, a DMP – dolne martwe położenie. Dlaczego martwe? Bo tłok, zmieniając kierunek ruchu w skrajnych położeniach, musi na chwilkę się zatrzymać. Odległość między DMP a GMP nazywamy skokiem tłoka i oznaczamy literą S. Skok tłoka zależy od promienia r wykorbienia wału korbowego i jest od niego dwa razy większy (dlatego S = 2r).

Pojemnością skokową Vs cylindra nazywamy objętość cylindra zawartą między GMP i DMP.

Ponieważ pojemność ta ma w przybliżeniu kształt walca, możemy więc uznać, że jest ona równa iloczynowi pola czynnej powierzchni denka tłoka i skoku tłoka. Możemy to zapisać wzorem:

gdzie: Vs – pojemność skokowa cylindra, Ftł – pole czynnej powierzchni denka tłoka, D – średnica cylindra, S – skok tłoka.

Pojemność skokowa silnika Vss jest sumą objętości skokowych wszystkich cylin-drów.

Pojemność komory sprężania Vk to objętość, jaką zajmuje tłok znajdujący się w GMP.

Pojemność całkowita cylindra Vc to suma pojemności komory sprężania Vk i po-jemności skokowej cylindra Vs.

Stopniem sprężania nazywamy stosunek pojemności całkowitej cylindra Vc do po-jemności komory sprężania Vk. Stopień sprężania oznaczamy grecką literą epsilon:

7

Stopień sprężania jest parametrem bezwymiarowym, wszystkie pojemności podaje

się najczęściej w cm3 lub litrach.

2. Procesy spalania Paliwa silnikowe

Wśród paliw ciekłych wyróżniamy: benzynę – jest stosowana w samochodach o zapłonie iskrowym (ZI). W jej skład

wchodzą węglowodory o temperaturze wrzenia od 30 do 200 stopni Celsjusza. Otrzymywana jest zazwyczaj przez rafinację ropy naftowej, choć możliwe są także inne, alternatywne metody jej pozyskiwania;

olej napędowy – jest stosowany do silników o zapłonie samoczynnym (ZS). Otrzy-muje się go podobnie jak benzynę przez rafinację ropy naftowej. Ostatnio na coraz szerszą skalę takie paliwa pozyskuje się z roślin (tzw. estry). Temperatura wrzenia składników wynosi od 170 do 380 stopni Celsjusza. Ważnym parametrem jest wy-soka wartość liczby cetanowej;

alkohole – w samochodach wykorzystuje się alkohole metylowe i etylowe. Zazwy-czaj występują jako dodatek do benzyny, zwiększając wartość liczby oktanowej. Z powodu niewielkiej liczby cetanowej praktycznie unika się ich stosowania w au-tach z silnikiem Diesla. Jedną z najpopularniejszych mieszanin alkoholu i benzyny jest E85 (85% biotetanolu, 15% benzyny). Jednak aby tankować takie paliwo, ko-nieczne jest odpowiednie przygotowanie samochodu – takie specjalne wersje aut są zazwyczaj oznaczane jako FlexiFuel. Warto pamiętać o tym, że ze względu na zmniejszoną wartość energetyczną samochód spalający ok. 10 l benzyny będzie po-trzebował w podobnych warunkach pracy około 12 l E85;

naftę – stosuje się ją do silników ZI, ale tylko o niskim stopniu sprężania i niskoob-rotowych. Charakteryzuje się wydłużonym czasem spalania i opóźnieniem przy sa-mozapłonie.

Paliwa gazowe to: wodór – paliwo przyszłości. Wodór może być stosowany do zasilania silników

z wewnętrznym spalaniem w samochodach osobowych, autobusach i statkach. Tak jak w przypadku turbin gazowych możliwe jest wykorzystanie do tych celów czyste-go wodoru lub jego mieszaniny z metanem. Produktem spalania jest woda;

gaz ziemny CNG (Compressed Natural Gas) – składa się głównie z metanu. Jest sprę-żony do ciśnienia 20–25 MPa. Może być wykorzystywany zarówno do napędzania silników ZI, jak i ZS;

LPG (Liquefied Petroleum Gas) – mieszanina skroplonych gazów propanu i butanu. Ze względu na różnice klimatyczne proporcje mogą być różne. Paliwo może być przewożone w stanie ciekłym pod niewielkim ciśnieniem 1–1,5 MPa. Ze względu na jego nieściśliwość konieczne jest stosowanie zbiorników odpornych na uderzenie. W przeciwnym razie mogłoby dojść do rozerwania zbiornika od wewnątrz.

8

Podstawowe parametry paliw: wartość opałowa – jest to ilość ciepła, która powstaje w wyniku całkowitego i zu-

pełnego spalenia danego paliwa. Wyróżnia się także tzw. wartość opałową dolną, w której pomija się nieefektywnie wykorzystane ciepło skroplenia pary wodnej w spalinach;

liczba oktanowa – oznacza odporność paliwa na spalanie stukowe. Określając licz-bę oktanową, można porównać badane paliwo z paliwem wzorcowym. Paliwo wzorcowe jest odpowiednią procentową mieszaniną izooktanu (lo = 100) i n-heptanu (lo = 0);

liczba cetanowa LC – to nic innego jak określenie zdolności paliwa do samozapło-nu. Wyznacza się ją tak samo jak liczbę oktanową – metodą porównawczą, analizu-jąc badane paliwo z paliwem złożonym z cetanu (LC = 100) i alfametylonaftalenu (LC = 0);

temperatura samozapłonu – jest to temperatura, przy której następuje samoza-płon mieszanki par paliwa i powietrza. Zależy od parametrów składu mieszanki i jej ciśnienia. Temperatura samozapłonu ma szczególne znaczenie przy zasilaniu silników o zapłonie samoczynnym (diesel);

temperatura krzepnięcia – to taka temperatura, przy której z paliwa zaczynają wytrącać się frakcje stałe. Jest to bardzo ważny parametr dla silników Diesla. Zimą rafinerie produkują olej napędowy o niższej temperaturze krzepnięcia, tzw. olej zimowy, który umożliwia rozruch samochodu przy niskich temperaturach;

lotność – zdolność paliw do odparowywania; lepkość i napięcie powierzchniowe – te parametry decydują o łatwości rozdrab-

niania paliwa na mgiełkę paliwa konieczną w nowoczesnych silnikach. Im parame-try te są niższe, tym lepiej dla rozdrobnienia; jednak w silnikach ZS niska lepkość zwiększa przecieki i pogarsza smarowanie;

ciepło parowania – ważny parametr ze względu na napełnianie cylindrów; rozu-miany jest jako ilość ciepła potrzebnego do odparowania określonej dawki paliwa.

Spalanie – reakcja chemiczna przebiegająca między materiałem palnym lub paliwem

a utleniaczem z wydzieleniem ciepła i światła. Paliwa i utleniacze mogą występować w trzech stanach skupienia: gazowym, ciekłym i stałym. Powszechnie dostępnym utle-niaczem gazowym jest tlen zawarty w powietrzu. Utleniacze ciekłe i stałe są stosowane w silnikach rakietowych.

Są trzy typy zapoczątkowania reakcji spalania: zapłon; samozapłon; samozapalenie. Zależnie od zastosowanego materiału palnego wyróżnia się spalanie: homogeniczne – charakterystyczne dla mieszanin gazów palnych, par cieczy

z powietrzem; heterogeniczne – dotyczy spalania ciał stałych, charakterystyczne jest żarzenie

się na powierzchni zetknięcia się ciała stałego z tlenem, przykładem jest spalanie węgla drzewnego, sadzy, niektórych metali;

homogeniczno-heterogeniczne – najczęściej występujące spalanie przejściowe, przykładem takiego surowca jest węgiel kamienny.

9

Przebieg spalania w silniku z zapłonem iskrowym (ZI) Spalanie przebiega w 3 etapach:

I – okres spalania utajonego od pkt 1, w którym występuje iskra, do pkt 2, w którym na-stępuje zapalenie mieszanki (w tym okresie następuje podgrzanie paliwa i jego odparo-wanie); II – okres spalania właściwego (od pkt 2 do 3), w którym następuje szybki przyrost ci-śnienia w cylindrze (linia ciągła), znacznie większy niż przy sprężaniu czynnika bez spa-lania (linia przerywana); III – okres dopalania się resztek paliwa (od pkt 3). Rys. 1.6. Wykres przebiegu spalania w silniku z zapłonem iskrowym I, II, III – okresy spalania, 1 – wystąpienie iskry, 2 – punkt zapłonu, 3 – punkt maksymalnego ci-śnienia, OWK – obroty wału korbowego, αwz – kąt wyprzedzenia zapłonu

Źródło: https://sites.google.com/site/silnikipojazdowsamochodowych/home/proces-spalania-w-silnikach/spalanie-w-silnikach-zi.

Zapłon następuje przed osiągnięciem GMP, aby mieszanka miała czas na pełne zapalenie się i wytworzenie odpowiedniego ciśnienia na początku suwu.

Spalanie w silniku z ZS W nowoczesnych rozwiązaniach układów zasilania silników ZS przebieg wtrysku pa-

liwa oprócz wtrysku zasadniczego może mieć dodatkowo wtrysk wstępny, wczesny do-trysk oraz późny dotrysk. Zagadnienia te będę omówione w module związanym z ukła-dami zasilnia silników ZS.

Wtrysk zasadniczy w silniku ZS dzieli się na trzy okresy: I – okres indukcji, zwany zwłoką zapłonu (między punktami 1 i 2), w którym następuje wtrysk paliwa, jego podgrzanie i odparowanie (trwający ok. 1/500 sekundy); II – okres rozprzestrzeniania się płomienia od licznych ognisk zapłonu i gwałtowny wzrost ciśnienia; III – okres dopalania się resztek paliwa. Na wartość ciśnienia spalin w pkt. 3 i gwałtow-ność jego wzrostu ma wpływ kąt wyprzedzenia wtrysku oraz długość okresu indukcji. Ponieważ im dłuższy jest pierwszy okres, tzn. im więcej paliwa znajduje się w cylindrze w chwili zapłonu, tym gwałtowniejszy jest wzrost ciśnienia w drugim okresie.

https://sites.google.com/site/silnikipojazdowsamochodowych/home/proces-spalania-w-silnikach/spalanie-w-silnikach-zi

https://sites.google.com/site/silnikipojazdowsamochodowych/home/proces-spalania-w-silnikach/spalanie-w-silnikach-zi

10

Rys. 1.7. Wykres przebiegu spalania w silniku z zapłonem samoczynnym I, II, III – okresy spalania, 1 – początek wtrysku, 2 - samozapłon, 3 – punkt maksymalnego ciśnie-nia spalin, 4 – koniec wtrysku, 5 – początek dopalania się resztek paliwa, OWK – obroty wału korbowego, αww – kąt wyprzedzenia wtrysku, αw – kąt wtrysku

Źródło: http://autowiedza.republika.pl/proc_spal_w_zs.html.

Na długość III okresu ma wpływ kąt wyprzedzenia wtrysku, czyli kąt obrotu wału

korbowego między momentem, w którym rozpoczyna się wtrysk paliwa w silniku wyso-koprężnym, a położeniem, gdy tłok osiągnie GMP. Kąt wyprzedzenia wtrysku jest ko-nieczny, aby mieszanka miała czas na pełne zapalenie się.

Silnik Wankla Zamiast cylindrów, które są zazwyczaj stosowane, silnik Wankla ma komory spalania

z obrotowymi tłokami (stąd nazwa silnik rotacyjny lub z wirującym tłokiem). Wewnątrz tłoka znajduje się wał, który umożliwia przekazanie napędu do skrzyni biegów i dalej na koła. Silnik Wankla nie ma zaworów, jego konstrukcja jest prosta, ale zużywa on duże ilości paliwa, a szybko zużywające się uszczelnienia tłoka to jego główna wada.. Silnik ten pracuje według czterech faz cyklu Otta, czyli jest czterosuwowy.

W przeciwieństwie do typowego silnika tłokowego mieszanka paliwowo-powietrzna jest przetłaczana z miejsca na miejsce, w związku z tym cztery fazy cyklu (suwy, choć tu nic się nie suwa, tylko kręci) przebiegają w różnych miejscach silnika.

Faza I – ssanie (rys. 1.8) – w cyklu pracy rozpoczyna się wtedy, gdy wierzchołek ro-tora mija okno kanału ssącego. W momencie gdy okno kanału wlotowego otwiera się na komorę, objętość komory jest bliska minimum. Gdy rotor wciąż się obraca, objętość ko-mory rośnie, powodując wciągnięcie mieszanki paliwowo-powietrznej do komory. Gdy następny wierzchołek rotora mija okno kanału ssącego, komora się zamyka i rozpoczy-na się sprężanie.

http://autowiedza.republika.pl/proc_spal_w_zs.html

http://www.wynalazki.mt.com.pl/wyn/spalinowy.html

11

Rys. 1.8. Silnik Wankla – faza I (ssanie)


Faza II –sprężanie (rys. 1.9) – gdy rotor kontynuuje swój ruch w komorze silnika,

objętość komory zmniejsza się i mieszanka paliwowo-powietrzna się spręża. W tym cza-sie ścianka rotora przemieszcza się przed świecami zapłonowymi, a objętość komory jest ponownie najbliższa minimum. Wtedy następuje zapłon.

Rys. 1.9. Silnik Wankla – faza II (sprężanie) Źródło: Materiały własne.

Faza III – praca (rys. 1.10) – większość silników rotacyjnych ma dwie świece zapło-

nowe. Komora spalania jest długa, a więc czoło płomienia rozprzestrzeniałoby się zbyt wolno, gdyby była tam tylko jedna świeca. Gdy świece zapłonowe zapalają mieszankę paliwowo-powietrzną (sekwencyjnie, odpalają się jedna po drugiej), ciśnienie szybko rośnie, zmuszając rotor do ruchu. Ciśnienie spalonej mieszanki zmusza rotor do ruchu w kierunku, który spowoduje wzrost objętości komory. Gazy spalinowe rozprężają się, poruszając rotor i wytwarzając energię, zanim wierzchołek rotora nie minie okna kanału wydechowego.

12

Rys. 1.10. Silnik Wankla – faza III (praca)


Faza IV – wydech (rys. 1.11) – gdy tylko wierzchołek rotora minie okno kanału wy-

dechowego, sprężone gazy spalinowe mogą swobodnie wydostać się na zewnątrz. Gdy rotor się obraca, komora kurczy się, wytłaczając resztę gazów spalinowych przez okno kanału wydechowego. W tym czasie objętość komory zbliża się do minimum, wierzcho-łek rotora mija okno kanału ssącego i cały cykl rozpoczyna się od nowa. Rys. 1.11. Silnik Wankla – faza IV (wydech)


Główne elementy silnika Wankla Rotor

Rotor (rys. 1.12) ma trzy wypukłe ścianki, a każda z nich ma w sobie zagłębienie zwiększające pojemność skokową silnika, gdyż każda z nich działa jak tłok i umożliwia dostanie się większej ilości mieszanki paliwowej. Na obu końcach każdej ze ścianek znajduje się metalowa listwa, która uszczelnia punkt styku rotora z komorą spalania, tak jak pierścienie w silnikach tłokowych. Na każdej z powierzchni bocznych rotora znajdują się pierścienie uszczelniające boki komory spalania. Wewnątrz rotora, po jednej stronie znajduje się również wewnętrzne koło zębate z zębami skierowanymi do środka. Zazę-biają się one z przekładnią zamocowaną do obudowy. To połączenie kół zębatych wy-musza tor ruchu i kierunek, w jakim rotor obraca się w komorze.

13

Rys. 1.12. Rotor z silnika Wankla


Komora silnika Komora silnika (rys. 1.13) ma owalny kształt (jest to epitrochoida, czyli bardzo gruba

ósemka). Kształt komory spalania został tak pomyślany, aby trzy wierzchołki rotora zawsze pozostawały w kontakcie ze ścianami komory, tworząc trzy szczelne zbiorniki gazu. Każda część komory odpowiada za jedną części procesu pracy. Kanały ssący i wy-dechowy są umieszczone w obudowie. W tych kanałach nie ma zaworów (podobnie jak w silniku dwusuwowym). Okno kanału wydechowego łączy się bezpośrednio z syste-mem wydechowym, a ssącego – z kolektorem dolotowym. Rys. 1.13. Komora spalania z silnika Wankla


Wał napędowy Wał napędowy (rys. 1.14) ma wymodelowane krzywki o przekroju walcowym,

umieszczone mimośrodowo, czyli przesunięte względem osi podłużnej wału. Każdy ro-tor jest nałożony na jedną z nich. Działają one podobnie jak wał korbowy w silniku tło-kowym. Gdy rotor obraca się w komorze silnika i toczy się po nieruchomym kole zęba-tym, popycha krzywki. Ponieważ są one zamontowane mimośrodowo względem wału napędowego, siła wywierana przez rotor na krzywki wytwarza moment obrotowy wału, przez co jest on wprawiany w ruch obrotowy.

14

Rys. 1.14. Wał napędowy z silnika Wankla


Silnik rotacyjny jest pakietem złożonym z warstw. Silnik dwurotorowy ma pięć głów-

nych warstw, które w całości utrzymuje komplet długich śrub. Chłodziwo przepływa kanałami przechodzącymi przez wszystkie części. Dwie warstwy zamykające z obu koń-ców zawierają uszczelki i łożyska wału napędowego. One również łączą się szczelnie z dwiema dalszymi warstwami, w których są umieszczone rotory.

Powierzchnia wewnętrzna części czołowych ma dużą gładkość, co ułatwia działanie bocznych pierścieni uszczelniających w rotorach. Okna kanału ssącego są umieszczone w każdej z części skrajnych silnika dwurotorowego. Następną warstwą, patrząc z ze-wnątrz, są warstwy zawierające rotory. One również są pokryte gładkim metalem i znajdują się w nich okna kanałów wylotowych. Część środkowa pakietu zawiera dwa okna kanałów ssących, jeden dla każdego rotora. Rozdziela również oba rotory, w związku z tym jej zewnętrzne powierzchnie muszą być bardzo gładkie. Pośrodku każ-dego rotora znajduje się również duże wewnętrzne koło zębate, które toczy się wokół mniejszego koła zębatego, zamocowanego do bloku silnika. To właśnie determinuje or-bitę rotora. Rotor obraca się również na dużej, walcowej krzywce na wale korbowym. Rys. 15. Elementy silnika Wankla


W kolejnym module poznamy budowę silników spalinowych. Najpierw zostaną przed-stawione informacje dotyczące konstrukcji głównych elementów, z których zbudowany jest każdy silnik, bez względu na to, czy jest to silnik z zapłonem samoczynnym, czy z zapłonem iskrowym. Omówione zostaną również kadłuby i głowice.

Moduł 2

Kadłuby i głowice silników spalinowych

1. Kadłuby silników tłokowych 2. Głowice 3. Miska olejowa

4. Kadłuby i głowice silników chłodzonych cieczą 5. Kadłuby i głowice silników chłodzonych powietrzem

2

W tym module zostaną przedstawione zagadnienia dotyczące konstrukcji głównych elementów konstrukcyjnych występujących we wszystkich silnikach spalinowych. Po-nadto zostanie omówiona budowa i przeznaczenie kadłubów oraz głowic zarówno silni-ków chłodzonych cieczą, jak i powietrzem. Korpus silnika – jest to sztywna całość konstrukcyjna, stanowiąca obudowę cylindrów (silnika chłodzonego cieczą) lub podstawę do osadzenia cylindrów indywidualnych (sil-nika chłodzonego powietrzem), a ponadto wykorzystywana do ułożyskowania wału korbowego i utrzymywania w wymaganych położeniach elementów różnych mechani-zmów i osprzętu. Zespół korpusu silnika składa się z 3 podstawowych podzespołów: - głowicy, - kadłuba, - miski olejowej.

Rys. 2.1. Budowa korpusu silnika. Źródło: Zając P., Silniki pojazdów samochodowych cz .1. WKŁ, Warszawa 2009.

Kadłub z głowicą (głowicami) lub kadłub z cylindrami i głowicami stanowi obudowę zamykającą przestrzeń, w której mieszczą się główne mechanizmy silnika – korbowy i rozrządu. Kadłub służy ponadto do zamocowania silnika na fundamencie lub w pojeździe oraz stanowi podstawę do mocowania osprzętu silnika. Zadaniem jednej lub kilku głowic jest zamknięcie od góry przestrzeni roboczej cylindrów. W głowicy –zależnie od budowy układu rozrządu – znajdują się wałek rozrządu oraz zawory. Kadłub z głowicą w czasie pracy są obciążone siłami ciśnienia gazów i siłami bezwładności ru-chomych elementów układów korbowego i rozrządu. W czasie pracy silnika głowica oraz cylindry ulegają silnemu nagrzewaniu. Takie warunki pracy powodują ich odkształ-cenia. Dostatecznie małe odkształcenia zapewnia odpowiednio sztywna budowa kadłu-ba, głowicy i ich połączenia.

1. Kadłuby silników tłokowych Kadłuby silników tłokowych są wykonywane z żeliwa lub ze stopu aluminium z krzemem – siluminu.

Gatunek żeliwa, z którego jest odlewany kadłub, zależy w dużym stopniu od sposobu wykonania cylindra. Jeżeli kadłuby są odlewane wraz z tulejami cylindrowymi, to użyte żeliwo jest lepszego gatunku, odporne na ścieranie, o większej twardości, głównie sto-powe (chromowo-krzemowe, niklowo-chromowe, chromowo-molibdenowe). Gdy zaś są stosowane wstawiane tuleje cylindrowe, to kadłub jest wykonywany z żeliwa perlitycz-

3

nego. Stop aluminium-krzem (silumin) stosowany na kadłuby zawiera 9,0÷13,0% krze-mu. Zaletami siluminów jest łatwa obróbka oraz mała gęstość wpływająca na mniejszą masę kadłuba. Zastosowanie stopów Al-Si jest ograniczone głównie w silnikach ZS mniejszą wytrzymałością.

Na głowice stosuje się żeliwa stopowe lub siluminy. Zaletą stopów Al-Si jest duża przewodność cieplna, a zatem lepsze odprowadzanie ciepła, co stwarza możliwość sto-sowania w silnikach ZI dużych stopni sprężania. Najczęściej stosuje się stopy AK9 (Si = 9%) lub AK52 (Si = 5%, Cu = 2%).

Kadłub silnika składa się zasadniczo z dwóch części: bloku cylindrowego i skrzyni korbowej. Oba elementy zależnie od typu silnika mogą być wykonane oddzielnie lub stanowią całość. W silnikach chłodzonych cieczą blok cylindrowy stanowi górna inte-gralna część kadłuba, która składa się z cylindrów oraz płaszcza chłodzącego. W silnikach chłodzonych powietrzem blok cylindrów jest oddzielnym elementem, zło-żonym z pojedynczych cylindrów. Skrzynia korbowa jest dolną częścią kadłuba, w której mieści się wał korbowy. Składa się z dwóch części: górnej i dolnej. Górna część skrzyni korbowej jest wykonywana jako całość z blokiem cylindrowym lub jako część oddzielna. Dolną część stanowi miska olejowa zamykająca silnik od dołu, służąca jako zbiornik oleju.

O wymiarach kadłuba decydują: stosunek skoku tłoka do średnicy cylindra, długość korbowodu, promień wykorbienia wału korbowego, odległość między cylindrami.

Kadłuby wyróżniają się pewnymi cechami konstrukcyjnymi, do których zalicza się: sposób wykonania tulei cylindrowych, sposób wykonania bloku cylindrowego, podział skrzyni korbowej, sposób osadzania i ukształtowania pokryw łożysk głównych, sposób wykonania osłon koła zamachowego, napędu rozrządu i innych.

Sposób wykonywania tulei cylindrowych opisany zostanie w dalszej części rozdziału podczas omawiania kadłubów chłodzonych cieczą i powietrzem.

Podział skrzyni korbowej może być realizowany na dwa sposoby:

w osi wału korbowego (rys. 2.2a) poniżej osi wału korbowego (rys. 2.2b).

Przy podziale kadłuba w osi wału korbowego zarówno odlewy, jak i obróbka

kadłuba są prostsze. Otrzymuje się jednak konstrukcję mniej sztywną.

4

Rys. 2.2. Skrzynie korbowe silników spalinowych.

Źródło: Zając P., Silniki pojazdów samochodowych cz .1. WKŁ, Warszawa 2009.

W silnikach samochodowych są stosowane łożyska dzielone. Górne części łożysk są

wykonane wraz z kadłubem (w górnej części skrzyni korbowej), a pokrywy łożysk przy-

kręcone do nich od dołu.

Osłony koła zamachowego napędu rozrządu są wykonywane wspólnie z kadłubem jako jednolity odlew lub w postaci oddzielnych, przykręcanych części.

W czasie pracy silnika w skrzyni korbowej powstaje nadciśnienie spowodowane przedostawaniem się przez nieszczelności cylindra gazów spalinowych lub świeżego ładunku oraz parowania lżejszych frakcji nagrzanego oleju silnikowego. Nadciśnienie powoduje przeciekanie oleju przez uszczelnienia wału korbowego i niszczenie tych uszczelnień. Dlatego konieczne jest odpowietrzenie tej części silnika. W starszych kon-strukcjach gazy ze skrzyni korbowej były wydalane bezpośrednio na zewnątrz silnika. Obecnie normy prawne ograniczające emisję niespalonych węglowodorów tego zabra-niają. Stosuje się więc tzw. przewietrzanie skrzyni korbowej przedstawione na rysunku poniżej, które polega na wysysaniu gromadzących się tam gazów do kolektora doloto-wego. Bezpośrednie połączenie skrzyni korbowej z kolektorem dolotowym nie zapew-nia dobrego przewietrzania. Największe przedmuchy istnieją bowiem przy dużych ob-ciążeniach silnika, gdy w kolektorze panuje niewielkie podciśnienie.

5

Rys. 2.3. Układ przewietrzania skrzyni korbowej

Źródło: http://www.diaaut.home.pl/r46941c1.html

http://www.diaaut.home.pl/r46941c1.htm

6

Odpowiednią regulację ilości przepływających gazów ze skrzyni korbowej zapewnia zawór odpowietrzania skrzyni korbowej. Zawór jest uruchamiany przez oś przepustnicy gaźnika. Podczas pracy z niewielkim uchyleniem przepustnicy gazy ze skrzyni korbowej przepływają tylko przez otwór kalibrowany. Przy większym uchyleniu przepustnicy ga-zy płyną również przez kanał obejściowy, który jest otwierany krzywką.

Innym przykładem zaworu odpowietrzania skrzyni korbowej jest podciśnieniowy zawór jednokierunkowy. Budowa i działanie tego zaworu zapewniają dostosowanie przepływu gazów odpowietrzających skrzynię korbową do warunków obciążenia silni-ka. Przy dużych obciążeniach, gdy do skrzyni korbowej przedostaje się dużo gazów, za-wór umożliwia przepływ gazów przez największą szczelinę. Jest to możliwe dzięki spe-cjalnemu kształtowi tłoczka zaworu.

Podsumowanie powyższego materiału zostało zawarte w wideokaście, który znaj-

dziesz na naszej platformie. Obejrzyj wideo, aby powtórzyć i utrwalić materiał.

2. Głowice

Budowa głowicy zależy od: sposobu podziału głowicy, stosowania głowicy wspólnej dla wszystkich cylindrów, umieszczenia wałka rozrządu w silniku, liczby zaworów przypadających na jeden cylinder. Głowica jednolita obejmująca wszystkie cylindry jest stosowana w małych i średnich

silnikach. Zaletą wspólnej głowicy jest możliwość dobrego rozmieszczenia mocujących ją śrub oraz korzystne ukształtowanie kanałów dolotowych i wylotowych przez łączenie kanałów sąsiednich cylindrów. Ponadto budowa taka usztywnia silnik i czyni go bardziej zwartym.

Głowice dzielone obejmujące dwa lub trzy cylindry stosuje się w przypadku silników wielocylindrowych, np. sześciocylindrowych, o dużych średnicach cylindrów. Rozwiąza-nie to upraszcza obróbkę mechaniczną, a koszty poniesione przy ewentualnej wymianie głowicy są mniejsze. Oddzielne głowice ułatwiają uzyskanie dobrego uszczelnienia mię-dzy głowicą a kadłubem.

W głowicach współczesnych silników samochodowych są na ogół umieszczone dwa wałki rozrządu i cztery zawory na cylinder. Łożyska wałków rozrządu są zwykle dzielo-ne. Pokrywy łożysk mogą być oddzielne (pojedyncze) lub zintegrowane (tworząc jedno-litą pokrywę łożysk). W głowicy są osadzone gniazda zaworowe i prowadnice zaworowe.

Gniazda zaworowe są wykonywane bezpośrednio w materiale głowicy bądź wstawiane w głowicę. W przypadku wykonywania gniazda bezpośrednio w głowicy, głowica jest odlana z materiału zapewniającego dużą twardość gniazda, zwykle z żeliwa stopowego. Wstawiane gniazda zaworowe są stosowane do głowic odlanych ze stopów aluminium, a także do głowic żeliwnych ze względu na możliwość wykonania ich z lepszego gatunku materiału niż materiał głowicy oraz możliwość wymiany. Do głowic ze stopów aluminium gniazda wykonuje się z brązu aluminiowego brązalu, specjalnych żeliw lub ze stali stopowych o dużych współczynnikach rozszerzalności cieplnej zbliżo-

7

nych do współczynnika rozszerzalności materiału głowicy. W głowicach żeliwnych ma-teriałem stosowanym na gniazda zaworowe są żeliwa stopowe (chromowo-krzemowe, chromowo-molibdenowe) lub stale chromowe. Gniazda zaworowe są wstawiane w głowicę z dużym wciskiem. W celu umożliwienia wstawienia gniazd stosuje się pod-grzewanie głowicy i oziębianie gniazda, wykorzystując różnice we współczynnikach rozszerzalności materiału gniazda i głowicy. Gniazda mogą być również osadzane na gwint.

Prowadnice zapewniają dobrą współpracę zaworu z gniazdem przez osiowe prowa-dzenie zaworu. Zawór poprzez prowadnicę odprowadza również ciepło do głowicy. Współpracujące powierzchnie trzonka zaworu i prowadnicy mają minimalny luz ze względu na osiowe prowadzenie zaworu oraz zapobieganie przed przedostawaniem się oleju silnikowego smarującego rozrząd do komory spalania. Na górnej części prowadni-cy jest osadzony uszczelniacz zaworu, który dodatkowo nie dopuszcza do ściekania oleju po zaworze. Smarowanie trzonka zaworu zapewnia w tych warunkach jedynie mgła ole-jowa. Dobór materiału prowadnicy jest ważny ze względu na słabe smarowanie trzonka zaworu w prowadnicy oraz utrzymanie połączenia między głowicą i prowadnicą. Przy głowicach żeliwnych prowadnice są wykonane zwykle z żeliwa o dużej zawar-tości grafitu, które ma dobre własności przeciwcierne.

W głowicach wykonanych z żeliwa stopowego prowadnica nie musi być stosowana. Wtedy w głowicy jest wykonany otwór prowadzący zawór. Do głowic ze stopów alumi-nium prowadnice zaworowe są stosowane zawsze. Wykonuje się je z brązalu, który ma rozszerzalność cieplną zbliżoną do stopów aluminium. Dzięki temu prowadnica nie ob-luzowuje się w głowicy po rozgrzaniu. Poza tym brązal charakteryzuje się dobrą prze-wodnością cieplną i dobrą współpracą z trzonkiem zaworu.

Ważnym zagadnieniem dotyczącym kadłuba i głowicy jest uszczelnienie połączenia między tymi elementami. Prawidłowe uszczelnienie jest trudne ze względu na znaczne wahania temperatury i ciśnienia gazów oraz cieplne i mechaniczne odkształcenia uszczelnianych płaszczyzn. Istotnym elementem jest nie tylko sama uszczelka, ale także śruby mocujące głowicę dokręcane w odpowiednim momencie i w odpowiedniej kolej-ności – ruchem spiralnym od środka na zewnątrz. Śruby mocujące głowicę przenoszą zmienną siłę ciśnienia gazów, dlatego moment ich dokręcania powinien być tak dobrany, aby nie nastąpiło rozluźnienie ich połączenia i została zachowana szczelność. Określona kolejność dokręcania śrub zapewnia równomierne rozłożenie nacisku na uszczelkę pod głowicą, zapewniając jej szczelność. Śruby mocujące wykonuje się najczęściej jako dwu-stronne ze stali stopowej chromowej, np. 40H.

Podstawowy podział kadłubów i głowic jest dokonywany ze względu na sposób

chłodzenia silnika: cieczowy,

powietrzny.

3. Miska olejowa

Miska oleju jest zbiornikiem, w którym mieści się zapas oleju smarującego silnik.

Ilość oleju sprawdza się wskaźnikiem prętowym zwanym bagnetem, osadzonym

w kadłubie silnika lub bezpośrednio w ścianie miski oleju.

8

Miska oleju stanowi dolną pokrywę silnika, do której ścieka olej smarujący

z całego silnika, aby mógł być następnie zassany przez pompę oleju i przetłoczony do

silnika dla wykonania następnego obiegu. Kształt miski oleju dostosowany jest do wa-

runków zabudowy silnika w samochodzie.

Rys. 2.4. Miska oleju ze studzienką.

Źródło: Opracowanie własne.

Miski olejowe są wykonywane przeważnie z cienkiej blachy stalowej. Jednak szczególnie w silnikach produkowanych w mniejszych seriach spotyka się bardzo często miski od-lewane ze stopów lekkich.

Ważną sprawą jest szczelność połączenia miski olejowej z kadłubem silnika. Dla zapewnienia tej szczelności konieczna jest dostateczna sztywność kołnierza miski ole-jowej. W miskach blaszanych kołnierz usztywnia się przez zgrzewanie od spodu pła-skowników lub też przez odpowiednie wywinięcie krawędzi kołnierza. Dla zachowania odpowiedniej szczelności pod kołnierze miski stosowane są grube (2÷3 mm), miękkie uszczelki (korek, guma olejoodporna), w niektórych rozwiązaniach stosuje się tak zwaną uszczelkę płynną (silikon wysokotemperaturowy). Rozstawienie śrub mocujących miskę do kadłuba wynosi normalnie 50÷60 mm.

4. Kadłuby i głowice silników chłodzonych cieczą

W silnikach chłodzonych cieczą blok cylindrowy tworzy całość z górną częścią skrzyni korbowej.

Ze względu na sposób wykonania tulei cylindrowych kadłuby można podzielić na trzy grupy: odlany wraz z tulejami cylindrowymi (rys. 2.5a), ze wstawianymi, tzw. suchymi tulejami cylindrowymi (rys. 2.5b), ze wstawianymi, tzw. mokrymi tulejami cylindrowymi (rys. 2.5c).

Zastosowanie kadłuba odlanego z tulejami cylindrowymi umożliwia uzyskanie: mi-

9

nimalnych wymiarów zewnętrznych silnika, konstrukcji o dużej sztywności oraz do-brych warunków chłodzenia cylindrów. Najpoważniejszą wadą tego rozwiązania jest konieczność stosowania na cały kadłub materiału wysokiej jakości, który jest wymagany na tuleje cylindrowe, co zwiększa koszt konstrukcji oraz utrudnia odlewanie ze względu na własności lejne materiału.

Rozwiązanie z suchymi tulejami cylindrowymi charakteryzuje się tym, że wciskana w otwór cylindra tuleja cylindrowa nie styka się bezpośrednio z cieczą chłodzącą silnik. Ten typ tulei umożliwia odlanie całego kadłuba z gorszego materiału, a zastosowanie materiału o wysokiej jakości (żeliwo stopowe) jest konieczne tylko na tuleje cylindrowe. Sucha tuleja ma grubość na tyle małą, na ile pozwalają warunki prawidłowego wciśnię-cia jej w kadłub i wynosi zwykle 2÷4 mm. Aby zapewnić odpowiednie przyleganie tulei w kadłubie silnika, zewnętrzną jej powierzchnię szlifuje się, a gniazdo w kadłubie pod-daje gładzeniu. Rys. 2.5. Ze względu na sposób wykonania tulei cylindrowych kadłuby można podzielić na trzy grupy: a) odlany wraz z tulejami cylindrowymi, b) ze wstawianymi tzw. suchymi tule-jami cylindrowymi, c) ze wstawianymi tzw. mokrymi tulejami cylindrowymi.


Suche tuleje cylindrowe są bazowane w kadłubie za pomocą górnego kołnierza

lub za pomocą pierścienia zabezpieczającego przed wyrwaniem tulei w razie zatarcia tłoka. Suche tuleje nadają się najlepiej do kadłubów żeliwnych, a w przypadku kadłubów ze stopów lekkich ze względu na duży współczynnik rozszerzalności cieplnej stopów aluminium należy stosować specjalne metody osadzania tulei. Stosowany duży wcisk jest dobierany na podstawie pomiarów temperatury tulei i kadłuba, tak aby po rozgrza-niu się silnika w wyniku różnej rozszerzalności cieplnej tulei i kadłuba elementy te do-kładnie do siebie przylegały. Podstawową wadą tulei suchych są gorsze warunki chło-dzenia niż tulei mokrych.

Mokra tuleja cylindrowa powierzchnią zewnętrzną pozostaje w bezpośrednim kon-takcie z cieczą chłodzącą silnik. Dzięki temu wymiana ciepła między cieczą a gładzią cy-lindrową jest łatwiejsza niż w przypadku tulei suchej. Zastosowanie tulei mokrych znacznie upraszcza proces wytwarzania kadłuba. Tuleje mokre są obrabiane na gotowo i po osadzeniu w kadłubie nie wymagają żadnej obróbki. Osadzenie tulei oraz jej demon-taż są znacznie łatwiejsze niż w przypadku tulei suchych. Korzyści ze stosowania mo-krych tulei cylindrowych spowodowały, że znalazły one szerokie zastosowanie w budowie silników. Tuleje cylindrowe wykonuje się z żeliwa perlitycznego lub żeliwa stopowego.

Są stosowane dwa podstawowe sposoby mocowania mokrych tulei w kadłubie silni-ka:

10

z mocowaniem górnym i dolnym. Mocowanie górne polega na tym, że tuleja ma w górnej części kołnierz, za pomocą którego jest osadzona w gnieździe kadłuba. Uszczelnienie górnej części tulei uzyskuje się przez ścisłe przyleganie jej kołnierza do dokładnie płaskiej powierzchni wytoczenia w kadłubie. W celu uzyskania wymaganego docisku osiowego tulei do powierzchni uszczelniającej w kadłubie, kołnierz tulei wystaje zwykle 0,06÷0,2 mm ponad górną pły-tę kadłuba. Dolną część tulei uszczelnia się za pomocą dwóch lub trzech pierścieni z gumy syntetycznej odpornej na działanie oleju i wysokich temperatur. Pierścień gu-mowy ma średnicę wewnętrzną nieco mniejszą od średnicy dna rowka w tulei, aby był dokładnie napięty. Przed założeniem tulei pierścień wystaje 0,5 ÷ 1,0 mm.

Po wstawieniu tulei pierścień ulega odkształceniu i dzięki temu przylega szczel-nie do kadłuba. Zamocowanie tulei w górnej części powoduje, że ma ona swobodę wy-dłużania cieplnego przesuwając się dolną częścią do skrzyni korbowej. Nie występują w niej niepożądane odkształcenia na skutek ściskania. Wadą tych tulei jest duża nie chło-dzona strefa w górnej części tulei, co zmusza do przesunięcia na tłoku pierwszego pier-ścienia w dół (pierścień powinien znajdować się przy GMP w strefie chłodzonego cylin-dra). Przesunięcie pierścienia powoduje, że tłok staje się wyższy. Mocowanie dolne mokrej tulei cylindrowej polega na zastosowaniu kołnierza opo-rowego w dolnej części tulei. W tym przypadku nie ma konieczności stosowania uszczelnień gumowych. Wadą tego rozwiązania jest obciążenie tulei siłą osiową pocho-dzącą od nacisku głowicy niezbędnego do uzyskania szczelności cylindra, która prowa-dzi do odkształceń. Zaletą tej konstrukcji jest znacznie mniejsza strefa niechłodzona w porównaniu z tulejami z kołnierzem w górnej części kadłuba. Dlatego tuleje z osadza-niem w dolnej części są stosowane w małych silnikach o niezbyt dużych obciążeniach. Pośrednim rozwiązaniem w mocowaniu tulei jest zastosowanie kołnierza w środkowej części.

W silnikach chłodzonych cieczą w głowicach są wykonane kanały przepływu czynnika chłodzącego umożliwiające dotarcie cieczy do gorących miejsc w okolicach komory spalania.

11

Rys. 2.6. Sposób mocowania cylindrów.


5. Kadłuby i głowice silników chłodzonych powietrzem

Kadłuby silników chłodzonych powietrzem ze względu na konieczność dobrego opływu cylindrów powietrzem są wykonywane z oddzielnymi cylindrami. Kadłub jest więc właściwie skrzynią korbową. Do kadłuba silnika cylindry są mocowane tymi sa-mymi śrubami (szpilkami) co głowica lub przykręcane śrubami za pomocą dolnego koł-nierza. Mocowanie cylindra bezpośrednio do skrzyni korbowej za pomocą dolnego koł-nierza wpływa na zwiększenie sztywności kadłuba. Poza tym brak szpilek przechodzą-cych przez użebrowanie cylindra polepsza opływ powietrza. Jeśli chodzi o mon-taż, to ze względu na trudny dostęp do śrub mocujących dolny kołnierz cylindra znacz-nie wygodniejsze są długie szpilki, mocujące jednocześnie głowicę. Zwykle do mocowa-nia cylindra do skrzyni korbowej stosuje się cztery szpilki, ale w celu uzyskania odpo-wiedniego równomiernego rozkładu nacisków na uszczelkę pod głowicą stosuje się nie-kiedy pięć lub sześć szpilek.

W cylindrach silników chłodzonych powietrzem w celu zwiększenia powierzchni wymiany ciepła stosuje się gęste użebrowania o podziałce żeber przeciętnie 6÷8 mm. Wysokości żeber wynoszą 15+50 mm i mogą być zmienne w celu dostosowania do miej-scowych obciążeń cieplnych cylindra. Cylindry silników chłodzonych powietrzem wyko-nuje się zwykle z żeliwa stopowego, rzadziej ze stopów aluminium. W celu poprawienia

12

odporności na ścieranie gładź cylindra odlanego ze stopu aluminium pokrywa się war-stwą porowatego chromu o grubości 0,06÷0,12 mm.

W specjalnych wykonaniach cylindrów chłodzonych powietrzem stosuje się wtłaczanie do cylindrów ze stopów lekkich tulei żeliwnych (cylindry bimetaliczne). In-nym rozwiązaniem jest zalewanie tulei żeliwnych w cylindrach ze stopu lekkiego. Kon-strukcja taka zwiększa trwałość gładzi cylindra i polepsza warunki jego chłodzenia.

Głowice silników chłodzonych powietrzem odlewa się jako pojedyncze ele-menty. Stosowanie pojedynczych głowic nie tylko ułatwia ich odlewanie, ale umożliwia utrzymanie równomiernego docisku do tulei cylindrowej, co zapewnia szczelność.

Głowice silników chłodzonych powietrzem odlewa się ze stopów aluminium (si-luminów). Ze względu na zbyt małą wytrzymałość siluminów elementy silnie obciążone (komora spalania, obsady wtryskiwaczy i świec żarowych oraz gniazda zaworowe) są wykonywane ze stali i zalane w odlewie. Całość głowicy jest użebrowana w celu zapew-nienia odprowadzania ciepła. Ze względu na skomplikowane zewnętrzne kształty głowi-cy i silne obciążenie cieplne tego elementu dobór żeber w poszczególnych jej miejscach musi przebiegać ze szczególną starannością.

Aby utrwalić sobie informacje dotyczące różnic w budowie poszczególnych ele-

mentów korpusu silnika zależnie od metody jego chłodzenia, obejrzyj prezentację mul-timedialną.

W następnym module zostaną szczegółowo omówione podzespoły wchodzące w skład układu korbowo-tłokowego oraz przedstawiona budowa poszczególnych pod-zespołów i ich zastosowanie.

Moduł 3

Układ korbowy

1. Układ korbowo-tłokowy

1.1. Tłok 1.2. Dno tłoka 1.3. Strefa ogniowa 1.4. Strefa pierścieniowa 1.5. Pierścienie tłokowe

2. Korbowód 3. Wał korbowy 3.1. Czopy główne i korbowe 3.2. Ramiona 3.3. Magistrala olejowa

2

W tym module zostaną przedstawione zagadnienia dotyczące konstrukcji układu korbowo tłokowego. Ponadto zostanie omówiona budowa i funkcje takich podzespołów jak:

tłoki, korbowody, wały korbowe,

oraz części z nimi współpracujących.

1. Układ korbowo-tłokowy

Zadaniem mechanizmu korbowego silnika jest zamiana postępowo-zwrotnego ruchu tłoka na ruch obrotowy wału korbowego. Tłok jest sprężony z wałem korbowym za po-mocą korbowodu, który w czasie pracy silnika wykonuje ruch złożony. Ruch tłoka nada-je korbowodowi ruch postępowy, natomiast obracanie się korby wału korbowego wprawia korbowód w ruch wahadłowy wokół sworznia tłokowego, łączącego korbowód z tłokiem.

Rys. 3.1. Układ korbowo tłokowy.

Źródło: http://tuning.pl/_tuning_Wywazamy_uklad_korbowotlokowy-gid_1_aid_186_.html

1.1. Tłok Tłok silnika spalinowego stanowi ruchomą część komory spalania. Głównym zada-

niem tłoka jest przejęcie przez jego denko siły wywołanej ciśnieniem gazów. Następnie tłok przekazuje powyższą siłę, wraz z obciążeniem z własnych oporów bezwładności na sworzeń tłokowy i dalej na korbowód i wał korbowy.

Dawniej tłoki były wykonywane z żeliwa zwykłego lub stopowego. Wadą żeliwa jest jednak dość duży ciężar właściwy i stosunkowo niewielkie przewodnictwo cieplne.

Najczęściej stosowanym obecnie materiałem na tłoki są stopy aluminium z dodatkami krzemu, magnezu, miedzi, niklu. Zapewnia to wystarczająco niewielką wagę i w efekcie cały układ korbowy jest mniej obciążony w wyniku mniejszych (własnych) sił bezwładności.

Konstrukcja tłoka musi być odpowiednio odporna na wysokie obciążenia mechanicz-ne. Dodatkowo powinna uwzględnić możliwość:

odprowadzenia ciepła od gorącego denka, ogrzanego przez gazy o wysokiej tem-peraturze, do chłodzonych ścian cylindra,

prowadzenie tłoka w tulei cylindrowej i przejęcie bocznego nacisku, wynikające-go z kinetyki układu korbowego,

współpracy z tuleją cylindrową z możliwie małymi stratami na tarcie.

3

Tłok silnika samochodowego składa się z następujących części głównych: 1. dna z jego obrzeżem, zwanym strefą ogniową, 2. strefy pierścieniowej z rowkami na osadzenie pierścieni tłokowych, 3. płaszcza zapewniającego właściwe prowadzenie tłoka w cylindrze, 4. piast łożyskujących sworzeń tłokowy.

Rys. 3.2. Budowa tłoka.


1.2. Dno tłoka

Jest to najbardziej obciążona cieplnie część tłoka, dlatego jego kontakt z pozostałymi częściami, jak również ze ściankami cylindra musi zapewnić dobre odprowadzenie nadmiaru ciepła. W szczególnie obciążonych silnikach dna tłoków są dodatkowo chło-dzone przez natryskiwanie oleju od strony wewnętrznej albo przy pomocy dodatkowych kanałów olejowych, prowadzących olej pod ciśnieniem wewnątrz odlewu.

Na kształt dna tłoka wpływają takie czynniki jak: charakterystyczna dla danego silnika organizacja procesu spalania, rozmieszczenie zaworów, świec zapłonowych lub urządzeń wtryskowych.

Zwłaszcza w silnikach ZS system spalania ma bezpośredni związek z budową tłoka,

ponieważ w jego dnie częściowo lub całkowicie mieści się z reguły komora spalania.

1.3. Strefa ogniowa Jest to cylindryczna część ścian bocznych, przylegająca bezpośrednio do dna tłoka. Jej

głównym zadaniem jest oddzielenie pierścieni tłokowych od gorących gazów w komorze spalania i przestrzeni roboczej cylindra. We współczesnych silnikach wysokość strefy ogniowej wynosi 6,5%-8% średnicy cylindra. Tylko w silnikach wysokoprężnych

4

z komorą spalania całkowicie zagłębioną w tłoku wysokość ta sięga 15% średnicy cylin-dra.

1.4. Strefa pierścieniowa

Jest to boczna część ściany tłoka, żłobiona obwodowymi rowkami mieszczącymi pier-ścienie tłokowe. Ich zadaniem jest uszczelnienie tłoka w cylindrze i zgarnianie nadmiaru oleju z gładzi cylindrowej. Pasowanie między rowkami a pierścieniami ma decydujący wpływ na efektywną moc silnika, a także na poziom zużycia paliwa i oleju. W row-kach prowadzących pierścienie zgarniające (olejowe) znajdują się promieniowo usytu-owane otwory, odprowadzające nadmiar oleju do wnętrza tłoka.

1.5. Pierścienie tłokowe

W silnikach spalinowych czterosuwowych zazwyczaj występują trzy rodzaje pier-ścieni: a) pierścień uszczelniający (kompresyjny), b) pierścień kompresyjno-zgarniający, c) pierścień zgarniający (olejowy). a. Pierścień uszczelniający (kompresyjny) umieszczony jest w rowku najbliż-

szym denka tłoka. Pierścień ten uszczelnia komorę spalania, uniemożliwiając przedostanie się gazów powstałych w procesie spalania z komory do korpusu silnika. Gdy następuje zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej, ciśnienie gazów spalinowych oddziałuje na tłok, zmuszając go do ruchu w kierunku wału korbowego.

Rys. 3.3. Usytuowanie pierścieni na tłoku.

Źródło: www.pierscienietlokowe.com.pl

b. Pierścień kompresyjno-zgarniający umieszczony jest między pierścieniem uszczelniającym i zgarniającym. Jego zadaniem jest zatrzymanie gazów, które przedostały się przez pierścień uszczelniający oraz zgarnianie nadmiaru oleju z gładzi cylindra. Dlatego też ma on specjalny kształt powierzchni roboczej.

http://www.pierscienietlokowe.com.pl/

5

c. Pierścień zgarniający (olejowy) jest pierścieniem umieszczonym najniżej. Pier-ścień olejowy służy do zgarniania nadmiaru oleju ze ścianki cylindra podczas ru-chu tłoka. Olej wraca przez szczeliny w pierścieniu i tłoku do bloku silnika.

W silnikach dwusuwowych pierścień ten jest niepotrzebny, ponieważ olej dostarcza-ny jest z paliwem i jego spalanie jest zamierzone.

Pierścienie tłokowe uszczelniają komorę spalania, przekazują ciepło z tłoka do cylin-dra i kontrolują zużycie oleju. Aby pierścień spełniał swoje zadanie, musi mieć możli-wość sprężystego układania się pod wpływem wysokiej temperatury.

W tym celu pierścień włożony do cylindra musi posiadać na zamku szczelinę (tzw. luz zamka). Wielkość szczeliny zamka zależy od średnicy pierścienia oraz materiału, z jakiego pierścień został wykonany.

Pierścień ma dokładnie określony kształt, aby dokładnie przylegać do ścianek cylin-dra, co zapewni wymaganą szczelność. Odpowiedni kształt pierścienia uzyskuje się w procesie owalizacji. Kolejnym istotnym czynnikiem jest siła nacisku pierścienia na ścia-ny cylindra. Siła ta jest zwykle zależna od elastyczności materiału, z jakiego pierścień jest wykonany. Większość pierścieni wykonana jest z żeliwa szarego. Żeliwo łatwo do-stosowuje się do ściany cylindra, a dodatkowo łatwo je pokryć innymi materiałami, aby zwiększyć ich trwałość. Rys. 3.4. Pierścień kompensacyjny.


Pierścień kompresyjny Pierścień kompresyjny znajduje się najbliżej komory spalania i narażony jest na

największą ilość substancji powodujących korozje, jak i najwyższą temperaturę pracy. Przez pierścień kompresyjny przekazywane jest do 70% ciepła z tłoka do cylindra. Za-zwyczaj pierścień ten ma kształt prostokątny lub baryłkowy.

Pierścień z baryłką ma zakrzywioną powierzchnię roboczą, by umożliwić smarowanie pierścienia i ściany cylindra (pierścień ten nie zgarnia oleju, przez co jest lepiej smaro-wany). Zakrzywiona powierzchnia zmniejszyła możliwość zaniku warstwy oleju spowo-dowanego nadmiernym naciskiem pierścienia na cylinder. Rys. 3.5. Pierścień kompensacyjno-zgarniający.


6

Pierścień kompresyjno-zgarniający Pierścień kompresyjno-zgarniający jest kolejnym pierścieniem od denka tłoka.

Jego zadaniem jest tworzenie warstwy oleju o stałej grubości, co umożliwia smarowanie pierścienia kompresyjnego. Niektóre pierścienie mają tzw. nosek, czyli nacięcie, dzięki któremu lepiej zgarniają olej.

Niepoprawne zamontowanie pierścienia kompresyjno-zgarniającego powoduje więk-sze zużycie oleju, gdyż pierścień zamiast zgarniać olej ku wałowi korbowemu, wciska go do komory spalania. Rys. 3.6. Pierścień zgarniający.


Pierścień zgarniający (olejowy) Pierścień zgarniający posiada dwie wąskie powierzchnie robocze, a pomiędzy nimi

znajdują się owalne lub okrągłe otwory, którymi zgarnięty nadmiar oleju spływa do blo-ku silnika. Pierścienie olejowe wykonane są zazwyczaj z odpowiednio ukształtowanego odlewu. W wielu pierścieniach olejowych zastosowano sprężynę rozpierającą, by zwięk-szyć siłę nacisku na ścianki cylindra.

Materiałem na pierścienie jest przeważnie wysokogatunkowe żeliwo szare. Jego za-letami są: duża sprężystość, dobre właściwości poślizgowe, najwyższa odporność na ścieranie oraz wysokie temperatury i dobra obrabialność. Najwyższy pierścień, podlega-jący największym naprężeniom, jest często chromowany. Twarda i odporna na korozję warstwa chromu zmniejsza ścieralność pierścieni, a dobre właściwości poślizgowe osz-czędzają gładź cylindra.

Płaszcz tłoka Ta część służy głównie do poosiowego prowadzenia tłoka w cylindrze, choć ma rów-

nież pewne funkcje uszczelniające. Ponadto dzięki swej dużej powierzchni styku z gładzią cylindrową stanowi ona główną drogę odprowadzania ciepła z tłoka przez ścianki cylindra do układu chłodzenia silnika. W płaszczu tłoka umieszczone są piasty sworznia tłokowego. Ze względu na różnicę temperatur roboczych między górną a dolną częścią płaszcza jest on wykonywany w formie lekko stożkowej, zmieniającej się w cylindryczną dopiero przy pełnym rozgrzaniu silnika.

Sworzeń tłokowy Siła gazowa, działająca na tłok oraz siła bezwładności masy tłoka i sworznia tłokowe-

go, przenoszą się na korbowód poprzez sworzeń tłokowy. Końce sworznia osadzone są w piastach tłoka, a środkową część obejmuje główka korbowodu. Jest to połączenie przegubowe, w którym istnieje także możliwość przesuwania się główki korbowodu w kierunku osi sworznia w ramach luzu pomiędzy piastami tłoka a tą częścią korbowodu.

7

Sworzeń podlega naprężeniom zginającym, wywołanym głównie przez ciśnienie gazu i siły masowe. W normalnych, to znaczy rurowych sworzniach dochodzi do tego dalsze naprężenie na skutek spłaszczenia przekroju pierścieniowego. Dlatego sworzeń musi być wewnątrz ciągliwy, ale jego powierzchnia winna być możliwie twarda. Te warunki spełniają stale węglowe lub niskostopowe, poddane odpowiedniej obróbce cieplnej.

Aby sworzeń nie przesuwał się w kierunku osiowym, co mogłoby ewentualnie do-prowadzić do poważnego uszkodzenia gładzi cylindra, stosuje się jego zabezpieczanie w postaci sprężynujących pierścieni osadzonych w rowkach na zewnętrznej krawędzi sworznia lub otworu piasty. Innym rodzajem zabezpieczenia jest osadzanie sworzni w korbowodach.

Rys. 3.7. Sposoby zabezpieczania sworznia tłokowego.

Źródło: http://www.google.pl/url?sa=i&rct=j&q=osadzenie%20sworzni%20t%C5%82okowych.

Warunki pracy sworznia są niekorzystne, gdyż jest on obciążany dużymi, okresowo

zmiennymi siłami, poza tym silnie nagrzewany, a powierzchnie łożyskowane są skąpo smarowane

Ze względu na sposób ułożyskowania rozróżnia się następujące rodzaje sworzni: pływające, swobodnie obracające się zarówno w tłoku, jak i w główce korbo-

wodu, obecnie najczęściej stosowane, zaciśnięte w tłoku, a obracające się tylko w główce korbowodu, zaciśnięte w korbowodzie, a obracające się tylko w tłoku.

2. Korbowód

Korbowód to ważny element składowy silnika i ma trzy zadania: łączy tłok z wałem korbowym, zmienia posuwisty ruch tłoka w ruch obrotowy wału korbowego, przenosi siły powstałe po zapłonie mieszanki w komorze spalania na wał korbo-

wy, powodując powstanie na wale korbowym momentu obrotowego. Korbowód musi spełnić bardzo wysokie wymagania. Biorąc pod uwagę przenoszenie

ogromnych sił wzdłużnych, powstałych w wyniku zapłonu w komorze spalania nad tło-kiem. Do tego dochodzą siły przyśpieszenia i opóźnienia, powstałe przez ciągle zmienia-jącą się prędkość przemieszczania się tłoka, i to wszystko jeszcze połączyć trzeba z siła-

8

mi gnącymi, powstaje w rezultacie efekt ruchu wahadłowego. Z tych przyczyn korbowód musi prezentować ogromną mechaniczną wytrzymałość, ale z powodów całkowicie zrozumiałych powinien być też jak najlżejszy.

Budowa i kształt korbowodu: na górnym końcu znajduje się główka korbowodu.

W główce mieści się tuleja korbowodu, obejmująca sworzeń tłoka, łączący tłok z korbowodem. W takim połączeniu sworzeń „pływa” w główce korbowodu lub w piaście tłokowej sworznia, lub w obydwu. W niektórych konstrukcjach tuleja nie wy-stępuje, a wówczas sworzeń tłokowy mocowany jest w otworze główki tłoka mecha-nicznie (poprzez ścisk) lub termicznie, przez nagrzewanie główki (by się rozszerzyła) lub schładzanie sworznia (dwutlenkiem węgla), a wówczas swobodne mocowanie sworznia występuje w jego piaście tłokowej.

Od główki w dół korbowodu biegnie jego trzon. Łączy on główkę ze stopką korbowo-du. W celu uzyskania jak największej odporności na złamanie trzonu wykonuje się go jako odlew lub skuwkę o przekroju tzw. dwuteownika (przekrój takiego odlewu wygląda jak litera H). Ze względu na lekkość takiej formy, oszczędność materiału i odporność na zginanie taki kształt trzonu stanowi dziś standard. Co istotne, biorąc pod uwagę ogrom sił działających w nowoczesnych silnikach na korbowód, ów przekrój w kształcie litery H wydłuża się w „poprzeczce” w miarę dochodzenia do stopy korbo-wodu. Nie stosuje się trzonów o przekroju cylindrycznym i prostokątnym.

Stopa korbowodu wraz z pokrywą stopy (połączoną zwykle śrubami ze stopą) two-rzy dolny koniec korbowodu. Ten element korbowodu mocowany jest do wału korbo-wego. Mocowanie to ma miejsce w tzw. wykorbieniu wału, czyli w tej części, która ni-czym korba wychyla się w bok od osi wału. Samo miejsce mocowania nazywa się czo-pem wału korbowego. Powierzchnia czopu jest bardzo gładka, ponieważ stanowi jedną ze ścian łożyska ślizgowego. Drugą połowę tego łożyska stanowi panewka, czyli rozbie-ralny element łożyska ślizgowego.

Stosowanie panewek, a więc łożyska ślizgowego w punkcie połączenia korbowodu z wałem korbowym, jest uzasadnione wielką nośnością tego typu ułożyskowania, jego zdolnościami do tłumienia hałasów i trwałością. Ponadto łożysko ślizgowe zajmuje mniej miejsca i mniej waży w porównaniu do innych typów łożysk. Rys. 3.8. Łożysko ślizgowe.

Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/%C5%81o%C5%BCysko_%C5%9Blizgowe

9

Innego typu łożyska stosuje się w silnikach jedno- i dwucylindrowych oraz w silnikach dwusuwowych. Tu z powodu innego typu smarowania (nie olej z miski olejowej, tylko mieszanka paliwowo-powietrzno-olejowa) oraz wykorzystywania skrzy-ni korbowej do wstępnego sprężania, wał korbowy łączy się z korbowodem za pośred-nictwem łożysk walcowych lub ich odmiany, igłowych. W obu przypadkach przyczyną ich zastosowania są mniejsze wymagania smarne. Z konstrukcyjnego punktu widzenia istotny jest tu fakt, że w przeciwieństwie do rozwiązania z panewkami, tu łożysko jest nierozbieralne, jego montaż i demontaż wymusza stosowanie wału korbowego składają-cego się z wielu części. Korbowód wykonuje się z najlepszych możliwych materiałów. Nadaje się do tego np. uszlachetniana stal (odkuwka na gorąco), jak i uszlachetnione żeliwo (odlew).

3. Wał korbowy

Wał korbowy umożliwia zamianę ruchu posuwisto-zwrotnego tłoków i wahadłowego korbowodów na ruch obrotowy koła zamachowego.

Na wał korbowy działają siły gazowe, występujące w cylindrach silnika, a przez tłoki i korbowody przenoszone na czopy korbowe wału, oraz siły bezwładności, powstające wskutek obracania się wału i ruchów posuwisto-zwrotnych tłoków i korbowodów.

Siły te wywołują w wale naprężenia zginające i skręcające. Dokładne obliczenie tych naprężeń w wale korbowym silnika samochodowego jest praktycznie niemożliwe. Wy-miary prawidłowo zaprojektowanego wału są tak duże, że maksymalne naprężenia, ob-liczone od sił gazowych i sił bezwładności, są niewielkie w stosunku do wytrzymałości materiału wału.

Zdarzające się niekiedy wypadki pękania wałów są zawsze spowodowane zmęcze-niem materiału, wywołanym drganiami, które wynikają z działania zmiennych sił gazo-wych i sił bezwładności.

Rys. 3.9. Wał korbowy silnika czterocylindrowego.

Źródło: http://adrianolek.com/naukajazdy/pliki/silniki/uklady.htm#korba

Zasadnicze elementy wału korbowego:

1. Czopy główne. 2. Czopy korbowe. 3. Ramiona. 4. Magistrala olejowa.

10

3.1. Czopy główne i korbowe Wielkość czopów głównych wynika z uwzględnienia tych samych parametrów co

przy określeniu wymiarów czopów korbowych, tzn. nacisku jednostkowego, szybkości obwodowej i sztywności wału. Ze względu na to, że sztywność wału zależy przede wszystkim od wielkości średnicy czopów głównych, średnicę tę wykonuje się możliwie dużą. Ograniczeniem dla wielkości tej średnicy jest nieprzekraczanie prędkości obwo-dowej 13m/s dla silników ZS i 17m/s dla silników ZI.

Należy zwrócić uwagę, że w silnikach widlastych skrócenie czopów głównych może dać skrócenie silnika, ponieważ w tym przypadku o długości silnika decyduje długość układu korbowego, podczas gdy w silnikach rzędowych decyduje średnica cylindra. Ce-cha ta, związana z ustawieniem w silnikach widlastych dwóch korbowodów obok siebie na jednym czopie jest powodem, że silniki widlaste buduje się z zasady jako krótko sko-kowe, gdyż pozwala to na uzyskanie najmniejszego gabarytu i ciężaru.

3.2. Ramiona W wałach podpartych co każdy cylinder, ramiona są przeważnie całkowicie obrobio-

ne na powierzchniach prostopadłych do osi wału, gdyż przy gęsto umieszczonych ra-mionach korb nie ma możliwości wykonania dostatecznie dokładnej odkuwki. Również odkucie przeciwciężarów na takich ramionach jest utrudnione i dlatego w wałach tych przeciwciężary są najczęściej przymocowane do ramion.

3.3. Magistrala olejowa W czopach wału wykonane są najczęściej skośne otwory łączące parami czopy kor-

bowe z czopami głównymi. Przez te otwory dopływa do czopów korbowych olej smaru-jący. Otwory olejowe wykonuje się według generalnej zasady tak, aby się nie krzyżowały i w minimalnym stopniu osłabiały sztywność wału korbowego. Ze względów technolo-gicznych kanały powinny być krótkie (minimalne opory przepływu), z wyjściem na powierzchni czopa w miejscu niewielkich obciążeń klina olejowego oraz powinny się dać łatwo oczyścić z opiłków metalu, co zapobiega przykrym niespodzian-kom w czasie eksploatacji.

Najczęściej stosowanym rozwiązaniem silników z punktu widzenia układu cylindrów

jest silnik rzędowy, czterocylindrowy. Wał korbowy takiego silnika wytwarzany jest w najczęściej stosowanej, o bardzo dużej dokładności technologii produkcji, metodą ku-cia matrycowego. Wały te mają podpory główne co każde wykorbienie silnika, a ramiona korbowe, odpowiednio wyprofilowane i w środkowej części pocienione, two-rzą wraz z odkutymi razem, szerokimi przeciwciężarami charakterystyczne szczęki, mocno trzymające czopy korbowe wału.

Wały korbowe rzędowych silników czterocylindrowych wykonuje się często tylko z czterema (zamiast ośmiu) przeciwciężarami. Są one umieszczone na dwu ramionach zewnętrznych i dwu środkowych. Wał korbowy pod względem wzajemnego położenia czopów jest analogiczny do wału rzędowego silnika sześciocylindrowego z tym, że czopy korbowe nie są rozchylone pod kątem 120°, lecz nieco skorygowanym ze względu na 15° kąt rozwarcia dwu rzędów cylindrów. Podparcie wału na łożyskach głównych (co każde wykorbienie wału) jest, z punktu widzenia sztywności wału i silnika, rozwiązaniem bardzo korzystnym, jednak nie zawsze możliwym do zastosowania. W starszej kon-strukcji czterocylindrowych silników rzędowych stosowano często podparcie wału co dwa wykorbienia. Było to możliwe dzięki mniejszemu „wysileniu silników” i „przesztywnianiu” jego kadłuba. Takie podparcie wału występuje w dwucylindrowym

11

silniku Zl Cinquecento 704, z tunelowym, sztywnym kadłubem. Rzadko stosowane w samochodach dwucylindrowe, rzędowe silniki mogą mieć wał korbowy rozwiązany na dwa sposoby:

1. czopy korbowe mogą być po jednej stronie, 2. położone wzajemnie przeciwlegle.

To drugie rozwiązanie, ze względu na dużą nierównomierność odległości zapłonów (180° i 540°) nie jest stosowane w silnikach samochodowych. Natomiast w pierwszym przypadku wał korbowy może być podparty w sztywnym kadłubie na dwu podporach z jednym dużym przeciwciężarem w środku lub na trzech podporach z czterema przeciwciężarami. W kolejnym module zostaną szczegółowo omówione podzespoły wchodzące

w skład układu rozrządu oraz zostanie przedstawiona budowa poszczególnych podze-społów i ich przeznaczenie.

Moduł 4

Układ rozrządu

1. Konstrukcja układu rozrządu 1.1. Zasada działania 1.2. Nowoczesne rozwiązania 1.3. Układ rozrządu 1.4. Wałki rozrządu 1. 5. Zawory 1.6. Sprężyny zaworowe 1.7. Popychacze 1.8. Dźwigienki zaworowe 1.9. Układ zmiennych faz rozrządu 1.10. Po co w silniku zmienne fazy rozrządu?

1.11. System zmiennych faz rozrządu VTEC

2

1. Konstrukcja układu rozrządu

W tym module zostaną przedstawione zagadnienia dotyczące konstrukcji układu rozrządu. Ponadto zostanie omówiona budowa i funkcje takich podzespołów jak:

zawory, popychacze, wałki rozrządu

oraz rozwiązania techniczne stosowane w układach rozrządu. Układy rozrządu możemy podzielić na:

zaworowy w silnikach czterosuwowych, szczelinowy w silnikach dwusuwowych.

Ponadto można zastosować podział ze względu na umieszczenie wałka rozrządu: OHV – układ rozrządu, w którym wałek rozrządu umieszczony jest

w bloku silnika. Jest to układ górnozaworowy. „Napęd” do zaworów przeka-zywany jest za pomocą lasek popychacza oraz krzywek.

OHC lub SOHC – jeden wałek rozrządu umieszczony w głowicy silnika. Popy-chacze poruszane są bezpośrednio przez krzywki wałka.

DOHC – dwa wałki rozrządu umieszczone w głowicy, z których jeden steruje zaworami ssącymi, a drugi wydechowymi.

1.1. Zasada działania Układ rozrządu uzyskuje napęd od wału korbowego. Napęd może być przenoszony

poprzez pasek zębaty (powszechnie stosowane rozwiązanie w samochodach osobo-wych), łańcuszek rozrządu (lepsze rozwiązanie niż pasek zębaty, ale droższe i wymaga smarowania), koła zębate (stosowane w samochodach ciężarowych oraz w niektórych samochodach osobowych) lub tzw. wałek królewski.

Podczas jednego pełnego obrotu wałka rozrządu wał korbowy obraca się dwukrot-nie, dzięki czemu możliwe jest sterowanie zaworami. Podczas pierwszego obrotu wału korbowego, w czasie gdy w silniku odbywa się proces zasysania mieszanki lub powie-trza, otwarte są zawory ssące. Po procesie spalania następuje otwarcie zaworów wyde-chowych, co umożliwia szybkie i płynne odprowadzenie spalin.

W podstawowych układach, w których przypadają 2 zawory na jeden cylinder, z czego jeden z nich jest ssący i służy do zasysania mieszanki lub powietrza, a drugi wy-lotowy, czyli służący do odprowadzania spalin. W nowoczesnych silnikach stosowane są zwykle więcej niż 2 zawory na jeden cylinder. Poprzez zwiększenie ilości zaworów uzy-skujemy lepsze doprowadzenie mieszanki lub powietrza oraz znacznie szybsze odpro-wadzenie spalin, co w efekcie prowadzi do poprawienia osiągów silnika i zmniejszenia zużycia paliwa.

1.2. Nowoczesne rozwiązania W nowoczesnych samochodach osobowych coraz częściej stosowane są silniki z tzw.

zmiennymi fazami rozrządu. Oznacza to, że zawory mogą być otwierane bardziej lub mniej oraz w zmiennym czasie, zależnie od obciążenia silnika. Rozwiązanie to osiągnięto dzięki np. zastosowaniu ruchomych krzywek popychaczy lub przez możliwość obrotu wałka rozrządu w stosunku do napędzającego go koła pasowego.

Zmienne fazy rozrządu szczegółowo opisane są w tekście poniżej

3

1.3. Układ rozrządu W czterosuwowych silnikach samochodowych stosuje się zaworowy układ rozrzą-

du. Obecnie w nowych konstrukcjach silników występują jedynie układy górnozaworo-we (zawory umieszczone w głowicy). Układy dolnozaworowe, ze względu na nieko-rzystny kształt komory spalania, wychodzą całkowicie z użycia. Najczęściej stosowany jest układ z wałkiem rozrządu umieszczonym w kadłubie silnika. Dla silników o więk-szej prędkości obrotowej wałek rozrządu umieszcza się możliwie blisko głowicy, co daje zmniejszenie mas układu rozrządu.

Zadaniem mechanizmu rozrządu jest sterowanie napływem do cylindrów świeżej mieszanki oraz sterowanie usuwaniem z nich spalin. Mechanizm ten stosuje się we wszystkich silnikach czterosuwowych. W silnikach dwusuwowych okna dolotowe i wylotowe przesłania i odsłania tłok, jest to tzw. rozrząd tłokowy. Jednakże w dużych silnikach dwusuwowych można także niekiedy spotkać mechanizm rozrządu.

Rys. 4.1. Budowa układu rozrządu.


1.4. Wałki rozrządu Wałki rozrządu są przeważnie kute lub odlewane ze stali niskostopowych, a z wę-

glowych wałki są odkuwane, a następnie ich powierzchnie robocze krzywek, czopów i mimośrodów podlegają procesowi nawęglania i hartowania. W przypadku zastosowa-nia żeliwa sferoidalnego lub stopowego wałki są odlewane, a później hartowane. Krzyw-ki i mimośrody są hartowane powierzchniowo do głębokości ok. 2-7 mm. Wałki rozrzą-du mogą być także wykonywane z rury ciągnionej na zimno – powierzchnie pod czopy są utwardzane i szlifowane, a kute krzywki umieszcza się na wale poprzez wprasowanie.

4

Rys. 4.2. Budowa wałka rozrządu.

Źródło: http://autokult.pl/2011/01/24/walki-rozrzadu-budowa-i-dzialanie.

Zarys krzywek ma bardzo istotny wpływ na pracę rozrządu. Decyduje on

o szybkości i czasie otwierania oraz zamykania zaworów, ich przyspieszeniu, a co za tym idzie – także o siłach bezwładności działających na składowe elementy rozrządu. Można wyróżnić trzy główne rodzaje zarysu krzywek: styczna, harmoniczna i syntetyczna. Wszystkie zostały przedstawione na poniższym rysunku. Rys. 4.3. Rodzaje krzywek wałka rozrządu.

Źródło: http://autokult.pl/2011/01/24/walki-rozrzadu-budowa-i-dzialanie.

Wznios zaworu jest przeważnie podawany w milimetrach. To wysokość, na jaką nos krzywki unosi szklankę popychacza, co odpowiada odległości od czubka nosa do teore-tycznej podstawy okręgu, na którym opiera się profil krzywki. Wznios krzywki nie zaw-sze odpowiada skokowi zaworu.

W układzie z wałkiem rozrządu umieszczonym w kadłubie stosuje się z zasady je-

den wałek. Jedynie w niektórych silnikach widlastych stosowane są dwa wałki rozrządu po obu stronach wideł. Wałek rozrządu może też być umieszczony nad głowicą, co daje najmniejsze masy układu. Układ ten jest stosowany przede wszystkim w silnikach o zapłonie iskrowym i o największych prędkościach obrotowych. Każdemu zaworowi od-powiada oddzielna krzywka wałka rozrządu. Krzywki są wykonane na wałku rozrządu, który obracając się, wznosi i opuszcza zawory w odpowiedniej kolejności, co wynika z kątowego ustawienia krzywek. Wałek rozrządu jest napędzany od wału korbowego na kilka sposobów:

5

za pomocą kół zębatych, za pomocą łańcucha, za pomocą elastycznego paska zębatego.

W silnikach czterosuwowych prędkość obrotowa wałka rozrządu jest zawsze dwu-

krotnie mniejsza od prędkości obrotowej wału korbowego silnika, a więc przekładnia napędu wałka rozrządu ma przełożenie równe 2.

W silnikach z wałkiem rozrządu umieszczonym w kadłubie silnika zawory znajdują

się w głowicy cylindra i przebiegają przez prowadnice zaworów. Każdy zawór jest popy-chany przez wałek rozrządu za pośrednictwem popychacza zaworu i dźwigienki zawo-rowej.

Krzywki wałka rozrządu podnoszą popychacze, które przesuwają równocześnie do góry osadzone w nich drążki popychaczy. Drążki popychaczy przenoszą ruch na końce dźwigienek zaworowych, które z kolei obracają się na osi dźwigienek i w ten sposób za-mieniają ruch popychaczy z kierunku do góry na ruch końcówek dźwigienek zaworo-wych do dołu. Jeśli krzywka wałka rozrządu pozwoli opaść popychaczowi, sprężyna za-myka zawór. Rys. 4.4. Układ rozrządu z wałkiem umieszczonym w kadłubie silnika.


1. 5. Zawory Zawory silnikowe składają się z dwóch głównych części – grzybka oraz trzonka.

Przeciętnie w ciągu minuty każdy zawór otwiera się i zamyka ok. tysiąc razy, a w chwilach intensywnego przyspieszania nawet dwukrotnie częściej. Grzybki zawo-rów ssących rozgrzewają się do temperatury ok. 300–600oC, a wylotowych nawet do ok. 1000oC. Grzybek posiadający przylgnie pod kątem 30° lub 45°, czasami pokrytą warstwą alumi-nium, która (gdy zawór jest zamknięty) szczelnie przylega do stożkowej powierzchni gniazda zaworowego – uszczelniając komorę spalania. Trzonek, który prowadzi zawór i odprowadza ciepło z grzybka (niekiedy trzonki są drą-żone i wypełnione metalicznym sodem, którego temperatura topnienia wynosi 96°C, co daje dobre odprowadzanie ciepła). Trzonek zaworu porusza się w prowadnicy zaworo-

6

wej. Zawór jest dociskany do gniazda zaworowego sprężyną zaworową, umocowaną do końca trzonka zaworu za pomocą zamka.

Zadaniem grzybków jest uszczelnianie komory spalania w suwie pracy

i kierowaniem przepływu gazów w suwach pozostałych. Trzonek zaworowy prowadzi zawór i odbiera ciepło z grzybka zaworowego. W tak trudnych warunkach zawory mu-szą utrzymywać określone parametry geometryczne, a ich rozszerzalność cieplna musi być zgodna z tym, na co pozwala prowadnica zaworowa i gniazdo.

Zawory ssące są wykonane z wysokogatunkowej stali węglowej, chromowej lub in-nych nowszych stopów. Zawory wylotowe wykonywane są ze stali żaroodpornych, za-zwyczaj chromowo-krzemowych. W wybranych modelach zaworów w trzonkach znaj-dują się czasem wkładki z sodu, by skuteczniej odprowadzać ciepło.

Rys. 4.5. Zawór umieszczony w głowicy.


1.6. Sprężyny zaworowe Sprężyny zaworowe wykonane w kształcie linii śrubowej z drutu stalowego spręży-

nowego. Niekiedy stosuje się po dwie sprężyny na każdy zawór. Sprężyny spełniają dwa zadania:

zapewniają szczelność, nie powodują odrywania się popychacza od krzywki wałka rozrządu pod wpły-

wem siły bezwładności. 1.7. Popychacze Popychacze w silnikach samochodowych można podzielić, w zależności od przyjęte-

go kryterium, na kilka rodzajów. Jako element lub zespół bezpośrednio współpracujący z krzywką wałka rozrządu, można podzielić je na popychacze rolkowe i ślizgowe. Te pierwsze w zasadzie stosują w USA, natomiast te drugie o powierzchni czołowej pła-skiej, rzadziej lekko wypukłej, stosowane są w ogromnej większości w Europie. Drugi rodzaj popychaczy stosowany jest w silnikach z wałkiem rozrządu w kadłubie.

7

Popychacze można podzielić na bezobsługowe – hydrauliczne – i na zwykłe, mecha-niczne, wymagające okresowego kasowania luzu w układzie. Co prawda, jedna z japoń-skich firm uważa, że jej płytki regulacyjne luzu, umieszczone w popychaczach, wytrzy-mują bez regulacji pełny okres między naprawami silnika, to jednak powszechnie sto-sowane są popychacze hydrauliczne.

Trzeci podział uwzględnia średnicę popychaczy. Popychacze płaskie współpracują z krzywką na dużej powierzchni i dlatego w wersji „kadłubowej” mają powiększoną średnicę w części dolnej, natomiast hydrauliczne popychacze umieszczone w głowicy na całej długości mają dużą średnicę i często nazywane są popychaczami szklankowymi.

1.8. Dźwigienki zaworowe Tylko w przypadku górnego wałka rozrządu, umieszczonego bezpośrednio nad za-

worami, popychacze, na które działają krzywki wałka, naciskają bezpośrednio na czoło trzonka zaworu.

Najczęściej ruch popychaczy przekazywany jest zaworom za pośrednictwem dźwi-gni zaworowych, które przeważnie są dźwigniami dwustronnymi. Kształt dźwigni zaworu zaprojektowany jest w ten sposób, aby przy odpowiedniej wy-trzymałości miała ona możliwie mały moment bezwładności. Koniec dźwigni, naciskają-cy na stopkę trzonka zaworu wykonany jest z zasady w formie bieguna o powierzchni walcowej. Koniec dźwigni od strony popychacza współpracuje przeważnie z drążkiem popychacza. Dźwignie zaworowe są odlewane ze stali węglowej lub żeliwa i staliwa po-siadające otwór z tulejką z brązu

Rys. 4.6. Dźwignie zaworowe: a) – z próbą regulacyjną, b) – z rolką, c) – z gniazdem dla popychacza.


1.9. Układ zmiennych faz rozrządu Zmienne fazy rozrządu pozwalają na uzyskanie lepszych parametrów spalania, uza-

leżniając kąt otwarcia zaworu od wielkości aktualnych obrotów silnika czy sposobu, w jaki został naciśnięty pedał przyśpieszenia. Dzięki zmiennym fazom rozrządu silnik ma zwiększyć dynamikę naszego samochodu, a jednocześnie obniżyć apetyt na paliwo

Fazy rozrządu są to momenty otwarcia i zamknięcia zaworów w stosunku do poło-żenia wału korbowego. Moment otwarcia (lub zamknięcia) zaworu jest określany kątem położenia wału korbowego przed górnym martwym lub dolnym martwym położeniem tłoka. Zadane kąty otwarcia i zamknięcia zaworów mają wpływ na ilość zassanej mie-szanki do cylindra, poprawną kompresję, a następnie sprawne opróżnienie cylindra ze

http://naprawa-auta.wieszjak.pl/drobne-naprawy/251591,Jak-znalezc-niepracujacy-cylinder-i-przyczyne-tej-usterki.html

8

spalin. Oznacza to, że gdy tłok zbliża się do górnego martwego położenia (czyli wał jest na kilka stopni przed GMP danego tłoka), zawór ssący jest otwierany. Kiedy tłok rozpo-czął już ruch w dół cylindra, następuje zamknięcie zaworu wydechowego (następuje to kilka stopni po GMP tłoka). Kiedy tłok zassie mieszankę, znajdzie się w dolnym mar-twym położeniu (DMP) i rozpoczyna ruch w górę.

Wtedy następuje zamknięcie zaworu ssącego. Wykorbienie wału korbowego jest wtedy w pozycji np. 35 stopni od dolnego martwego położenia danego tłoka. Mieszanka jest sprężana. Później następuje zapłon i suw pracy, a zanim tłok osiągnie DMP (czyli wał jest na pewien kąt przed dolnym martwym położeniem tego tłoka), zawór wylotowy jest otwierany i już przygotowany do opróżnienia cylindra ze spalin. To oczywiście opis standardowego silnika benzynowego, w którym wtrysk paliwa jest realizowany przed cylindrem, a wałek rozrządu napędzany paskiem zębatym lub łańcuchem z wału korbo-wego w stosunku: na jeden obrót wałka rozrządu przypadają dwa obroty wału korbo-wego. Wpływ na kąty otwarcia i zamknięcia poszczególnych zaworów ma jedynie profil krzywek wałka rozrządu oraz poprawnie zamontowany pasek (łańcuch) rozrządu.

1.10. Po co w silniku zmienne fazy rozrządu? W powyższym opisie można zauważyć, że czasem zarówno zawór dolotowy, jak

i wylotowy jest otwarty. To tak zwany moment przekrycia. Takie ustawienie zaworów polepsza parametry pracy silnika przy wysokich obrotach, jednak powoduje straty w zakresie niższych obrotów. Dlatego producenci samochodów szukali możliwości roz-dzielenia bezpośredniej zależności faz rozrządu od położenia wału korbowego i kształtu krzywek wałka rozrządu. W układzie rozrządu pojawiły się działające na kilka sposobów regulatory. Dzięki możliwości regulacji faz rozrządu podniesiono moment obrotowy silnika, uzyskiwano bardziej płaski przebieg momentu, czym obniżano zuży-cie paliwa. Zmienne fazy rozrządu przyczyniły się wstępnie także do obniżenia ilości tlenków azotu w spalinach. Dzięki dłuższemu otwarciu zaworu wydechowego w zakre-sie niskich obrotów, pewna ilość spalin wraca do cylindra, co powoduje dopalenie NOx

(to tak zwana wewnętrzna recyrkulacja spalin). Pierwszy układ zmiennych faz rozrządu w seryjnie produkowanych silnikach zasto-

sowano w silniku Alfa Romeo w 1983 roku. Regulacja faz rozrządu może odbywać się jako dwu-, trzyzakresowa lub jako regulacja ciągła. W trakcie regulacji niezmienna po-zostaje wartość kąta otwarcia zaworu oraz zwykle jego skok. Regulacja faz rozrządu od-bywa się w zależności od obciążenia i prędkości obrotowej silnika.

Jednym z pierwszych sposobów był system dwustopniowej regulacji Vanos (rys. 4.7) stosowany w silnikach samochodów BMW. Elektroniczne urządzenie sterujące, wy-korzystując sygnały z czujników obciążenia i prędkości obrotowej silnika, określa sygnał sterujący wykonawczego układu hydraulicznego. Sygnał sterujący ustala położenie za-woru elektromagnetycznego 1 umożliwiające przepływ oleju do układu uruchamiające-go 4. Siła pochodząca od ciśnienia oleju powoduje przesunięcie wałka 2 połączonego z elementem regulacyjnym 5, który znajduje się w piaście koła łańcuchowego napędu wałka rozrządu. Wałek rozrządu zmienia swoje położenie kątowe, powodując zmianę faz rozrządu (w tym przypadku dolotowych). W zakresie niskich prędkości element re-gulacyjny obraca wałkiem rozrządu, zmniejszając kąt początku otwarcia zaworów dolo-towych. W średnim zakresie prędkości obrotowych, powyżej określonej wartości, ele-ment regulacyjny obraca wałek rozrządu w kierunku wcześniejszego otwarcia zaworów dolotowych. Po przekroczeniu pewnej prędkości obrotowej element regulacyjny usta-wia wałek rozrządu ponownie w położeniu późniejszego otwarcia zaworów dolotowych.

9

Rys. 4.7. Mechanizm zmian faz rozrządu Vanos firmy BMW. l – zawór elektromagnetyczny, 2 – wałek przesuwny, 3 – skośne koło zębate powodu-

jące obrót wałka rozrządu, 4 – układ uruchamiający, 5 – element regulacyjny


W silniku Audi V6 zmianę faz rozrządu (rys. 4.8) rozwiązano, stosując napinacz łań-

cucha regulacji faz rozrządu. Do zmiany położenia wałka rozrządu sterującego zawora-mi dolotowymi służy napinacz łańcucha przenoszącego napęd między wałkami rozrządu zaworów dolotowych i wylotowych. Napinacz obraca wałkiem rozrządu zaworów dolo-towych w taki sposób, że początek ich otwarcia zmienia się o kąt 22° od położenia wyj-ściowego ustalonego względem GM.

W tym celu napinacz przesuwa do góry lub odpycha do dołu ciągnącą część łańcucha o 8 mm. W prawej głowicy silnika należy odpychać ku dołowi dolną część łańcucha, w lewej zaś unosić górną część łańcucha znajdującego się między kołami łańcuchowymi. Regulacja działania napinacza jest elektroniczna i zależy od prędkości obrotowej, obcią-żenia i temperatury silnika. Napinacz jest poruszany za pomocą siłownika hydrauliczne-go, napełnianego olejem silnikowym.

Rys. 4.8. Napinacz łańcucha regulacji faz rozrządu Audi A6.


10

Podane przykłady realizacji zmian faz rozrządu umożliwiają zmianę momentu otwarcia i zamknięcia zaworu, pozostawiając bez zmian czas otwarcia zaworu i jego skok. Realizacja wszystkich zadań możliwa jest dzięki elektromagnetycznemu napędowi zaworów. Ponadto ten sposób napędu umożliwia czasowe wyłączenie z pracy cylindrów. W silniku z elektromagnetycznym napędem zaworów nie ma wałka rozrządu. Do otwie-rania i zamykania zaworu służą dwa elektromagnesy. Zawory są sterowane całkowicie niezależnie jeden od drugiego przez układ elektroniczny silnika. W położeniu całkowite-go otwarcia lub zamknięcia zawór jest wyhamowywany sprężyną, która po włączeniu elektromagnesu przyspiesza jego ruch w kierunku przeciwnym. Przy elektromagnetycz-nym napędzie zaworów są one otwierane bardzo szybko w momencie optymalnym do panujących warunków pracy. Zmianie mogą ulegać dowolne fazy rozrządu oraz czas ich otwarcia. Jest to sposób uruchamiania zaworów, który może w przyszłości stać się sys-temem powszechnie stosowanym.

Układy regulacji faz rozrządu są konstrukcjami skomplikowanymi i drogimi. Korzy-ści zmian faz rozrządu w postaci lepszego kształtowania charakterystyki momentu ob-rotowego, szczególnie w zakresie niskich prędkości obrotowych, powodują, że coraz więcej firm decyduje się na stosowanie tego układu w swoich silnikach.

1.11. System zmiennych faz rozrządu VTEC VTEC – Variable Valve Timing and Lift Electronic Control. W języku polskim

VTEC oznacza zmienny czas oraz wznios zaworów sterowany elektronicznie. Honda wprowadziła system VTEC w 1988 roku. Od tego czasu powstało wiele jego od-mian, w których zmiany były czasem jedynie kosmetyczne. Mimo wszystko można wy-różnić kilka głównych wersji. Podstawowy mechanizm VTEC, tak jak i jego bardziej rozbudowane wersje, wykorzystuje hydraulicznie sterowany sworzeń, który służy do spięcia pracy poszczególnych dźwigni zaworowych. W 16-zaworowym silniku na każdy cylinder przypadają 2 zawory dolotowe i wylotowe. Przy zastosowaniu systemu VTEC, pracą 2 zaworów dolotowych sterują dwie krzywki o odmiennym kształcie za pośrednictwem dźwigni zaworowych. Jedna z krzywek ma bardziej „sportowy” kształt i wymusza dłuższy czas otwarcia zaworów oraz większy wznios. W normalnych warunkach dźwignie zaworowe poruszane przez krzywki pracują niezależnie. Powyżej pewnych obrotów następuje spięcie ich za pomocą wspomnianego sworznia i obie dźwignie pracują według zarysu kształtu ostrzejszej krzywki. Rys. 4.9. System VTEC.

Źródło: http://www.wykop.pl/ramka/776673/zmienne-fazy-rozrzadu-po-japonsku-czyli-jak-dziala-vtec/

http://s1.blomedia.pl/autokult.pl/images/2011/06/VTEC1.jpg

11

DOHC VTEC System zmiennych faz rozrządu oparty na działaniu dwóch wałków rozrządu

(DOHC) był pierwszą z zaprezentowanych przez Hondę konfiguracji. Zmienny czas oraz wznios zaworów dotyczy w tym przypadków zarówno zaworów dolotowych, jak i wydechowych. Budowa wałka i dźwigni zaworowych jest również bardziej rozbudo-wana w stosunku do podstawowego mechanizmu. Pomiędzy każde dwie pary mechanizmu krzywka-dźwignia zaworowa, jakie przypadają na dwa zawory wylotowe bądź dolotowe poszczególnego cylindra, inżynierowie Hondy wstawili kolejną. Krzywka na wałku, odpowiadająca za poruszanie trzecią dźwignią zaworową, jest ostrzejsza. Jej kształt zapewnia wyraźnie dłuższe czasy otwarcia zawo-rów oraz większy wznios. Każda para zaworów posiada więc dwie krzywki niskoobro-towe oraz jedną wysokoobrotową. Jak sama nazwa wskazuje, praca tej ostatniej uak-tywnia się na wyższych obrotach silnika. Rys. 4.10. System DOHC VTEC.

Źródło: http://www.wykop.pl/ramka/776673/zmienne-fazy-rozrzadu-po-japonsku-czyli-jak-dziala-vtec/

Włączany jest wówczas elektrozawór, który powoduje wzrost ciśnienia w kanale, w którym umieszczony jest sworzeń. Po przesunięciu poziomym łączy on wszystkie trzy dźwignie zaworowe w jedną, a praca zaworów sterowana jest środkową krzywką, dzięki czemu silnik otrzymuje większą ilość powietrza oraz paliwa, za co odpowiada komputer sterujący.

SOHC VTEC Po sukcesach związanych z systemem VTEC Honda zastosowała układ zmiennych

faz rozrządu do silników z pojedynczym wałkiem. Działanie systemu jest identyczne jak w przypadku DOHC. Różnica polega na tym, że trzecia krzywka wstawiana jest pomiędzy dwie dźwignie tylko zaworów dolotowych. W przypadku zaworów wylotowych nie ma na to miejsca m.in. przez przewody świec zapłonowych. Trzecia krzywka steruje ruchem elementu na kształt dźwigni zaworowej, która służy tylko do połączenia przesuwnym sworzniem dwóch pozostałych dźwigni zaworowych.

W kolejnym module zostaną szczegółowo omówione zagadnienia dotyczące ukła-

dów zasilania silników z zapłonem samoczynnym.

http://s2.blomedia.pl/autokult.pl/images/2011/06/VTEC.jpg

Moduł 5

Układy zasilania silników o zapłonie iskrowym

1. Gaźnikowe systemy zasilania silników ZI 2. Wtrysk benzyny 3. SPI – jednopunktowy wtrysk paliwa 4. MPI – wielopunktowy wtrysk paliwa 5. GDI – wtrysk bezpośredni 6. Części składowe układu wtryskowego benzyny 7. Układ zasilania gazem LPG

2

W tym module zostaną przedstawione zagadnienia dotyczące konstrukcji układów za-silania silników z zapłonem iskrowym. Ponadto zostanie omówiona budowa i funkcjonowanie podzespołów układów gaźnikowych oraz wtryskowych. W silnikach z zapłonem iskrowym występują dwa podstawowe rodzaje zasilania:

gaźnikowe systemy zasilania, wtryskowe systemy zasilania. 1. Gaźnikowe systemy zasilania silników ZI Zasilanie gaźnikowe jest stosowane w silnikach i pojazdach starszych generacji. Układ

zasilania gaźnikowego składa się z głównych elementów przedstawionych na rys. 5.1. W układzie tym paliwo ze zbiornika (1) jest tłoczone przewodem (4) za pomocą pompy (3) do gaźnika (7). Za pomocą siatkowego filtru (2) i filtru dokładnego oczyszczania (5) paliwo jest oczyszczane z zanieczyszczeń stałych. Powietrze, oczyszczone uprzednio w filtrze (6), dopływa do gaźnika dzięki zassaniu przez silnik lub jest tłoczone przez zasilającą sprężarkę. W gardzieli gaźnika paliwo jest wysysane przez przepływające powietrze i powstaje mie-szanka, która przez rurę ssącą (8) i przewody kolektora dolotowego (9) dopływa do po-szczególnych cylindrów. Ogólną ilość mieszanki dostarczanej do silnika można regulować przepustnicą (10). Zasadniczym urządzeniem dawkującym paliwo i ułatwiającym wymie-szanie go z powietrzem jest gaźnik. Jego konstrukcja powinna zapewnić właściwy skład mieszanki w zależności od warunków pracy silnika, łatwy rozruch zimnego silnika, prawi-dłową pracę na biegu jałowym, szybki chwilowy wzrost mocy silnika w czasie gwałtownego przyspieszania, optymalne zużycie paliwa oraz minimalną toksyczność spalin. Najprostszy gaźnik, zwany elementarnym, składa się z następujących głównych elementów: • komory pływakowej z pływakiem i zaworem odcinającym, • dyszy i rozpylacza, • gardzieli, • przepustnicy.

Rys. 5.1. Schemat gaźnikowego układu zasilania. 1 - zbiornik paliwa, 2 - siatkowy filtr wstępnego oczyszczania, 3 - pompa paliwa, 4 - prze-wód paliwa, 5 - filtr dokładnego oczyszczania paliwa, 6 - filtr powietrza, 7 - gaźnik, 8 - rura ssąca, 9 - kolektor dolotowy, 10 – przepustnica.

Źródło: Baczewski. K , Kałdonski T., Paliwa do silników o zapłonie iskrowym, WKiŁ, Warszawa 2005 Taki elementarny gaźnik nie zapewnia realizacji wszystkich stawianych mu zadań pod-czas pracy silnika, dlatego musi być wyposażony w następujące urządzenia dodatkowe:

• rozruchu i nagrzewania zimnego silnika,

3

• zasilania i pracy na biegu jałowym, • przyspieszania, • oszczędzacza (ekonomizera).

Gaźniki w takiej wersji były ciągle udoskonalane, ale granice ich możliwości zostały osiągnięte w końcu lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku, gdy wzrosły wymagania do-tyczące małego zużycia paliwa przez silnik i coraz mniejszej toksyczności spalin. W tym okresie nastąpił proces elektronizacji gaźnika – gaźnik oparty na działaniu ukła-dów mechanicznych został wyposażony w dodatkowe układy i w elektroniczne stero-wanie, co umożliwiło jego współpracę z układem katalitycznego oczyszczania spalin. Gaźnik elektroniczny, w odróżnieniu od konwencjonalnego, jest wyposażony w dodat-kowe urządzenia i układy, tj.:

• układ dodatkowej mieszanki na biegu jałowym, którego zadaniem jest zapew-nienie stałego składu mieszanki niezależnie od prędkości obrotowej; w rezultacie zostaje ograniczona emisja CO,

• układ utrzymujący skład mieszanki bliski stechiometrycznemu, • układ kompensujący wtryskiwaną dawkę paliwa w czasie przyspieszania zależ-

nie od temperatury silnika, • urządzenie zmniejszające prędkość zamknięcia przepustnicy podczas hamowa-

nia silnikiem, co zapobiega chwilowemu wzbogaceniu mieszanki, a tym samym zmniejsza emisję HC,

• urządzenie odcinające dopływ paliwa do gaźnika przy zamkniętej przepustnicy i prędkościach obrotowych większych niż prędkość biegu jałowego (jazda z góry).

Gaźniki elektroniczne są tańsze w produkcji od układów wtryskowych i pozwalają na spełnienie mniej wymagających norm toksyczności spalin. W związku z aktualnymi po-ziomami normy EURO 5 nie są stosowane i wyszły już z użycia.

2. Wtrysk benzyny

Coraz ostrzejsze ograniczenia emisji spalin w technice samochodowej spowodo-wały dominację silników zasilanych wtryskiem benzyny. Nadal przeważają układy two-rzące mieszankę poza komorą spalania (wtrysk pośredni – SPI i MPI). Układy tworzące mieszankę wewnątrz komory spalania, czyli układy bezpośredniego wtrysku benzyny (GDI – Gasoline Direct Injection) zyskują na znaczeniu, ponieważ charakteryzują się znacznym zmniejszeniem zużycia paliwa.. Współcześnie mają znaczenie tylko elektro-nicznie sterowane układy wielopunktowego wtrysku benzyny (MPI) wyposażone w in-dywidualne wtryskiwacze każdego cylindra. Zespół wielopunktowego wtrysku pośred-niego ma po jednym wtryskiwaczu na każdy cylinder silnika (MPI – Multi Point Injec-tion); paliwo jest wtryskiwane przed zaworem dolotowym (rys. 5.2.). Zespoły wie-lopunktowego wtrysku pośredniego mają realne szanse nadal spełniać wymagania do-tyczące układu przygotowania mieszanki.

4

Rys. 5.2. Schemat działania wielopunktowego wtrysku paliwa MPI: 1 – dopływ paliwa, 2 – dolot powietrza, 3 – przepustnica, 4 – kolektor dolotowy powietrza, 5 – wtryskiwacze paliwa, 6 – silnik ZI, Ust – napięcie sterujące otwarciem wtryskiwaczy

. Źródło: http://forum.opel24.com/topic/26471-co-to-jest-i-do-czego-sluzy/

Układ K-Jetronic jest mechanicznym układem pośredniego wtrysku benzyny bez napędu obcego i wtryskuje paliwo w sposób ciągły. W tym układzie wprawdzie paliwo jest do-starczane przez wtryskiwacze, lecz jego ilość dokładnie odmierza urządzenie wtryskowe – regulator składu mieszanki. Układ KE-Jetronic skonstruowano na podstawie mecha-nicznego układu wtryskowego K-Jetronic, który wyposażono w elektroniczne sterowa-nie. Dzięki elektronicznemu przetwarzaniu danych układ ten realizuje dodatkowe funk-cje, które umożliwiają dokładniejsze dostosowanie ilości wtryskiwanego paliwa do zmiennych chwilowych warunków pracy silnika. Elektronicznie sterowane układy po-średniego wtrysku benzyny dostarczają paliwo porcjami za pomocą elektromagnetycz-nych wtryskiwaczy. Ilość wtryskiwanego paliwa jest ustalana czasem otwarcia wtryski-wacza (przy znanym ciśnieniu paliwa w obwodzie przed wtryskiwaczem).

Przykłady: układy L-Jetronic, LH-Jetronic oraz zintegrowany system sterowania silnika Motronic (M i ME). Układ wtryskowy zwany jednopunktowym lub centralnym (SPI – Single Point Injection) jest sterowany elektronicznie. Ma on zespół wtryskowy zawierający elektromagnetyczny wtryskiwacz paliwa w centralnym miejscu przed prze-pustnicą i dawkuje paliwo porcjami do kolektora dolotowego (rys. 5.3). Układy SPI firmy Bosch są oznaczone jako Mono-Jetronic (wtrysk niezintegrowany z układem zapłono-wym) lub Mono-Motronic (wtrysk zintegrowany z układem zapłonowym). W układach wielopunktowego bezpośredniego wtrysku benzyny paliwo jest wtryskiwane do komory spalania przez elektromagnetyczne wtryskiwacze sterowane elektronicznie. Każdy cy-linder ma indywidualny wtryskiwacz (rys. 5.4), a tworzenie mieszanki odbywa się we-wnątrz komory spalania. Podczas pracy na mieszance jednorodnej, podobnie jak przy zewnętrznym tworzeniu mieszanki, istnieje ona w całej przestrzeni komory spalania; cała ilość powietrza w przestrzeni roboczej bierze udział w procesie spalania. Ten tryb pracy stosuje się przy dużym zapotrzebowaniu momentu obrotowego. W trybie pracy na mieszance uwarstwionej tylko w otoczeniu świecy zapłonowej mieszanka jest palna, a w pozostałej części komory spalania znajduje się świeże powietrze i resztka spalin (nie ma niespalonego paliwa). Ten tryb pracy stosuje się na biegu jałowym oraz przy częścio-wym obciążeniu i wówczas ogólny współczynnik nadmiaru powietrza jest bardzo duży

5

(przy zróżnicowaniu lokalnej wartości współczynnika 1). Powoduje to znaczne zmniej-szenie zużycia paliwa. Do sterowania wtryskiem bezpośrednim używa się sterowników Motronic MED.

Rys. 5.3. Schemat działania jednopunktowego wtrysku paliwa SPI:1 - dopływ paliwa, 2 - dolot powietrza, 3- przepustnica, 4 - kolektor dolotowy, 5 - wtryskiwacz paliwa, 6 - silnik ZI, Ust – napięcie sterujące otwarciem wtryskiwaczy.

Źródło: http://forum.opel24.com/topic/26471-co-to-jest-i-do-czego-sluzy/

Rys. 5.4. Schemat działania bezpośredniego wielopunktowego wtrysku benzyny GDI 1 - dopływ paliwa, 2 – dolot powietrza, 3 - przepustnica, 4 - kolektor dolotowy powietrza, 5 - wtryskiwacz paliwa, 6 - silnik ZI, 7 - recyrkulacja spalin, Ust - napięcie sterujące otwar-ciem wtryskiwaczy.

Źródło: Autodiagnostyka – poradnik serwisowy.

http://forum.opel24.com/topic/26471-co-to-jest-i-do-czego-sluzy/

6

Rys. 5.5. Schemat działania mechanicznego wielopunktowego, ciągłego wtrysku paliwa: 1 - dopływ paliwa, 2 - dolot powietrza, 3 - przepustnica, 4 - kolektor dolotowy powietrza, 5 – wtryskiwacz paliwa, 6 - silnik ZI, 7 - rozdzielacz paliwa.


3. SPI – jednopunktowy wtrysk paliwa Jednopunktowy wtrysk paliwa (rys. 5.7.) należy do najprostszych i dlatego opra-

cowano wiele jego rozwiązań. Parametry tego układu mogły być niższe, a podzespoły dzięki temu po prostu tańsze. W układach jednopunktowego wtrysku ciśnienie paliwa wynosi najczęściej 0,1 MPa i jest stabilizowane z dość dużą dokładnością, nawet 0,003 MPa. Było to konieczne zwłaszcza w systemach otwartych, tzn. bez sondy lambda. Pali-wo podawane jest ze zbiornika paliwa za pomocą pompy paliwa przez filtr ssący i dalej filtr na tłoczeniu do tzw. zespołu wtryskiwacza. Jednopunktowy układ wtryskowy po-siada jeden elektronicznie sterowany wtryskiwacz. Jest on zamontowany na kolektorze dolotowym silnika, centralnie w stosunku do cylindrów, bezpośrednio nad przepustnicą we wspólnej z nią obudowie i stanowi wraz z nią zespół wtryskowy. Kolektor dolotowy przejmuje rolę rozdzielacza mieszanki palnej do poszczególnych cylindrów. W syste-mach wtryskowych paliwa jednopunktowych SPI podzespół formujący mieszankę pali-wowo-powietrzną nosi nazwę zespół wtryskowy. Zespół ten składa się z dwu innych, mianowicie: zespołu wtryskiwacza i zespołu przepustnicy. Typowe przykłady zespołów wtryskiwaczy systemów SPI przedstawiono na rys. 5.8 i 5.9.

7

Rys. 5.7. Układ paliwowy jednopunktowego wtrysku paliwa SPI typu Mono-Jetronic.


Rys. 5.8. Zespół wtryskiwacza typu Mono-Jetronic.


8

Rys. 5.9. Zespół wtryskiwacza stosowany w pojazdach marki Ford firmy Weber.


Zasadniczym elementem konstrukcyjnym zespołu wtryskiwacza jest wtryskiwacz pali-wa sterowany impulsami elektrycznymi ze sterownika systemu. Ze względu na koniecz-ność uzyskania bardzo małych dawek paliwa przy pracy ciepłego silnika na biegu jało-wym oraz maksymalnych dawek dla w pełni obciążonego silnika, gdy jest on jeszcze zimny, czasy otwarcia muszą być od minimalnych (od ok. 0,8 ms) do praktycznie ciągłe-go otwarcia przy dużym zapotrzebowaniu na dawkę paliwa. Krótkie czasy otwarcia wy-magają dużych prądów płynących w uzwojeniu elektromagnesu wtryskiwacza. Wymusi-ło to zmniejszenie rezystancji uzwojeń do ok. 1÷1,5 Ω. Aby nie przegrzewać uzwojeń wtryskiwacza stosuje się ograniczenie prądu, gdy czasy otwarcia są dłuższe niż 1 ms lub stosuje się w szereg z uzwojeniem wtryskiwacza rezystory o wartości ok. 3 Ω. Dodatko-wym sposobem ograniczenia nagrzewania się wtryskiwacza jest chłodzenie go całym strumieniem pompowanego paliwa do zespołu wtryskowego. Paliwo dopiero po omyciu (schłodzeniu) uzwojeń kierowane jest do regulatora ciśnienia paliwa. Zadaniem regula-tora ciśnienia paliwa jest stabilizacja jego ciśnienia na stałym poziomie, niezależnym od napięcia zasilania pompy paliwa, jej stanu technicznego i różnic w drożności filtrów pa-liwa, bez względu na wielkość aktualnie wtryskiwanej dawki paliwa. Ponieważ wtrysk paliwa odbywa się do obszaru, w którym panuje ciśnienie otoczenia, czyli ciśnienie at-mosferyczne (chyba, że filtr powietrza staje się coraz mniej drożny), to nie ma potrzeby korygowania ciśnienia paliwa wartością podciśnienia w kolektorze dolotowym. Regula-tor ciśnienia ma prostą budowę, niekiedy wyposażony jest we wkręt umożliwiający ko-rektę ciśnienia paliwa. Zazwyczaj wkręt jest w jakiś sposób zabezpieczony przed niepo-trzebną ingerencją. Typowe regulatory ciśnienia paliwa systemów SPI przedstawiono na rys. 5.10, natomiast typowe przykłady wtryskiwaczy ww. zespołów przedstawia rys. 5.11.

9

Rys. 5.10. Przykłady regulatorów ciśnienia paliwa zabudowanych w zespołach wtryski-waczy. W lewym górnym narożniku – regulator ciśnienia paliwa w zespole wtryskiwacza systemu Mono-Jetronic firmy Bosch, w prawym – rozwiązanie stosowane w pojazdach marki Ford, a w dolnej części – stosowane w pojazdach marki Fiat, Peugeot i innych, firmy Weber.


Rys. 5.11. Wtryskiwacze systemów SPI. W lewej części znajduje się wtryskiwacz firmy Delco, w środku firmy Weber, w prawej – wtryskiwacz firmy Bosch.


4. MPI – wielopunktowy wtrysk paliwa

Wielopunktowy układ wtrysku benzyny (rys. 5.12.) posiada zamontowane w kanałach dolotowych wtryskiwacze w liczbie równej liczbie cylindrów. Tworzenie mieszanki paliwowo–powietrznej odbywa się w kanale dolotowym oraz wewnątrz cy-lindrów. Istnieją trzy typy wielopunktowych układów wtryskowych: z jednoczesnym

10

wtryskiem paliwa do wszystkich cylindrów, z sekwencyjnym oraz półsekwencyjnym wtryskiem paliwa. Wtryskiwacze sekwencyjnego układu wtrysku paliwa otwierają się w takt kolejności zapłonów w cylindrach. Czujnik umiejscowiony na wale korbowym lub przy wałku rozrządu wskazuje cylinder, w którym ma nastąpić wtrysk paliwa. Współ-czesne systemy wtryskowe spełniające normę OBD (diagnozy pokładowej systemu zasi-lania silnika) są konstruowane jako tzw. wtrysk sekwencyjny, czyli realizujący synchro-niczne otwarcie wtryskiwacza paliwa w momencie otwarcia zaworu ssącego silnika. Ta-kie rozwiązanie gwarantuje bardzo dobre ujednorodnienie mieszanki paliwowo-powietrznej, co jest szczególnie ważne dla fazy nagrzewania się silnika. Paliwo podane do obszaru otwartego zaworu, gdy przepływ powietrza jest tam bardzo turbulentny, gwarantuje dobre rozpylenie, odparowanie i ujednorodnienie składu mieszanki. Drugi powód rozdzielenia pracy wtryskiwaczy, czyli ich indywidualne sterowanie, wynika z konieczności indywidualnej korekty dawki paliwa dla danego cylindra, aż do możliwości wyłączenia go z pracy, aby ochronić katalizator, gdy w danym cylindrze występują braki zapłonów (tzw. wypadanie zapłonów). Groziłoby to dopalaniem mieszanki (faza bez-płomieniowa) w katalizatorze, a to z kolei – wzrostem temperatury, aż do wytopienia ceramiki i utraty właściwości katalitycznych. W systemie półsekwencyjnym paliwo jest podawane do cylindrów przez wtryskiwacze włączane parami. Czas otwarcia poszcze-gólnych wtryskiwaczy zależy w dużym stopniu od temperatury, obciążenia, prędkości i warunków pracy silnika. Układy wtryskowe wielopunktowy i jednopunktowy mają po-dobne obwody zasilania w paliwo. Przedstawiony na rys. 5.12 układ paliwowy systemu wielopunktowego wtrysku wyposażono we wtryskiwacz rozruchowy. Współczesne sys-temy nie mają już tego wtryskiwacza. Układ paliwowy, a właściwie obieg paliwa każde-go systemu, zaczyna i kończy się w zbiorniku paliwa samochodu.

Rys. 5.12. Przykład wtrysku wielopunktowego KE-Jetronic.

Źródło: www.mechatronika.pl/ poradnik serwisowy.

http://www.mechatronika.pl/

11

5. GDI – wtrysk bezpośredni

Bezpośredni wtrysk benzyny jest rodzajem wtrysku wielopunktowego, w którym wtryskiwacze podają paliwo od razu do komór spalania w cylindrach (rys. 5.13). Rys. 5.13. Bezpośredni wtrysk benzyny.

Źródło: www.mechatronika.pl/ poradnik serwisowy

Bezpośredni wtrysk (rys. 5.14 i 5.15.) jest projektowany tak, aby dostarczyć potrzebne paliwo o prawidłowym ciśnieniu i rozdrobnieniu. Kolejne wtryski synchronizowane są z procesami w cylindrach. Sygnał ze sterownika określa czas otwarcia każdego wtryski-wacza. Dłuższy impuls oznacza zwiększenie wtryśniętej dawki paliwa. Czas otwarcia jest wyznaczany przez elektroniczny sterownik na podstawie wskazań różnych czujników pomiarowych. Podstawowym zadaniem sterownika jest również uruchomienie pompy paliwa poprzez przekaźnik. W odróżnieniu od silników z wtryskiem pośrednim, układ zasilania silników z wtryskiem bezpośrednim zawiera dwie pompy i dwa regulatory ci-śnienia. Pierwszy zestaw pompa–regulator odnosi się do obwodu niskiego ciśnienia układu paliwowego, który dostarcza paliwo do drugiego, wysokociśnieniowego zestawu pompa–regulator. Układ wtryskowy uzupełniają zasobnik paliwa wysokiego ciśnienia i wtryskiwacze. W przeciwieństwie do wtryskiwaczy montowanych w kolektorze dolo-towym, w przypadku bezpośredniego wtrysku benzyny wtryskiwacze są montowane w głowicy cylindra.


12

Rys. 5.14. Przykładowy schemat układu wtrysku bezpośredniego.

Źródło: Autodiagnostyka-poradniki serwisowy.

Rys. 5.15. Układ wtrysku bezpośredniego.

Źródło: www.mechatronika.pl/ poradnik serwisowy


13

6. Części składowe układu wtryskowego benzyny

Zbiornik paliwa (rys. 5.16.) jest wykonany z arkuszy cienkiej blachy lub z tworzywa sztucznego. Umieszcza się go daleko od silnika, np. pod siedzeniami tylnymi lub pod podłogą bagażnika, aby uniknąć zapalenia się paliwa podczas ewentualnej koli-zji drogowej. Zbiornik posiada przewód wlewowy, przez który jest wlewane do jego wnętrza paliwo, korek spustowy (nie zawsze występuje) oraz zespół czujnika poziomu paliwa, pokazujący w zestawie wskaźników ilość pozostającego paliwa. Dodatkowo zbiornik paliwa jest podzielony przegrodami na kilka przedziałów. Przegrody przeciw-działają burzeniu się paliwa podczas gwałtownych przechyłów nadwozia. Paliwo jest zasysane przez przewód ssący, umieszczony 2 do 3 cm ponad najniższym miejscem zbiornika. Koniec przewodu nie styka się z dnem zbiornika, dzięki czemu nie jest zasy-sana woda oraz osady gromadzące się z czasem na dnie. Nadmiar paliwa, który nie zo-stał wtryśnięty do cylindrów powraca do zbiornika przewodem powrotnym (uwaga: przewód powrotny nie występuje we wszystkich układach zasilania benzyną). Rys. 5.16. Przykładowy zbiornik paliwa.

Źródło: www.mechatronika.pl/poradnik serwisowy

W samochodach z silnikami benzynowymi zbiornik jest odpowietrzany. Jednak, aby powstające w zbiorniku pary paliwa nie przedostawały się do atmosfery i zanieczyszczały ją węglowodorami lekkimi, stosuje się układ zatrzymujący pary paliwa w filtrze z węglem aktywnym i odprowadzający je w sposób kontrolowany do silnika i spalane. W zbiorniku jest umieszczona elektryczna pompa paliwa, która tworzy na ogół jeden zespół z czujnikiem poziomu paliwa i filtrem paliwa (rys. 5.17). Elektryczna pompa paliwa składa się z: • pokrywy z przyłączami (rys. 5.18, A), w której niekiedy mogą być umieszczone ele-menty przeciwiskrzeniowe, • silnika elektrycznego (rys. 5.18, B),


14

• części tłoczącej (rys. 5.18, C) w postaci pompy wyporowej lub przepływowej. Pompa paliwa ma za zadanie dostarczenie paliwa do układu zasilania, zapewnienie od-powiedniego ciśnienia paliwa, przynajmniej równego ciśnieniu wymaganemu w układzie (zalecana jest nadwyżka ciśnienia podawanego przez pompę w stosunku do ciśnienia ustalanego przez regulator w celu utrzymania pełnego napełnienia układu) oraz zapewnienie odpowiedniego wydatku (większego od maksymalnego zużycia pali-wa przez silnik). W niskociśnieniowych układach wtryskowych stosowane są dwa ro-dzaje pomp paliwa: pompa rolkowo-komorowa (obecnie już nie występuje) i pompa wirnikowa. Pompa wirnikowa składa się z dwóch części: elektrycznej i mechanicznej. Część elektryczna to silnik prądu stałego z wirnikiem obmywanym paliwem, który na-pędza mechaniczną pompkę tłoczącą paliwo. Pompa wirnikowa jest najczęściej pompą dwustopniową, w której oba stopnie są pompami obwodowo–wirnikowymi zespolony-mi w jednym wirniku. Rys. 5.17. 1 - zbiornik paliwa, 2 - elektryczna pompa paliwa umieszczona w zbiorniku, 3 - filtr paliwa, 4 - regulator ciśnienia paliwa, 5 - zasobnik paliwa, 6 - przewód dopływu pali-wa, 7 - przewód odpływu nadmiaru paliwa, 8 - wtryskiwacz paliwa.

Źródło: Informator techniczny Bosch. W czasie ruchu obrotowego wirnika paliwo w wieńcu łopatkowym uzyskuje energię kinetyczną, która zostaje zamieniona na energię ciśnienia w kanałach bocznych przyle-gających do wirującego wieńca. Pompa wirnikowa składa się z dwóch części: elektrycz-nej i mechanicznej. Część elektryczna to silnik prądu stałego z wirnikiem obmywanym paliwem, który napędza mechaniczną pompkę tłoczącą paliwo. Pompa wirnikowa jest najczęściej pompą dwustopniową, w której oba stopnie są pompami obwodowo–wirnikowymi zespolonymi w jednym wirniku. W czasie ruchu obrotowego wirnika pa-liwo w wieńcu łopatkowym uzyskuje energię kinetyczną, która zostaje zamieniona na energię ciśnienia w kanałach bocznych przylegających do wirującego wieńca.

15

Rys. 5.18. Budowa pompy zasilającej na przykładzie pompy przepływowej: 1 - złącze elek-tryczne, 2 - króciec przewodu tłoczenia, 3 - zawór zwrotny,4 - szczotki węglowe, 5 - twor-nik silnika z magnesami stałymi, 6 - wirnik pompy przepływowej, 7 - króciec dopływu paliwa.

Źródło: Informator techniczny Bosch.

Urządzenia wtryskowe w silnikach ZI charakteryzują się najwyższą precyzją. Aby

nie uległy uszkodzeniu, wymagają skutecznego oczyszczania paliwa. Filtr w obwodzie zasilania paliwem, wychwytujący cząstki oddziałujące ściernie, może być zainstalowany jako wymienny filtr szeregowy albo wbudowany w zbiornik paliwa na stałe. W wytrącaniu zanieczyszczeń w formie cząstek stałych przy przepuszczaniu przez sito występują także takie zjawiska, jak zderzenia, dyfuzja oraz efekty zaporowe. Skutecz-ność wytrącania zależy od wielkości i prędkości przepływu cząstek zanieczyszczeń. Ma-teriałem filtracyjnym jest fałdowany papier, częściowo przesycony specjalnym im-pregnatem. Filtr jest tak wbudowany w obwód zasilania paliwem, aby przez całą po-wierzchnię materiału filtracyjnego paliwo przepływało w przybliżeniu z jednakową prędkością. W układach zasilania silników o pośrednim wtrysku benzyny wkład filtra-cyjny ma średni wymiar porów – około 10 µm. W układach zasilania silników GDI, w któ-rych wymaga się jeszcze lepszego filtrowania, zanieczyszczenia o wielkości ponad 5 µm muszą być wytrącone w 85%. Ponadto w silnikach GDI resztki zanieczyszczeń w nowym filtrze, cząstki metalowe, mineralne, z tworzyw sztucznych lub włókien szklanych o wy-miarze powyżej 200 µm są niedopuszczalne. Czas użytkowania (gwarantowany przebieg do wymiany) konwencjonalnych filtrów szeregowych w zależności od pojemności filtra wynosi 60 000 do 90 000 km. Filtry wbudowane w zbiornik paliwa mają gwarancję prze-biegu 160 000 km. W silnikach GDI stosuje się filtry (zarówno szeregowe, jak i we wnętrzu zbiornika paliwa) o gwarantowanym przebiegu ponad 250 000 km. Obudowy filtrów wyko-nuje się jako stalowe, aluminiowe lub z tworzyw sztucznych (bez żadnych części metalo-wych). Połączenia filtrów z obwodem zasilania paliwem mogą być gwintowe, elastyczne obciskane albo szybkiego mocowania (zaciskowe). Skuteczność filtrów zależy od kierun-ku przepływu. Dlatego przy wymianie filtra szeregowego należy bezwzględnie za-chować oznaczony strzałką właściwy kierunek przepływu paliwa przez filtr.

16

Rys. 5.19. Filtr paliwa: 1 - pokrywa, 2 - obudowa, 3 - wkład filtrujący, 3 - tarcza usztywnia-jąca.


Zasobnik paliwa (Fuel Rail), zwany także przewodem rozdzielczym lub ko-

lektorem paliwa, stosowany w silnikach o pośrednim wielopunktowym wtrysku benzy-ny (MPI), spełnia następujące zadania: podłączenie i mocowanie wtryskiwaczy, groma-dzenie paliwa, zapewnienie równomiernego rozdziału paliwa między wtryskiwacze. Oprócz wtryskiwaczy, do zasobnika paliwa zwykle jest montowany regulator ciśnienia, a czasami także tłumik ciśnienia. Zasobnik paliwa projektuje się tak, aby zmniejszyć lokal-ne zmiany ciśnienia (dzięki odpowiedniemu doborowi jego wymiarów) wskutek rezo-nansu przy otwieraniu i zamykaniu wtryskiwaczy. Dzięki temu eliminuje się nierówno-mierność wtryskiwanych dawek paliwa zależną od obciążenia i prędkości obrotowej silnika. W zależności od wymagań producentów różnych typów pojazdów, zasobniki pa-liwa wytwarza się ze stali stopowej albo z tworzyw sztucznych. Dla ułatwienia diagno-zowania oraz demontażu podczas obsługi często przewiduje się także zawór diagno-styczny zintegrowany z zasobnikiem paliwa. W silnikach GDI zasobnik paliwa stanowi element obwodu wysokiego ciśnienia, gdyż jest umieszczony za pompą wysokiego ci-śnienia. W silnikach o wtrysku pośrednim, wtryskiwana dawka paliwa zależy od czasu wtrysku (otwarcia wtryskiwacza) i różnicy ciśnień paliwa w obwodzie zasilania oraz powietrza w kolektorze dolotowym. W obwodach zasilania paliwem wyposażonych w odpływ nadmiaru paliwa wpływ ciśnienia jest kompensowany, gdyż regulator ciśnie-nia utrzymuje stałą różnicę ciśnień między kolektorem dolotowym i zasobnikiem pali-wa. Regulator ciśnienia paliwa kieruje do zbiornika tyle paliwa, aby różnica ciśnienia na wtryskiwaczach pozostawała stała. Regulator ciśnienia paliwa standardowo jest mon-towany na końcu zasobnika paliwa, aby umożliwić całkowite jego przepłukanie. W ob-wodach zasilania bez odpływu nadmiaru paliwa regulator ciśnienia paliwa jest monto-wany w zbiorniku paliwa. Wówczas ciśnienie w zasobniku paliwa przybiera stałą war-tość względem ciśnienia otoczenia. Różnica ciśnień względem ciśnienia w kolektorze do-lotowym nie jest wtedy stała, co musi być uwzględniane przy obliczaniu czasu wtrysku. Regulator ciśnienia paliwa jest przeponowym zaworem przelewowym (rys. 5.20). Prze-pona (4) z gumowanej tkaniny, umieszczona w regulatorze, oddziela komorę paliwa od komory powietrza, w której znajduje się sprężyna. Sprężyna (2) przez podstawę zaworu (3), stanowiącą całość z przeponą i ruchomą tarczą zaworu, naciska na gniazdo zaworu. Gdy parcie paliwa na przeponę spowoduje przekroczenie siły oporu sprężyny, wówczas zawór się otworzy i do zbiornika zacznie odpływać paliwo. Wskutek wypływu pewnej ilości paliwa zostanie zrównoważony układ sił na przeponie zaworu, który wówczas się zamknie. W układach o pośrednim wtrysku benzyny komora powietrza ze sprężyną jest

17

połączona z kolektorem dolotowym za przepustnicą. Podciśnienie w kolektorze doloto-wym oddziałuje w nich na przeponę po stronie sprężyny. Na przeponie ustala się taki sam stosunek ciśnień, jak na wtryskiwaczach. Dlatego spadki ciśnienia na wtryskiwa-czach zależą od siły sprężyny i powierzchni przepony, czyli pozostają stałe. W układach GDI trzeba dokonywać regulacji w obwodach zarówno wysokiego, jak i niskiego ciśnienia. Regulator ciśnienia paliwa stosowany w obwodzie niskiego ciśnienia silników GDI jest taki sam, jak opisany poprzednio regulator stosowany w układach o wtrysku pośrednim. Rys. 5.20. Regulator ciśnienia paliwa DR2. 1 - króciec przewodu połączony z kolektorem dolotowym, 2- sprężyna, 3 - podstawa zaworu, 2 - przepona, 3 - zawór, 4 - dopływ paliwa, 5 - odpływ nadmiaru paliwa.


Ubytki paliwa wskutek wtrysku i okresowe przepływy w obwodach zasilania paliwem z wyporowymi pompami paliwa są przyczynami powstawania pulsacji ciśnienia paliwa. Drgania te mogą wywoływać zjawiska rezonansowe i zakłócać dokładność dawkowania paliwa. Może także wystąpić przenoszenie drgań pompy, przewodów i zasobnika paliwa przez elementy mocowania na nadwozie pojazdu wywołujące hałas. Problemy te roz-wiązuje się odpowiednio kształtując elementy mocowania i wprowadzając specjalny tłumik drgań ciśnienia paliwa. Tłumik drgań ciśnienia paliwa jest zbudowany podob-nie, jak regulator ciśnienia: wnętrze tłumika jest podzielone przeponą (napinaną przez sprężynę) na komorę paliwa i powietrza. Siła sprężyny jest tak dobrana, że przepona odrywana od położenia równowagi przez zmienne ciśnienie paliwa szybko je odzyskuje. Zmieniająca się objętość komory paliwa tłumi występujące piki ciśnienia paliwa i zmniejsza amplitudę jego drgań. Przy pulsacjach bezwzględnego ciśnienia paliwa uwa-runkowanych ciśnieniem w przewodzie dolotowym, które zawsze mają korzystny wpływ, komorę paliwa tłumika można wyposażyć w króciec służący do połączenia z ko-lektorem dolotowym. Podobnie jak regulator ciśnienia, w układach wtrysku pośredniego tłumik może być usytuowany przy zasobniku paliwa albo w przewodzie paliwa. Nato-miast w układach zasilania GDI tłumik jest umieszczony przy pompie wysokiego ciśnie-nia. Przewody, którymi paliwo przepływa od zbiornika do wtryskiwaczy, mogą być sztyw-nymi rurkami metalowymi bez szwu lub elastycznymi przewodami wykonanymi z wytrzy-małych, trudnopalnych tworzyw sztucznych. Przewody paliwa muszą być tak usytuowa-ne, aby nie były narażone na uszkodzenia mechaniczne, a w przypadku nagromadzenia w nich wykroplonego lub rozcieńczonego paliwa było ono jeszcze zapalne. Wszystkie elementy obwodu zasilania paliwem muszą być chronione przed nagrzewaniem zakłóca-

18

jącym przepływ, a paliwo nie powinno przemieszczać się w nich pod działaniem sił bez-władności. Elektrycznie sterowane wtryskiwacze pod ciśnieniem wtryskują paliwo do przewodów dolotowych poszczególnych cylindrów silnika. Umożliwia to dokładne dopa-sowanie dawki paliwa do zapotrzebowania silnika. Wyznaczenie dawki wtrysku jest koń-cowym etapem działania elektronicznego sterownika, który oblicza ją na podstawie sy-gnałów otrzymywanych od czujników systemu sterowania silnika. Elektromagnetyczny wtryskiwacz paliwa (rys. 5.21) składa się z obudowy (9) z gniazdem złącza elektrycznego (8) i króćcem dopływu paliwa (1), cewki elektromagnetycznej (4), ruchomej iglicy rozpy-lacza (6) z kotwicą magnetyczną i kulką uszczelniającą, gniazda iglicy (10) z płytką rozpy-lacza (7), sprężyny (5). W celu zapewnienia bezawaryjnego działania części wtryskiwacza doprowadzające paliwo są wykonane ze stali odpornej na korozję. Filtr siatkowy (3) w króćcu dopływu paliwa chroni wtryskiwacz przed zanieczyszczeniami. Współcześnie stoso-wane wtryskiwacze charakteryzuje osiowy kierunek dopływu paliwa z góry na dół. Przewód dopływu paliwa jest mocowany zaciskowo do króćca wtryskiwacza w sposób zapewniający niezawodność połączenia. Pierścień uszczelniający o przekroju okrągłym (O-ring) na króćcu dopływu paliwa zapewnia szczelność dopływu paliwa z zasobnika. Złącze elektryczne wtryskiwacza jest połączone przewodem ze sterownikiem. Gdy w elektromagnetycznej cewce wtryskiwacza nie płynie prąd, wówczas sprężyna oraz siła wynikająca z ciśnienia paliwa dociskają kulkę zaworu iglicowego do gniazda. W tym sta-nie obwód zasilania paliwem jest odcięty od przewodu dolotowego. Gdy w cewce wtry-skiwacza płynie prąd, wówczas powstaje pole elektromagnetyczne, które podnosi iglicę rozpylacza. Kulka unosi się w gnieździe zaworu i następuje wtrysk paliwa. Po wyłącze-niu prądu wzbudzenia zawór iglicowy znów zostaje zamknięty siłą sprężyny. Rozpylenie paliwa umożliwia płytka rozpylacza o jednym lub wielu otworkach. Wytłoczone otworki zapewniają długotrwałą niezmienność wtryskiwanej dawki paliwa. Płytka rozpylacza jest niewrażliwa na przywieranie nagaru i osadów z paliwa. Kształt strumienia wtryskiwa-nego paliwa zależy od liczby i usytuowania otworków rozpylacza. Rys. 5.21. Budowa elektromagnetycznego wtryskiwacza EV6: 1- króciec dopływu paliwa, 2 - pierścień uszczelniający (O-ring), 3 - filtr siatkowy, 4 - cewka, 5 - sprę-żyna, 6 - iglica rozpylacza z kotwicą magnetyczną i kulką uszczelniającą, 7 - płytka iglicy rozpylacza, 8 - złącze elektryczne, 9 - obudowa wtryskiwacza, 10 - gniazdo iglicy rozpylacza.


19

Dobrą szczelność zaworu w gnieździe gwarantuje sposób uszczelnienia stożek-kulka. Wtryskiwacz paliwa jest wciśnięty w specjalny otwór w przewodzie dolotowym, a dolny pierścień uszczelniający zapewnia szczelność połączenia. Wtryskiwana w jednostce cza-su dawka paliwa jest określona:

ciśnieniem paliwa w obwodzie zasilania, ciśnieniem powietrza w przewodzie dolotowym, kształtem strumienia wtryskiwanego paliwa.

Elektromagnetyczne wtryskiwacze paliwa są ciągle udoskonalane, ze względu na stale zwiększające się wymagania dotyczące ich wytwarzania, jakości, niezawodności i masy.

7. Układ zasilania gazem LPG Najprostszym systemem gazowym jest instalacja mieszalnikowa. Takie systemy

swego czasu były jedynymi dostępnymi na rynku i nadal są z powodzeniem stosowane w starszych generacjach samochodów. Instalacje mieszalnikowe (1. generacji) stanowiły podstawowy zestaw montażowy do silników zasilanych za pomocą gaźników. Istniały dwa rodzaje instalacji gazowych 1. generacji: z podciśnieniowym lub elektrycznym za-bezpieczeniem przeciwwypływowym z reduktora-parownika. Jest to jedno z ważniejszych zabezpieczeń samochodowych instalacji gazowych, zamykające wypływ gazu z reduktora przy niepracującym silniku. Regulacja składu mieszanki w tych ukła-dach następowała tylko przez zmianę wydajności reduktora pod wpływem prędkości obrotowej i obciążenia – była niedoskonała.

Rys. 5.22. Budowa reduktora gazu.

Źródło: http://gazeo.pl/lpg/technika-lpg/reduktory-lpg/Reduktory-w-gazowych-ukladach-zasilania,artykul,5886.html

Rozwinięciem tego typu jest instalacja 2. generacji, z regulacją przepływu gazu pomiędzy reduktorem a mieszalnikiem. Zamontowany na wężu łączącym oba urządze-nia silnik krokowy (podobny do regulującego prędkość obrotową biegu jałowego w

20

układzie benzynowym) przez zmianę przekroju, korzystając z sygnału sondy lambda, reguluje skład mieszanki gazowo-powietrznej tak, by utrzymać jej stechiometryczny skład (lambda=1). Takie układy są dość powszechne nawet obecnie, stanowią blisko 50% montowanych instalacji gazowych również w samochodach z wielopunktowym wtryskiem benzyny (obok systemów wtrysku gazu). Instalacje 2. generacji z powodze-niem zdają egzamin w samochodach wyposażonych w układ EOBD dzięki zastosowaniu odpowiedniego emulatora

W systemach 1. i 2. generacji bardzo ważny jest odpowiedni dobór mieszalnika montowanego w układzie dolotowym, tak by ilość podawanego gazu była dostosowana do zapotrzebowania silnika. Należy wybrać mieszalnik uznanych dostawców, czasami dużo droższy od tanich, dostarczanych przez mniejsze zakłady. Większe koszty mogą w dłuższej perspektywie przynieść znaczne oszczędności na zużyciu paliwa gazowego. Używane obecnie systemy 2. generacji są wyposażane w nowoczesne reduktory, często zintegrowane z wkładami filtrów gazu. Są to urządzenia niezawodne i przy odpowied-niej eksploatacji służące przez długie lata. Są również stosunkowo odporne na zanie-dbania eksploatacyjne. Rys. 5.23. Mieszalnik.

Źródło: https://www.google.pl/search?q=mieszalnik+gazu

W przypadku układów mieszalnikowych, gdzie gaz jest podawany na początku

kolektora dolotowego (jak przy zasilaniu gaźnikowym), cała jego objętość jest wypeł-niona gotową do zapłonu mieszanką gazowo-powietrzną. W razie nieprawidłowego działania układu następuje spalanie mieszanki w kolektorze. Jeżeli jest on wykonany ze stopów aluminium, to często nie ma to żadnych konsekwencji (czasem może dojść do wysunięcia z króćca jakiegoś węża). Stosowane powszechnie klapy przeciwwybuchowe zabezpieczają przepływomierz oraz obudowę filtra powietrza. Takie zachowanie jest jednak sygnałem, że coś w silniku zaczyna niedomagać, najczęściej w układzie zapłono-wym (np. zużyta świeca).

21

Rys. 5.24. System wtrysku gazu LPG.

Źródło: http://zamel.com.pl/pl/subpage/3,sekwencyjny-wtrysk-gazu-easy-jet

W kolektorze wykonanym z tworzywa sztucznego w większości przypadków do-szłoby do jego uszkodzenia. Dlatego w silnikach wyposażonych w tego typu kolektory dolotowe stosuje się wyłącznie systemy wtrysku gazu. Na początku były to proste ukła-dy zasilania nadciśnieniowego, sterowane pneumatycznie (przez zmiany podciśnienia w kolektorze). Wyprowadzone z urządzenia dozującego gaz rurki były montowane w ko-lektorze dolotowym, jak najbliżej zaworów dolotowych (w kolektor wkręcano kalibro-wane dysze dostosowujące wydajność układu do zapotrzebowania silnika). W ten spo-sób objętość kolektora wypełnioną mieszanką gazowo-powietrzną ograniczano do mi-nimum, a zatem nawet przy wystąpieniu nawrotu płomienia jego skutki były niezauwa-żalne (czasami nawet niesłyszalne). Tego typu układy nazwano umownie 3. generacją. Były one z powodzeniem użytkowane w silnikach doładowanych. Rozwinięciem ukła-dów 3. generacji są systemy określane mianem 4. generacji, które stanowią większość montowanych systemów gazowych. Są one wyposażone w sekwencyjnie działające wtryskiwacze, otwierane elektromagnetycznie. W tych układach jako sygnały sterujące są wykorzystywane impulsy służące do wysterowania wtryskiwaczy benzynowych. Z tego względu montaż takiej instalacji jest stosunkowo prosty i mało pracochłonny. Są to najbardziej zaawansowane układy stosowane do zasilania najnowocześniejszych jedno-stek.

Na podobnej zasadzie działają systemy wtrysku gazu w stanie ciekłym, określane jako 5. generacja. Właściwie dostępny jest jeden tego typu system, LPI holenderskiej firmy Vialle. Różnica w stosunku do wcześniejszych generacji polega na tym, że paliwo gazowe jest utrzymywane w postaci ciekłej w całym układzie, a jego odparowanie na-stępuje dopiero w kanałach dolotowych, po wtryśnięciu. Dzięki temu poprawia się na-pełnianie cylindrów, słaby punkt układów poprzednich generacji. Poprawa napełniania

22

wynika z ochłodzenia ładunku dostarczanego do cylindrów przez gwałtownie odparo-wujący gaz. Dzięki temu moc silnika pozostaje na takim samym poziomie jak przy zasi-laniu benzyną, a w pewnych zakresach prędkości obrotowych nawet ją przewyższa. Układy tego rodzaju nie rozpowszechniły się z uwagi na stosunkowo duże zużycie pali-wa i problemy eksploatacyjne z pompami gazu montowanymi w zbiornikach. …

Moduł 6

Układy zasilania silników o zapłonie samoczynnym

1. Rozwój układów wtryskowych w silnikach ZS 1.1. Wpływ poszczególnych faz wtrysku na rezultat spalania mieszanki w cylindrze 2. Rzędowe pompy wtryskowe 3. Standardowa rzędowa pompa wtryskowa PE 4. Wielkość dawki paliwa w pompach rzędowych 5. Rozdzielaczowe pompy wtryskowe 6. Osiowe rozdzielaczowe pompy wtryskowe VE 7. Promieniowe rozdzielaczowe pompy wtryskowe VR 8. Wielkość dawki paliwa w pompach rozdzielaczowych 8.1. Osiowe rozdzielaczowe pompy wtryskowe 8.2. Promieniowe rozdzielaczowe pompy wtryskowe 8.3. Indywidualne zespoły wtryskowe 9. Wtryskiwacze i rozpylacze 9.1. Rozpylacze 9.2. Wtryskiwacze 10. Podsumowanie

2

W tym module zostaną przedstawione zagadnienia dotyczące konstrukcji układów za-silania silników z zapłonem samoczynnym. Ponadto zostanie omówiona budowa i funkcjonowanie podzespołów układów zasilania silników ZS.

System zasilania silników ZS, podobnie jak w silnikach ZI, ma decydujący wpływ na naji-stotniejsze parametry silników samochodowych, do których zalicza się minimalne jed-nostkowe zużycie paliwa, osiągi silnika i toksyczność spalin. System zasilania silników ZS dzieli się na trzy układy. 1. Układ podający paliwo. 2. Układ wtryskowy. 3. Układ regulacyjny.

Układ podający ma za zadanie podawać odpowiednio czyste paliwo do układu wtryskowego w każdych warunkach eksploatacji silnika. Jest to szczególnie istotne dla zasilanych olejami napędowymi silników pracujących w niskich temperaturach otocze-nia. Układ wtryskowy ma za zadanie doprowadzać do komory spalania określonej wielkości dawkę wtryskiwaną pod wysokim ciśnieniem w odpowiednim czasie. Wiel-kość dawki i moment jej wtrysku określany kątem wyprzedzenia wtrysku zależą od do-kładności pracy trzeciego układu - regulacyjnego. Dwa ostatnie układy są ze sobą zinte-growane i od jakości ich pracy zależą w znacznej mierze poziomy konstrukcyjny i eks-ploatacyjny silnika ZS.

Układ zasilania silnika o zapłonie samoczynnym zapewnia wtrysk paliwa wprost

do cylindra. Dawka, zawierająca żądaną ilość odpowiednio rozpylonego paliwa, musi być wtryśnięta w odpowiedniej chwili. Elementy układu podającego paliwo zostały omówione w materiałach dotyczących zasi-lania silników z zapłonem iskrowym. Materiał zawarty w tym module będzie skoncentrowany na elementach układu wtry-skowego oraz regulacyjnego. 1. Rozwój układów wtryskowych w silnikach ZS

Pod koniec 1922 roku firma Bosch rozpoczęła prace rozwojowe nad układem

wtryskowym do silników ZS. Techniczne przesłanki były korzystne: firma Bosch dyspo-nowała doświadczeniem w zakresie konstrukcji elementów silników spalinowych, wy-soko rozwiniętą techniką produkcji, a przede wszystkim wykorzystała doświadczenia i wiedzę zgromadzoną przy produkcji pomp oleju. W 1927 roku wyprodukowano pierw-sze seryjne pompy wtryskowe. Były one małe, lekkie i umożliwiały uzyskanie większych prędkości obrotowych przez silniki wysokoprężne. Te rzędowe pompy wtryskowe za-częto stosować od 1932 roku w samochodach użytkowych, a od 1936 roku również w samochodach osobowych. Od tego czasu nastąpił gwałtowny rozwój silników ZS i ich układów wtryskowych. Opracowana przez firmę Bosch w 1962 roku rozdzielaczowa pompa wtryskowa z automatycznym przestawiaczem wtrysku nadała nowy kierunek rozwojowi silnika wysokoprężnego. Ponad 20 lat później w wyniku długich prac rozwo-jowych dojrzałość produkcyjną osiągnęła elektroniczna regulacja wtrysku paliwa w sil-niku wysokoprężnym. Coraz dokładniejsze dozowanie coraz mniejszych dawek paliwa w ściśle określonej chwili oraz coraz większe ciśnienia wtrysku, stanowiące ciągłe wy-zwanie dla konstruktorów i badaczy, doprowadziły do wielu nowych rozwiązań w ukła-dach wtryskowych. Zużycie i wykorzystanie paliwa w silnikach ZS wywiera inspirujący

3

wpływ na rozwój silników spalinowych. Nowe układy wtryskowe pomogły wykorzystać potencjalne możliwości tkwiące w silniku wysokoprężnym – osiąganie coraz większych mocy przy zmniejszonej emisji hałasu i szkodliwych składników spalin. Rys. 6.1. Przebieg wtrysku paliwa w nowoczesnych układach zasilania silników z zapłonem samoczynnym.

1. Przebieg wtrysku paliwa. Źródło: Informator techniczny Bosch.

OWK – obrót wału korbowego, GMP – górne martwe położenie, 1 – wtrysk wstępny (WW), 2 – wtrysk zasadniczy (WZ), 3 – stromy wzrost ciśnienia (Common Rail), 4 – „łódkowy” wzrost ciśnienia (UPS z dwustopniowym otwieranym iglicowym zawo-

rem elektromagnetycznym), 5 – płaski wzrost ciśnienia (wtrysk konwencjonalny), 6 – płaski spadek ciśnienia (pompy wtryskowe rzędowe i rozdzielacze), 7 – stromy spadek ciśnienia (układy wtryskowe UIS, UPS, dla Common Rail nieco bar-

dziej płaski), 8 – wczesny dotrysk, 9 – późny dotrysk,

- ciśnienie maksymalne,

– ciśnienie otwarcia wtryskiwacza,

4

V – czas trwania spalania zasadniczego, ZZ – zwłoka zapłonu podczas wtrysku zasadniczego. 1.1. Wpływ poszczególnych faz wtrysku na rezultat spalania mieszanki w cylindrze Wtrysk wstępny (1) – obniżenie hałasu spalania i emisji NOx. Narastający lub łódkowy przebieg ciśnienia – podczas wtrysku zasadniczego (3,4), zmniejszenie emisji NOx i sadzy podczas pracy bez recyrkulacji spalin. Stałe wysokie ciśnienie – podczas wtrysku zasadniczego (3, 7) w celu zmniejszenia emisji sadzy podczas pracy z recyrkulacją spalin. Dotrysk – bezpośrednio po wtrysku zasadniczym (8) w celu zmniejszenia emisji sadzy. Dotrysk późny (9) – jako środek redukcyjny dla katalizatora NOx lub w celu podwyż-szenia temperatury spalin do regeneracji filtru cząstek stałych.

2. Rzędowe pompy wtryskowe

Rzędowe pompy wtryskowe (rys. 6.2 i 6.3) mają odrębną dla każdego cylindra silnika sekcję tłoczącą. Sekcja tłocząca jest tzw. parą precyzyjną składającą się z cylinderka i tłoczka. Tłoczek poruszany jest w kierunku tłoczenia przez wbudowany w pompę i napędzany od silnika wałek krzywkowy, a cofany przez sprężynę powrotną. Sekcje tłoczące są najczęściej usytuowane szeregowo. Skok tłoczka jest stały. Tłoczenie paliwa rozpoczyna się po zasłonięciu otworka zasilającego przez górną krawędź tłoczka podczas jego ruchu do góry. To początek tłoczenia. Podczas dalszego ruchu tłoczka do góry rośnie ciśnienia paliwa. Po osiągnięciu ciśnienia otwarcia wtryskiwacza rozpylacz się otwiera i paliwo zostaje wtryśnięte do komory spalania. Z chwilą odsłonięcia przez skośną krawędź sterującą tłoczka otworka zasilającego, paliwo może odpłynąć i jego ciśnienie spada. Igła rozpylacza zamyka się, wtrysk zostaje zakończony. Skok tłoczka między zamknięciem a otwarciem otworka zasilającego nazywamy skokiem użytecz-nym. Położenie krawędzi sterującej może być zmieniane przez obrót tłoczka listwą zę-batą. Wynikiem tego jest zmiana skoku użytecznego i tym samym dawki paliwa wtry-śniętego do cylindra. Listwa zębata jest sterowana mechanicznym regulatorem odśrod-kowym lub nastawnikiem elektrycznym.

W suwakowych rzędowych pompach wtryskowych suwak porusza się na tłoczku pompy, dzięki któremu za pomocą dodatkowego wałka ustawczego można zmienić skok wstępny, a tym samym początek tłoczenia. Suwakowa rzędowa pompa wtryskowa w porównaniu z pompą standardową ma dodatkowy stopień swobody, dzięki któremu początek wtrysku może być niezależny od prędkości obrotowej silnika.

5

Rys. 6.2. Pompa wtryskowa z regulatorem wtrysku.

Źródło: J. Mazur Z., Stolarczyk, Ciągniki rolnicze. WRiL, Warszawa 1984.

3. Standardowa rzędowa pompa wtryskowa PE Standardowe rzędowe pompy wtryskowe są stosowane w silnikach wysokoprężnych

o liczbie cylindrów od 2 do 12 i pokrywają zakres mocy od 10 do 200 kW z cylindra. Rzędowe pompy wtryskowe są stosowane zarówno w silnikach o wtrysku bezpośred-nim, jak i w silnikach o wtrysku pośrednim z komorą wstępną. W pojazdach użytkowych są stosowane pompy typu P (P300, P7100, P8000, P8500, P9).

6

Rys. 6.3. Standardowa rzędowa pompa wtryskowa PE. 1 – cylinderek sekcji tłoczącej, 2 – otworek zasilający, 3 – krawędź sterująca, 4 – tłoczek, 5 – sprężyna tłoczka, 6 – obrót wymuszony przez listwę zębatą (regulacja dawki), 7 – krzywka napędowa, 10 – doprowadzenie paliwa do rozpylacza, X – skok użyteczny.

Źródło: Sterowanie silników z zapłonem samoczynnym [w:] Informator techniczny Bosch. WKiŁ, Warsza-wa 2004.

3. Suwakowa rzędowa pompa wtryskowa Do grupy pomp rzędowych zalicza się również suwakową rzędową pompę wtrysko-

wą, dla której oprócz dawki wtrysku można zmienić też początek wtrysku. Suwakowa pompa wtryskowa jest sterowana regulatorem elektronicznym wyposażonym w dwa nastawniki. Układ ten umożliwia regulację początku wtrysku za pomocą dwóch listew zębatych, co eliminuje potrzebę zastosowania przestawiania czasu wtrysku. W pojaz-dach stosowane są pompy typu H (H1, H1000). Rys. 6.4. Suwakowa rzędowa pompa wtryskowa. 1 – cylinderek sekcji tłoczącej, 2 – otworek zasilający, 3 – krawędź sterująca, 4 – tłoczek, 5 – sprężyna tłoczka, 6 – obrót wymuszony przez listwę zębatą (regulacja dawki), 7 – krzywka napędowa, 10 – doprowadzenie paliwa do rozpylacza, X – skok użyteczny.

Źródło: Sterowanie silników z zapłonem samoczynnym [w:] Informator techniczny Bosch. WKiŁ, Warsza-wa 2004.

7

4. Wielkość dawki paliwa w pompach rzędowych

W celu umożliwienia regulacji wielkości dawki paliwa podawanej przez tłoczki o stałym skoku nadanym przez krzywki, tłoczki maję naciętą spiralną krawędź sterującą. Gdy sprężyna przesunie tłoczek ku dołowi i jego krawędź czołowa odsłoni otwór wlo-towy, z kanału zasilającego pompę napłynie do cylindra paliwo, będące pod niewielkim ciśnieniem wytworzonym przez pompę zasilającą.

Gdy tłoczek pod naciskiem krzywki przesunie się do góry i jego krawędź zamknie otwór wlotowy, rozpocznie się tłoczenie paliwa przez zawór zwrotny do przewodów wysokiego ciśnienia i wtryskiwaczy. Olej napędowy znajduje się wtedy pod ciśnieniem 100-200 MPa. co jest niezbędne do otwarcia wtryskiwacza oraz należytego rozpylania paliwa w komorze spalania. Tłoczenie paliwa trwa tak długo, dopóki spiralna krawędź tłoczka nie odsłoni otworu odpływowego. Od tego momentu przy dalszym ruchu tłoczka w górę paliwo jest wtłaczane z powrotem do kanału zasilającego sekcję.

Zależnie od tego, jak zostanie przekręcona krawędź sterująca tłoczka w stosunku do otworu odpływowego, na tłoczenie paliwa będzie wykorzystana większa lub niniej-sza część suwu. Gdy tłoczek zostanie obrócony tak, że na wprost otworu znajdzie się podłużny rowek, to paliwo nie będzie tłoczone - jest to położenie stop. Rys. 6.5. Regulacja ilości wtryskiwanego paliwa Źródło: J. Mazur, Z. Stolarczyk, Ciągniki rolnicze. WRiL, Warszawa 1984.

Obrót tłoczków pompy powoduje listwa zębata współpracująca z wieńcami zaci-śniętymi na tulejach regulacyjnych. Przesuwanie się listwy powoduje obrót wieńców

8

zębatych wraz z tulejami regulacyjnymi przekręcającymi tłoczki i umożliwia regulację dawkowania paliwa. Ruch listwy w kierunku maksymalnego podawania paliwa ograni-czany jest za pomocą zderzaka regulacyjnego. Każda sekcja pompy wyposażona jest w zawór odcinający.

5. Rozdzielaczowe pompy wtryskowe Rozdzielaczowa pompa wtryskowa ma zastosowanie w małych szybkoobrotowych

silnikach wysokoprężnych stosowanych w samochodach osobowych i mniejszych samo-chodach użytkowych. Rozdzielaczowe pompy wtryskowe mają tylko jedną parę precyzyjną wytwarzającą wy-sokie ciśnienie dla wszystkich cylindrów. Łopatkowa pompa przetłaczająca tłoczy olej napędowy do przestrzeni wysokiego ciśnienia pompy. Wysokie ciśnienie wytwarza cen-tralny tłok osiowy lub kilka tłoczków promieniowych. Obracający się centralny tłok roz-dzielaczy (tłokorozdzielaczy) otwiera i zamyka okna sterujące i otwory sterujące, roz-dzielając paliwo do poszczególnych cylindrów silnika. Rozdzielaczowe pompy wtryskowe są smarowane paliwem, a więc są bezobsługowe. Początkową mechaniczną regulację pomp rozdzielaczowych zastąpiła regulacja elektroniczna z nastawnikiem elektrycznym. Później wprowadzone zostały pompy z wysokociśnieniowym zaworem elektro-magnetycznym. Rozdzielaczowe pompy wtryskowe charakteryzują się zwartą budową oraz szerokim zasto-sowaniem zarówno w samochodach osobowych jak i lekkich pojazdach użytkowych, silni-kach stacjonarnych, maszynach budowlanych i rolniczych. O doborze rozdzielaczowej pompy wtryskowej decydują prędkość obrotowa, moc oraz typ silnika z zapłonem samoczynnym. Układy wtryskowe z tego rodzaju pompami stosuje się w silnikach o liczbie cylindrów od trzech do sześciu. Rys.6.6. Rodzaje rozdzielaczowych pomp wtryskowych. Źródło: Promieniowe rozdzielaczowe pompy wtryskowe VR, [w:] Informator techniczny Bosch, WKiŁ, War-szawa 2001.

6. Osiowe rozdzielaczowe pompy wtryskowe VE Osiowe rozdzielaczowe pompy wtryskowe dzięki ciągłemu rozwojowi stały się naj-

bardziej rozpowszechnionymi pompami wtryskowymi w samochodach osobowych.

9

Osiowe rozdzielaczowe pompy wtryskowe (rys. 6.7.) sprężają paliwo za pomocą centralne-go tłoka (tłokorozdzielacza) poruszającego się osiowo względem wału napędzającego. Ruch tłoczka w cylindrze jest wymuszany współpracą z obracającą się tarczą o odpowiednio ukształtowanej powierzchni, co wywołuje osiowy ruch tłoczka.

Rys. 6.7. Elektronicznie sterowana osiowa rozdzielaczowa pompa wtryskowa. 1 –pokrywa zespołu czujnika położenia dozatora, 2 – elektromagnetyczny nastawnik dawki, 3 – elektrozawór „stop”, 4 – tłoko rozdzielacz, 5 – elektronicznie sterowany prze-stawiacz wtrysku, 6 – dozator, 7 – tłok przestawia cza wtrysku, 8 – pierścień ruchomy in-dukcyjnego czujnika położenia dozatora, 9 - pierścień stały indukcyjnego czujnika poło-żenia dozatora, 10 – czujnik temperatury oleju napędowego.

Źródło: T. Janiszewski, M. Spiros, Elektroniczne układy wtryskowe silników wysokoprężnych. WKiŁ, War-szawa 2004.

Osiowe rozdzielaczowe pompy wtryskowe stosowane w silnikach z zapłonem samo-czynnym o wtrysku pośrednim wytwarzają ciśnienie do 35 MPa. W przypadku silników z zapłonem samoczynnym o bezpośrednim wtrysku paliwa są stosowane zarówno osiowe, jak i promieniowe pompy rozdzielaczowe. W silnikach wolnoobrotowych wytwarzają one ciśnienie do 90 MPa. W silnikach szybkoobrotowych pompy te uzyskują ciśnienie do 190 MPa.

Osiowe rozdzielaczowe pompy wtryskowe stosuje się w silnikach o mocy do 30 kW z cylindra. W układzie zasilania z osiową rozdzielaczową pompą wtryskową paliwo pobierane

10

ze zbiornika przez pompę zasilającą przepływa przez filtr dokładnego oczyszczania do ło-patkowej pompy przetłaczającej, umieszczonej na wałku napędowym pompy. Stałą wartość ciśnienia w pompie zapewnia zawór regulacji ciśnienia. Następnie kanałami wewnątrz pompy, w głowicy hydraulicznej (obudowie tłokorozdzielacza) paliwo dostaje się do prze-strzeni tłoczenia tłokorozdzielacza — komory sprężania. Dawkę wyznacza położenie tłoko-rozdzielacza oraz dozatora. Tłokorozdzielacz wykonuje jednocześnie dwa ruchy:

posuwisty (skokowy), podczas którego paliwo jest dostarczane do komory sprężania i następnie tłoczone.

obrotowy, podczas którego następuje rozdzielenie paliwa do poszczególnych wtry-skiwaczy. Obrotowo-posuwiste ruchy tłokorozdzielacza spowodowane są obraca-niem się tarczy krzywkowej (z czołowymi krzywkami) po rolkach umieszczonych w pierścieniu rolkowym (koszu rolek). Tarcza krzywkowa dociskana jest do rolek za pomocą dwóch mocnych sprężyn powrotnych tłokorozdzielacza.

Tłokorozdzielacz ma podwójny zakres działania, od strony komory sprężania działa jako pompa wysokiego ciśnienia, a od strony napędu – jako urządzenie sterujące dawką paliwa.

7. Promieniowe rozdzielaczowe pompy wtryskowe VR

Promieniowe rozdzielaczowe pompy wtryskowe (rys. 6.8.) sprężają paliwo za pomocą

wielu tłoczków usytuowanych promieniowo w stosunku do wału napędzającego. Tłoczenie wynika ze zbliżania tłoczków ślizgających w wyniku współpracy z pierścieniem krzywko-wym o wewnętrznej bieżni (w których ruch tłoczków jest promieniowy).

Rys. 6.8. Dwutłoczkowa promieniowa rozdzielaczowa pompa wtryskowa. 1 – pierścień krzywkowy, 2 – tłoczki, 3 – wałek napędowy, 4 – regulator hydrauliczny, 5 – zawór dawkujący, 6 – korpus pompy, 7 – rozdzielacz, 8 – króciec przewodu zasilającego, 9 – zawór regulacyjny, 10 – pompa skrzydełkowa, 11 – przewód wysokiego ciśnienia, 12 – regu-lator dawki.

Źródło: J. Kijewski, Silniki spalinowe. WKiŁ, Warszawa 1999.

11

Przy zastosowaniu pomp promieniowych można uzyskać wyższe ciśnienie niż w przypadku pomp osiowych. Promieniowe pompy rozdzielaczowe wykorzystywane są w silnikach o mocy do 45 kW z cylindra. Więc przy zastosowaniu rozdzielaczowych pomp wtryskowych jest możliwa do uzyskania wyższa moc z cylindra niż w układach wtrysko-wych z osiową pompą rozdzielaczową. W układzie zasilania jednosekcyjnej rozdzielaczowej promieniowej pompy wtryskowej paliwo ze zbiornika jest zasysane przez pompę zasilającą i za pośrednictwem filtru dokładnego oczyszczania podawane do skrzydełkowej pompy przetłaczającej. Pompa ta zwiększa ciśnienie paliwa do wartości, na jaką chwilowo jest na-stawiony samoczynny zawór regulacyjny. Zmiana ustawienia regulatora polega na zmianie ugięcia sprężyny pod wpływem zmiany prędkości obrotowej. Ze wzrostem prędkości obro-towej rośnie ugięcie sprężyny zaworu regulacyjnego, powodując odpowiedni wzrost wydaj-ności pompy skrzydełkowej. Skrzydełkowa pompa przetłaczająca podaje paliwo pod odpo-wiednim ciśnieniem do zaworu dawkującego. Paliwo wpływa między tłoczki rozdzielacza, w wyniku czego zostają one rozsunięte. Powrotny ruch tłoczków, wirujących wraz z warnikiem rozdzielacza, wymuszają garby nieruchomego pierścienia krzywkowego. Garby te znajdują się na bieżni wewnętrznej pierścienia krzywkowego. Są one równomiernie rozmieszczone, a liczba ich odpowiada liczbie cylindrów silnika zasilanych przez pompę. Podczas obracania się wirnika rozdzielacza kanał rozdzielczy kolejno łączy się z kanałami prowadzącymi do poszczególnych wtryskiwaczy. Przesuwając się w tym czasie do środka (co następuje pod wpływem garbów pierścienia krzywkowego), tłoczki rozdzielacza wtłaczają znajdujące się między nimi paliwo do przewodu wysokiego ciśnienia i następnie do wtryskiwacza.

Po zakończeniu tłoczenia przestrzeń między tłokami ponownie napełnia się paliwem. Cykl taki powtarza się tyle razy w czasie jednego obrotu wałka rozdzielacza, ile jest cylin-drów zasilanych przez pompę. Zmiana dawki wtryskiwanego paliwa w pompie jednosek-cyjnej z rozdzielaczem polega na zmianie stopnia napełnienia przestrzeni między tłoczkami, czego dokonuje się przez wydłużenie lub skrócenie skoku tłoczków.

8. Wielkość dawki paliwa w pompach rozdzielaczowych

8.1. Osiowe rozdzielaczowe pompy wtryskowe

Rys. 6.9. Osiowa rozdzielaczowa pompa wtryskowa. 1 – kierunek przestawienia wtrysku na pierścieniu rolkowym, 2 – rolka, 3 – tarcza skoko-wa, 4 – tłokorozdzielacz, 5 – suwak regulacyjny, 6 – przestrzeń wysokiego ciśnienia, 7 – doprowadzenie paliwa do rozdzielacza, 8 – okienko sterujące, X – skok użyteczny.

Źródło: Sterowanie silników z zapłonem samoczynnym. [w:] Informator techniczny Bosch. WKiŁ, Warszawa 2004.

12

Obracająca się tarcza skokowa (3, rys. 6.9) jest napędzana od silnika. Liczba wznio-sów krzywki po dolnej stronie tarczy skokowej odpowiada liczbie cylindrów silnika. Krzywki na tarczy skokowej, obtaczając się po rolkach (2) pierścienia rolkowego, wywo-łują w tłokorozdzielaczu oprócz ruchu obrotowego dodatkowy ruch posuwisty. Podczas jednego obrotu wałka napędowego tłok wykonuje tyle skoków, ile cylindrów silnika nale-ży w tym czasie zasilić. W sterowanej krawędzią osiowej pompie wtryskowej VE z me-chanicznym regulatorem odśrodkowym lub elektronicznie regulowanym nastawnikiem skok użyteczny i dawkę paliwa ustala położenie suwaka regulacyjnego (5). Początek wtrysku pompy może być zmieniany za pomocą przestawiacza wtrysku (1).

8.2. Promieniowe rozdzielaczowe pompy wtryskowe

Rys. 6.10. Promieniowa rozdzielaczowa pompa wtryskowa. 1 – przestawiacz wtrysku, 2 – rolka, 3 – pierścień, 4 – tłoczek promieniowy, 5 – wysokociśnieniowy zawór elektromagnetyczny, 6 – przestrzeń wysokiego ciśnienia, 7 – doprowadzenie paliwa do wtryskiwacza, 8 – okno sterujące.

Źródło: Sterowanie silników z zapłonem samoczynnym. [w:] Informator techniczny Bosch. WKiŁ, Warszawa 2004.

W pompie promieniowej do wytwarzania wysokiego ciśnienia służą: pierścień krzywkowy (3, rys. 6.10) oraz dwa (do czterech) tłoczki promieniowe (4). Ci-śnienie paliwa uzyskiwane w rozdzielaczowej pompie wtryskowej jest wyższe niż w pom-pie osiowej, dlatego pompa promieniowa musi mieć większą wytrzymałość mechaniczną. Pierścień krzywkowy (3) może być obracany za pomocą przestawiacza wtrysku (1). Po-czątek wtrysku i czas trwania wtrysku w promieniowych pompach rozdzielaczowych są sterowane wyłącznie za pomocą zaworu elektromagnetycznego.

8.3. Indywidualne zespoły wtryskowe Zespoły wtryskowe Ul oraz UP przeznaczone są do silników z zapłonem samoczynnym o

bezpośrednim wtrysku paliwa. Systemy te osiągają wysokie ciśnienie wtrysku (powyżej 200 MPa) i składają się z indywidualnych pomp wtryskowych sterowanych czasowo. Są to ze-społy wtryskowe oparte na pompowtryskiwaczach (Ul lub PDE) oraz zespoły wtryskowe pompa - przewód - wtryskiwacz (UP lub PLD).

13

Wprowadzenie pompowtryskiwaczy wynikało między innymi z zamiaru zlikwidowania długich przewodów wysokiego ciśnienia, szczególnie o większych średnicach, które łączą pompę wtryskową z wtryskiwaczami. W układach wtryskowych, w których stosowano przewody wysokiego ciśnienia występował problem pojawiania się niepowtarzalności wielkości dawki, a także konta wyprzedzenia wtrysku w poszczególnych cylindrach oraz w kolejnych cyklach pracy pojedynczego cylindra.

W układach wtryskowych UIS i UPS można wyodrębnić kilka poszczególnych obwodów i elementów:

obwód paliwa o niskim ciśnieniu, obwód paliwa o wysokim ciśnieniu, obwód sterowania EDC z elementami wykonawczymi, czujnikami oraz sterowni-

kami, urządzenia peryferyjne (do których może należeć na przykład turbosprężarka).

Układy UIS i UPS mają podobne systemy zasilania paliwem oraz elektroniczny system stero-wania, natomiast różnice widoczne są w budowie obwodu wysokiego ciśnienia. Układy wtryskowe UIS i UPS sterowane są za pomocą zaworów elektromagnetycznych. Chwila uru-chomienia zaworu elektromagnetycznego, w której następuje jego zamknięcie, rozpoczyna początek tłoczenia. Wielkość dawki wtryskiwanego paliwa określa czas, w którym zawór elektromagnetyczny pozostaje włączony. Czas, w którym zawór pozostaje włączony oraz chwilę jego uruchomienia określa sterownik elektroniczny, który ustala te parametry na podstawie informacji wysyłanych z czujników i poprzez analizę charakterystyk zaprogra-mowanych w pamięci sterownika. Uwzględnione zostają wówczas chwilowe warunki pracy silnika oraz dane pochodzące z czujników, do których należą między innymi:

wartość kąta obrotu wału korbowego, prędkość obrotowa wału rozrządu, wartość ciśnienia doładowania, temperatury zasysanego powietrza, paliwa oraz cieczy w układzie chłodzenia.

Dane otrzymywane z czujników są przetwarzane w sterowniku, który nadzoruje pracę silni-ka. Rys. 6.11. Zastosowanie indywidualnych zespołów wtryskowych.


14

Działanie indywidualnych zespołów wtryskowych można podzielić na cztery stany ro-bocze (rys. 6.11). Skok ssania (a) Tłoczek pompy (2) przesuwa się do góry pod działaniem sprężyny powrotnej (3). Pali-wo znajdujące się pod stałym nadciśnieniem przepływa z obwodu niskiego ciśnienia układu zasilania przez otwory w kadłubie silnika i kanał dopływowy (7) do przestrzeni zaworu elektromagnetycznego (6). Zawór elektromagnetyczny jest otwarty i paliwo przedostaje się do przestrzeni wysokiego ciśnienia (4, zwanej przestrzenią sekcji tło-czącej). Skok wstępny (b) Pod naciskiem obracającej się krzywki napędowej (1) tłoczek porusza się w dół. Zawór elektromagnetyczny jest otwarty i paliwo spiętrzane przez tłoczek poprzez kanał prze-lewowy (8) przepływa do obwodu niskiego ciśnienia układu zasilania. Rys. 6.12. Zasada działania zespołów Unit Injector i Unit Pump.

Źródło: Układy wtryskowe UIS/UPS. [w:] Informator techniczny Bosch, WKiŁ, Warszawa 2001.

Skok tłoczenia i proces wtrysku (c) W określonej chwili sterownik zasila prądem cewkę elektromagnesu (9), igła zaworu elektromagnetycznego (5) zostaje przyciągnięta do gniazda (10) i zamyka połączenie pomiędzy komorą wysokiego ciśnienia i obwodem niskiego ciśnienia. Chwila ta nazywa się „elektrycznym początkiem wtrysku” (Begin of Injection Period, BIP). Zamknięcie za-woru elektromagnetycznego powoduje zmianę prądu cewki, którą rozpoznaje sterow-nik (rozpoznanie BIP). W ten sposób sterownik może wychwycić rzeczywisty początek tłoczenia i uwzględnić ten fakt przy obliczaniu następnego procesu wtrysku. Ciśnienie

15

paliwa w komorze wysokiego ciśnienia wzrasta wskutek ruchu tłoczka w dół. Narasta ciśnienie paliwa w rozpylaczu. Z chwilą osiągnięcia wartości ciśnienia otwarcia rozpyla-cza (ok. 30 MPa) igła rozpylacza (11) unosi się i paliwo zostaje wtryśnięte do komory spalania („rzeczywisty początek wtrysku” lub początek tłoczenia). Wskutek ruchu tłoczka w dół, ciśnienie paliwa narasta podczas całego procesu wtrysku. Skok resztkowy (d) Gdy prąd w cewce elektromagnesu zostanie wyłączony, zawór elektromagnetyczny otwiera się po niewielkiej zwłoce i połączenie między przestrzenią wysokiego ciśnienia i obwodem niskiego ciśnienia zostaje ponownie otwarte. W fazie przejściowej między skokiem tłoczenia i skokiem resztkowym jest osiągane maksy-malne ciśnienie paliwa. W zależności od typu pompy waha się ono między 180 a 205 MPa. Po otwarciu zaworu elektromagnetycznego ciśnienie gwałtownie spada. Gdy ciśnienie zmniej-szy się do wartości niższej od ciśnienia zamknięcia rozpylacza, rozpylacz zamyka się i proces wtrysku zostaje zakończony. Unit Injection System UIS

Zespół wtryskowy Ul (Unit Injector), zwany pompowtryskjwaczem, ma za zadanie wtryski-wanie paliwa do cylindra silnika we wszystkich warunkach pracy, w chwili określonej przez ste-rownik, w dokładnych dawkach oraz przy wymaganym ciśnieniu. Dzięki zintegrowaniu pom-py i wtryskiwacza we wspólnej obudowie nie są potrzebne przewody wysokiego ciśnienia, co ma pozytywny wpływ na warunki wtrysku paliwa. Każdy cylinder silnika ma oddzielny (in-dywidualny) zespół Ul (rys. 6.12), zwany pompowtryskiwaczem który zamocowany jest na głowicy.

Rozpylacz (4) pompowtryskiwacza sięga do wnętrza komory spalania (8). Poszcze-gólne pompowtryskiwacze są napędzane indywidualnie od wału rozrządu (2) silnika. Wznios krzywki wału jest przenoszony przez popychacz dźwigniowy (1) na końcówkę tłoczka pompy (6), który porusza się w górę i w dół. Początek i dawka wtrysku, stero-wane elektronicznie, zależą od chwilowej prędkości tłoczka pompy, określonej kształ-tem krzywki. Dlatego wał rozrządu musi być wykonany dokładnie. Siły występujące w czasie pracy układu wzbudzają drgania skrętne, które mają negatywny wpływ na cha-rakterystykę wtrysku i wielkość dawki. W celu zmniejszenia drgań jest konieczna sztywna konstrukcja napędu (napęd wału rozrządu, wał rozrządu, popychacz, łożysko popychacza).

16

Rys. 6.13. Zabudowa zespołu UI (pompowtryskiwacza). 1 – popychacz dźwigniowy, 2 – wał rozrządu silnika, 3 – zawór elektromagnetyczny, 4 – rozpylacz, 5 – złącze elektryczne, 6 – końcówka drążka, 7 – pompowtryskiwacz, 8 – komo-ra spalania silnika.

Źródło: Informator techniczny Bosch, Układy wtryskowe UIS/UPS. Warszawa 2001, WKiŁ.

Unit Pump System UPS Cel stosowania i zasada działania zespołu UP są takie same jak zespołu Ul (pompo wtryski-wacza). Jedyną różnicą pomiędzy nimi jest rozdzielenie w zespole UP jednostki wytwarzają-cej wysokie ciśnienie od wtryskiwacza i ich połączenie krótkim przewodem wysokiego ci-śnienia. Modułowa budowa układu wtryskowego wykorzystującego zespoły UP z pompami umieszczonymi z boku silnika (rys. 6.13) ma następujące zalety:

nie wymaga specjalnej konstrukcji głowicy silnika, nie wymaga dodatkowych popychaczy, stwarza łatwość obsługi w czasie przeglądu, bowiem pompy mogą być łatwo wymontowane.

Rozpylacze występujące w zespołach UP mogą być umieszczone w obsadach.

17

Rys. 6.14. Zabudowa zespołu UP (pompa-przewód-wtryskiwacz). 1 – obsada wtryskiwacza, 2 – komora spalania silnika, 3 – pompa, 4 – wał rozrządu silni-ka, 5 – króciec, 6 – przewód wysokiego ciśnienia, 7 – zawór elektromagnetyczny, 8 – sprę-żyna powrotna, 9 – popychacz rolkowy.

Źródło: Układy wtryskowe UIS/UPS. [w:] Informator techniczny Bosch. WKiŁ, Warszawa 2001.

Zasobnikowe układy wtryskowe Common Rail

Najnowszym i jednocześnie najbardziej rozwiniętym układem wtryskowym jest za-sobnikowy układ wtryskowy Common Rail (CR). Jedną z najważniejszych zalet tego układu jest możliwość zmiany i dostosowania ciśnienia oraz chwili wtrysku. Jest to moż-liwe dzięki oddzieleniu elementu wytwarzającego ciśnienie (pompa wysokiego ciśnie-nia) od elementów wtryskujących paliwo (wtryskiwacze) zasobnikiem (Rail), który służy jako akumulator ciśnienia. Układ wtryskowy Common Rail zapewnia znacznie większą elastyczność dostosowania układu wtryskowego do silnika w porównaniu z konwencjonalnymi układami o napę-dzie krzywkowym i ma swoje zalety:

wysokie ciśnienie wtrysku do ok. 160 MPa, a w najnowszych układach do 180 MPa, dostosowanie ciśnienia wtrysku do warunków pracy silnika (20-180 MPa), zmienny początek wtrysku, możliwość wielokrotnego wtrysku wstępnego i dotrysku (możliwy bardzo późny

dotrysk). Układ Common Rail przyczynił się do zwiększenia mocy jednostkowej, zmniejszenia zu-życia paliwa oraz emisji szkodliwych składników spalin i hałasu w chwili obecnej jest najczęściej stosowanym układem wtryskowym w silnikach ZS z wtryskiem bezpośrednim do samochodów osobowych.

Sterowanie silnika z układem wtryskowym Common Rail składa się z trzech głów-nych układów (rys. 6.14): • obwód niskiego ciśnienia z elementami zasilania paliwem, • obwód wysokiego ciśnienia z pompą wysokiego ciśnienia, zasobnikiem ciśnienia, wtry-

skiwaczami i przewodami paliwa wysokiego ciśnienia, • elektroniczny układ sterowania EDC.

18

Ważną częścią składową układu wtryskowego Common Rail są wtryskiwacze. Zawierają one szybko działający zawór (elektromagnetyczny lub siłownik piezoelektryczny), który otwiera i zamyka rozpylacz. Dzięki temu proces wtrysku może być regulowany oddziel-nie dla każdego cylindra. Wtryskiwacze są połączone z zasobnikiem paliwa wysokiego ciśnienia, od którego wywodzi się nazwa całego układu Common Rail (ang. wspólna szy-na). Cechą charakterystyczną dla układu Common Rail (CR) jest możliwość dostosowy-wania ciśnienia paliwa w układzie do punktu pracy silnika. Rys. 6.15. Bloki sterowania silnika z układem wtryskowym Common Rail.

Źródło: Zasobnikowe układy wtryskowe Commpn Rail. [w:] Informator techniczny Bosch, WKiŁ, Warszawa 2009.

W układzie wtryskowym Common Rail wytwarzanie ciśnienia i wtrysk paliwa są rozdzie-lone. Ciśnienie wtrysku jest wytwarzane niezależnie od prędkości obrotowej silnika i dawki paliwa. Poszczególnymi elementami układu steruje elektroniczny sterownik EDC. Rozdzielenie wytwarzania ciśnienia i wtrysku paliwa umożliwia względnie duża objętość zasobnika paliwa. Znajdujące się pod ciśnieniem paliwo w zasobniku jest w gotowości do wtrysku.

Napędzana przez silnik, pracująca ciągle, pompa wysokiego ciśnienia wytwarza wymagane ciśnienie wtrysku. Zapewnia ona ciśnienie w zasobniku paliwa w sposób nie-zależny od prędkości obrotowej silnika i dawki wtrysku. Dzięki równomiernemu tłocze-niu moment obrotowy niezbędny do napędu pompy wysokiego ciśnienia jest znacznie mniejszy niż w przypadku pomp wtryskowych konwencjonalnych układów.

Pompa wysokiego ciśnienia najczęściej jest promieniową pompą tłoczkową, a w silnikach pojazdów użytkowych często pompą rzędową. W zależności od odmiany układu wtryskowego stosuje się różne sposoby regulacji ciśnienia.

http://ra.il/

19

Obwód wysokiego ciśnienia układu wtryskowego Common Rail dzieli się na trzy bloki funkcjonalne:

wytwarzania ciśnienia, przechowywania ciśnienia, dawkowanie paliwa.

Wysokie ciśnienie wytwarza pompa. Przechowywanie ciśnienia odbywa się w zasobniku paliwa, w który są wkręcone: czujnik ciśnienia paliwa oraz zawór regula-cyjny lub zawór redukcyjny ciśnienia. Właściwą dawkę wtrysku w odpowiedniej chwili zapewniają wtryskiwacze. Wszystkie zespoły obwodu wysokiego ciśnienia są połączone przewodami wysokiego ciśnienia. Rys. 6.16. Zasobnikowy układ wtryskowy CR czterocylindrowego silnika wysokoprężne-go. 1 – masowy przepływomierz powietrza, sterownik silnika, 3 – pompa wysokiego ciśnie-nia, 4 – zasobnik paliwa wysokiego ciśnienia, 5 – wtryskiwacz, 6 – czujnik prędkości wału korbowego, 7 – czujnik temperatury silnika, 8 – filtr paliwa, 9 – czujnik położenia pedału przyśpieszenia. Źródło: Zasobnikowe układy wtryskowe Commpn Rail. [w:] Informator techniczny Bosch, WKiŁ, Warszawa 2009.

9. Wtryskiwacze i rozpylacze

Wtryskiwacze z rozpylaczami w silnikach wysokoprężnych mają bezpośredni wpływ

na spalanie, a tym samym moc silnika, poziom emisji spalin i hałasu. Podstawowe zada-nia wtryskiwaczy i rozpylaczy to:

20

kształtowanie prawidłowego przebiegu wtrysku w odniesieniu do kąta obrotu wału korbowego,

właściwe rozpylenie i rozdział paliwa w komorze spalania. Rozpylacze wprowadzone są do komory spalania. Pracują one w bardzo ciężkich wa-

runkach, gdyż są narażone na działanie wysokiej temperatury, dużego ciśnienia i chemiczne działanie spalin. Trudne warunki pracy igły rozpylacza można zobrazować w następujący sposób:

w komorze wtryskowej panuje ciśnienie rzędu 205 MPa; odpowiada to sytuacji, w której paznokieć małego palca obciążono by masą samochodu wyższej klasy,

czas trwania wtrysku wynosi 1...2 milisekundy (ms); w czasie jednej milisekundy fala głosowa z głośnika przebywa drogę zaledwie 33 cm,

Rys. 6.17. Luz prowadzenia igły rozpylacza. Źródło: Układy wtryskowe UIS/UPS. [w:] Informator techniczny Bosch. WKiŁ, Warszawa 2001.

dawki wtrysku wynoszą dla samochodów osobowych od 1 mm3 (wtrysk wstęp-ny) do 50 mm3 (dawka pełnego obciążenia); dla samochodów ciężarowych od 3 mm3 (wtrysk wstępny) do 350 mm3 (dawka pełnego obciążenia); 1 mm3 odpo-wiada objętości połowy łepka szpilki, 350 mm3 to objętość 12 dużych kropli desz-czu (30 mm3 na kroplę); dawka ta jest przetłaczana w ciągu 2 ms z prędkością 2000 km/h przez otwór o przekroju mniejszym niż 0,25 mm2!

luz prowadzenia igły rozpylacza wynosi 0,002 mm (2 (im); ludzki włos jest 30 razy grubszy (0,06 mm).

Spełnienie tych wszystkich warunków wymaga olbrzymiej wiedzy i doświadczenia w zakresie prac konsultacyjnych, materiałoznawstwa, produkcji i techniki pomiarowej. Wtryskiwacze oraz rozpylacze ze względu na różnorodną budowę poszczególnych ele-

21

mentów znajdują zastosowanie w różnych układach paliwowych. Na rys. 6.18 przedsta-wiono zastosowanie poszczególnych typów rozpylaczy i wtryskiwaczy w poszczegól-nych układach wtryskowych. Rys. 6.18. Zastosowanie rozpylaczy i wtryskiwaczy.

Rys. 9.2. Zastosowanie rozpylaczy i wtryskiwaczy.[5] Źródło: Układy wtryskowe UIS/UPS. [w:] Informator techniczny Bosch. WKiŁ, Warszawa 2001.

9.1. Rozpylacze Zakończenie rozpylacza jest wprowadzone do komory spalania. Konstrukcja

i rodzaj rozpylacza wpływają w istotny sposób na przebieg procesu wtrysku i jakość rozpylenia paliwa.

Rozpylaczy nie wolno dowolnie wymieniać, nawet wówczas, gdy wydają się podobne do siebie.

Rozpylacze wykonuje się jako jednootworowe — czopikowe lub jako wielootworowe (rys. 6.17). Rozpylacze czopikowe stosuje się głównie w silnikach z komorami wstęp-nymi i wirowymi, rzadko w silnikach z wtryskiem bezpośrednim. Natomiast rozpylacze wielootworowe znajdują zastosowanie w silnikach z wtryskiem bezpośrednim.

Rys. 6.19. Rodzaje rozpylaczy. Źródło: S. Dąbrowski, D. Kozłowska, Mechanizacja rolnictwa. PWRiL, Warszawa 1990.

22

9.2. Wtryskiwacze Zadaniem wtryskiwacza jest wprowadzanie do komory spalania dokładnie rozpylo-

nego paliwa, tak aby umożliwić jak najlepsze jego wymieszanie z powietrzem sprężo-nym w komorze spalania.

Obsady wtryskiwaczy razem z przynależnymi im rozpylaczami tworzą zespół wtryskiwa-cza. Zespół taki jest wbudowany w głowicę silnika indywidualnie dla każdego cylindra. Wtry-skiwacze mają znaczny wpływ na moc silnika, poziom emisji spalin i hałasu. Aby mogły one optymalnie spełnić swoje zadania, dzięki zróżnicowanej budowie, są dostosowane do dane-go silnika. Rozpylacz umieszczony w obsadzie wtryskiwacza wtryskuje paliwo do komory spalania silnika wysokoprężnego. Zespół wtryskiwacza składa się z następujących części:

sprężyna (sprężyny) dociskowa – opiera się na igle rozpylacza, powodując jego zamknięcie,

nakrętka mocująca rozpylacz – utrzymuje i środkuje rozpylacz, filtr – zatrzymuje zanieczyszczenia, króćce łącza doprowadzenia i przelew paliwa.

Rys. 6.20. Wtryskiwacz w silniku o wtrysku bezpośrednim. 1 – doprowadzenie paliwa, 2 – obsada wtryskiwacza, 3 – przelew paliwa, 4 – rozpylacz, 5

– podkładka uszczelniająca, 6 – komora spalania, 7 – głowica cylindrów, 8 – nakrętka mocująca wtryskiwacz, 9 – sprężyna dociskowa, 10 – kanał ciśnieniowy, 11 – filtr.

Źródło: Sterowanie silników z zapłonem samoczynnym. [w:] Informator techniczny Bosch. WKiŁ, War-

szawa 2004.

W zależności od rodzaju budowy w skład zespołu wtryskiwacza wchodzą również uszczel-ki i podkładki odległościowe. Znormalizowane wymiary oraz uniwersalna konstrukcja

23

ułatwiają dobór zestawów spełniających wymagania przy ograniczonej liczbie ich warian-tów.

Budowa wtryskiwacza do silników o wtrysku bezpośrednim (DI) i wtrysku po-średnim (IDI) jest w zasadzie taka sama. Współcześnie używa się prawie wyłącznie sil-ników o wtrysku bezpośrednim. Obsady wtryskiwaczy mogą być łączone z różnymi rozpylaczami. W zależności od wyma-gań odnośnie do przebiegu wtrysku rozróżnia się:

wtryskiwacze standardowe (jednosprężynowe), wtryskiwacze dwusprężynowe.

Odmianą tych wariantów jest wtryskiwacz stopniowy, szczególnie przydatny, gdy mało jest miejsca do jego zabudowy. W zależności od układu wtryskowego są stosowane wtry-skiwacze z czynnikiem wzniosu igły rozpylacza lub bez tego czujnika. Czujnik ten przeka-zuje sterownikowi dokładną chwilę początku wtrysku. Rys. 6.21. Przykłady wtryskiwaczy. a – stopniowy do pojazdów użytkowych, b – standardowy do różnych silników, c – dwu-sprężynowy do samochodów osobowych, d – standardowy do różnych silników. e - stop-niowy bez przyłącza przeciekowego do pojazdów użytkowych, f – stopniowy do pojazdów użytkowych, g – stopniowy do różnych silników, h – dwusprężynowy do samochodów osobowych, i – stopniowy do różnych silników, j – standardowy z rozpylaczem czopikowym do silników o wtrysku pośrednim (IDI)

Źródło: Sterowanie silników z zapłonem samoczynnym. [w:] Informator techniczny Bosch. WKiŁ, War-

szawa 2004.

Wtryskiwacze mogą być mocowane w głowicy za pomocą kołnierza, jarzma docisko-wego, nakrętki dociskowej lub złącza gwintowego. Podłączenie ciśnienia może być cen-tralne lub boczne.

24

Paliwo omywające igłę rozpylacza służy do smarowania. W wielu odmianach wtryskiwaczy nadmiar paliwa jest odprowadzany przewodem przelewowym z powrotem do zbiornika pali-wa. Niektóre wtryskiwacze pracują bez przelewu paliwa – nie mają wtedy odpowiednie-go przewodu przelewowego. Paliwo w komorze sprężyny tłumi przy wysokich dawkach wtrysku i prędkościach obrotowych skok igły, z czego wynika podobny przebieg wtrysku, jak dla wtryskiwaczy dwusprężynowych.

W wysokociśnieniowych układach wtryskowych Common Raił i Unit Injector (pom-powtryskiwacze) rozpylacz jest zintegrowany z wtryskiwaczem. W tych układach nie wy-stępuje obsada wtryskiwacza.

W układzie wtryskowym Common Rail wtryskiwacze są połączone z zasobnikiem pa-liwa krótkimi przewodami wysokiego ciśnienia. Uszczelnienie wtryskiwaczy w komorze spalania stanowi pierścieniowa uszczelka miedziana. Wtryskiwacze są mocowane w głowicy cylindra jarzmem dociskowym. Cechą charakterystyczną układu jest wytwarzanie ciśnienia wtrysku niezależnie od prędkości obrotowej silnika i dawki paliwa. Początek wtrysku i dawka paliwa są regulo-wane przez sterowany elektrycznie wtryskiwacz. Chwila wtrysku jest sterowana przez kątowo-czasowy obwód elektronicznego układu regulacji EDC. W tym celu są niezbędne dwa czujniki prędkości obrotowej: jeden na wale korbowym do pomiaru prędkości ob-rotowej silnika oraz drugi na wale rozrządu, służący do rozpoznawania cylindrów (tzw. rozpoznawanie faz).

Zmniejszenie emisji spalin oraz hałasu silnika wysokoprężnego wymaga optymalnego przygotowania mieszanki, dlatego od wtryskiwaczy wymaga się możliwości wtryskiwania bardzo małych dawek wstępnych oraz wielokrotnych dotrysków (tzw. wtrysk wielo-krotny). W silnikach stosuje się trzy rodzaje wtryskiwaczy:

elektromagnetyczne z jednoczęściową kotwicą, elektromagnetyczne z dwuczęściową kotwicą, piezoelektryczne.

10. Podsumowanie Do niedawna jednostki o zapłonie samoczynnym były mniej preferowaną opcją

ze względu na niższe osiągi i większe zanieczyszczanie środowiska. Uważano je za hała-śliwe, brudne i spalające gorsze paliwo. Mimo to, w dużej części Europy przez długi czas cieszyły się znaczną popularnością ze względu na niskie zużycie paliwa. Ponieważ nowoczesny silnik o zapłonie samoczynnym diametralnie różni się od swych poprzedników. Z tego powodu przez ostatnie 10-15 lat dokonał się ostry zwrot w kie-runku jednostek z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Silnik o zapłonie samoczynnym rozwija znacznie wyższy jednostkowy moment obroto-wy niż silnik o zapłonie iskrowym. W wielu przypadkach oznacza to, że zapewnia więk-szą siłę napędową i większe przyspieszenia.

Współczesne samochody napędzane silnikami o zapłonie samoczynnym wykazu-ją się zarówno doskonałymi przyspieszeniami, jak i wysoką prędkością podróżną oraz maksymalną, co jest istotną zaletą na wielu rynkach europejskich. Charakterystyczny hałas określany potocznie jako „klekot” jest zauważalny jedynie na biegu jałowym lub gdy silnik nie osiągnął właściwej temperatury. Samochody z tego typu silnikiem prowa-dzi się z przyjemnością, a ich kierowcy stają się szczególnie szczęśliwi z chwilą zauwa-żenia, jak rzadko trzeba uzupełniać paliwo. W porównaniu z silnikiem o zapłonie iskrowym, wielkość emisji gazu cieplarnianego – dwutlenku węgla – na jednostkę zużywanego paliwa jest o około 20% niższa. Przy

25

mniejszym zapotrzebowaniu na paliwo oraz efektywnym jego spalaniu z nadmiarem powietrza, silnik ten emituje w sumie mniej zanieczyszczeń. W nowych konstrukcjach, wyposażonych w filtry cząstek stałych, emisja tych cząstek została ograniczona do po-ziomu porównywalnego z silnikami o zapłonie iskrowym, problemem pozostaje jedynie nieco wyższa zawartość tlenków azotu (NOx) w spalinach.

Moduł 7

Układ chłodzenia i smarowania oraz układ dolotowy i wylotowy

1. Układ chłodzenia 1.1. Bezpośredni układ chłodzenia 1.2. Pośredni układ chłodzenia 2. Układ smarowania 2.1. Rodzaje układów smarowania 2.2. Podzespoły układu smarowania 3. Układ dolotowy 4. Układ wylotowy 5. Metody doładowania 5.1.Doładowanie silników ZI 7. Zawór EGR 7.1. Budowa i zasada działania zaworu EGR. 8. Układ oczyszczania spalin 8.1. Filtr cząstek stałych – budowa

2

W tym module zostaną przedstawione zagadnienia dotyczące konstrukcji układów chłodzenia i smarowania oraz układ dolotowy i wylotowy. Ponadto zostanie omówiona budowa i funkcjonowanie poszczególnych układów. 1. Układ chłodzenia

W silnikach są stosowane układy chłodzenia powietrzem tzw. układy chłodzenia bezpośrednie i układy chłodzenia płynem chłodzącym tzw. pośrednie układy chłodze-nia. Prawie wszystkie obecnie produkowane silniki samochodowe są wyposażone w układ chłodzenia płynem chłodzącym.

1.1. Bezpośredni układ chłodzenia Bezpośredni układ chłodzenia to układ, w którym silnik chłodzony jest za pomocą

„owiewającego” go powietrza. Możemy rozróżnić dwa typy układów bezpośrednich: Naturalny – to taki układ, w którym przepływ powietrza wymuszony jest pę-

dem pojazdu np. w motocyklach chłodzonych powietrzem. wymuszony – w układzie tym pęd powietrza wymuszony jest działaniem wen-

tylatora, dzięki czemu silnik może być chłodzony wtedy, kiedy to konieczne, a nie tylko podczas jazdy.

Niezależnie od wybranego rozwiązania silniki chłodzone w sposób bezpośredni mają na swoim kadłubie specjalne użebrowanie, dzięki któremu chłodzenie jest bardziej efek-tywne.

Zaletami chłodzenia bezpośredniego jest praktycznie brak obsługi układu chło-dzenia oraz duża niezawodność. Jednak silniki chłodzone w ten sposób pracują głośniej od silników chłodzonych pośrednio. 1.2. Pośredni układ chłodzenia

W pośrednim układzie chłodzenia silnik chłodzony jest za pomocą cieczy chło-dzącej, która chłodzona jest podczas jazdy samochodu w wymienniku temperatury (chłodnica).

Budowa i zasada działania Układ chłodzenia pośredniego składa się z chłodnicy, przewodów łączących układ, termostatu, nagrzewnicy, czujników temperatury, pompy wymuszającej obieg cie-czy, zbiornika wyrównawczego oraz wentylatora. W układzie tym znajduje się ciecz chłodząca. Konstrukcja bloku silnika uwzględnia natomiast miejsca, przez które ta ciecz przepływa.

3

Rys. 7.1. Budowa układu chłodzenia.

Źródło: http://www.kokar.pl/?schemat-i-budowa-ukladu-chlodzenia-silnika

Pompa płynu chłodzącego tłoczy pod ciśnieniem płyn chłodzący do układu

chłodzenia. Najczęściej jest to pompa odśrodkowa. Tego rodzaju pompy charakteryzują się dużą wydajnością przy bardzo prostej i zwartej budowie (małe wymiary i ciężar). Pompa taka wytwarza niewielkie ciśnienie, co zabezpiecza układ chłodzenia przed uszkodzeniami. Jest mocowana na przedniej stronie silnika i napędzana od wału korbo-wego paskiem klinowym lub zębatym. Ponadto jest włączona do obiegu między dolnym zbiornikiem chłodnicy, a płaszczem płynu chłodzącego i wskutek czego tłoczy ciecz o najniższej temperaturze w obiegu.

Rys. 7.2. Pompa wody.

Źródło: http://www.driftshop.pl/shop/?326,pompa-wody-silnik-ca18det-nissan-200sx

4

Chłodnica składa się z rdzenia połączonego z dwoma zbiornikami. Zbiornik gór-ny ma króciec dolotowy do połączenia z silnikiem i ze zbiornikiem wyrównawczym. Zbiornik dolny ma króciec do połączenia z pompą. Rdzeń chłodnicy może być komoro-wy, rurkowo-płytkowy albo rurkowo-taśmowy, z kilkoma albo tylko jednym rzędem rurek i może być wykonywany z mosiądzu albo częściej z aluminium. Rys. 7.3. Budowa chłodnicy.

Źródło: http://www.szymkrzysztof.republika.pl/silnik.html

Termostat jest zaworem termicznym, który reguluje temperaturę płynu chło-

dzącego w silniku. Podczas nagrzewania silnika pozostaje zamknięty aż do osiągnięcia temperatury początku otwarcia (na ogół około 80...90°C) i dopiero wtedy zaczyna się otwierać.

Budowa silnika Wewnątrz szczelnego cylindra termostatu znajduje się materiał zmieniający swą obję-tość w zależności od temperatury. Zmiany temperatury powodują ruchy cylindra w górę i w dół, i dzięki temu zawór otwiera się i zamyka. Rys. 4. Termostat.

Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Termostat_(silnik_spalinowy).

5

Zbiornik wyrównawczy jest wykorzystywany do przejmowania nadmiaru płynu chłodzącego, gdy temperatura w układzie wzrasta i oddawania go do układu, gdy silnik stygnie. Zbiornik jest wykonany z przezroczystego tworzywa sztucznego, co umożliwia wzrokową kontrolę poziomu płynu w układzie.

Korek wlewu, umieszczony na zbiorniku wyrównawczym, jest ważnym elementem układu chłodzenia, wyposażony w zawór nadciśnieniowy i zawór podci-śnieniowy. Zawór nadciśnieniowy powoduje zwiększenie ciśnienia w układzie, a przez to podniesienie temperatury wrzenia płynu chłodzącego ponad 100°C, co jest korzystne dla ogólnej sprawności silnika. Zawór podciśnieniowy otwiera się, gdy po wyłączeniu silnik stygnie i w układzie powstaje podciśnienie. Dzięki temu w wystudzonym układzie chłodzenia panuje ciśnienie zbliżone do atmosferycznego i przewody gumowe nie zaci-skają się.

Rys. 7.5. Zbiornik wyrównawczy płynu chłodzącego z korkiem wlewu.

Źródło: http://www.zafiraklub.pl/forum/viewtopic.php?t=8898

Wentylator służy do wymuszania intensywnego przepływu powietrza przez

chłodnicę, co poprawia efekt wypromieniowania ciepła. Wentylator jest napędzany sil-nikiem elektrycznym, włączanym przez elektroniczne urządzenie sterujące silnika w zależności od temperatury płynu chłodzącego. W starszych rozwiązaniach wentylator był sterowany wyłącznikiem termicznym, zamontowanym w chłodnicy.

6

Rys. 7.6. Wentylator.

Źródło: http://www.chlodnice.net.pl/poradypraktyczne.htm

Czujnik temperatury płynu chłodzącego jest umieszczony w obudowie termo-

statu i przesyła informacje o temperaturze do wskaźnika w zestawie wskaźników. Zmiana rezystancji czujnika w zależności od temperatury powoduje zmianę napięcia przekazywanego do wskaźnika wycechowanego w stopniach Celsjusza. Czujnik zawiera także włącznik termiczny lampki kontrolnej przegrzania silnika, sygnalizującej przekro-czenie dopuszczalnej temperatury płynu chłodzącego.

Rys. 7.7. Czujnik temperatury. 1 - złącze elektryczne, 2 - obudowa, 3 - rezystor.

Źródło: http://automatyka.ndl.pl/opel/podzespoly/temp/czujnik_temperatury.htm

W układzie chłodzenia można wyróżnić obiegi mały i duży. Korzystając z małego obiegu, napędzana prze pompę ciecz krąży tylko w kadłubie silnika. Dzieje się tak aż do chwili osiągnięcia przez ciecz odpowiedniej temperatury. W chwili nagrzania się cieczy w małym obiegu następuje otwarcie termostatu, a tym samym ciecz chłodząca zaczyna krążyć w dużym obiegu, czyli przepływać przez chłodnicę. Ciecz, przepływając przez chłodnicę, jest chłodzona przez pęd powietrza jaki występuje podczas poruszania się samochodu. Kiedy jednak układ osiągnie temperaturę ok. 98°C włączony zostaje wentylator, który wymusza dodatkowy przepływ powietrza przez chłodnicę.

7

Za pomocą umieszczonej w układzie chłodzenia nagrzewnicy ogrzewane jest również powietrze służące do ogrzewania kabiny pasażerskiej.

2. Układ smarowania Układ smarowania jest sercem całego silnika. Silnik składa się z wielu poruszają-

cych się względem siebie części. Są to na przykład części układu korbowego i układu rozrządu. Powstające między nimi tarcie powoduje straty mocy, zużycie i może być przyczyną zatarcia silnika. W celu zapobiegania tym niepożądanym zjawiskom silnik został wyposażony w układ smarowania, który pod ciśnieniem doprowadza olej silni-kowy do miejsc wymagających smarowania. Olej pełni w silniku liczne funkcje:

tworzy między obracającymi lub przesuwającymi się częściami cienki film ole-jowy, zapobiegający ich bezpośredniemu kontaktowi, co zmniejsza tarcie, a tym samym i zużycie oraz powstawania ciepła,

chłodzi części silnika, uszczelnia tłoki w cylindrach, zabezpiecza wnętrze silnika przed korozją, usuwa zanieczyszczenia z silnika.

2.1. Rodzaje układów smarowania Rozróżniamy dwa rodzaje układów smarowania: ciśnieniowy i mieszankowy.

Ciśnieniowe układy smarowania są stosowane we wszystkich nowoczesnych sil-

nikach. Olej pod ciśnieniem jest doprowadzany tylko do niektórych części, np. do łożysk głównych i korbowych wału korbowego, czy łożysk wału korbowego i dźwigienek zawo-rowych. Inne części są smarowane rozbryzgowo, np. krzywki wału rozrządu, gładź cy-lindrów czy koła zębate.

Układ mieszankowy jest stosowany w silnikach dwusuwowych ze sprężaniem w skrzyni korbowej. W silnikach tych do benzyny jest dodawane 2...3% oleju smarujące-go, który w skrzyni korbowej prawie całkowicie wytrąca się z zassanej mieszanki palnej i rozbryzgowo smaruje części silnika, również łożyska główne i korbowe (zwykle tocz-ne).

2.2. Podzespoły układu smarowania Pompa oleju zasysa olej przez smok z filtrem siatkowym i tłoczy do układu przez

filtr dokładnego oczyszczania. W układach smarowania silników są obecnie stosowane dwa rodzaje pomp zębatych (z kołami o uzębieniu zewnętrznym i z kołami o uzębieniu wewnętrznym) oraz pompy rotorowe.

Pompa zębata z kołami o uzębieniu zewnętrznym składa się z dwóch identycznych kół umieszczonych w jednej obudowie. Olej jest przenoszony ze strony ssącej na tłoczną we wrębach międzyzębnych.

Pompa zębata z kołami o uzębieniu wewnętrznym jest zwykle montowana w osi wa-łu korbowego. Koło wewnętrzne jest osadzane bezpośrednio na wale korbowym. Koło zewnętrzne o uzębieniu wewnętrznym jest umieszczone niewspółosiowo z kołem we-wnętrznym. Przestrzeń zasysania jest oddzielona od przestrzeni tłoczenia wkładką sier-pową.

8

Rys. 7.8. Zębata pompa oleju: a) o zazębieniu zewnętrznym, b) o zazębieniu wewnętrz-nym.

Źródło: http://autokult.pl/2011/05/05/transport-oleju-w-silniku-pompy-olejowe-wideo

Pompa rotorowa składa się z dwóch wirników umieszczonych niewspółosiowo

w jednej obudowie. Wirnik napędowy i wirnik napędzany obracają się w tym samym kierunku. Podczas obracania przestrzenie między zębami wirników najpierw powięk-szają się (zasysanie), a następnie zamykają (tłoczenie). Pompy rotorowe mogą być mon-towane bezpośrednio na wale korbowym. W pompie jest umieszczony zawór przelewo-wy ograniczający ciśnienie do wartości wymaganych. Zawór przelewowy służy do ogra-niczania ciśnienia w układzie smarowania. Gdy na skutek wzrostu obrotów silnika ci-śnienie wzrasta nadmiernie, zawór otwiera się i część tłoczonego oleju jest kierowana na stronę ssącą albo bezpośrednio do miski olejowej.

Filtr oleju wychwytuje cząstki metali, węgla i inne zanieczyszczenia. Jest on zwykle wykonywany jako element jednorazowego użytku, który wymienia się przy okazji wy-miany oleju. Filtr oleju jest wyposażony w zawór bocznikowy. Zawór ten otwiera się, gdy opory przepływu przez filtr nadmiernie wzrosną. Tłoczony przez pompę olej omija wtedy filtr i silnik jest odtąd smarowany olejem niefiltrowanym. Rys. 7.9 Filtr oleju.

Źródło: http://www.forum.alfaholicy.org/forum_ogolne_o_alfa_romeo/93972-filtry_oleju_wydzielony.html

http://www.forum.alfaholicy.org/forum_ogolne_o_alfa_romeo/93972-filtry_oleju_wydzielony.html

http://www.forum.alfaholicy.org/forum_ogolne_o_alfa_romeo/93972-filtry_oleju_wydzielony.html

9

Miska olejowa zamyka od dołu skrzynię korbową. Służy jako zbiornik oleju, w którym olej się odpowietrza i podczas jazdy jest chłodzony owiewem powietrza.

Czujnik ciśnienia jest wkręcony w kadłub i mierzy ciśnienie oleju w kolektorze ole-ju.

Spadek ciśnienia poniżej wartości minimalnej powoduje zaświecenie się lampki kontrolnej w zestawie wskaźników.

Czasami w silnikach jest montowany czujnik poziomu i temperatury oleju. Sygnały czujnika są zapamiętywane elektronicznie i przekazywane do wskaźnika poziomu i temperatury oleju na tablicy rozdzielczej.

3. Układ dolotowy Układ dolotowy doprowadza powietrze do silnika. Składa się z filtra powietrza

i kolektora dolotowego. Filtr powietrza ma wymienny wkład papierowy, który zatrzymuje pył

i zanieczyszczenia zasysane z powietrzem przez silnik. Przedostające się do cylindrów pył i kurz mogłyby zniszczyć gładzie oraz zanieczyścić olej silnikowy. W rezultacie skró-ciłoby to żywotność silnika. Dlatego wkład filtra należy regularnie wymieniać, zgodnie z zaleceniami producenta samochodu.

Rys. 7.10. Filtry powietrza.

Źródło: http://autokult.pl/2013/02/07/pluca-samochodu-wszystko-o-filtrach-powietrza.

Kolektor dolotowy kieruje mieszankę paliwowo-powietrzną (w silnikach

o zapłonie iskrowym z wtryskiem pośrednim) lub zasysane powietrze (w silnikach o zapłonie iskrowym z wtryskiem bezpośrednim lub w silnikach wysokoprężnych) do poszczególnych cylindrów silnika.

Kolektor dolotowy może być tak skonstruowany, że będzie wspomagał dostarcza-nie silnikowi większej ilości powietrza, niż sam silnik potrafi zassać. Jest to tzw. dołado-wanie dynamiczne, realizowane na przykład zmienną długością kanałów dolotowych lub zmienną ich geometrią. W niektórych rozwiązaniach kolektor ma wbudowany elek-tryczny podgrzewacz powietrza, który kształtem przypomina „jeża”.

10

W układzie dolotowym mogą być zamontowane: urządzenie do pomiaru masy zasysa-nego powietrza (tak zwany przepływomierz) i urządzenie doładowujące (turbosprężar-ka lub kompresor). Rys. 7.11. Kolektor dolotowy.

Źródło: http://www.e-autonaprawa.pl/encyklopedia/kolektor-dolotowy-ang-isuction-manifold-i/2115/

4. Układ wylotowy Zadaniem układu wylotowego (nazywanego również wydechowym) jest odprowa-

dzenie spalin z silnika poza strefę, z której mogłyby się one przedostać do wnętrza nad-wozia oraz na takim tłumieniu odgłosów wydechu, by nie obniżało to osiągów silnika. Układ wylotowy jest zbudowany z kolektora wylotowego, rury wylotowej, katalizatora i tłumika (tłumików).

Kolektor wylotowy odprowadza gazy powstałe w cylindrach w wyniku spalania i poprzez rurę wylotową wydala je do atmosfery. Kolektor jest przykręcony do głowicy, natomiast pozostałe elementy układu są podwieszone do podwozia na wieszakach gu-mowych, które tłumią drgania układu wylotowego.

11

Rys. 7.12. Kolektor wylotowy.

Źródło: http://www.terminalczesci.pl/kolektor-wydechowy/

Rura wylotowa jest podzielona na kilka, połączonych ze sobą śrubami odcinków, co umożliwia łatwą wymianę tłumika lub katalizatora bez konieczności wymontowywa-nia całego układu.

Tłumik obniża ciśnienie i temperaturę gazów spalinowych, w celu uniknięcia zjawiska gwałtownego rozprężania się gazów po wyjściu z rury. Temu zjawisku towa-rzyszyłby duży hałas. Działanie tłumików polega na stopniowym rozprężaniu gazów w czasie przechodzenia przez labiryntowe kanały lub kolejne komory wewnątrz tłumika. Czasami w układzie wylotowym stosuje się dwa tłumiki, z których ostatni tłumi szumy powstałe w poprzednim tłumiku.

Katalizator jest montowany najczęściej tuż za kolektorem wylotowym, aby szyb-ciej uzyskiwał temperaturę roboczą. Zadaniem katalizatora jest oczyszczanie spalin z niepożądanych ze względów ekologicznych składników.

12

Rys. 7.13. Budowa układu wylotowego.

Źródło: http://adrianolek.com/naukajazdy/pliki/silniki/uklady.htm

5. Doładowanie silników

Doładowaniem silnika nazywa się proces, w którym dostarczenie świeżego ła-

dunku do cylindra odbywa się pod ciśnieniem wyższym od atmosferycznego, co zwięk-sza masę substancji uczestniczących w spalaniu.

Celem doładowania jest uzyskanie wzrostu mocy użytecznej oraz sprawności sil-nika. Jest to efekt równoważny zwiększeniu łącznej objętości skokowej cylindrów (zwią-zanej z niepożądanym wzrostem masy własnej silnika) lub prędkości obrotowej wału korbowego (co powoduje jednak zmniejszenie sprawności mechanicznej). Inne, alterna-tywne sposoby uzyskania wyższej mocy to: podwyższenie stopnia sprężania, z czym wiążą się większe obciążenia mechaniczne i cieplne, albo zmniejszenie współczynnika nadmiaru powietrza, co obniża sprawność cieplną.

Doładowanie silnika może być realizowane różnymi metodami. Ponieważ świeże powietrze nagrzewa się podczas przepływu do cylindrów i sprężania (przez co zmniej-sza swą gęstość), stosuje się jego schładzanie w przepływowej chłodnicy. Zależnie od wartości ciśnienia świeżego ładunku rozróżnia się doładowanie niskie, nieprzekraczają-ce 150 kPa, i doładowanie wysokie, przekraczające 150 kPa (sięgające nawet 300 kPa), przy którym niezbędne jest chłodzenie powietrza. Wzrost mocy uzyskiwany dzięki do-ładowaniu wyrażony w procentach mocy tego samego silnika, lecz zasilanego pod ci-śnieniem atmosferycznym, nazywa się stopniem doładowania.

5.1. Metody doładowania Zwiększenie ciśnienia świeżego ładunku dostarczanego do cylindra realizujemy

przez doładowanie dynamiczne oraz sprężarkowe. Pierwsze (bezsprężarkowe) polega na wykorzystaniu działania fali uderzeniowej powietrza w przewodzie dolotowym pod-

13

czas suwu ssania. Tworząca się przy tym fala stojąca zwiększa ciśnienie przepływu ga-zów przez zawór dolotowy. Jego odmianą jest doładowanie rezonansowe, uzyskiwane dzięki wykorzystaniu zjawiska akustycznego rezonansu ciśnienia słupa powietrza w układzie dolotowym, co nie wymaga zastosowania dodatkowych urządzeń pomocni-czych zużywających energię otrzymywaną z silnika. Układ rezonansowy (rezonator Helmholtza) złożony jest ze zbiornika o stałej lub regulowanej objętości i pojedynczych przewodów dolotowych (o odpowiednio dobranej długości i przekroju) do poszczegól-nych cylindrów. Małe wartości stosunku długości do przekroju tych przewodów nie za-kłócają przebiegu drgań powietrza.

Doładowanie sprężarkowe polega na zwiększeniu ciśnienia powietrza dostarcza-nego do cylindra przez:

sprężarkę mechaniczną napędzaną od wału korbowego silnika, turbosprężarkę napędzaną gazami spalinowymi z silnika, system mieszany, w którym sprężarka mechaniczna oraz turbosprężarka pra-

cują szeregowo. Stosuje się także doładowanie kombinowane, polegające na równoczesnym stosowaniu sprężania dynamicznego i sprężarkowego. Rys. 7.14. Sprężarki: a) mechaniczna, b) turbosprężarka.

Źródło: http://www.technikajazdy.info/quiz-motoryzacyjny/turbo-vs-kompresor/

Doładowanie silników ZI Silniki o zapłonie iskrowym są stosowane głównie do napędu pojazdów osobo-

wych, w mniejszym zaś stopniu do pojazdów dostawczych. Początkowo stosowano w nich doładowanie mechaniczne za pomocą sprężarek wypornościowych. Z biegiem cza-su wprowadzono kilkuprocentowe turbodoładowanie oraz sporadyczne doładowanie mechaniczne. Pod koniec XX wieku stosowano najczęściej doładowanie kombinowane, czyli turbosprężarkowe połączone z dynamicznym. Poważnym problemem zastosowa-nia doładowania w silniku o zapłonie iskrowym jest występowanie samozapłonów (spa-lanie stukowe), co wymuszało obniżanie wartości stopnia sprężania.

14

Przy zasilaniu gaźnikowym doładowanie sprężarkowe stosowano za pomocą dwóch systemów. W pierwszym w układzie dolotowym gaźnik poprzedzał sprężarkę. Powodowało to lepsze wymieszanie paliwa z powietrzem i większą gęstość ładunku, dzięki jego ochłodzeniu na skutek parowania paliwa. Wadą tego systemu była koniecz-ność zmian przekrojów dysz w gaźniku oraz możliwość wybuchu mieszanki w przewo-dzie dolotowym. W drugim systemie gaźnik znajdował się za sprężarką. Do wad tego systemu należy zaliczyć konieczność zachowania całkowitej szczelności komory pływa-kowej gaźnika.

W silnikach zasilanych wtryskowo o zapłonie iskrowym występują trzy rodzaje wtrysku: o wtrysku centralnym (jednopunktowym), wielopunktowy (dla każdego cylin-dra), wielopunktowy bezpośredni (pod dużo większym ciśnieniem), który jest najnow-szym rozwiązaniem. W silnikach tych rola doładowania polega na dostarczeniu wyma-ganej masy powietrza do układu, dawka wtryskiwanego paliwa zależy zaś od obciążenia z zachowaniem wymaganego współczynnika nadmiaru powietrza. Należy pamiętać, że w silnikach benzynowych zasilanych wtryskowo najczęściej stosowane jest doładowanie dynamiczne uzyskiwane przez odpowiednio ukształtowany i regulowany układ doloto-wy, zapewniający względnie dobre napełnianie cylindrów przy określonych prędko-ściach obrotowych. Dla uzyskania lepszego doładowania stosuje się jednoczesne doła-dowanie sprężarkowe lub turbodoładowanie.

Zastosowanie turbosprężarek w silnikach benzynowych jest korzystne, lecz też ro-dzi pewne problemy. Zmiana prędkości obrotowej wału korbowego powoduje, że pom-pa wtryskowa reaguje natychmiast na zmianę obrotów, wtryskując odpowiednią dawkę paliwa, lecz turbosprężarka, ze względu na swą bezwładność, nie nadąża z podawaniem wymaganej ilości powietrza. Dlatego w silnikach TSI firmy VW stosowane jest dołado-wanie dynamiczne w całym zakresie obrotów, dynamiczne i przez mechanicznie napę-dzany kompresor w zakresie niskich obrotów albo dynamiczne i kompresorowe oraz przez turbosprężarkę w zakresie obrotów średnich, a przy wyższych – dynamiczne i turbosprężarkowe.

Doładowanie silników ZS Silniki o zapłonie samoczynnym są stosowane do napędu ciężkich pojazdów użyt-

kowych i dostawczych, lecz również coraz powszechniej do samochodów osobowych. W ich konstrukcji ostatnio dokonał się znaczny postęp. Był on wymuszony zarówno ko-niecznością obniżenia kosztów zużycia paliwa, jak i restrykcyjnymi przepisami dotyczą-cymi między innymi toksyczności spalin. Aby sprostać tym wymaganiom i poprawić właściwości dynamiczne silników ZS, poszczególni wytwórcy stosują różne sposoby ich doładowania.

Silniki wysokoprężne turbodoładowane z bezpośrednim wtryskiem paliwa (TDI) uzyskują bardzo dobre parametry (również elastyczność) dzięki usprawnieniu systemu przygotowania mieszanki palnej i jej spalania. Pozwala to uzyskiwać wyższe prędkości obrotowe rzędu 4500 obr./min, wymagane w silnikach pojazdów osobowych.

Stosowanie doładowania wraz z wtryskiem bezpośrednim paliwa oraz innymi rozwiązaniami technicznymi zarówno w silnikach benzynowych, jak i wysokoprężnych spowodowało poprawienie efektywności i wydajności tych silników spalinowych. Wpłynęło również na zmniejszenie ich uciążliwości dla otoczenia.

15

6. Recyrkulacja spalin Węglowodory (CH) oraz tlenki azotu (NOx) są obok tlenków węgla (CO) jednymi

z najważniejszych trujących związków znajdujących się w spalinach. Obie grupy tych związków są rakotwórcze i bardzo niebezpieczne dla ludzkiego organizmu. Wyso-ka zawartość jednych i drugich uzależniona jest od tego, jaka mieszanka paliwowo-powietrzna jest spalana w komorach silnika. Przy spalaniu mieszanki bogatej (za dużo paliwa, za mało tlenu), zwiększa się zawartość węglowodorów. Podczas niepełnego spa-lania długie łańcuchy CH ulegają „porwaniu”, a część z nich nie zostaje utleniona. Przy spalaniu mieszanki ubogiej (za dużo tlenu, za mało paliwa), kiedy w komorze spa-lania podnosi się temperatura lub gdy proces spalania jest bardzo szybki, np. na skutek wymuszania wysokich obrotów silnika, rośnie stężenie tlenków azotu w spalinach.

7. Zawór EGR Skrót EGR pochodzi od angielskiej nazwy „Exhaust Gas Recirculation”. Za-

wór EGR, inaczej zwany zaworem recyrkulacji spalin jest rodzajem elektromagnesu za-montowanego w układzie wydechowym. Jego zadaniem jest kierowanie części spalin z powrotem do układu dolotowego. Ma to przede wszystkim znaczenie ekologiczne, po-nieważ proces ten wymusza dopalenie się szkodliwych związków, powodując ich rozpad i lepsze wchłanianie przez atmosferę. Prawidłowa praca zaworu EGR wpływa więc po-zytywnie na ekologię.

7.1. Budowa i zasada działania zaworu EGR. Sama budowa zaworu EGR nie jest skomplikowana. Zawór EGR jest elektroma-

gnesem. W dużym skrócie elektromagnes zaworu EGR powoduje otwieranie i zamykanie przepustnicy, przez którą część spalin wpada ponownie do komory spalania. Aby układ był szczelny, stosowane są różnego rodzaju uszczelki, z których najbardziej charaktery-styczna posiada otwory na całej swojej powierzchni tak, aby spaliny mogły przedosta-wać się w obrębie układu. Aby recyrkulacja spalin odbywała się poprawnie, musi być spełnionych kilka warunków, takich jak odpowiednia temperatura oraz odpowiedni skład mieszanki. Całością operacji recyrkulacji spalin steruje komputer centralny, który w odpowiednich warunkach pracy silnika otwiera lub zamyka zawór EGR. Zwykle w reakcji ponownego spalania bierze udział od 15-25% spalin. Ekologicznie ma to znacze-nie, ponieważ w skład spalin wchodzą niebezpieczne dla organizmów związki, w tym związki toksyczne i rakotwórcze. Istnieją dwa zasadnicze typy układu recyrkulacji spalin – wewnętrzny i zewnętrzny.

16

Rys. 7.15. Zawór EGR.

Źródło: http://sprawdz.auto.pl/zawor-egr/

Pierwszy z nich opiera się na zastosowaniu zaawansowanych rozwiązań

w układzie rozrządu. Spaliny wprowadzane są do komory spalania podczas suwu ssa-nia. Opóźnia się zamknięcie zaworów wylotowych przy jednoczesnym otwarciu zawo-rów dolotowych. W ten sposób w komorze pozostaje część spalin. Taki układ stosuje się w jednostkach wysilonych i wysokoobrotowych, gdzie ważne jest utrzymanie wysokich parametrów zewnętrznych. Nie jest on jednak tak wydajny jak zewnętrzny układ recyr-kulacji spalin.

W układach zewnętrznych stosuje się specjalny zawór, który umieszczony jest na kolektorze wydechowym silnika, skąd część spalin trafia do układu ssącego. Za-wór sterowany jest przez ten sam komputer, który odpowiada za szereg innych parame-trów pracy silnika. Korzysta on z sygnałów sond lambda, współpracuje z układem wtry-skowym oraz układem zapłonowym

8. Układ oczyszczania spalin

Tłokowe silniki spalinowe emitują wiele substancji szkodliwych, z których ogra-niczeniami emisji poprzez przepisy homologacyjne objęto:

tlenek węgla (CO), węglowodory (HC), tlenki azotu (NOx), cząstki stałe (PM).

Ograniczenia emisji tych składników spalin, przy jednoczesnych wyczerpujących się konstrukcyjnych możliwościach zmniejszenia natężenia ich powstawania w komorze spalania, spowodowały intensywny rozwój katalitycznych technik oczyszczania spalin. Obecnie reaktory katalityczne jako najważniejszy element systemu ograniczania emisji stosowane są w połączeniu z rozbudowanymi systemami sterowania i diagnostyki silni-ka. Wymagania dotyczące prawidłowego funkcjonowania w agresywnych chemicznie i cieplnie gazach spalinowych stawiane reaktorom katalitycznym wymogły ich szybki rozwój. Szeroko rozpowszechniły się całkowicie nowe ceramiczne lub metalowe monoli-ty, na które nanoszona jest zwykle aktywna katalitycznie warstwa pośrednia, stanowią-ca nośnik zasadniczych substancji, na których zachodzą reakcje kontaktowe.

17

Reaktory katalityczne można podzielić na cztery podstawowe grupy w zależności od rodzaju pełnionej funkcji (sposobu usuwania szkodliwych składników):

reaktory utleniające (OC i MSC), reaktory utleniająco-redukujące (TWC i NSR), reaktory redukujące (NH3-SCR i HC-SCR), reaktory rozkładające (DeNOx).

8.1. Filtr cząstek stałych – budowa

Filtr cząstek stałych (DPF, FAP) to urządzenie służące do zatrzymywania i neutralizowania cząstek sadzy. Jest to nieskomplikowany układ, składający się z ceramicznej struktury i metalowej obudowy, wizualnie przypominającej tłumik środ-kowy. Filtr cząstek stałych, podobnie jak katalizator, ma budowę plastra miodu, z tą róż-nicą, że średnica jego kanalików jest większa, a ich ścianki porowate. Część kanalików zaślepiona jest na wlocie, pozostałe na wylocie z filtra. Pory są mniejsze niż cząstki sa-dzy, dzięki czemu zatrzymują ją wewnątrz filtra, aby później ją dopalić w procesie ini-cjowanym przez ECU. Spaliny trafiają do otwartych kanalików, gdzie mniejsze cząsteczki przedostają się przez pory i wylatują z układu wydechowego, a większe (cząstki sadzy) zostają zatrzymane wewnątrz. Ze względu na sposób działania można rozróżnić dwa rodzaje systemów oczyszczania spalin:

Suchy filtr DPF. W tym filtrze na powierzchni porowatych ścianek znajdują się cząsteczki tlenku glinu i ceru oraz platyny (utleniają CO-CO2, NO-NOx). Rys. 7.16. Suchy filtr cząstek stałych DPF.

Źródło: http://moto.pl/Ekologia/51,117005,9148367.html?i=3

Mokry filtr FAP.

Filtr ten wymaga zastosowania dodatku do paliwa (tzw. płynu katalicznego), któ-ry powoduje neutralizację sadzy w niższej temperaturach.

Moduł 8

Napędy alternatywne stosowane w pojazdach samochodowych

1. Wstęp 2. Samochody elektryczne z akumulatorem elektrochemicznym 3. Pojazdy elektryczne z ogniwem paliwowy 4. CNG

2

1. Wstęp

W tym module przedstawione zostaną zagadnienia dotyczące alternatywnych źródeł energii wykorzystywanych do napędu pojazdów samochodowych.

2. Samochody elektryczne z akumulatorem elektrochemicznym Samochody elektryczne z akumulatorem elektrochemicznym są najprostszą konstrukcją spośród samochodów elektrycznych. W pojeździe znajdują się akumulatory, jako źródło energii, oraz silnik elektryczny, jako jednostka napędowa. Znacznie prostsze niż w po-jeździe spalinowym są urządzenia powiązane z silnikiem; na przykład silnik elektryczny nie wymaga systemu chłodzenia. Rys. 8.1. Budowa elektrycznego układu napędowego samochodu osobowego http://www.dyrektor.net/article/samoch%C3%B3d-elektryczny?page=0,6

Sama jego konstrukcja jest również znacznie mniej skomplikowana niż jednostki

spalinowej. Nie ma w nim systemu dolotowego ani wydechowego, zaworów, wałków rozrządu, a mniejsze jednostki nie wymagają nawet stosowania przekładni wielostop-niowych. W silniku elektrycznym występuje jedynie ruch obrotowy wału, natomiast w jednostce spalinowej dopiero ruch posuwisto-zwrotny tłoków jest zamieniany po-przez korbowód na ruch obrotowy. Wszystkie te czynniki wpływają na znacznie mniej-szą awaryjność i znacznie dłuższą żywotność silników elektrycznych. Zjawisko tarcia jest w nich zredukowane do minimum. Działanie silników elektrycznych nie opiera się na cyklicznych wybuchach mieszanki paliwowo-powietrznej, dlatego nie emitują one prawie żadnego hałasu. Samochody elektryczne – jak z tego wynika – pod wieloma względami mają przewagę nad jednostkami spalinowymi. Mają też jedną poważną wadę eksploatacyjną: ograniczony zasięg. Samochód spalinowy może przejechać „na jednym baku” ok. 800 km. Napełnienie baku i kontynuacja podróży nie są żadnym wyzwaniem (poza finansowym) i już po kilku minutach od dotarcia na stację benzynową można je-chać dalej. Niestety, w przypadku podróżowania samochodem elektrycznym, jest to nie-realne. Samochód przejedzie dokładnie tyle, na ile pozwoli mu pojemność baterii, której cykl ładowania wynosi kilka godzin. W praktyce uniemożliwia to odbywanie podróży

3

dłuższych niż 200 km. Z tego powodu obecnie szczególny nacisk kładzie się na rozwój technik akumulatorowych. Od czasu zbudowania pierwszego akumulatora, w dziedzinie elektrochemicznych źródeł zasilania, nastąpił znaczny rozwój. Bezpośrednim jego wyni-kiem jest powstanie baterii litowo-jonowych, podstawowego rodzaju baterii używanych w pojazdach elektrycznych. Jednakże napędy samochodów elektrycznych wymagają odpowiednich akumulatorów – konwencjonalne akumulatory nie mogą być zastosowa-ne. Pracuje się zatem nie tylko nad technikami magazynowania energii, ale również nad lepszą infrastrukturą dla pojazdów elektrycznych. W praktyce oznacza to stworzenie sieci masowego ładowania baterii akumulatorowych bądź stacji ich ekspresowej wymiany. W samych pojazdach stosuje się również podwój-ny system ładowania, w celu przyspieszenia czasu ładowania akumulatora. Zasilacz wła-sny umożliwia ładowanie prądem bezpośrednio z sieci. Czas pełnego ładowania baterii wynosi średnio 7–8 godzin. Pojazdy o podwójnym systemie ładowania przystosowane są również do tzw. szybkiego ładowania. Trwa ono ok. 40 min, lecz nie zapewnia pełne-go naładowania akumulatora, a częste korzystanie z szybkiego ładowania może nieko-rzystnie wpłynąć na żywotność baterii. Ponadto istnieje możliwość doładowywania akumulatora podczas jazdy. Służą temu systemy odzyskiwania energii przy hamowaniu bądź „zdjęciu nogi z gazu”. Obracające się wtedy koła napędzają prądnicę ładującą bate-rię. Może to jednak nieco pogarszać komfort jazdy, powodując nieprzyjemne uczucie hamowania przy każdorazowym „zdjęciu nogi z gazu”.

3. Pojazdy elektryczne z ogniwem paliwowym

Ogniwo wodorowe jako źródło energii Z wodorem, jako paliwem silnika spalinowego, wiązane są duże nadzieje na przy-

szłość. Produktem spalania wodoru w silniku spalinowym jest wyłącznie woda. Ze względu na trudności w magazynowaniu wodoru, technologia ta ciągle jest w fazie wczesnego roz-woju. Wodór można również wykorzystać do produkcji prądu elektrycznego w ogni-wach paliwowych i w ten sposób zasilić silnik elektryczny pojazdu. Zapewnienie samo-chodowi zasięgu około 500 km, przy jednorazowym zatankowaniu wodoru, wymaga zaopatrzenia go w kilka kilogramów tego paliwa. Jednakże szczególne warunki, w jakich musi być przechowywany wodór, bardzo utrud-niają wykorzystanie tej technologii. Aby zaopatrzyć samochód w 3 kg wodoru przecho-wywanego w butlach standardowych, należy go sprężyć do 150 atmosfer. Tak sprężony wodór wypełni 5 butli przy masie własnej każdej z nich równej kilkudziesięciu kilogra-mom. Gdyby się chciało ograniczyć liczbę butli, należałoby zwiększyć ciśnienie. Spręże-nie wodoru do ciśnienia 600 atmosfer wymagałoby jednak wkładu energii równego po-łowie energii sprężanego paliwa; dlatego – dopóki obecna technologia ogniw paliwo-wych nie zostanie ulepszona – pojazdy elektryczne zasilane wodorem są jedynie nadzie-ją rynku motoryzacyjnego.

Schemat działania samochodu z ogniwem paliwowym jest stosunkowo prosty. W pierwszym etapie wodór zostaje doprowadzony ze zbiornika do ogniwa, gdzie do-starczane jest także powietrze, najczęściej z wykorzystaniem turbosprężarki. Następnie odbywa się transmisja prądu (prądu stałego) z ogniwa do przetwornicy trakcyjnej, gdzie

4

zamieniany jest on na prąd zmienny i przekazywany dalej do silnika indukcyjnego. Ostatnim etapem jest przekazanie momentu obrotowego na koła samochodu. Rys. 8.2. Zbiornik wodoru http://autokult.pl/2011/11/11/samochody-napedzane-wodorem-jak-to-dziala

Najważniejszym elementem całego układu są oczywiście ogniwa paliwowe. Są to urzą-dzenia elektrochemiczne, które wytwarzają energię użyteczną (elektryczność, ciepło) w wyniku reakcji chemicznej wodoru z tlenem. Ogniwo zbudowane jest z dwóch elek-trod: katody i anody. Rozdzielone są one elektrolitem lub membraną elektrolityczną. Umożliwiają one przepływ kationów, natomiast blokują przepływ elektronów. Wodór, dopływający do anody, ulega tam rozbiciu na protony i elektrony. Pierwsze mogą swo-bodnie przedostać się przez elektrolit do katody, do której doprowadzane jest powie-trze. Natomiast przepływ elektronów do katody odbywa się zewnętrznym obwodem, powodując wytworzenie prądu elektrycznego. W wyniku tej elektrochemicznej reakcji wodoru i tlenu powstaje prąd elektryczny, woda oraz ciepło.

5

Rys. 8.3. Ogniwa paliwowe http://autokult.pl/2011/11/11/samochody-napedzane-wodorem-jak-to-dziala

W samochodach, które stosują ogniwa paliwowe, wykorzystywane są zbiorniki

do magazynowania sprężonego wodoru. Cylindrycznym kształtem przypominają te używane do paliw LPG. Konstrukcyjnie są jednak znacznie bardziej zaawansowane pod względem użytej technologii. Wewnętrzna warstwa wykonana jest z aluminium lub stali (ok. 20% całkowitej masy), natomiast z zewnątrz całość jest oblana tworzywem kompo-zytowym. Dzięki temu mają dużą odporność na uszkodzenia mechaniczne oraz stosun-kowo niewielką masę. Rys. 8.4. Zbiornik do magazynowania sprężonego wodoru http://autokult.pl/2011/11/11/samochody-napedzane-wodorem-jak-to-dziala

6

Pojazdy hybrydowe Napęd hybrydowy stanowi więcej niż jedną jednostkę napędową. Najczęściej jest

to połączenie silnika spalinowego z elektrycznym. Podstawowym źródłem energii w układzie hybrydowym jest silnik spalinowy. Silnik elektryczny jest napędem pomoc-niczym przy zwiększonym zapotrzebowaniu na energię. Największe zastosowanie ma on w ruchu miejskim, co znacznie pozwala zredukować w mieście hałas oraz ilość zanie-czyszczeń. Na dystansach dłuższych przeważa działanie jednostki spalinowej. Napędy te mogą pracować niezależnie albo w układzie szeregowym lub równoległym. Najnowszym rozwiązaniem jest układ hybrydowy z zasadą synergii: źródła energii uzupełniają się w nim i w rezultacie osiągana moc jest większa niż suma arytmetyczna mocy jednostek składowych. Pojazdy hybrydowe stanowią dobry kompromis pomiędzy pojazdami eko-logicznymi a pojazdami pokonującymi dalekie dystanse. Dzięki zastosowaniu dodatko-wego silnika elektrycznego do pojazdu można wstawić mniejszą jednostkę spalinową, nie powodując zmniejszenia mocy i osiągów, zmniejszając natomiast zużycie paliwa. Silnik spalinowy, oprócz wykonywania normalnej pracy, ma za zadanie ładować akumu-latory w czasie jazdy. Zasięg pojazdu jest więc ograniczony jedynie pojemnością zbiorni-ka z paliwem. W każdym układzie hybrydowym pracuje urządzenie odwracalne. Daje to możliwość zarówno gromadzenia energii, jak i jej wykorzystania. Urządzeniem tym jest najczęściej maszyna elektryczna współpracująca z akumulatorem elektrochemicznym lub akumulator kinetyczny ze źródłem napędu. Zaletami napędów hybrydowych są mniejsze zużycie paliwa, a zatem mniejsza emisja substancji szkodliwych dla środowi-ska oraz znaczna redukcja hałasu. Wadą natomiast jest większa masa spowodowana dodatkowym silnikiem elektrycznym i akumulatorami. Również cena tych samochodów jest wyższa od ceny tradycyjnych modeli spalinowych o podobnej klasie i osiągach.

Rozwiązania konstrukcyjne Rozróżnia się trzy rodzaje konstrukcji pojazdów hybrydowych, mogą one pracować w układzie szeregowym, równoległym lub mieszanym. W układzie szeregowym silnik spalinowy napędza generator prądu elektrycznego. Wy-tworzona energia przekazywana jest do silnika elektrycznego, który napędza koła oraz ładuje akumulatory. Dzięki takiemu układowi osiągana jest wysoka sprawność jednostki spalinowej, ponieważ pracuje ona jedynie w wąskim, optymalnym zakresie obrotów. Gdy zapotrzebowanie na moc przekracza możliwości silnika spalinowego i generatora, jest ona uzupełniana z akumulatorów. Możliwe jest również odzyskiwanie energii pod-czas hamowania. Silnik elektryczny pracuje wówczas jako prądnica i przekazuje energię do ładowania akumulatorów.

7

Rys. 8.5. Układ szeregowy napędu pojazdu hybrydowego http://www.bergercs.com

W układzie równoległym bezpośredni napęd na koła może być przekazywany zarówno z silnika spalinowego, jak i elektrycznego. Podczas normalnej jazdy, jako napęd, stosuje się silnik elektryczny. Silnik spalinowy włącza się dodatkowo przy większym zapotrze-bowaniu na moc. Część energii silnika spalinowego jest przeznaczona również do łado-wania akumulatorów. Zarówno w układzie szeregowym, jak i równoległym, momenty obu silników sumują się. Rys. 8.6. Układ równoległy napędu pojazdu hybrydowego http://www.bergercs.com

8

W najnowszych konstrukcjach hybrydowych wykorzystuje się zasadę synergii. Silnik elektryczny oraz spalinowy mogą dostarczać energię równocześnie. Dzieje się to w mo-mentach dużego obciążenia, np. przy przyspieszaniu. Wypadkowa moc jest wtedy więk-sza od sumy mocy składowych obu silników. Rys. 8.7. Układ mieszany napędu pojazdu hybrydowego http://www.bergercs.com

Cztery typowe sytuacje związane z ruchem tego pojazdu zostały przedstawione na po-niższych rysunkach. Ruszanie z miejsca, ze względu na niewłaściwą pracę silnika spali-nowego na małych obrotach, odbywa się tylko z wykorzystaniem silnika elektrycznego. W czasie normalnej jazdy wykorzystywany jest silnik spalinowy i elektryczny, przy czym energia elektryczna jest wytwarzana w prądnicy. Podczas ekstremalnego przyspieszania wykorzystywana jest energia elektryczna zmagazynowana w akumulatorze. Hamowanie lub zwalnianie pojazdu jest wykorzystywane do ładowania akumulatora.

9

Rys. 8.8. Typowe sytuacje związane z ruchem pojazdu hybrydowego http://riad.pk.edu.pl/~naszapol/archiwum/NR27/TEXT/20_21.htm

10

4. CNG

Gaz ziemny, CNG, zwany także naturalnym gazem ziemnym (ang. Compres-sed Natural Gas), to sprężony do 20 MPa gaz, składający się w ok. 97 proc. z meta-nu. Tego samego metanu, który wydziela każdy człowiek i zwierzę, i przez który krowy uznaje się za bardziej szkodliwe dla środowiska od samochodów. Może on służyć do napędzania wszelkich silników spalania wewnętrznego – zarówno tych z zapłonem iskrowym, jak i samoczynnym. W teorii CNG ma same zalety jako paliwo do samochodów. Cechuje go wysoka liczba oktanowa (130), a co za tym idzie – odpor-ność na spalanie stukowe. Co więcej, ma on również korzystniejszy bilans energetyczny niż olej napędowy czy benzyna bezołowiowa. Auto jeżdżące na metan powinno więc przejechać więcej kilometrów na 1 kg CNG niż na litrze benzyny czy ON. Gaz ziemny jest też bardziej ekologiczny, ponieważ zawiera niewiele węgla, a to przekłada się na nie-wielką zawartość dwutlenku węgla w spalinach. W przeciwieństwie do diesla, auto jeż-dżące na CNG, nie wydziela też sadzy. Co więcej, zagrożenie wybuchem jest w przypadku CNG bardzo niewielkie ze względu na jego wysoką temperaturę samozapłonu (537oC) oraz na fakt, że w razie wycieku na-tychmiast ulega on rozproszeniu. Jest to istotne, gdyż gwarantuje możliwość wjazdu na parkingi podziemne – pojazdy z LPG często nie mogą wjeżdżać do takich obiektów. Zalety CNG jako paliwa

niska emisja zanieczyszczeń za względu na małą zawartość procentową węgla (główny składnik to metan, CH4)

spalanie przebiega wolniej, silnik pracuje ciszej niż na benzynie czy ON w razie rozszczelnienia butli lub instalacji gaz szybko ulega rozproszeniu (nie

rozlewa się jak benzyna i nie zalega przy ziemi jak LPG) wysoka temperatura samozapłonu (dla CNG 537 °C, dla benzyny 340 °C, dla ON

270 °C) w pełni hermetyczna instalacja tankowania oraz składowania, brak emisji opa-

rów gazu do atmosfery w sprzedaży dostępne są auta z zamontowaną fabrycznie instalacją CNG, instala-

cję do auta dobiera producent, dostosowując do tego rodzaju zasilania sterownik wtrysku oraz silnik; butle o znacznej pojemności zwykle są umieszczone pod podwoziem, nie ograniczając funkcjonalności pojazdu

najwyższa liczba oktanowa wśród paliw silnikowych – 110 do 120 najwyższa wartość opałowa wśród paliw silnikowych, dla CNG 55,5 MJ/kg, dla

benzyny 45 MJ/kg znaczna oszczędność na paliwie nawet dla silnika z zapłonem samoczynnym nie jest produkowany z ropy naftowej brak wpływu stacji tankowania na jakość gazu – pochodzi on bezpośrednio

z miejskiego gazociągu średniego ciśnienia, a nie ze zbiorników danej stacji gaz ziemny jest dostarczany do stacji za pomocą gazociągu miejskiego, brak ko-

nieczności transportu CNG autocysternami

Zasadnicze problemy przy zasilaniu CNG polegają na:

konieczności instalacji butli wysokociśnieniowych do 20 MPa, ciężkich stalowych lub drogich kompozytowych

http://autokult.pl/2011/05/28/liczba-oktanowa-paliwa-co-wlasciwie-okresla

http://autokult.pl/2012/04/18/spaliny-silnikow-co-zawieraja-i-jak-to-wplywa-na-czlowieka-2

http://autokult.pl/2011/03/23/filtry-czastek-stalych-dpffap-czesc-2

http://autokult.pl/2012/10/02/rosja-doprowadzi-do-duzego-wzrostu-cen-autogazu

http://pl.wikipedia.org/wiki/W%C4%99giel_(pierwiastek)

http://pl.wikipedia.org/wiki/Temperatura_samozap%C5%82onu

http://pl.wikipedia.org/wiki/Sterownik_wtrysku

http://pl.wikipedia.org/wiki/Sterownik_wtrysku

http://pl.wikipedia.org/wiki/Liczba_oktanowa

http://pl.wikipedia.org/wiki/Silnik_o_zap%C5%82onie_samoczynnym

http://pl.wikipedia.org/wiki/Ropa_naftowa

11

konieczności sprężania gazu przez stację tankowania do bardzo wysokiego ci-śnienia

w przypadku silników z zapłonem samoczynnym – dostosowanie ich do zasilania CNG wymaga zabudowania iskrowego układu zapłonowego lub wtryskiwania niewielkiej dawki ON do komory spalania z jednoczesnym wtryskiem CNG do ko-lektora dolotowego

stosunkowo małej sieci stacji tankowania CNG w Polsce, znacznie mniejszej niż LPG

większej objętości zajmowanej przez CNG niż ma to miejsce dla benzyny czy LPG, ilość sprężonego gazu równoważna litrowi benzyny lub 1,3 l LPG zajmuje ponad 4 l.

Documents

Mechanik samochodowy. Silniki